Инверторы применяются для получения переменного напряжения 220В частотой 50Гц или 400Гц из постоянного напряжения аккумуляторной батареи. Проектируя инвертор на определённую выходную мощность, разработчик выбирает его входное напряжение в зависимости от входных токов, с учётом КПД (около 80%).
Минимальное входное напряжение для инверторов - 12 Вольт (обычно применяются в легковых автомобилях). Поэтому уровень максимальной выходной мощности, для этого класса инверторов, единицы кило Ватт. Для получения 1000 Вт на выходе 12VDC/AC инвертора, его нужно запитать напрямую от 12В аккумулятора током в 100 Ампер, применив кабель сечением 16 квадратных миллиметров. Такую силу тока в течении длительного времени могут дать только мощный генератор запущенного двигателя автомобиля в паре с отдельной от стартерной ёмкой АКБ, порядка 200Ач. По этой причине разработчик поднимает входное напряжение до 24В и выше, тем самым уменьшая входной ток и сечение проводников. Это позволяет в дизельных грузовиках, где бортовое напряжение 24В и две стартерные батареи по 190Ач, запитать СВЧ печь в полевых условиях, правда при работающем двигателе.
DC/AC инвертор - устройство, преобразующее постоянный ток (12В, 24В, 48В, 60В, 110В, 220В) в переменный - важная составляющая в цепи систем бесперебойного питания с двойным преобразованием On-Line типа. Кроме этого, инверторы применяются и самостоятельно, для электропитания электронной аппаратуры и средств связи переменным стабилизированным напряжением, как однофазным 220В 50Гц, так и трёхфазным 380В с соответственным электронным, быстродействующим байпасом. Есть специальные инверторы на 115В 400Hz Герц. Востребованы инверторы в телекоммуникациях, автоматике, энергетике, нефтегазовой и химической промышленности, на железнодорожном транспорте и в других отраслях.
Компания "Оникс-Лайн" предлагает к продаже широкий выбор инверторов отечественного производства, среди которых Инверторы "Форпост" с встроенным байпасом, который синхронизирует и синхрофазирует переключение нагрузки с выхода инвертора на основную сеть переменного тока. Для удобства пользователя инвертор снабжен световой сигнализацией, переключающейся при возникновении неполадок из нормального режима в аварийный. Этот надежный в обращении прибор имеет встроенную защиту от неправильной полярности входного напряжения, от перегрева, от короткого замыкания на выходе и т.д.
Инверторы "Штиль" PS предназначены для качественного электропитания оборудования связи и телекоммуникаций. Отличаются удобным интерфейсом и компактными габаритами. Преимущества инверторов "Штиль": широкий диапазон входного напряжения, стабилизированное напряжение на выходе, значительная перегрузочная способность, принудительное охлаждение от перегрева, пониженная шумность и плавный пуск.
Кроме этого, при применении в системах связи инверторы "Штиль" обладают дополнительными преимуществами. Так, уровень помех, выдаваемых работающим прибором в цепи постоянного тока, удовлетворяет требованиям Мининформсвязи.
Инверторы "ММП-Ирбис" отличаются от аналогов активным делением токов без наличия внешнего контроллера, выводом состояния инвертора на сухие контакты, а также возможностью экстренной, горячей замены.
Инверторы "ПромСвязьДизайн" ИЦ. Характерная особенность данного оборудования - сложное цифровое устройство. Инверторы "ПромСвязьДизайн" ИЦ предназначены для электропитания, в том числе, ламп системы освещения мачт. Отличительная особенность данных устройств - наличие двух видов нормальной и аварийной сигнализаций - местной и дистанционной.
Инверторы "Связь Инжиниринг" ИН применяются для подачи электропитания от ИБП7 с напряжением 24 - 60В. Данные изделия могут работать в параллель до 30 шт. При возникновении неполадок, инверторы допускают экстренную замену оборудования без обесточивания цепи.
Импульсные преобразователи и силовая электроника в целом, всегда оставались чем-то сакральным для большинства любителей и профессионалов в области разработки электроники. В статье освещается пожалуй самая интересная тема в среде DIY-щиков и фанатов альтернативной энергетики - формирование синусоидального напряжения/тока из постоянного.
Думаю многие из вас наверняка видели рекламу, либо читали статьи, где была фраза «чистый синус». Вот именно о нем и пойдет речь, но не о маркетинговой составляющей, а о исключительно технической реализации. Я постараюсь максимально понятно рассказать о самих принципах работы, о стандартных (и не очень) схемотехнических решениях и самое главное - напишем и разберем ПО для микроконтроллера STM32, которое и сформирует нам необходимые сигналы.
Почему STM32? Да потому, что сейчас это самый популярный МК в СНГ: по ним много обучающей русскоязычной информации, есть куча примеров, а главное эти МК и средства отладки для них - очень дешевые. Скажу прямо - в коммерческом проекте я бы поставил только TMS320F28035 или подобный DSP из серии Piccolo от TI, но это уже совсем другая история.
Важно одно - STM32 позволяет стабильно управлять простыми «бытовыми» силовыми преобразователями от которых не зависит судьба мира работа какой-нибудь АЭС или ЦОДа.
Вот такую картину управляющих сигналов необходимо получить, чтобы превратить ток постоянный в переменный. И да - тут именно синус! Как в том фильме: «Видишь суслика? - Нет. - А он есть...»
Интересно узнать каким образом формируется синус? Хочется узнать как все-таки качают нефть киловатты энергии? Тогда добро пожаловать под кат!
1. Топологии для формирования синусоидального сигнала
Если спросить у толпы электронщиков: «Как можно сформировать синусоидальный сигнал?», то посыпятся предложения с десятком различных методов, но какой нужен нам? Давайте оттолкнемся от изначальной задачи - нам нужно превратить, например, 380В 10А в переменное напряжение 230В. В общем это «классический» случай, его мы можете увидеть в любом хорошем on-line UPS или инверторе. Получается нам надо преобразовать мощность около 4 кВт да еще и с хорошим КПД, не слабо, да? Я думаю подобное условие поубавит количество вариантов «рисования» синуса. Так что же нам остается?В силовых преобразователях до 6-10 кВт применяется две основные топологии: полный мост и «полумост» со сквозной нейтралью. Выглядят они следующим образом :
1) Топология со сквозной нейтралью
Данная топология очень чаще всего встречается в бюджетных ИБП с синусом на выходе, хотя и такие авторитеты как APC и GE не брезгуют применять ее даже на достаточно больших мощностях. Что же их побуждает к этому? Давайте рассмотрим достоинства и недостатки данной топологии.
Плюсы:
- Минимально возможное количество силовых транзисторов, а значит потери в 2 раза меньши и стоимость устройства тоже ниже
- Сквозной ноль. Это упрощает процесс сертификации, особенно CE и ATEX. Связано это с тем, что сквозной ноль позволяет системам защиты по входу (например, УЗО) срабатывать так же при возникновение аварии в выходных цепях после преобразователя
- Простая топология, что позволяем максимально уменьшить стоимость изделия при мелко-
и средне серийном производстве
Минусы:
- Необходимость двухполярного источника питания. Как видите на схему инвертора надо подавать ±380В и еще ноль
- Удвоенное количество высоковольтных конденсаторов. Высоковольтные конденсаторы большой емкости и с малым ESR на мощностях от 3-4 кВт начинают составлять от 20 до 40%
стоимости компонентов - Применение электролитических конденсаторов в «делителе». Они сохнут, подобрать конденсаторы с одинаковыми параметрами практически нереально, а если учесть, что параметры электролитов меняются в процессе эксплуатации, то и бессмысленно. Заменить на пленку можно, но дорого
2) Мостовая топология
Мостовая топология… наверное самая понятная и самая распространенная топология в силовых преобразователях, а главное доступная разработчикам даже с небольшим опытом. После 10 кВт вы не встретите ничего другого кроме моста одно- или трехфазного. За что же его так любят?
Плюсы:
- Очень высокая надежность. Она в основном обусловлена качеством системы управления силовыми транзисторами и не зависит от деградации компонентов
- Входная емкость требуется в разы, а то и на порядок меньше. Необходимо лишь обеспечить расчетное значение ESR. Это позволяет использовать пленочные конденсаторы при сохранение себестоимости. Пленочные конденсаторы - не сохнут, лучше ведут в суровых температурах, рабочий ресурс на порядок выше, чем у электролитов
- Минимальные пульсации напряжения на транзисторах, а значит можно применить транзисторы на меньшее напряжение
- Простота и понятность алгоритмов работы. Это приводит к значительному уменьшению времени на разработку изделия, а также на его пуско-наладочные работы
Минусы:
- Увеличенное количество силовых транзисторов, а значит необходимо более серьезное охлаждение. Увеличение цены на транзисторах, но за счет меньшего количества конденсаторов это скорее даже плюс
- Повышенная сложность драйвера, особенно при требованиях к наличию гальванической развязки
В 70% случаев мне приходится применять мостовую схему не только в DC/AC инверторах, но и в других преобразователях. Это связано с тем, что проектирую в основном промышленные решения и все чаще для европейских заказчиков, а там принято на дорогие промышленные устройства давать гарантию 5-15 лет. Классическое требование: «Хотим железку, чтобы можно было давать гарантию 10 лет», тут уже выбирать не приходится. Конечно, когда люди хотят устройство с минимальной ценой, то тут необходимо уже отталкиваться от конкретной задачи при выборе топологии.
Небольшой итог : в данной статье будет приведено ПО для работы мостового преобразователя (Н-мост или Full Bridge), но сам принцип формирования синуса одинаковый для всех топологий. Код можно будет также адаптировать и под 1-ю топологию, но это вы уже сами.
