Преобразователь напряжения 12V/220V вещь на хозяйстве необходимая. Порой просто нужная: сеть, допустим, пропала, а телефон разряжен и в холодильнике мясо. Интерес определяет предложение: за готовые модели на 1кВт и более, от них можно запитывать любые электрические приборы, понадобится выложить где нибудь от $150. Возможно, более $300. Однако сделать преобразователь напряжения собственными руками на сегодняшний день дело доступное каждому, кто умеет паять: собрать его из готового набора элемент обойдется втрое-вчетверо доступнее + немножко работы и металла из подручного хлама. Если есть устройство зарядки для автомобильных батарей аккумулятора (АКБ), можно уложиться вообще в 300-500 руб. А если есть так же и начальные радиолюбительские способности, то, порывшись в загашниках, вполне можно сделать преобразователь напряжения 12V DC/220V AC 50Hz на 500-1200 Вт совсем даром. Рассмотрим предлагаемые варианты.
Варианты: глобально
Преобразователь напряжения 12-220 В для питания нагрузки до 1000 Вт и более в общем можно выполнить своими руками этими методами (в порядке увеличения 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 необходимую мощность. Обойдется прим. в два раза доступнее того же производственного. Электротехнических способностей не надо, но – см. ниже;
Собрать такой же из набора: монтажная плата + «россыпь» элемент. Покупается там же, но к запросу добавляется diy, что означает под самосборку. Цена еще прим. в 1,5 раза ниже. Необходимы начальные способности в радиоэлектронике: способность паять пользоваться мультиметром, знание разводок (распиновок) выводов активных компонентов или способность их искать, правил включения в схему полярных элемент (диодов, электролитических конденсаторов) и способность определять, на какой ток какого сечения необходимы провода;
Приспособить под преобразователь напряжения компьютерный источник бесперебойного питания (ИБП, UPS). Исправный ИБП б/у без штатной АКБ можно отыскать за 300-500 руб. Способностей не надо никаких – к ИБП просто подсоединяется авто АКБ. Но заряжать ее придется отдельно, также см. ниже;
Подобрать метод изменения, схему (см. дальше) сообразно собственным потребностям и наличию деталей, высчитать и собрать полноценно собственноручно. Возможно совсем даром, однако помимо начальных электронных способностей потребуется способность пользоваться некоторыми особыми приборами для измерений (тоже см. дальше) и делать очень простые изыскания инженеров.
Из готового модуля
Способы сборки по пп. 1 и 2 в действительности не такие уж обычные. Корпуса готовых фабричных преобразователей напряжения служат вместе с тем и теплоотводами для мощных транзисторных ключей в середине. Если брать «полуфабрикат» или «россыпь», то корпуса к ним не будет: при теперешней себестоимости электроники, ручного труда и цветных металлов разница в ценах поясняется как раз отсутствием второго и, может быть, 3-го. Т.е., радиатор для мощных ключей нужно будет делать самому или искать готовый металлический. Его толщина в точке установки ключей обязана 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.
Собранные модули преобразователей напряжения напряжения 12/220 В
Напр., в комплекте (модуле) 2 ключа (их видно, они торчат из платы, см. слева на рис.); модули с ключами на радиаторе (с правой стороны на рис.) стоят намного дороже и рассчитаны на конкретную, в основном, не очень высокую мощность. Кулера нет, мощность необходима 1,5 кВт. Значит, необходим радиатор от 150 кв. см. Помимо него еще установочные комплекты для ключей: изолирующие теплопроводящие прокладки и фурнитура под винты для крепежных работ – изолирующие чашечки и шайбы. Если модуль с теплоизоляцией (между ключами будет торчать еще какая-нибудь фитюлька — термодатчик), то немножко термопасты для наклеивания его к теплообменнику. Провода – конечно, см. дальше.
