Przetworniki napięcia 12-220 V są stosowane wszędzie tam, gdzie istnieje potrzeba podłączenia urządzeń elektrycznych pobierających standardowy prąd sieciowy do źródeł napięcia zmiennego. W wielu przypadkach takie zasilanie sieciowe może być niedostępne. Użytkowanie autonomicznego generatora benzynowego wymaga przestrzegania zasad jego konserwacji: stałego monitorowania poziomu paliwa eksploatacyjnego, zapewnienia wentylacji. Zastosowanie konwerterów, wraz z akumulatorami samochodowymi, może rozwiązać ten problem w najlepszy możliwy sposób.
Zawartość
Przeznaczenie i zasada działania
Co to jest przetwornik napięcia. Urządzenie elektroniczne, które zmienia wartość sygnału wejściowego. Można go używać jako urządzenia zwiększającego lub zmniejszającego wartość napięcia wejściowego. Napięcie wejściowe po konwersji może zmieniać zarówno swoją wielkość, jak i częstotliwość. Urządzenia, które zmieniają napięcie stałe (konwertują je) na wyjściowy sygnał prądu zmiennego, nazywane są falownikami.
Przekładniki napięciowe są stosowane zarówno jako samodzielne urządzenia dostarczające prąd zmienny do odbiorników, jak i jako część innych produktów: systemów i źródeł zasilania bezprzerwowego, urządzeń podnoszących napięcie stałe do wymaganej wartości.
Inwertery są generatorami napięć harmonicznych. Źródło prądu stałego jest tworzone za pomocą specjalnego obwodu sterującego, który umożliwia okresowe odwracanie polaryzacji. W rezultacie na stykach wyjściowych urządzenia, do którego podłączone jest obciążenie, pojawia się zmienny sygnał napięciowy. Jego wielkość (amplituda) i częstotliwość jest określana przez obwód falownika.
Urządzenie sterujące (sterownik) ustala częstotliwość przełączania źródła i postać sygnału wyjściowego, a jego amplituda jest określana przez elementy stopnia wyjściowego obwodu. Są one zaprojektowane dla maksymalnej mocy pobieranej przez obciążenie w obwodzie prądu zmiennego.
Sterownik jest również wykorzystywany do sterowania sygnałem wyjściowym, co można osiągnąć poprzez sterowanie szerokością impulsu (zwiększanie lub zmniejszanie szerokości impulsu). Informacje o zmianach wartości sygnału wyjściowego do obciążenia są przekazywane do regulatora przez obwód sprzężenia zwrotnego, który jest wykorzystywany do formowania sygnału sterującego w celu utrzymania wymaganych parametrów. Metoda ta nosi nazwę sygnału PWM (Pulse Width Modulation - modulacja szerokości impulsu).
W obwodach przełączników wyjściowych przetwornicy napięcia 12 V można zastosować kompozytowe tranzystory bipolarne dużej mocy, tyrystory półprzewodnikowe i tranzystory polowe. Układy sterujące są oparte na mikroukładach, które są gotowymi urządzeniami z niezbędnymi funkcjami (mikrokontrolerami), zaprojektowanymi specjalnie dla takich przekształtników.
Obwody sterujące zapewniają sekwencję klawiszy, dzięki której na wyjściu falownika jest podawany sygnał wymagany do normalnego działania urządzeń konsumenckich. Ponadto układ sterowania musi zapewniać symetrię półfalowego napięcia wyjściowego. Jest to szczególnie ważne w przypadku układów wykorzystujących na wyjściu transformatory impulsowe step-up. Należy unikać składowej stałej napięcia, która może się pojawić, jeśli symetria nie zostanie zachowana.
Istnieje wiele wariantów układów przetwornicy napięcia (VI), ale można wyróżnić trzy podstawowe:
- Beztransformatorowy falownik mostkowy IN;
- Transformator UUT z przewodem neutralnym;
- Obwód mostkowy z transformatorem.
Każdy z nich jest wykorzystywany w swojej dziedzinie, w zależności od zastosowanego w nim zasilacza i wymaganej mocy wyjściowej do zasilania odbiorników. Każdy z nich musi posiadać elementy zabezpieczające i sygnalizacyjne.