2. Формирование переменного тока с помощью мостового преобразователя
Для начала давайте разберем как вообще работает мостовой преобразователь. Смотрим на схемку и видим транзисторы VT1-VT4. Они позволяют нам подавать на нашу абстрактную нагрузку (резистор, например) тот или иной потенциал. Если мы откроем транзисторы VT1 и VT4, то получится следующее: VT4 один конец нагрузки подключит к минусу (GND), а транзистор VT1 подключит к +380В, на нагрузке появится разность потенциалов «380В - 0В», которая не равна нулю, а значит через нагрузку начнет протекать ток. Я думаю все помнят, что ученые договорились - ток протекает «от плюса к минусу». Получаем такую картину:
Что мы получили открыв VT1 и VT4? Мы подключили нашу нагрузку к сети! Если резистор заменить на лампочку, то он она бы просто загорелась. И еще мы не просто включили нагрузку, а определили направление тока, протекающего через нее. Это очень важно! А что было в это время с VT2 и VT3? Они были закрыты… совсем… намертво… Что будет если все таки VT2 или VT3 были так же открыты? Смотрим:
Предположим, что открылись транзисторы VT1, VT4 и VT2. Вспоминаем закон Ома, смотрим сопротивление канала у высоковольтных транзисторов, например, IPP60R099P7XKSA1 и видим 0.1 Ом, у нас их 2 последовательно - значит сопротивление цепи VT1 и VT2 у нас около 0.2 Ом. Теперь посчитаем ток, которые пойдет через эту цепь: 380В / 0.2 Ом = 1900А. Думаю всем понятно, что это КЗ? Так же думаю всем понятно почему VT2 и VT3 должны быть закрыты?
Данный «феномен» называется - сквозной ток . И именно с ним идет большая война в силовой электронике. Как его избежать? Создать систему управления, алгоритм которой будет жестко запрещать одновременной открытие лишнего транзистора.
Зачем же нужны тогда транзисторы VT2 и VT3? Помните я писал, что очень важно направление тока? Давайте вспомнит что такое переменные ток. Собственно это ток, который имеет что-то переменное, в данном случае направление тока. У нас в розетке протекает ток, который меняет свое направление 100 раз в секунду. Давайте теперь закроем VT1 и VT4, а затем откроем транзисторы VT2 и VT3 и получим такую картину:
Как видите направление тока (обозначено стрелками) изменилось на противоположное. Использование моста позволило нам менять направление тока, о чем это говорит? Да, мы получили переменный ток!
Прошу обратить внимание, что у моста есть как бы 2 диагонали: первая диагональ образована VT1+VT4, а вторая диагональ образована с помощью VT2+VT3. Данные диагонали работают по очереди, коммутирую ток сначала в одну сторону, а потом в другую.
Вот мы получили переменный ток, скажите вы, но не все так просто… У нас есть стандарт - сетевое напряжение. Оно нормируется двумя основными параметрами: напряжение и частота. Давайте пока разберемся с частотой, ибо вопрос напряжения простой и чисто схемотехнический.
И так частота… что о ней известно - она 50 Гц (бывает 60Гц в Штатах). Период сигнала равен 20 мс. Синусоида штука симметричная в данном случае, а значит наши 2 полуволны (положительная и отрицательная) имеют одинаковую длительность, то есть 10 мс + 10 мс. Надеюсь тут все понятно.
Что это значит в физическом смысле? Да то, что нам нужно менять направление тока в нагрузке каждые 10 мс. Получаем, что сначала у нас открыта 10 мс диагональ VT1+VT4, а затем она закрывается и на следующие 10 мс открывается диагональ VT2+VT3.
Что значит открыть транзистор и какой сигнал на него подавать
Давайте отвлечемся немного на принцип управления транзисторами. Я использую полевые N-канальные транзисторы с изолированным затвором (Mosfet).
«Открытый транзистор» - это транзистор, на затвор (G) которого подали положительный потенциал (+10..18В) относительно истока (S) и транзистор изменил сопротивление канала (S-D) с бесконечно большого (2-100 МОм) на малое (обычно 0.1 - 1 Ом). То есть транзистор начал проводить ток.
«Закрытый транзистор» - это транзистор, затвор (G) которого подтянули к истоку (S) и его сопротивление изменилось с маленького до бесконечно большого. То есть транзистор перестал проводить ток.
Для лучше ознакомления с принципом работы полевого транзистора или IGBT - советую вам прочитать пару глав в книге Семенова «Основы силовой электроники» или другой источник, можно и википедию для начала.
Для управления мы подаем сигнал с Широтно-Импульсной Модуляцией или более привычная аббревиатура - ШИМ. Особенность данного сигнала в том, что у него есть 2 состояния: нижнее напряжение (GND) и верхнее напряжение (VCC), то есть подавая его на затвор транзистора мы или открываем его или закрываем - иного не дано. Про ШИМ тоже советую почитать дополнительно, ибо я вам описал для ленивых поверхностно.
И так, для того, чтобы у нас мост менял направление тока каждые 10 мс нам нужно подать на него ШИМ сигнал, период которого равен 20 мс, а скважность 50%. Это значит, что у нас из 20 мс плечо половину времени (10 мс) открыто и проводит ток, а другую половину закрыто. Подавать такой ШИМ нам надо на все ключи, но с одним условием - на диагональ VT1+VT4 мы подаем прямой ШИМ, а на диагональ VT2+VT3 уже инверсный. Если говорить более по-умному, то сигнал, подаваемый на диагонали должен иметь сдвиг 180 0 . Я думаю в этот момент у вас голова закипела в попытках понять текст, поэтому смотрим на его визуальное представление:
Теперь все понятно? Нет? Тогда подробнее… Как видите я отметил специально моменты открытия и закрытия транзисторов: открываются на «плюсе» и закрываются на «минусе». Также сигналы противоположны, то есть инверсные: когда синий сигнал «плюс», то зеленый сигнал «минус». Синий сигнал мы подаем на один на одну диагональ, а зеленый сигнал на другую - как видно на осциллограмме, наши диагонали никогда не открываются одновременно. Переменный ток готов!
Смотри на период. Специально показал осциллограмму с выходов контроллера, чтобы мои слова не были абстракцией. Период сигнала составляет 20 мс, одна диагональ открыта 10 мс и создает положительную полуволну, другая диагональ так же открывается на 10 мс и создает уже отрицательную полуволну. Теперь надеюсь всем понятно, а кто и сейчас не понял - пишите в ЛС, проведу для вас индивидуальное занятие на пальцах. В подтверждение моих слов осциллограмма показывает наши заветные 50 Гц! Только расслабляться рано…
Мы получили переменный ток с частотой 50 Гц, но в розетке у нас синусода, а тут меандр - не дело. Формально можно подавать меандр на выход и питать им большинство нагрузок, например, импульсному блоку питанию все равно: синус или меандр. То есть для включения ноутбуков, телефонов, телевизоров, телефонов и прочего вам уже хватит, но если вы подключите двигатель переменного тока, то все будет очень плохо - он начнет греться и КПД его ощутимо меньше, а в итоге скорее всего сгорит. Вы думаете у вас нет двигателей дома? А компрессор холодильника? А циркулярный насос отопления? Последние вообще горят как будто из дерева сделаны. Такая же ситуация с глубинными насосами для скважин, да и вообще много с чем. Получается, что синусоидальный сигнал на выходе инвертора, стабилизатора или ИБП все таки бывает важен. Что же - надо его создать! Сейчас начнется совсем взрыв мозга…
3. Формирование синусоидальной формы сигнала с помощью ШИМ
Если говорить откровенно, то я не знаю как данный раздел преподнести на доступном языке. Вдруг кто не поймет, то прошу вас или погуглить дополнительно, или написать в комментарии или ЛС - попытаюсь персонально вам объяснить. Глаза боятся, а руки делают…Давайте посмотрим как выглядит обычный график синуса:
Видим 2 оси: одна ось с периодом пи, пи/2 и далее, вторая с амплитудой от -1 до +1. В нашей задаче период измеряется в секундах и составляет 20 мс или 10 мс на каждую полуволну. Тут все просто и понятно, а вот с амплитудой веселее - просто примите как аксиому, что амплитуда у нас от 0 до 1000. Это значение скважности, которую устанавливает микроконтроллер, то есть 100 - это 10%, 500 - 50%, 900 - 90%. Логика думаю понятна. В следующей главе вы поймете почему от 0 до 1000, а пока перестроим наш график под наши значения:
Вот так выглядит график синуса курильщика, который соответствует нашей задачи. Как видите отрицательный полупериод я не обозначил, т.к. у нас он реализуется не с помощью синусоидального сигнала, а с помощью изменения направления тока переключением диагоналей моста.
По оси Х у нас время, а по оси Y скважность нашего ШИМ-сигнала. Нам нужно нарисовать синус с помощью ШИМа. Вспоминаем геометрию в школе, как мы строили графики? Правильно, по точкам! А сколько точек? Давайте построим синус по нескольким точкам О1(0,0) + О2(5,1000) + О3(10,0) + О4(15, -1000) + О5(20, 0) и получаем такой синус:
Построили и видим, что в принципе данный сигнал больше похож на синус чем обычный меандр, но это все равно не синус пока что. Давайте увеличим количество точек. Это кстати называется «дискретность сигнала» или в данном случае «дискретность ШИМа». А как узнать координаты этих точек? С крайними то просто было…
Расчет значений для формирования синуса
Как выше я говорил - синус у нас вполне себе симметричный. Если мы построим 1/4 периода, то есть от 0 до 5 мс, то дублируя этот кусок дальше - мы можем строить синус бесконечно долго. И так формула:
И так по порядку:
- n - значение скважности в данной дискретной точке
- A - амплитуда сигнала, то есть максимальное значение скважности. У нас это 1000
- pi/2 - 1/4 периода синуса попадает в pi/2, если считаем 1/2 периода, то pi
- x - номер шага
- N - количество точек
Получаем шаг дискретизации 1 мс. Формулу для вычисления скважности оформим, например, в excel и получим следующую таблицу:
Теперь вернется к нашему графику синуса и построим его снова, но уже для большего количества точек и посмотрим как он изменится:
Как видим сигнал куда больше похож на синус, даже с учетом моего мастерства в рисовании, а точнее в уровне лени)) Я думаю результат не требует объяснений? По результатам построения выведем аксиому:
Чем больше точек, чем выше дискретизация сигнала, тем идеальнее форма синусоидального сигнала
И так, сколько же точек будем использовать… Понятно, что чем больше, тем лучше. Как посчитать:
- Использую для статьи старенький микроконтроллер STM32F100RBT6 (отладка STM32VL-Discovery), его частота 24 МГц.