Из ИБП (UPS)
Преобразователь напряжения 12В DC/220 В AC 50 Гц, к которому можно включать любые устройства в границах допустимой мощности, выполняется из компьютерного ИБП совсем просто: штатные провода к «собственной» АКБ заменяются длинными с зажимами под клеммы авто АКБ. Сечение проводов рассчитывается исходя из допустимой плотности тока 20-25 А/кв. мм, см. также дальше. Но вот из-за нештатной батареи могут появиться проблемы – с нею же, а она дороже и нужнее преобразователя.
В ИБП используются тоже свинцово-кислотные АКБ. Это на данный период времени единственно широко доступный вторичный химический источник электрического питания, способный постоянно отдавать большие токи (экстратоки), не «убиваясь» полноценно за 10-15 циклов заряд-разряд. В авиации применяются серебряно-цинковые АКБ, которые еще мощнее, однако 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. Однако в штатных АКБ ИБП электролит гелевый, а в автоаккумуляторах жидкий. Режимы заряда в обоих случаях значительно выделяются: сквозь гель нельзя пропускать такие токи, как сквозь жидкость, а в жидком электролите при через чур малом токе заряда подвижность ионов станем мала и они не все вернутся на собственные места в электродах. В результате ИБП будет хронически недозаряжать авто АКБ, она в скором времени засульфатируется и придёт в полную негодность. Благодаря этому в набор к преобразователю напряжения на ИБП необходимо устройство зарядки для аккумуляторов. Выполнить его собственными руками можно, однако это уже отдельная тема.
Батарея и мощность
От АКБ зависит и пригодность преобразователя для той либо другой цели. Повышающий преобразователь напряжения 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 возьмёт мощность, отдаваемую потребителям, деленную на КПД самого преобразователя.
Если вы сможете увидеть на корпусе брендового преобразователя напряжения «6800W» или более – верьте глазам собственным. Новая электроника дает возможность поместить в объеме сигаретной пачки устройства и мощнее. Но, допустим, нам необходима мощность в нагрузке 1000 Вт, а в распоряжении есть традиционный автоаккумулятор на 12 В 60 А/ч. Типовое значение КПД преобразователя напряжения – 0,8. Значит, от батареи он возьмёт ок. 100 А. На подобной ток необходимы и провода сечением от 5 кв. мм (см. выше), однако не это здесь основное.
Автомобилисты знают: гонял стартер 20 мин – приобретай новый аккумулятор. Правда, в новых машинах есть ограничители времени его работы, так что, возможно, и не знают. И точно не каждый знает, что стартер легковушки, раскрутившись, берет ток ок. 75 А (на протяжении 0,1-0,2 с при запуске – до 600 А). Самый простой расчет – и выходит, что, если в преобразователе напряжения нет автоматики, ограничивающей разряд батареи, то наша за 15 мин сядет полноценно. Так что подбирайте или конструируйте собственный преобразователь с учетом возможностей наличной АКБ.
Примечание: из данного следует большое преимущество преобразователей 12/220 в на основе компьютерных ИБП – их контроллер не даст полноценно посадить батарею.
Ресурс кислотных АКБ ощутимо меньше не становится, 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 изменения это даёт допустимую долгосрочную мощность нагрузки в прим. 120 Вт, 230 Вт и 400 Вт соотв. Для 10 мин. нагрузки (напр., для запитки электрического инструмента) она может быть увеличена в 2,5 раза, но после чего АБК должна расслабиться не меньше 20 мин.
В общем итог выходит не очень уж плохой. Из обыкновенного домашнего электрического инструмента только угловая шлифовальная машинка может брать 1000-1300 Вт. Другие, в основном, обходятся мощностью до 400 Вт, а шуруповерты до 250 Вт. Холодильник от АКБ 12 В 60 А/ч через преобразователь напряжения проработает 1,5-5 час; будет достаточно, чтобы принять нужные меры. Благодаря этому делать преобразователь на 1кВт для батареи 60 А/ч смысл имеет.
Что будет на выходе?
Инверторы для выравнивания напряжения ради уменьшения массогабаритов устройства за редкими исключениями (см. дальше) работают на очень высоких частотах от сотен Гц до единиц и десятков кГц. Ток такой частоты не примет никакой покупатель, а потери его энергии в обыкновенной проводке будут огромны. Благодаря этому преобразователей напряжения 12-200 строятся под выходное напряжение отпечаток. видов:
Постоянное выпрямленное 220 В (220V AC). Годятся для питания телефонных зарядок, множества источников питания (ИП) планшетных компьютеров, ламп общего назначения, люминесцентных экономок и светодиодных. На мощность от 150-250 Вт прекрасно подходят для ручного электрического инструмента: потребляемая им мощность на систематическом токе немножко уменьшается, а вращающий момент увеличивается. Негодны для импульсных трансформаторов (ИБП) телевизоров, компьютеров, ноутбуков, СВЧ печей и т.п. мощностью более 40-50 Вт: в подобных всегда есть т. наз. пусковой узел, для правильной работы которого сетевое напряжение должно иногда проходить через ноль. Негодны и опасны для приборов с понижающими трансформаторами на железе и электрическими моторами электрического тока: стационарного электрического инструмента, холодильников, кондиционеров, большей части Hi-Fi аудио, кухонных комбайнов, некоторых пылесосов, кофеварок, кофемолок и СВЧ печей (для последних – благодаря наличию мотора вращения стола).
Модифицированное синусоидальное (см. дальше) – годятся для любых потребителей, помимо Hi-Fi аудио с ИБП, прочих устройств с ИБП от 40-50 Вт (см. выше) и, нередко местных систем охраны, домашних метеостанций и т.п. с чувствительными аналоговыми датчиками.
Чистое синусоидальное – годятся без границ, помимо как по мощности, для любых потребителей электрической энергии.
Синус или псевдосинус?
С целью увеличения экономности переустройство напряжения выполняется не только на очень высоких частотах, но и разнополярными импульсами. Однако запитывать довольно многие приборы-потребители последовательностью разнополярных прямоугольных импульсов (т. наз. меандром) нельзя: большие выбросы на фронтах меандра при хоть немного реактивной нагрузке приведут к большим потерям энергии и могут вызвать поломка потребителя. Однако проектировать преобразователь на синусодальный ток тоже нельзя – КПД не превысит прим. 0,6.
Переустройство непрерывного напряжения в модифицированную и чистую синусоиду
Негромкая, но значительная в этой сфере революция случилась, когда конкретно для преобразователей напряжения напряжения были разработаны микросхемы, образовывающие 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 нередко совсем не видно). Из-за этого потребители с преобразователями электрической энергии на железе или заметной реактивностью (асинхронными электрическими моторами) «знают» псевдосинусоиду «как реальную» и работают будто бы ничего не случилось; Hi-Fi аудио с сетевым преобразователем электрической энергии на железе запитывать модифицированной синусоидой можно. Более того, модифицированную синусоиду возможно достаточно примитивными способами сгладить до «практически реальной», отличия которой от чистой на осциллографе на глаз еле видны; преобразователи типа «Чистый синус» стоят не очень много дороже обыкновенных, с правой стороны на рис.
Однако устройства с капризными аналоговыми узлами и ИБП запускать от модифицированной синусоиды нежелательно. Последние – очень нежелательно. А дело все 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. Клиент это видит сначала как безобразные глюки, а после из гаджет идет дым, как в смешном рассказе. Благодаря этому устройства в ИБП необходимо запитывать от преобразователей напряжения типа Чистый Синус.