- Считаем сколько тактов будет длиться период 20 мс: 24 000 000 Гц / 50 Гц = 480 000 тиков
- Значит половина периода длится 240 000 тиков, что соответствует частоте 24 кГц. Хотите повысить несущую частоту - берите камень шустрее. 24 кГц наши уши все таки услышат, но для тестов или железки, стоящей в подвале пойдет. Чуть позже я планирую перенести на F103C8T6, а там уже 72 МГц.
- 240 000 тиков… Тут логично напрашивается 240 точек на половину периода. Таймер будет обновлять значение скважности каждые 1000 тиков или каждые 41,6 мкс
Исходник таблицы и значений можно взять по ссылке - .
4. Управление мостовым преобразователем для формирования синуса
Мы получили таблицу синуса и что с ней делать? Нужно передавать эти значения с определенным шагом дискретизации, который у нас известен. Все начинается с того, что таймер инициализировался - время 0, скважность ноль. Далее мы отсчитываем шаг дискретизации 41,66 мкс и записываем в таймер значение ШИМа из таблицы 13 (0,13%), отсчитываем еще 41,66 мкс и записываем 26 (0,26%) и так далее все 240 значений. Почему 240? У нас 120 шагов на 1/4 периода, а нам надо нарисовать 1/2 периода. Значения скважности те же, только после того как они достигли 1000 мы записываем ее в обратной последовательность и получаем спад синуса. На выходе мы будем иметь вот такую осциллограмму:
Как видите мы получили кучу значений ШИМа в четко заданном периоде и его длительность составляет: 240 шагов х 41,66(!) мкс = 9998,4 мкс = 9,9984 мс ~ 10 мс. Мы получили половину периода для частоты сети 50 Гц. Сигнала как видите опять два и они в противофазе, как раз то, что нужно для управления диагоналями моста. Но позвольте, где же синус спросите вы? Настал момент истины! Давайте теперь сигнал с выхода микроконтроллера подадим на ФНЧ, я сделал простой ФНЧ на RC-цепочки с номиналами 1,5 кОм и 0,33 мкФ (под рукой просто были) и получил такой результат:
Вуаля! Вот он наш долгожданный синус! Красный луч осциллографа - это сигнал до ФНЧ, а желтый луч - сигнал уже после фильтрации. ФНЧ обрезал все частоты выше 321 Гц. У нас остался основной сигнал 50 Гц, ну и конечно его гармоники с небольшой амплитудой. Если хотите идеально очистить сигнал, то сделайте ФНЧ с частотой среза около 55-60 Гц, но пока это не важно, нам надо было лишь проверить получился ли у нас синус или нет. Кстати… у меня синхронизация осциллографа включена по желтому лучу (стрелка справа экрана) и мы видим внизу экрана его частоту - идеальные 50 Гц. Что еще можно пожелать? Пожалуй все, осталось определиться какой сигнал и куда подавать. Давайте рассмотрим такую картинку:
Если вы обратите на саааамую первую осциллограмму в статье, то увидите, что сигнал в желтом и синем лучше имеют одинаковую фазу, то есть они в одно время становятся положительными и открывают транзисторы. Эти 2 сигнала открывают диагональ VT1+VT4. Соответственно 2 других сигнала так же имеют одинаковую фазу и открывают другую диагональ. Теперь мы не просто меняем направление тока, но и задаем амплитуду с помощью ШИМ таким образом, чтобы она изменялась по синусоидальному закону. Теперь рассмотрим эту же схемку, но уже с токами:
Как видим ток через нагрузку протекает в противоположную сторону, меняя направление с частотой 50 Гц, а модулированный ШИМ, подаваемый на транзисторы VT1 и VT2 позволяет нарисовать синусоидальную форму сигнала на полуволнах.
ФНЧ (фильтр низкой частоты) выполнен на индуктивности L1 и конденсаторе C2. Частоту среза для данного фильтра советую считать менее 100 Гц, это позволит минимизировать пульсации напряжения по выходу.
На десерт покажу часть схемы реального устройства с подобной топологией и фильтром, она большая, поэтому скачиваем PDF-ку .
5. Борьба со сквозными токами
Я думаю не для кого не секрет, что нет ничего идеального? Тоже самое и с Mosfet-ами, у них есть ряд недостатков и мы рассмотрим один из них - большая емкость затвора. То есть, чтобы нам открыть транзистор надо не просто подать напряжение, но и этим самым напряжением зарядить конденсатор, поэтому фронт и спад сигнала затягивается. Это приводит к тому, что на границе сигналов может возникать момент времени, когда один транзистор еще полностью не закрылся, а другой уже начал открываться.Подробнее о данном явление советую почитать, например, в этой статье . Я лишь расскажу как с ним бороться. Чтобы транзисторы успели нормально закрыться до открытия следующего плеча между управляющими сигналами вводят dead-time или проще говоря - временную задержку. У нас такая задержка будет введена между управляющими сигналами на транзисторах VT3 и VT4, т.к. именно они обеспечивают коммутацию полуволн. На транзисторах с модулируемым ШИМом (VT1 и VT2) такие задержки уже есть - синус начинается со скважности 0% и заканчивается тоже 0%. Эта задержка длиной в 1 шаг дискретизации, то есть 41.6 мкс.
И так - надо реализовать мертвое время между синим и зеленым лучом/сигналом. На любом контроллере такую задержку можно сделать программным способом, но это не есть хорошо - программа подвиснет или задержится и пыщ-пыщ ваше устройство и квартира уже объяты огнем. Поэтому в силовой электронике стоит применять только аппаратные средства. На всех специализированных motor control аппаратный deadtime предусмотрен на всех выходах ШИМа и каналах, но STM32 это все таки МК общего назначения, поэтому тут все проще, но нашу функцию он выполнит.
Нам понадобится таймер TIM1, только он умеет вставлять аппаратную задержку между сигналами, в разделе про написание ПО я расскажу как это сделать, а сейчас смотрим на результат и на то, что вообще должно быть:
Чтобы увидеть задержку «растягиваем» сигнал на осциллографе, т.к. он имеет небольшую длительность около 300 нс. Необходимое время длительности deadtime необходимо рассчитывать для каждой конкретной задачи, чтобы защитить транзисторы от сквозных токов. Длительность задержки настраивается при иннициализации (настройке) таймера TIM1. Данная задержка присутствует и на фронте и на спаде сигнала.
6. Написание встроенного ПО для микроконтроллера STM32
Вот мы и подошли наверное к самой важной и интересной части. Физику процесса мы разобрали, принцип работы вроде понятен, необходимый минимум защит тоже определен - осталось только все это реализовать в реальном железе. Для этого я использую платку STM32VL-Discovery, получил ее кстати еще в 2011 году во времена, когда ST раздавали отладки бесплатно на своих конференциях и с тех пор она лежала запакованная - открыл упаковку всего пару месяцев назад, вроде срок годности не прошел))) Выглядит мой «стенд» для написание кода вот так:
Теперь пройдемся по подключению. Так как мне необходимо формировать два сигнала с разной частотой, то пришлось задействовать выходы ШИМ на разных таймерах. TIM1 формирует сигнал, который задает основную частоту 50 Гц и подает их на транзисторы VT3 и VT4. Используется канал ШИМа №3 + его комплементарный выход. Да да, в STM32 аппаратный deadtime можно настроить только между обычным и комплементарным выходом одного канала, что мне сильно не понравилось. Сам процесс формированию синуса передан таймеру TIM2, тут уже не нужна задержка (ранее писал почему) и он вполне сгодится для формирование модулированного сигнала на VT1 и VT2.