Делаем преобразователь напряжения сами
Итак, пока ясно, что прекраснее всего делать преобразователь напряжения на выход в 220 В 50 Гц, хотя и о выходе AC мы тоже еще вспомним. В первом варианте для контроля частоты потребуется частотомер: нормы на колебания частоты электросети – 48-53 Гц. В особенности восприимчивы к ее отклонениям электрические моторы электрического тока: при выходе частоты питающего напряжения до пределы допуска они греются и «уходят» от номинальных оборотов. Последнее слишком опасно для холодильников и кондиционеров, могут неустранимо поломаться вследствие разгерметизации. Однако приобретать, взять в аренду или выпрашивать на определенный период времени точный и универсальный электронный частотомер нет необходимы – нам его точность ни к чему. Прекрасно подойдет или электромеханический резонансный частотомер (поз. 1 на рис.), или стрелочный любой системы, поз. 2:
Устройства для контроля частоты электросети
Стоят тот и другой дешево, реализовываются во всемирной сети, а в мегаполисах в электротехнических спецмагазинах. Устаревший резонансный частотомер можно отыскать на на железном базаре, а тот или остальной после наладки преобразователя напряжения весьма даже подходят для контроля частоты сети в доме – счетчик на подключение их к сети не реагирует.
50 Гц от компьютера
Во многих случаях 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, разумеется, такой лежит 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 устройства до 150-170 Вт можно включать безбоязненно. Необходимо больше – нужно сначала проверить на нагрузке из ламп общего назначения. Выдержал 2 часа – такую мощность способен отдавать и долгосрочно. Как выполнить преобразователь напряжения 12V DC/220V AC 50Hz из компьютерного трансформатора, см. видео ниже.
Видео: примитивной преобразователь 12-220 из компьютерного БП
Ключи
Допустим, компьютерного ИБП нет или необходима мощность намного больше. Тогда приоритетное значение приобретает подбор основных компонентов: они обязаны коммутировать большие токи с самыми минимальными потерями на переключение, быть надежными и доступными по стоимости. В данном отношении биполярные транзисторы и тиристоры в данной области использования смело уходят в минувшее.
Вторая революция в инверторном деле связана с возникновением мощных полевых транзисторов («полевиков») т. наз. вертикальной структуры. Тем не менее, они перевернули всю технику электрического питания маломощных устройств: найти в «бытовухе» преобразователь электрической энергии на железе становится все сложнее.
Отличные из мощных полевиков для инверторов – с изолированным затвором и индуцированным каналом (MOSFET), напр. IFR3205, слева на рис.:
Мощные транзисторы для инверторов
Благодаря ничтожной мощности переключения КПД преобразователя напряжения с выходом DC на подобных транзисторах достигает 0,95, а с выходом AC 50 Гц 0,85-0,87. Аналоги MOSFET с вмонтированным каналом, напр. IFRZ44, дают КПД пониже, но стоят намного дешевле. Пара тех или других позволяет довести мощность в нагрузке до прим. 600 Вт; те и прочие без проблем запараллеливаются (с правой стороны на рис.), что дает возможность возводить преобразователей напряжения на мощность до 3 кВт.
Примечание: мощность потерь переключения ключей с вмонтированным каналом во время работы на значительно реактивную нагрузку (напр., асинхронный электрический двигатель) достигает 1,5 Вт на ключ. Ключи с индуцированным каналом от данного плохого качества свободны.
TL494
3-ий компонент, который дал возможность довести инверторы для выравнивания напряжения до теперешнего состояния – специальная микросхема TL494 и ее аналоги. Все они собой представляют контроллер широтно-импульсной модуляции (ШИМ), формирующий на выходах сигнал модифицированной синусоиды. Выходы разнополярные, что дает возможность управлять парами ключей. Опорная частота изменения задается одной RC цепью, параметры которой разрешается менять в широких пределах.
Когда хватит постоянки
Круг потребителей тока 220 В DC ограниченный, но как раз у них необходимость в независимом электропитании появляется не только в опасных ситуациях. Напр., во время работы электрическим инструментом на выезде либо в дальнем углу собственного же участка. Или есть всегда, скажем, у дежурного освещения домашнего входа, прихожей, коридора, территории возле дома от фотоэлектрической панели, днем подзаряжающей АКБ. 3-ий стереотипный случай – зарядка телефона на ходу от прикуривателя. Тут мощность на выходе необходима очень небольшая, так что преобразователь напряжения может быть сделан всего на 1 транзисторе по схеме релаксационного генератора, см. отпечаток. ролик.
Видео: повышающий преобразователь на одном транзисторе
Уже для питания 2-3 LED ламп необходима мощность намного больше. КПД блокинг-генераторов при попытке «выжать» ее резко падает, и приходится перейти на схемы с отдельными времязадающими элементами или полной внутренней индуктивной обратной связью, они намного более экономны и содержат минимальное кол-во элемент. В первом варианте для коммутации одного ключа применяется ЭДС самоиндукции одной из обмоток преобразователя электрической энергии одновременно с времязадающей цепью. В другом частотозадающим элементом считается сам повышающий преобразователь электрической энергии за счёт его своей постоянной времени; ее величина определяется в основном событием самоиндукции. Благодаря этому те и прочие преобразователей напряжения порой называют преобразователями на самоиндукции. Их КПД, в основном, не выше 0,6-0,65, но, самое первое, схема проста и наладки не просит. Второе, напряжение на выходе скорее трапецеидальное, чем меандр; «требовательные» потребители «знают» его как модифицированную синусоиду. Недостаток – полевые ключи в подобных преобразователях фактически непригодны, т.к. нередко ломаются от бросков напряжения на первой обмотке при коммутации.
Пример схемы с внешними времязадающими элементами дан на поз. 1 рис.:
Схемы примитивных инверторов 12-200 В
Неправильно подобранный магнитопровод преобразователя электрической энергии маломощного инвертора
Автору конструкции не удалось выжать из нее более 11 Вт, но если судить по всему, он перепутал феррит с карбонильным железом. В любом случае, броневой (чашечный) магнитопровод на его же фото (см. рис. с правой стороны) совсем не ферритовый. Больше он схож на устаревший карбонильный, окислившийся с наружной стороны от времени, см. рис. с правой стороны. Преобразователь электрической энергии для этого преобразователя напряжения лучше накрутить 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. дальше. Под «чистые» 220 В – 230-235 витков провода 0,2-0,25. В данном случае этот преобразователь напряжения при замене КТ814 на КТ818 отдаст мощность до 25-30 Вт, чего достаточно для 3-4 LED-ламп. При замене КТ814 на КТ626 мощность в нагрузке будет ок. 15 Вт, но КПД повысится. И в том и другом случае радиатор ключа – от 50 кв. см.
На поз. 2 дана схема «старого» преобразователя 12-220 с отдельными обмотками обратной связи. Не такая уж она архаичная. Самое первое, выходное напряжение под нагрузкой – трапеция с округленными переломами без выбросов. Это намного лучше, чем модифицированная синусоида. Второе, этот преобразователь может быть без каких-то переделок в схеме сделан на мощность до 300-350 Вт и частоту 50 Гц, тогда выпрямитель не требуется, необходимо лишь поставить VT1 и VT2 на радиаторы от 250 кв. см. каждый. Третье, он бережет АКБ: при перегрузке частота изменения падает, отдаваемая мощность уменьшается, а если нагрузить намного больше, генерация срывается. Т.е., во избежание переразряда батареи, не потребуется никакой автоматики.
Порядок расчета данного преобразователя напряжения дан в скане на рис.:
Основные величины в нем – частота изменения и рабочая индукция в магнитопроводе. Частоту изменения подбирают исходя из материала наличного сердечника и необходимой мощности:
Вид
магнитопровода
Индукция/частота изменения
До 50 Вт
50-100 Вт
100-200 Вт
200-350 Вт
«Силовое» железо от блоков питания 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 блоков питания УМЗЧ толщиной 0,2-0,25 мм
0,4 Тл/(1000-3000)Гц
0,35 Тл/(1000-2000)Гц
—
—
«Сигнальное» железо от сигнальных блоков питания 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
Данная «всеядность» феррита можно пояснить тем, что петля его гистерезиса прямоугольная и рабочая индукция равна индукции насыщения. Сокращение если сравнивать с стандартными расчетных значений индукции в стальных магнитопроводах вызвано резким ростом потерь на коммутацию несинусоидальных токов при ее возрастании. Благодаря этому с сердечника понижающего трансформатора старого телевизора-«гроба» на 270 Вт в этом преобразователе на 50 Гц удастся снять не больше 100-120 Вт. Но – на безрыбье и рак рыба.