Используемые выходы:
- PA10 - обычный выход ШИМ, канал №3 таймера TIM1, который генерирует 50 Гц на транзистор VT3
- PB15 - комплементарный выход канала №3 таймера TIM1, который подается на транзистор VT4
- PA0 - выход ШИМ канала №1 таймера TIM2. Подает модулированный сигнал на VT1
- PA1 - выход ШИМ канала №2 таймера TIM2. Подает модулированный сигнал на VT2
Некоторые наверняка спросят: «А почему не задействовать DMA?» Сделать это можно и нужно, но данная статья носит скорее ознакомительный характер, да и сам МК не делает ничего сложного в плане вычислений, поэтому в производительность ядра тут точно не упереться. DMA - это хорошо, но без DMA можно обойтись без каких-либо потенциальных проблем. Давайте уточним, что нам нужно сделать в программе:
- Создать массив с нашими 240 точками синуса
- Настроить цепи тактирования на частоту 24 МГц, выбрав источник внешний кварцевый резонатор
- Настроить таймер TIM1 на генерацию ШИМ 50 Гц с включенным deadtime
- Настроить TIM2 на генерацию ШИМ с несущей частотой 24 кГц
- Настроить таймер TIM6, который генерирует прерывания с частотой 24 кГц. В нем мы будем отправлять следующее значение скважности из таблицы в таймер TIM2, а также чередовать генерацию полуволн
6.1. Создание таблицы синуса
Тут все просто, обычный массив. Единственное, что стоит помнить - у нас 120 точек от 0 до 1000. Нам нужно добавить в таблицу еще 120 точек, но в обратной последовательности:Uint16_t sin_data = {13,26,39,52,65,78,91,104,117,130,143,156,169,182,195,207,220,233,246,258, 271,284,296,309,321,333,346,358,370,382,394,406,418,430,442,453,465,477,488,500, 511,522,533,544,555,566,577,587,598,608,619,629,639,649,659,669,678,688,697,707, 716,725,734,743,751,760,768,777,785,793,801,809,816,824,831,838,845,852,859,866, 872,878,884,891,896,902,908,913,918,923,928,933,938,942,946,951,955,958,962,965, 969,972,975,978,980,983,985,987,989,991,993,994,995,996,997,998,999,999,999,1000, 999,999,999,998,997,996,995,994,993,991,989,987,985,983,980,978,975,972,969,965, 962,958,955,951,946,942,938,933,928,923,918,913,908,902,896,891,884,878,872,866, 859,852,845,838,831,824,816,809,801,793,785,777,768,760,751,743,734,725,716,707, 697,688,678,669,659,649,639,629,619,608,598,587,577,566,555,544,533,522,511,500, 488,477,465,453,442,430,418,406,394,382,370,358,346,333,321,309,296,284,271,258, 246,233,220,207,195,182,169,156,143,130,117,104,91,78,65,52,39,26,13};
6.2. Настройка системы тактирования
Настройка тактирования в STM32 весьма гибкая и удобная, но есть несколько нюансов. Сама последовательность выглядит следующим образом:1) Переключаемся на тактирование от встроенной RC-цепочки (HSI) на внешний кварц (HSE), дальше ждем флага о готовности
RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON); // Enable HSE
while (!(RCC->CR & RCC_CR_HSERDY)); // Ready start HSE
2) Flash память контроллера работает несколько медленнее, чем ядро для этого настраиваем тактирование флеши. Если этого не сделать, то программа запустится, но будет периодически падать: пара кВт и нестабильное ПО - вещи несовместимые.
FLASH->ACR = FLASH_ACR_PRFTBE | FLASH_ACR_LATENCY; // Cloclk Flash memory
3) Выставляем делители для системной шины тактирования (AHB) и для шин периферии, коих аж две штуки: APB1 и APB2. Нам нужна максимальная частота, поэтому ничего не делим и коэффициенты деления делаем равными 1.
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_HPRE_DIV1; // AHB = SYSCLK/1
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE1_DIV1; // APB1 = HCLK/1
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE2_DIV1; // APB2 = HCLK/1
4) Настраиваем множитель частоты (PLL) предделитель, который стоит перед ним и делит частоту кварца на 2. Получаем, что 8 МГц поделили на 2 и получили 4 МГц. Теперь надо их умножить на 6, чтобы на выходе были 24 МГц. Перед записью регистров предварительно сотрем их содержимое на всякий случай.
RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_PLLMULL; // clear PLLMULL bits
RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_PLLSRC; // clearn PLLSRC bits
RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_PLLXTPRE; // clearn PLLXTPRE bits
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLSRC_PREDIV1; // source HSE
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLXTPRE_PREDIV1_Div2; // source HSE/2 = 4 MHz
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLMULL6; // PLL x6: clock = 4 MHz * 6 = 24 MHz
5) Теперь надо включить множитель частоты (PLL) и дождаться флага о готовности:
RCC->CR |= RCC_CR_PLLON; // enable PLL
while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0) {} // wait till PLL is ready
6) И наконец-то настраиваем источник тактирования для системной шины (AHB) выход нашего множителя частоты, на котором заветные 24 МГц. Предварительно содержимое регистра чистим, устанавливаем нужный бит и ждем флага готовности:
RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_SW; // clear SW bits
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_PLL; // select source SYSCLK = PLL
while((RCC->CFGR & RCC_CFGR_SWS) != RCC_CFGR_SWS_1) {} // wait till PLL is used
В итоге у нас получается вот такая функция настройки тактирования:
Void RCC_Init (void){ RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON); // Enable HSE while (!(RCC->CR & RCC_CR_HSERDY)); // Ready start HSE FLASH->ACR = FLASH_ACR_PRFTBE | FLASH_ACR_LATENCY; // Cloclk Flash memory RCC->CFGR |= RCC_CFGR_HPRE_DIV1; // AHB = SYSCLK/1 RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE1_DIV1; // APB1 = HCLK/1 RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE2_DIV1; // APB2 = HCLK/1 RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_PLLMULL; // clear PLLMULL bits RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_PLLSRC; // clearn PLLSRC bits RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_PLLXTPRE; // clearn PLLXTPRE bits RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLSRC_PREDIV1; // source HSE RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLXTPRE_PREDIV1_Div2; // source HSE/2 = 4 MHz RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLMULL6; // PLL x6: clock = 4 MHz * 6 = 24 MHz RCC->CR |= RCC_CR_PLLON; // enable PLL while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0) {} // wait till PLL is ready RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_SW; // clear SW bits RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_PLL; // select source SYSCLK = PLL while((RCC->CFGR & RCC_CFGR_SWS) != RCC_CFGR_SWS_1) {} // wait till PLL is used }
6.3. Настройка таймера TIM1 и «мертвого времени»
Я приведу общую настройку таймера, она подробно описана в reference manual - назначение каждого регистра советую почитать. Да и базовые статьи по работе с ШИМ в интернете есть. Сам код у меня весьма неплохо прокомментирован, поэтому привожу сразу код функции инициализации таймера TIM1, а самые интересные моменты разберем:Void PWM_50Hz_Init (void){
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_TIM1EN; // enable clock for TIM1
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN; // enable clock for port A
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN; // enable clock for port B
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_AFIOEN; // enable clock for alternative gpio
/****************************** Setting PA10 **************************************/
GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF10; // setting out alternative push-pull for PWM
GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_CNF10_1;
GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE10;
GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE10; // gpio speed 50 MHz
/***************************** Setting PB15 ***************************************/
GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF15; // setting complementary for CH3N
GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_CNF15_1;
GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE15;
GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_MODE15; // gpio speed 50 MHz
/************************** Config PWM channel ************************************/
TIM1->PSC = 480-1; // div for clock: F = SYSCLK /
TIM1->ARR = 1000; // count to 1000
TIM1->CR1 &= ~TIM_CR1_CKD; // div for dead-time: Tdts = 1/Fosc = 41.6 ns
TIM1->CCR3 = 500; // duty cycle 50%
TIM1->CCER |= TIM_CCER_CC3E | TIM_CCER_CC3NE; // enable PWM complementary out
TIM1->CCER &= ~TIM_CCER_CC3NP; // active high level: 0 - high, 1 - low
TIM1->CCMR2 &= ~TIM_CCMR2_OC3M;
TIM1->CCMR2 |= TIM_CCMR2_OC3M_2 | TIM_CCMR2_OC3M_1; // positiv PWM
TIM1->BDTR &= ~TIM_BDTR_DTG; // clear register
TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_DTG_2 | TIM_BDTR_DTG_1 | TIM_BDTR_DTG_0; // value dead-time
TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_MOE | TIM_BDTR_AOE; // enable generation output
/*******************************************************************************/
TIM1->CR1 &= ~TIM_CR1_DIR; // count up: 0 - up, 1 - down
TIM1->CR1 &= ~TIM_CR1_CMS; // aligned on the front signal
TIM1->
Скважность у нас фиксированная и никогда не изменяется, как и частота. Именно этот таймер задает время и последовательность работы диагоналей:
TIM1->CCR3 = 500; // duty cycle 50%
Длительность паузы «мертвого времени» зависит сильно от временной параметра TDTS, которое настраивается тут:
TIM1->CR1 &= ~TIM_CR1_CKD; // div for dead-time: Tdts = 1/Fosc = 41.6 ns
Его длительность составляет 1 тик тактовой частоты. Если посмотреть в reference manual, то можно увидеть, что биты CKD могут, например, сделать Tdts равным 2, 8 тикам и прочее.
Самое же время паузы устанавливается тут:
TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_DTG_2 | TIM_BDTR_DTG_1 | TIM_BDTR_DTG_0;
Если отроете reference manual RM0041, то увидите вот такие формулы для расчета DT. Как видите параметр Tdts там основнополагающий:
6.4. Настройка таймера TIM2, формирующий синус
Тут все еще проще, объяснять что-то в настройке наверно нет смысла, ибо комментарии и так избыточны. Если будут вопросы - жду их в комментариях.Void PWM_Sinus_Init (void){ RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN; // enable clock for TIM2 RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN; // enable clock for port A RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_AFIOEN; // enable clock for alternative gpio /****************************** Setting PA0 ***************************************/ GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF0; // setting out alternative push-pull for PWM1_CH1 GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_CNF0_1; GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_MODE0; GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_MODE0; // gpio speed 50 MHz /****************************** Setting PA1 ***************************************/ GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF1; // setting out alternative push-pull for PWM1_CH1 GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_CNF1_1; GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_MODE1; GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_MODE1; // gpio speed 50 MHz /*************************** Config PWM channel ***********************************/ TIM2->PSC = 0; // div for clock: F = SYSCLK / TIM2->ARR = 1000; // count to 1000 TIM2->CCR1 = 0; // duty cycle 0% TIM2->CCR2 = 0; // duty cycle 0% TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC1E; // enable PWM out to PA8 TIM2->CCER &= ~TIM_CCER_CC1P; // active high level: 0 - high, 1 - low TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC2E; // enable PWM complementary out to PA9 TIM2->CCER &= ~TIM_CCER_CC1P; // active high level: 0 - high, 1 - low TIM2->CCMR1 &= ~(TIM_CCMR1_OC1M | TIM_CCMR1_OC2M); TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_2 | TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC2M_2 | TIM_CCMR1_OC2M_1; // positiv PWM1_CH1 and PWM1_CH2 /*******************************************************************************/ TIM2->CR1 &= ~TIM_CR1_DIR; // count up: 0 - up, 1 - down TIM2->CR1 &= ~TIM_CR1_CMS; // aligned on the front signal: 00 - front; 01, 10, 11 - center TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // start count }
6.5. Настройка прерываний от таймера TIM6
Настраиваем сам таймер на частоту 24 кГц:Void TIM6_step_init (void){ RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM6EN; // enable clock for basic TIM6 TIM6->PSC = 1-1; // div, frequency 24 kHz TIM6->ARR = 1000; // count to 1000 TIM6->DIER |= TIM_DIER_UIE; // enable interrupt for timer TIM6->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // start count NVIC_EnableIRQ(TIM6_DAC_IRQn); // enable interrupt TIM6_DAC_IRQn }
6.6. Реализация основного алгоритма управления
Основные события происходят в генерируемом таймером TIM6 прерывании. Прерывание генерируется каждые 41,66 мкс, если помните это наш шаг дискретизации. Соответственно в прерывании записывается значение скважности из таблицы в регистр CCRx . Также в данном прерывании определяется какая диагональ в данный момент времени отрисовывается, путем инверсии флага sin_status после каждого полупериода. Мы выводим 240 точек, инвертируем флаг, что вызывает переход управления к другому каналу, когда уже и он отрисовал, то флаг опять инвертируется и все повторяется. Код основного алгоритма:Void TIM6_DAC_IRQHandler(void){ TIM6->SR &= ~TIM_SR_UIF; if(sin_status == 0){TIM2->CCR1 = sin_data;} if(sin_status == 1){TIM2->CCR2 = sin_data;} sin_step++; if(sin_step >= 240){ sin_step=0; sin_status = sin_status ? 0: 1; } }
Итоги
Скачиваем проект, компилируем и заливаем в ваш микроконтроллер и получаем рабочий инвертор. Вам остается только сделать мост и подавать на него сигналы:
Одну из своих схем моста я чуть ранее выложил в PDF-ке можете пользоваться сколько угодно, надеюсь она вам поможет в освоение силовой электроники.
Надеюсь статья вам понравилась. Если у вас возникли вопросы по применению данного кода в реальном железе, то буду рад ответить на них. Также прошу не воспринимать данный код как что-то готовое, это ядро преобразователя, которое реализует основную функцию. Все «плюшки» и прочую избыточность вы можете добавить сами. Голое ядро проекта позволит вам понять как оно работает и не тратить кучу времени на разборку кода.
Инвертор 12V/220V вещь на хозяйстве нужная. Иногда просто необходимая: сеть, допустим, пропала, а телефон разряжен и в холодильнике мясо. Спрос определяет предложение: за готовые модели на 1кВт и более, от которых можно запитывать любые электроприборы, придется выложить где-то от $150. Возможно, более $300. Однако сделать преобразователь напряжения своими руками в наше время дело доступное каждому, кто умеет паять: собрать его из готового набора компонент обойдется втрое-вчетверо дешевле + немного работы и металла из подручного хлама. Если есть для автомобильных аккумуляторных батарей (АКБ), можно уложиться вообще в 300-500 руб. А если имеются еще и начальные радиолюбительские навыки, то, порывшись в загашниках, вполне возможно сделать инвертор 12V DC/220V AC 50Hz на 500-1200 Вт вовсе даром. Рассмотрим возможные варианты.
Варианты: глобально
Преобразователь напряжения 12-220 В для питания нагрузки до 1000 Вт и более в целом можно сделать самостоятельно такими способами (в порядке повышения затрат):
- Оформить в корпус с теплоотводом готовый блок с Avito, Ebay или AliExpress. Ищется по запросу «inverter 220» или «inverter 12/220»; можно сразу добавить требуемую мощность. Обойдется прим. вдвое дешевле такого же заводского. Электротехнических навыков не нужно, но – см. ниже;
- Собрать такой же из набора: печатная плата + «россыпь» компонент. Приобретается там же, но к запросу добавляется diy, что значит под самосборку. Цена еще прим. в 1,5 раза ниже. Нужны начальные навыки в радиоэлектронике: пользоваться мультиметром, знание разводок (распиновок) выводов активных элементов или умение их искать, правил включения в схему полярных компонент (диодов, электролитических конденсаторов) и умение определять, на какой ток какого сечения нужны провода;
- Приспособить под инвертор компьютерный источник бесперебойного питания (ИБП, UPS). Исправный ИБП б/у без штатной АКБ можно найти за 300-500 руб. Навыков не нужно никаких – к ИБП просто подключается авто АКБ. Но заряжать ее придется отдельно, также см. ниже;
- Выбрать способ преобразования, схему (см. далее) сообразно своим потребностям и наличию деталей, рассчитать и собрать полностью самостоятельно. Возможно совсем даром, но кроме начальных электронных навыков понадобится умение пользоваться некоторыми специальными измерительными приборами (тоже см. далее) и производить простейшие инженерные расчеты.
Из готового модуля
Способы сборки по пп. 1 и 2 на самом деле не такие уж простые. Корпуса готовых заводских инверторов служат одновременно и теплоотводами для мощных транзисторных ключей внутри. Если брать «полуфабрикат» или «россыпь», то корпуса к ним не будет: при теперешней себестоимости электроники, ручного труда и цветных металлов разница в ценах объясняется как раз отсутствием второго и, возможно, третьего. Т.е., радиатор для мощных ключей придется делать самому или искать готовый алюминиевый. Его толщина в месте установки ключей должна быть от 4 мм, а площади на каждый ключ должно приходиться от 50 кв. см. на каждый кВт отдаваемой мощности; с обдувом от компьютерного вентилятора-кулера на 12 В 110-130 мА – от 30 кв. см*кВт*ключ.
Напр., в наборе (модуле) 2 ключа (их видно, они торчат из платы, см. слева на рис.); модули с ключами на радиаторе (справа на рис.) стоят дороже и рассчитаны на определенную, как правило, не очень большую мощность. Кулера нет, мощность нужна 1,5 кВт. Значит, нужен радиатор от 150 кв. см. Кроме него еще установочные комплекты для ключей: изолирующие теплопроводящие прокладки и фурнитура под крепежные винты – изолирующие чашечки и шайбы. Если модуль с теплозащитой (между ключами будет торчать еще какая-то фитюлька — термодатчик), то немного термопасты для приклеивания его к радиатору. Провода – само собой, см. далее.
Из ИБП (UPS)
Инвертор 12В DC/220 В AC 50 Гц, к которому можно подключать любые приборы в пределах допустимой мощности, делается из компьютерного ИБП совсем просто: штатные провода к «своей» АКБ заменяются длинными с зажимами под клеммы авто АКБ. Сечение проводов рассчитывается исходя из допустимой плотности тока 20-25 А/кв. мм, см. также далее. Но вот из-за нештатной батареи могут возникнуть проблемы – с нею же, а она дороже и нужнее преобразователя.
В ИБП применяются тоже свинцово-кислотные АКБ. Это на сегодня единственно широко доступный вторичный химический источник электропитания, способный регулярно отдавать большие токи (экстратоки), не «убиваясь» полностью за 10-15 циклов заряд-разряд. В авиации используются серебряно-цинковые АКБ, которые еще мощнее, но они чудовищно дороги, в широкий оборот не выпускаются, а их ресурс по бытовым меркам ничтожен – ок. 150 циклов.
Разряд кислотных АКБ четко отслеживается по напряжению на банку, и контроллер ИБП не даст «чужой» батарее разрядиться сверх меры. Но в штатных АКБ ИБП электролит гелевый, а в автоаккумуляторах жидкий. Режимы заряда в том и другом случае существенно отличаются: сквозь гель нельзя пропускать такие токи, как сквозь жидкость, а в жидком электролите при слишком малом токе заряда подвижность ионов будем мала и они не все вернутся на свои места в электродах. В результате ИБП будет хронически недозаряжать авто АКБ, она скоро засульфатируется и придет в полную негодность. Поэтому в комплект к инвертору на ИБП нужно зарядное устройство для аккумуляторов. Сделать его своими руками можно, но это уже другая тема.
Батарея и мощность
От АКБ зависит и пригодность преобразователя для той или иной цели. Повышающий инвертор напряжения не берет энергию для потребителей из «темной материи» Вселенной, черных дыр, духа святого или откуда-то еще просто так. Только – из АКБ. А от нее он возьмет мощность, отдаваемую потребителям, деленную на КПД самого преобразователя.
Если вы увидите на корпусе фирменного инвертора «6800W» или более – верьте глазам своим. Современная электроника позволяет поместить в объеме сигаретной пачки устройства и помощнее. Но, допустим, нам нужна мощность в нагрузке 1000 Вт, а в распоряжении есть обычный автоаккумулятор на 12 В 60 А/ч. Типовое значение КПД инвертора – 0,8. Значит, от батареи он возьмет ок. 100 А. На такой ток нужны и провода сечением от 5 кв. мм (см. выше), но не это тут главное.
Автолюбители знают: гонял стартер 20 мин – покупай новый аккумулятор. Правда, в новых машинах есть ограничители времени его работы, так что, возможно, и не знают. И точно не все знают, что стартер легковушки, раскрутившись, берет ток ок. 75 А (в течение 0,1-0,2 с при запуске – до 600 А). Простейший расчет – и выходит, что, если в инверторе нет автоматики, ограничивающей разряд батареи, то наша за 15 мин сядет полностью. Так что выбирайте или конструируйте свой преобразователь с учетом возможностей наличной АКБ.
Примечание: из этого следует огромное преимущество преобразователей 12/220 в на основе компьютерных ИБП – их контроллер не даст полностью посадить батарею.