Примечание: если в наличии есть стальной магнитопровод заранее завышенного сечения, не выжимайте из него мощность! Пускай лучше индукция окажется меньшей – КПД преобразователя возрастет, а форма анодного напряжения улучшится.
Выпрямление
Выравнивать выходное напряжение таких преобразователей напряжения лучше по схеме с параллельным удвоением напряжения (поз. 3 на рис. со схемами): элементы для нее обходятся доступнее, а потери мощности на несинусоидальном токе будут меньше, чем в мостовой. Конденсаторы необходимо брать «силовые», которые рассчитаны на большую реактивную мощность (с обозначениями PE или W). Если поставить «звуковые» без таких букв, они могут просто разразиться.
50 гц? Это весьма просто!
Примитивной преобразователь напряжения на 50 Гц (поз. 4 рис. выше со схемами) оригинальная конструкция. У многих видов стандартных блоков питания питания своя неизменная времени близка к 10 мс, т.е. половине периода 50 Гц. Подкорректировав ее времязадающими резисторами, которые будут вместе с тем и ограничителями тока управления ключей, можно получить на выходе сразу сглаженный меандр 50 Гц без трудных схем развития. Подходят преобразователи электрической энергии ТП, ТПП, ТН на 50-120 Вт, однако не разные. Возможно, придется скорректировать номиналы резисторов и/или включить параллельно им конденсаторы на 1-22 нФ. Если частота изменения все равно далеко от 50 Гц, демонтировать и перематывать преобразователь электрической энергии бесполезно: склеенный ферромагнитным клеем магнитопровод распушится, и параметры преобразователя электрической энергии резко ухудшатся.
Этот преобразователь напряжения – загородный преобразователь выходного дня. Аккумулятор машины он не посадит по той же причине, что и предыдущий. Однако его хватит на освещение домика с закрытой террасой LED-лампами и телевизор или вибрационный насос в скважине. Частота изменения налаженного преобразователя напряжения при изменениях тока нагрузки от 0 до самого большого не выходит за пределы технормы для сетей электрического питания.
Разводят обмотки начального преобразователя электрической энергии так. В стандартных трансформаторах питания по четному числу вторичных обмоток на 12 или 6 В. Две из них «откладываются», а прочие распаиваются параллельно в группы из равного числа обмоток в каждой. Дальше группы соединяются постепенно таким образом, чтобы получились 2 полуобмотки на 12 В каждая, это будет низковольная (первичная) обмотка со средней точкой. Из оставшихся низковольных обмоток одна совмещается постепенно с сетевой на 220 В, это будет повышающая обмотка. Добавка к ней необходима, т.к. падение напряжения на ключах из биполярных составных транзисторах одновременно с его потерями в преобразователе электрической энергии достигает 2,5-3 В, и выходное напряжение окажется заниженным. Добавочная обмотка доведет его до нормы.
DC от микросхемы
КПД описанных преобразователей не превышает 0,8, а частота в зависимости от тока нагрузки ощутимо плавает. Максимальная мощность нагрузки менее 400 Вт, так что пришло время припомнить о современных схемных решениях.