Ресурс кислотных АКБ заметно не уменьшается, если они разряжаются 2-х часовым током (12 А для 60 А/ч, 24 А для 120 А/ч и 42 А для 210 А/ч). С учетом КПД преобразования это дает допустимую долговременную мощность нагрузки в прим. 120 Вт, 230 Вт и 400 Вт соотв. Для 10 мин. нагрузки (напр., для запитки электроинструмента) она может быть увеличена в 2,5 раза, но после этого АБК должна отдохнуть не менее 20 мин.
В целом итог получается не совсем уж плохой. Из обычного бытового электроинструмента только болгарка может брать 1000-1300 Вт. Остальные, как правило, обходятся мощностью до 400 Вт, а шуруповерты до 250 Вт. Холодильник от АКБ 12 В 60 А/ч через инвертор проработает 1,5-5 час; вполне достаточно, чтобы принять необходимые меры. Поэтому делать преобразователь на 1кВт для батареи 60 А/ч смысл имеет.
Что будет на выходе?
Преобразователи напряжения ради уменьшения массогабаритов устройства за редкими исключениями (см. далее) работают на повышенных частотах от сотен Гц до единиц и десятков кГц. Ток такой частоты не примет никакой потребитель, а потери его энергии в обычной проводке будут огромны. Поэтому инверторы 12-200 строятся под выходное напряжение след. видов:
- Постоянное выпрямленное 220 В (220V AC). Пригодны для питания телефонных зарядок, большинства источников питания (ИП) планшетов, ламп накаливания, люминесцентных экономок и светодиодных. На мощность от 150-250 Вт отлично подойдут для ручного электроинструмента: потребляемая им мощность на постоянном токе немного снижается, а крутящий момент возрастает. Непригодны для импульсных блоков питания (ИБП) телевизоров, компьютеров, ноутбуков, микроволновок и т.п. мощностью более 40-50 Вт: в таких обязательно есть т. наз. пусковой узел, для нормальной работы которого сетевое напряжение должно периодически проходить через ноль. Непригодны и опасны для приборов с силовыми трансформаторами на железе и электромоторами переменного тока: стационарного электроинструмента, холодильников, кондиционеров, большей части Hi-Fi аудио, кухонных комбайнов, некоторых пылесосов, кофеварок, кофемолок и микроволновок (для последних – из-за наличия мотора вращения стола).
- Модифицированное синусоидальное (см. далее) – пригодны для любых потребителей, кроме Hi-Fi аудио с ИБП, прочих устройств с ИБП от 40-50 Вт (см. выше) и, часто локальных охранных систем, домашних метеостанций и т.п. с чувствительными аналоговыми датчиками.
- Чистое синусоидальное – пригодны без ограничений, кроме как по мощности, для любых потребителей электроэнергии.
Синус или псевдосинус?
С целью повышения экономичности преобразование напряжения осуществляется не только на повышенных частотах, но и разнополярными импульсами. Однако запитывать очень многие приборы-потребители последовательностью разнополярных прямоугольных импульсов (т. наз. меандром) нельзя: большие выбросы на фронтах меандра при хоть чуть-чуть реактивной нагрузке приведут к большим потерям энергии и могут вызвать неисправность потребителя. Однако проектировать преобразователь на синусодальный ток тоже нельзя – КПД не превысит прим. 0,6.
Тихая, но существенная в данной отрасли революция произошла, когда специально для инверторов напряжения были разработаны микросхемы, формирующие т. наз. модифицированную синусоиду (слева на рис.), хотя правильнее было бы назвать ее псевдо-, мета-, квази- и т.п. синусоидой. Форма тока модифицированной синусоиды ступенчатая, а фронты импульсов затянуты (фронтов меандра на экране электронно-лучевого осциллографа часто вообще не видно). Благодаря этому потребители с трансформаторами на железе или заметной реактивностью (асинхронными электромоторами) «понимают» псевдосинусоиду «как настоящую» и работают как ни в чем не бывало; Hi-Fi аудио с сетевым трансформатором на железе запитывать модифицированной синусоидой можно. Кроме того, модифицированную синусоиду возможно достаточно простыми способами сгладить до «почти настоящей», отличия которой от чистой на осциллографе на глаз еле заметны; преобразователи типа «Чистый синус» стоят ненамного дороже обычных, справа на рис.
Однако приборы с капризными аналоговыми узлами и ИБП запускать от модифицированной синусоиды нежелательно. Последние – крайне нежелательно. Дело в том, что средняя площадка модифицированной синусоиды не чистый ноль напряжения. Узел запуска ИБП от модифицированной синусоиды срабатывает нечетко и весь ИБП может не выйти из режима запуска в рабочий. Пользователь это видит сначала как безобразные глюки, а потом из девайса идет дым, как в анекдоте. Поэтому приборы в ИБП нужно запитывать от инверторов типа Чистый Синус.
Делаем инвертор сами
Итак, пока ясно, что лучше всего делать инвертор на выход в 220 В 50 Гц, хотя и о выходе AC мы тоже еще вспомним. В первом случае для контроля частоты понадобится частотомер: нормы на колебания частоты сети электропитания – 48-53 Гц. Особенно чувствительны к ее отклонениям электромоторы переменного тока: при выходе частоты питающего напряжения до пределы допуска они греются и «уходят» от номинальных оборотов. Последнее очень опасно для холодильников и кондиционеров, могут неустранимо выйти из строя вследствие разгерметизации. Но покупать, арендовать или выпрашивать на время точный и многофункциональный электронный частотомер нет нужны – нам его точность ни к чему. Вполне подойдет или электромеханический резонансный частотомер (поз. 1 на рис.), или стрелочный любой системы, поз. 2:
Стоят тот и другой недорого, продаются в интернете, а в больших городах в электротехнических спецмагазинах. Старый резонансный частотомер можно найти на на железном базаре, а тот или другой после наладки инвертора очень даже подойдут для контроля частоты сети в доме – счетчик на подключение их к сети не реагирует.
50 Гц от компьютера
В большинстве случаев питание 220 В 50 Гц требуется потребителям не особо мощным, до 250-350 Вт. Тогда основой преобразователя 12/220 В 50 Гц может послужить ИБП от старого компьютера – если, конечно, такой валяется в хламе или кто-то продает по дешевке. Отдаваемая в нагрузку мощность будет прим. 0,7 от номинальной ИБП. Напр., если на его корпусе значится «250W», то приборы до 150-170 Вт можно подключать безбоязненно. Нужно больше – надо сначала проверить на нагрузке из ламп накаливания. Выдержал 2 часа – такую мощность способен отдавать и долговременно. Как сделать инвертор 12V DC/220V AC 50Hz из компьютерного блока питания, см. видео ниже.
Видео: простой преобразователь 12-220 из компьютерного БП
Ключи
Допустим, компьютерного ИБП нет или нужна мощность побольше. Тогда важное значение приобретает выбор ключевых элементов: они должны коммутировать большие токи с наименьшими потерями на переключение, быть надежными и доступными по цене. В этом отношении биполярные транзисторы и тиристоры в данной сфере применения уверенно уходят в прошлое.
Вторая революция в инверторном деле связана с появлением мощных полевых транзисторов («полевиков») т. наз. вертикальной структуры. Впрочем, они перевернули всю технику электропитания маломощных устройств: найти в «бытовухе» трансформатор на железе становится все труднее.
Лучшие из мощных полевиков для преобразователей напряжения – с изолированным затвором и индуцированным каналом (MOSFET), напр. IFR3205, слева на рис.:
Благодаря ничтожной мощности переключения КПД инвертора с выходом DC на таких транзисторах может достигать 0,95, а с выходом AC 50 Гц 0,85-0,87. Аналоги MOSFET со встроенным каналом, напр. IFRZ44, дают КПД пониже, но стоят гораздо дешевле. Пара тех или других позволяет довести мощность в нагрузке до прим. 600 Вт; те и другие без проблем запараллеливаются (справа на рис.), что позволяет строить инверторы на мощность до 3 кВт.
Примечание: мощность потерь переключения ключей со встроенным каналом при работе на существенно реактивную нагрузку (напр., асинхронный электродвигатель) может достигать 1,5 Вт на ключ. Ключи с индуцированным каналом от этого недостатка свободны.
TL494
Третий элемент, который позволил довести преобразователи напряжения до теперешнего состояния – специализированная микросхема TL494 и ее аналоги. Все они представляют собой контроллер широтно-импульсной модуляции (ШИМ), формирующий на выходах сигнал модифицированной синусоиды. Выходы разнополярные, что позволяет управлять парами ключей. Опорная частота преобразования задается одной RC цепью, параметры которой можно менять в широких пределах.
Когда хватит постоянки
Круг потребителей тока 220 В DC ограничен, но как раз у них потребность в автономном электропитании возникает не только в аварийных ситуациях. Напр., при работе электроинструментом на выезде либо в дальнем углу своего же участка. Или присутствует всегда, скажем, у дежурного освещения входа в дом, прихожей, коридора, придомовой территории от солнечной батареи, днем подзаряжающей АКБ. Третий типичный случай – зарядка телефона на ходу от прикуривателя. Здесь мощность на выходе нужна совсем маленькая, так что инвертор может быть выполнен всего на 1 транзисторе по схеме релаксационного генератора, см. след. ролик.
Видео: повышающий преобразователь на одном транзисторе
Уже для питания 2-3 светодиодных лампочек нужна мощность побольше. КПД блокинг-генераторов при попытке «выжать» ее резко падает, и приходится переходить на схемы с отдельными времязадающими элементами или полной внутренней индуктивной обратной связью, они наиболее экономичны и содержат наименьшее количество компонент. В первом случае для коммутации одного ключа используется ЭДС самоиндукции одной из обмоток трансформатора совместно с времязадающей цепью. Во втором частотозадающим элементом является сам повышающий трансформатор за счет его собственной постоянной времени; ее величина определяется преимущественно явлением самоиндукции. Поэтому те и другие инверторы иногда называют преобразователями на самоиндукции. Их КПД, как правило, не выше 0,6-0,65, но, во-первых, схема проста и наладки не требует. Во-вторых, напряжение на выходе скорее трапецеидальное, чем меандр; «требовательные» потребители «понимают» его как модифицированную синусоиду. Недостаток – полевые ключи в таких преобразователях практически неприменимы, т.к. часто выходят из строя от бросков напряжения на первичной обмотке при коммутации.
Пример схемы с внешними времязадающими элементами дан на поз. 1 рис.:
Автору конструкции не удалось выжать из нее более 11 Вт, но судя по всему, он перепутал феррит с карбонильным железом. Во всяком случае, броневой (чашечный) магнитопровод на его же фото (см. рис. справа) никак не ферритовый. Больше он похож на старый карбонильный, окислившийся снаружи от времени, см. рис. справа. Трансформатор для этого инвертора лучше намотать на ферритовом кольце с площадью сечения по ферриту 0,7-1,2 кв. см. Первичная обмотка тогда должна содержать 7 витков провода диаметром по меди 0,6-0,8 мм, а вторичная 57-58 витков провода 0,3-0,32 мм. Это под выпрямление с удвоением, см. далее. Под «чистые» 220 В – 230-235 витков провода 0,2-0,25. В таком случае этот инвертор при замене КТ814 на КТ818 отдаст мощность до 25-30 Вт, чего достаточно для 3-4 светодиодных ламп. При замене КТ814 на КТ626 мощность в нагрузке будет ок. 15 Вт, но КПД повысится. В обоих случаях радиатор ключа – от 50 кв. см.
На поз. 2 дана схема «допотопного» преобразователя 12-220 с отдельными обмотками обратной связи. Не такая уж она архаичная. Во-первых, выходное напряжение под нагрузкой – трапеция с округленными переломами без выбросов. Это даже лучше, чем модифицированная синусоида. Во-вторых, этот преобразователь может быть без каких-либо переделок в схеме выполнен на мощность до 300-350 Вт и частоту 50 Гц, тогда выпрямитель не нужен, надо только поставить VT1 и VT2 на радиаторы от 250 кв. см. каждый. В-третьих, он бережет АКБ: при перегрузке частота преобразования падает, отдаваемая мощность уменьшается, а если нагрузить еще больше, генерация срывается. Т.е., чтобы избежать переразряда батареи, не требуется никакой автоматики.
Порядок расчета данного инвертора дан в скане на рис.:
Ключевые величины в нем – частота преобразования и рабочая индукция в магнитопроводе. Частоту преобразования выбирают исходя из материала наличного сердечника и требуемой мощности:
| Тип Магнитопровода | Индукция/частота преобразования | |||
|---|---|---|---|---|
| До 50 Вт | 50-100 Вт | 100-200 Вт | 200-350 Вт | |
| «Силовое» железо от трансформаторов питания толщиной 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 |
| «Звуковое» железо от выходных трансформаторов УМЗЧ толщиной 0,2-0,25 мм | 0,4 Тл/(1000-3000)Гц | 0,35 Тл/(1000-2000)Гц | - | - |
| «Сигнальное» железо от сигнальных трансформаторов толщиной 0,06-0,15 мм (не пермаллой!) | 0,3 Тл/(2000-8000)Гц | 0,25 Тл/(2000-5000)Гц | - | - |
| Феррит | 0,15 Тл/(5-30)кГц | 0,15 Тл/(5-30)кГц | 0,15 Тл/(5-30)кГц | 0,15 Тл/(5-30)кГц |
Такая «всеядность» феррита объясняется тем, что петля его гистерезиса прямоугольная и рабочая индукция равна индукции насыщения. Уменьшение по сравнению с типовыми расчетных значений индукции в стальных магнитопроводах вызвано резким ростом потерь на коммутацию несинусоидальных токов при ее возрастании. Поэтому с сердечника силового трансформатора старого телевизора-«гроба» на 270 Вт в этом преобразователе на 50 Гц удастся снять не более 100-120 Вт. Но – на безрыбье и рак рыба.
Примечание: если в наличии есть стальной магнитопровод заведомо завышенного сечения, не выжимайте из него мощность! Пусть лучше индукция будет меньше – КПД преобразователя возрастет, а форма выходного напряжения улучшится.
Выпрямление
Выпрямлять выходное напряжение этих инверторов лучше по схеме с параллельным удвоением напряжения (поз. 3 на рис. со схемами): компоненты для нее обойдутся дешевле, а потери мощности на несинусоидальном токе будут меньше, чем в мостовой. Конденсаторы нужно брать «силовые», рассчитанные на большую реактивную мощность (с обозначениями PE или W). Если поставить «звуковые» без этих букв, они могут просто взорваться.
50 гц? Это очень просто!
Простой инвертор на 50 Гц (поз. 4 рис. выше со схемами) интересная конструкция. У некоторых видов типовых трансформаторов питания собственная постоянная времени близка к 10 мс, т.е. половине периода 50 Гц. Подкорректировав ее времязадающими резисторами, которые будут одновременно и ограничителями тока управления ключей, можно получить на выходе сразу сглаженный меандр 50 Гц без сложных схем формирования. Подойдут трансформаторы ТП, ТПП, ТН на 50-120 Вт, но не всякие. Возможно, придется изменить номиналы резисторов и/или включить параллельно им конденсаторы на 1-22 нФ. Если частота преобразования все равно далеко от 50 Гц, разбирать и перематывать трансформатор бесполезно: склеенный ферромагнитным клеем магнитопровод распушится, и параметры трансформатора резко ухудшатся.
Этот инвертор – дачный преобразователь выходного дня. Аккумулятор машины он не посадит по тем же причинам, что и предыдущий. Но его хватит на освещение домика с верандой светодиодными лампами и телевизор или вибрационный насос в скважине. Частота преобразования налаженного инвертора при изменениях тока нагрузки от 0 до максимального не выходит за пределы технормы для сетей электропитания.
Разводят обмотки исходного трансформатора так. В типовых трансформаторах питания по четному числу вторичных обмоток на 12 или 6 В. Две из них «откладываются», а остальные распаиваются параллельно в группы из равного числа обмоток в каждой. Далее группы соединяются последовательно так, чтобы получились 2 полуобмотки на 12 В каждая, это будет низковольная (первичная) обмотка со средней точкой. Из оставшихся низковольных обмоток одна соединяется последовательно с сетевой на 220 В, это будет повышающая обмотка. Добавка к ней нужна, т.к. падение напряжения на ключах из биполярных составных транзисторах совместно с его потерями в трансформаторе может достигать 2,5-3 В, и выходное напряжение окажется заниженным. Дополнительная обмотка доведет его до нормы.
DC от микросхемы
КПД описанных преобразователей не превышает 0,8, а частота в зависимости от тока нагрузки заметно плавает. Предельная мощность нагрузки менее 400 Вт, так что пришла пора вспомнить о современных схемных решениях.
Схема простого преобразователя 12 В DC/ 220 В DC на 500-600 Вт дана на рис.:
Основное его назначение – питание ручного электроинструмента. К качеству подводимого напряжения такая нагрузка не требовательна, поэтому ключи взяты подешевле; подойдут также IFRZ46, 48. Трансформатор мотается на феррите сечением 2-2,5 кв. см; подойдет сердечник силового трансформатора от компьютерного ИБП. Первичная обмотка – 2х5 витков жгута из 5-6 обмоточных проводов диаметром по меди 0,7-0,8 мм (см. ниже); вторичная – 80 витков такого же провода. Налаживание не требуется, но контроля разряда батареи нет, так что в процессе работы нужно прицепить к ее клеммам мультиметр и не забывать на него поглядывать (то же касается и всех прочих самодельных инверторов напряжения). Если напряжение упало до 10,8 В (1,8 В на банку) – стоп, выключаемся! Упало до1,75 В на банку (10,5 В вся батарея) – это уже пошла сульфатация!
Как мотать трансформатор на кольце
На качественные характеристики инвертора, в частности, на его КПД, довольно сильно влияет поле рассеяния его трансформатора. Принципиальное решение для его уменьшения давно известно: первичную обмотку, «накачивающую» магнитопровод энергией, размещают вплотную к нему; вторичные над ней по убыванию их мощности. Но техника такое дело, что теоретические принципы в конкретных конструкциях иной раз приходится выворачивать наизнанку. Один из законов Мэрфи гласит прим. так: если железка ну вот все равно не хочет работать как надо, попробуй сделать в ней все наоборот. В полной мере это относится к трансформатору повышенной частоты на ферритовом кольцевом магнитопроводе с обмотками из относительно толстого жесткого провода. Мотают трансформатор преобразователя напряжения на ферритовом кольце так:
- Изолируют магнитопровод и с помощью намоточного челнока наматывают на него вторичную повышающую обмотку, укладывая витки как можно плотнее, поз. 1 на рис.:
- Плотно обтягивают «вторичку» скотчем, поз 2.
- Готовят 2 одинаковых жгута проводов для первичной обмотки: наматывают количество витков половины низковольтной обмотки тонким негодным проводом, снимают его, замеряют длину, отрезают нужное количество отрезков обмоточного провода с запасом и собирают их в жгуты.
- Дополнительно изолируют вторичную обмотку до получения относительно ровной поверхности.
- Мотают «первичку» 2-мя жгутами сразу, располагая провода жгутов лентой и равномерно распределяя витки по сердечнику, поз. 3.
- Вызванивают концы жгутов и соединяют начало одного с концом другого, это будет средняя точка обмотки.
Примечание: на электрических принципиальных схемах начала обмоток, если это имеет значение, обозначаются точкой.