Схема обычного преобразователя 12 В DC/ 220 В DC на 500-600 Вт дана на рис.:
Схема преобразователя 12-220 В DC 1000 Вт
Главное его назначение – питание ручного электрического инструмента. К качеству подводимого напряжения данная нагрузка не требовательна, благодаря этому ключи взяты дешевле; подходят также IFRZ46, 48. Преобразователь электрической энергии мотается на феррите сечением 2-2,5 кв. см; подойдёт сердечник понижающего 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 того же провода. Налаживание не потребуется, но контроля разряда батареи нет, так что во время работы необходимо прицепить к ее клеммам мультиметр и помнить на него посматривать (то же касается и всех прочих самодельных преобразователей напряжения 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 преобразователь электрической энергии на кольце
На характеристики очень высокого качества преобразователя напряжения, например, на его КПД, очень сильно влияет поле рассеяния его преобразователя электрической энергии. Значительное решение для его уменьшения давно известно: первичную обмотку, «накачивающую» магнитопровод энергией, устанавливают близко к нему; вторичные над ней по убыванию их мощности. Но техника такое дело, что теоретические принципы в определенных конструкциях иной раз приходится выворачивать наизнанку. Один из законов Мэрфи говорит прим. так: если железка и так все равно не желает работать как нужно, попробуй сделать в ней все наоборот. Полностью это можно отнести к преобразователю электрической энергии очень высокой частоты на ферритовом кольцевом магнитопроводе с обмотками из относительно толстого жёсткого провода. Мотают преобразователь электрической энергии инвертора на ферритовом кольце так:
Изолируют магнитопровод и при помощи намоточного челнока наматывают на него вторичную повышающую обмотку, укладывая витки как можно плотнее, поз. 1 на рис.:
Намотка преобразователя электрической энергии преобрзователя напряжения на ферритовом кольце
Готовят 2 похожих жгута проводов для первой обмотки: наматывают кол-во витков половины низковольтной обмотки тонким негодным проводом, снимают его, вымеряют длину, обрезают необходимое кол-во отрезков обмоточного провода с запасом и собирают их в жгуты.
Дополнительно изолируют вторичную обмотку до получения относительно идеальной поверхности.
Мотают «первичку» 2-мя жгутами сразу, располагая провода жгутов лентой и одинаково распределяя витки по сердечнику, поз. 3.
Вызванивают кончики жгутов и объединяют начало одного с концом иного, это будет средняя точка обмотки.
Примечание: на электрических принципиальных схемах начала обмоток, если это имеет большое значение, обозначаются точкой.
50 Гц сглаженные
Модифицированная синусоида от ШИМ-контроллера не только один способ получить на выходе преобразователя напряжения 50 Гц, пригодные для подсоединения любых бытовых потребителей электричества, да и ту было бы не лишним еще «пригладить». Самый простой из них – хороший преобразователь электрической энергии на железе, он прекрасно «гладит» благодаря собственной электрической инерции. Правда, найти магнитопровод на более чем 500 Вт становится все сложнее. Включается такой разделительный преобразователь электрической энергии на низковольный выход преобразователя напряжения, а к его повышающей обмотке подсоединяется нагрузка. По этой схеме, к слову, выстроено большое количество компьютерных ИБП, так что они для подобной цели прекрасно вписываются. Если же мотать преобразователь электрической энергии самому, то рассчитывается он точно также силовому, но со отпечаток. свойствами:
Первоначально конкретная величина рабочей индукции делится на 1,1 и используется во всех дальнейших расчетах. Так необходимо, чтобы предусмотреть т. наз. показатель формы несинусоидального напряжения Кф; у синусоиды Кф=1.
Повышающая обмотка рассчитывается сначала как сетевая на 220 В для заданной мощности (или конкретной по показателям магнитопровода и величине рабочей индукции). Потом найденное кол-во 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 с вмонтированным каналом и на 13,2 В для ключей с индуцированным каналом.
Варианты схемных решений преобразователей 12-200 В 50 Гц с разделительным преобразователем электрической энергии даны на рис.:
Схемы инверторов 12-220 В 50 Гц на 500-1000 Вт
На той, что слева, ключами управляет задающий генератор на т. наз. «мягеньком» мультивибраторе, он уже вырабатывает меандр в заваленными фронтами и сглаженными переломами, так что добавочных мер сглаживания не потребуется. Нестабильность частоты мягкого мультивибратора больше, чем обыкновенного, благодаря этому для ее подстройки необходим 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 дают возможность сделать больше ее до 350 Вт; одинарные на IRF3205 до 600 Вт, а спаренные на них же до 1000 Вт.