50 Гц сглаженные
Модифицированная синусоида от ШИМ-контроллера не единственный способ получить на выходе инвертора 50 Гц, пригодные для подключения любых бытовых потребителей электричества, да и ту не мешало бы еще «пригладить». Простейший из них – старый добрый трансформатор на железе, он хорошо «гладит» за счет своей электрической инерции. Правда, найти магнитопровод на более чем 500 Вт становится все труднее. Включается такой разделительный трансформатор на низковольный выход инвертора, а к его повышающей обмотке подключается нагрузка. По этой схеме, кстати, построено большинство компьютерных ИБП, так что они для такой цели вполне подходят. Если же мотать трансформатор самому, то рассчитывается он аналогично силовому, но со след. особенностями:
- Первоначально определенная величина рабочей индукции делится на 1,1 и применяется во всех дальнейших расчетах. Так нужно, чтобы учесть т. наз. коэффициент формы несинусоидального напряжения Кф; у синусоиды Кф=1.
- Повышающая обмотка рассчитывается сначала как сетевая на 220 В для заданной мощности (или определенной по параметрам магнитопровода и величине рабочей индукции). Затем найденное количество ее витков умножается на 1,08 для мощности до 150 Вт, на 1,05 для мощностей 150-400 Вт и на 1,02 для мощностей 400-1300 Вт.
- Половина низковольтной обмотки рассчитывается как вторичная на напряжение 14,5 В под ключи биполярные или со встроенным каналом и на 13,2 В для ключей с индуцированным каналом.
Примеры схемных решений преобразователей 12-200 В 50 Гц с разделительным трансформатором даны на рис.:
На той, что слева, ключами управляет задающий генератор на т. наз. «мягком» мультивибраторе, он уже генерирует меандр в заваленными фронтами и сглаженными переломами, так что дополнительных мер сглаживания не требуется. Нестабильность частоты мягкого мультивибратора выше, чем обычного, поэтому для ее подстройки нужен потенциометр P. С ключами на КТ827 можно снять мощность до 200 Вт (радиаторы – от 200 кв. см без обдува). Ключи на КП904 из старого хлама или IRFZ44 позволяют увеличить ее до 350 Вт; одинарные на IRF3205 до 600 Вт, а спаренные на них же до 1000 Вт.
Инвертор 12-220 В 50 Гц с задающим генератором на TL494 (справа на рис.) частоту держит железно во всех мыслимых немыслимых условиях эксплуатации. Для более эффективного сглаживания псевдосинусоиды используется явление т. наз. безразличного резонанса, при котором фазовые соотношения токов и напряжений в колебательном контуре становятся такими же, как при остром резонансе, но их амплитуды заметно не увеличиваются. Технически это решается просто: к повышающей обмотке подключают сглаживающий конденсатор, значение емкости которого подбирают по наилучшей форме тока (не напряжения!) под нагрузкой. Для контроля формы тока в цепь нагрузки на мощность 0,03-0,1 от номинальной включают резистор на 0,1-0,5 Ом, к которому и подключают осциллограф с закрытым входом. Сглаживающая емкость не уменьшает КПД инвертора, но пользоваться для настройки компьютерными программами симуляции НЧ осциллографа нельзя, т.к. вход звуковой карты, которая в них используется, не рассчитан на амплитуду в 220х1,4 = 310 В! Ключи и мощности такие же, как в пред. случае.
Более совершенная схема преобразователя 12-200 В 50 Гц дана на рис.:
В ней используются сложные составные ключи. Для улучшения качества выходного напряжения в ней используется тот факт, что эмиттер планарно-эпитаксиальных биполярных транзисторов легирован много сильнее базы и коллектора. Когда TL494 подаст закрывающий потенциал, напр., на базу VT3, ток его коллектора прекратится, но за счет рассасывания объемного заряда эмиттера он замедлит запирание T1 и выбросы напряжения от ЭДС самоиндукции Tr поглотятся цепями L1 и R11C5; они же больше «наклонят» фронты. Выходная мощность инвертора определяется габаритной мощностью Tr, но не более 600 Вт, т.к. использовать в данной схеме парные мощные ключи нельзя – разброс величины заряда затвора MOSFET транзисторов довольно значительный и переключение ключей будет нечетким, отчего форма выходного напряжения может даже ухудшиться.
Дроссель L1 это 5-6 витков провода диаметром от 2,4 мм по меди, намотанных на отрезок ферритового стержня диаметром 8-10 м и длиной 30-40 мм с шагом 3,5-4 мм. Магнитопровод дросселя не должен быть замкнут! Налаживание схемы дело довольно кропотливое и требующее немалого опыта: нужно подобрать L1, R11 и C5 по наилучшей форме выходного тока под нагрузкой, как в пред. случае. Зато и Hi-Fi, запитанное от этого преобразователя, остается «хайфаем» на самый взыскательный слух.
А нельзя ли без трансформатора?
Уже обмоточный провод для мощного трансформатора на 50 Гц влетит в копеечку. Более-менее доступны магнитопроводы от «гробовых» трансформаторов до 270 Вт габаритных, но в инверторе из такого более 120-150 Вт не выжмешь, а КПД будет в лучшем случае 0,7, т.к. «гробовые» магнитопроводы навиты из толстой ленты, потери на вихревые токи в которой при несинусоилальном напряжении на обмотках большие. Найти магнитопровод ШЛ из тонкой ленты, способный отдать более 350 Вт при индукции 0,7 Тл вообще проблематично, обойдется он дорого, а весь преобразователь получится огромным и неподъемным. Трансформаторы ИБП не рассчитаны на частую работу в длительном режиме – они греются и магнитопроводы их в инверторах довольно скоро деградируют – магнитные свойства сильно ухудшаются, мощность преобразователя падает. Есть ли выход?
Да, и такое решение нередко применяется в фирменных преобразователях. Это – электрический мост из ключей на высоковольтных силовых полевых транзисторах с напряжением пробоя от 400 В и током стока более 5 А. Подойдут из первичных цепей компьютерных ИБП, а из старого хлама – КП904 и т.п.
Мост запитывается постоянкой 220 В DC от несложного инвертора 12-220 с выпрямлением. Плечи моста открываются парами наперекрест поочередно, и ток в нагрузке, включенной в диагональ моста, меняет направление; цепи управления всех ключей гальванически разделены. В промышленных конструкциях ключи управляются от спец. ИМС с развязкой оптопарами, но в любительских условиях то и другое можно заменить дополнительным маломощным инвертором 12 В DC – 12 В 50 Гц, работающим на маленький трансформатор на железе, см. рис. Магнитопровод для него можно взять от китайского базарного маломощного трансформатора питания. За счет его электрической инерции качество выходного напряжения получается даже лучше, чем модифицированная синусоида.
Инверторами являются различные по функциям устройства.
1. Оборудование, преобразующие постоянный ток в переменный, называется инвертором DC-AC (анг. постоянный — переменный ток), часто используются как часть систем резервного питания (например, источниках бесперебойного питания), как отдельные устройства (например, автомобильные преобразователи напряжения).
2. Преобразователи частоты — устройства, изменяющие частоту. Инвертирование тока частотой 50 герц в ток с частотой несколько тысяч килогерц позволяет снизить вес трансформаторов сварочных аппаратов в десятки раз.
3. Устройства, изменяющие фазу переменного напряжения, так называемые фазоинверторы , используются для подключения многофазных потребителей к однофазной сети электропитания. Они преобразуют входной сигнал в 2 сигнала, у которых сдвиг по фазе равен 180°.
Как рассчитать необходимую мощность инвертора?
Инвертор Luxeon IPS-300
Преобразователь напряжения DC-AC — обязательная часть схемы источников бесперебойного питания , систем получения энергии от альтернативных источников — солнечных батарей, ветрогенераторов. Во втором случае преобразователь может выполнять функции ИБП, но у некоторых моделей из-за аппроксимированной синусоиды подходит не для всех потребителей.
Простейший инвертор состоит из коммутатора с трансформатором. Ключи коммутатора с заданной задержкой меняют подключение к клеммам аккумулятора с частотой 50Гц (герц). Для аккумулятора на 12В (вольт) получается последовательность импульсов: +12В, 0В, -12В 50 раз/секунду (50Гц). Трансформатор преобразует напряжение в 220В. Данная форма выходного сигнала называется «модифицированный синус», пригодна не для всех потребителей. О форме выходного сигнала рассказано в статье .
Одна из важнейших характеристик преобразователя напряжения – выходная мощность . Производителем она может быть указана в ваттах (Вт или W) или вольт-амперах (ВА или VA). Для постоянного напряжения величины совпадают, для переменного разнятся. Во втором случае мощность 1Вт соответствует мощности 0,71ВА. Грубо говоря, инвертор мощностью 200ВА не сможет питать 200-ваттное устройство на переменном напряжении (если не использовать коррекцию коэффициента мощности). Мощность инвертора/ИБП измеряется в вольт-амперах, потому что для преобразователя ограничением является сила тока, измеряемая амперами (А). Соответственно, перегрузка этих систем запрещена — это может привести к выходу из строя устройства.
Любой преобразователь тока имеет КПД . В зависимости от конструкции он может составлять от 70% до 90%. Потребляемая мощность всегда будет выше выходной — это очень существенно при резервном питании от аккумуляторов.
Пример : при подключении устройства с мощностью 200Вт к сети 220В потребуется ток силой 0,9А (ампера). Для аккумуляторной батареи час непрерывной работы при КПД инвертора 80% составит 20,5А*ч (ампер-часа). Если учесть, что разряд батареи более 50% не желателен – потребуется аккумулятор на 41А*ч. Емкость стандартного аккумулятора легкового автомобиля обычно составляет 60А*, но использовать их в доме или офисе не стоит — их характеристики по ряду параметров хуже специальных гелевых, кислотных аккумуляторов , а выделяемый автомобильными АКБ газ вреден для здоровья.
Стоимость построения системы резервного питания будет определяться в первую очередь тем, какую сможете купить батарею для ИБП/преобразователя напряжения, то есть стоимостью батарей, верхнего предела здесь нет. Поэтому часто применяют, как устройства поддерживающие электропитание до переключения на электрогенератор.