Преобразователь напряжения 12-220 В 50 Гц с задающим генератором на TL494 (с правой стороны на рис.) частоту держит железно во всех мыслимых немыслимых эксплуатационных условиях. Для более хорошего сглаживания псевдосинусоиды применяется явление т. наз. равнодушного резонанса, при котором фазовые соотношения токов и стрессов в колебательном контуре становятся аналогичными, как при остром резонансе, однако их амплитуды ощутимо не становятся больше. Технически это решается просто: к повышающей обмотке подсоединяют сглаживающий конденсатор, значение емкости которого выбирают по самой лучшей 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 подсоединяют осциллограф с закрытым входом. Сглаживающая емкость не делает меньше КПД преобразователя напряжения, но пользоваться для настройки компьютерными программами симуляции НЧ осциллографа нельзя, т.к. вход звуковой карты, какая в них применяется, не запланирован на амплитуду в 220х1,4 = 310 В! Ключи и мощности аналогичные, как в пред. случае.
Более абсолютная схема преобразователя 12-200 В 50 Гц дана на рис.:
Схема усовершенствованногопреобразователя 12-200 В 50 Гц
В ней применяются непростые составные ключи. Для увеличения качества анодного напряжения в ней применяется тот момент, что эмиттер планарно-эпитаксиальных биполярных транзисторов легирован много крепче базы и коллектора. Когда TL494 подаст закрывающий потенциал, напр., на базу VT3, ток его коллектора прекратится, однако за счёт 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 преобразователя напряжения определяется габаритной мощностью Tr, но не больше 600 Вт, т.к. применять в этой схеме парные мощные ключи нельзя – разброс величины заряда затвора MOSFET транзисторов довольно существенный и переключение ключей будет нечетким, отчего форма анодного напряжения способен 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 шажком 3,5-4 мм. Магнитопровод дросселя не обязан быть замкнут! Налаживание схемы дело довольно кропотливое и требующее немалого опыта: необходимо выбрать L1, R11 и C5 по самой лучшей форме выходного тока под нагрузкой, как в пред. случае. Зато и Hi-Fi, запитанное от этого преобразователя, остается «хайфаем» на самый требовательный слух.
А нельзя ли без преобразователя электрической энергии?
Уже обмоточный провод для мощного преобразователя электрической энергии на 50 Гц влетит в копеечку. Более менее доступны магнитопроводы от «гробовых» блоков питания до 270 Вт больших, однако в инверторе из подобного более 120-150 Вт не выжмешь, а КПД будет как максимум 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 проблемно, обойдется он дорого, а весь преобразователь выйдет очень большим и неподъемным. Преобразователи электрической энергии ИБП не рассчитаны на частую работу в продолжительном режиме – они греются и магнитопроводы их в преобразователях напряжения очень скоро деградируют – магнитные свойства сильно ухудшаются, мощность преобразователя падает. Есть ли выход?
Да, и подобное решение нередко используется в фирменных преобразователях. Это – электрический мост из ключей на высоковольтных силовых полевых транзисторах с напряжением пробоя от 400 В и током слива более 5 А. Подходят из первичных цепей компьютерных ИБП, а из старого хлама – КП904 и т.п.
Мост запитывается постоянкой 220 В DC от несложного преобразователя напряжения 12-220 с выпрямлением. Плечи моста открываются парами наперекрест по очереди, 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, однако в любительских условиях то и другое можно сменить добавочным маломощным преобразователем напряжения 12 В DC – 12 В 50 Гц, работающим на небольшой преобразователь электрической энергии на железе, см. рис. Магнитопровод для него можно взять от китайского базарного маломощного преобразователя электрической энергии питания. За счёт его электрической инерции качество анодного напряжения выходит намного лучше, чем модифицированная синусоида.
Схема получения 220 В 50 Гц от инвертора без мощного преобразователя электрической энергии на железе