Zabezpieczenie przed niedomiarem i nadmiarem napięcia źródła prądu stałego określa "wejściowy" zakres pracy przetwornic. Zabezpieczenie nadnapięciowe i podnapięciowe wyjścia prądu przemiennego jest niezbędne do normalnego działania urządzeń odbiorcy. Zakres wyzwalania jest ustawiany zgodnie z wymaganiami stosowanego obciążenia. Te rodzaje zabezpieczeń są odwracalne, tzn. ich działanie można przywrócić po przywróceniu normalnego działania sprzętu.
Jeżeli zabezpieczenie zadziałało z powodu zwarcia w obciążeniu lub nadmiernego wzrostu prądu wyjściowego, przed kontynuowaniem pracy urządzenia należy przeprowadzić dokładną analizę przyczyny zdarzenia.
Do stworzenia lokalnego źródła zasilania najbardziej odpowiednia jest przetwornica 12 V. Dostępność dużej liczby samochodów i akumulatorów prądu stałego o napięciu 12 V umożliwia ich wykorzystanie do zasilania potrzeb użytkowników. Takie sieci można instalować w różnych miejscach, począwszy od własnego samochodu. Są mobilne i nie są uzależnione od miejsca parkingowego.
Przetworniki napięcia 12 V na 220 V
Proste konwertery 12 na 220 zostały zaprojektowane z myślą o niskim zapotrzebowaniu na energię. Wymagania co do jakości wyjściowego napięcia zasilania i kształtu sygnału są niewielkie. W ich klasycznych układach nie stosuje się mikrokontrolerów PWM. Klapka złożona z elementów logicznych I-Ne generuje impulsy elektryczne o częstotliwości powtarzania 100 Hz. Wyzwalacz D służy do tworzenia sygnału w fazie. Dzieli częstotliwość oscylatora głównego przez 2. Sygnał przeciwfazowy w postaci impulsów kwadratowych jest generowany na wyjściu bezpośrednim i odwrotnym wyzwalacza.
Sygnał ten, za pośrednictwem elementów buforowych na elementach logicznych, NIE steruje układem wyjściowym przetwornicy, który jest zbudowany z tranzystorów kluczowych. Ich moc decyduje o mocy wyjściowej falowników.
Tranzystory mogą być kompozytowymi tranzystorami bipolarnymi i polowymi. Obwody odpływowe lub zbiorcze obejmują połowę uzwojenia pierwotnego transformatora. Jego uzwojenie wtórne jest przystosowane do napięcia wyjściowego 220 V. Ponieważ wyzwalacz dzieli częstotliwość multiwibratora 100Hz przez 2, częstotliwość wyjściowa będzie wynosić 50Hz. Wartość ta jest niezbędna do zasilania większości domowych urządzeń elektrycznych i radiowych.
Wszystkie elementy obwodu są zasilane z akumulatora pojazdu, a dodatkowe elementy zapewniają stabilizację i ochronę przed zakłóceniami o wysokiej częstotliwości. Sam akumulator jest również przed nimi chroniony.
Proste obwody falowników nie zawierają elementów zabezpieczających ani automatycznej regulacji. Częstotliwość sygnału wyjściowego jest określana przez dobór kondensatora i rezystora w obwodzie oscylatora głównego. Najprostszym zabezpieczeniem przed zwarciem w odbiorniku jest bezpiecznik w obwodzie zasilającym akumulator samochodowy. Dlatego należy zawsze mieć pod ręką zapasowy zestaw bezpieczników.
W nowoczesnych przetwornikach prądu stałego na prąd zmienny o większej mocy stosuje się inny obwód. Sterownik PWM ustawia tryb pracy. Określa on również amplitudę i częstotliwość sygnału wyjściowego.
W obwodzie przekształtnika o mocy 2000 W (12V+220V+2000W) w celu uzyskania wymaganej mocy wyjściowej zastosowano równoległe połączenie elementów aktywnych mocy w stopniach wyjściowych. W tym układzie prądy tranzystorów są sumowane.
Jednak bardziej niezawodnym sposobem zwiększenia parametru mocy jest połączenie kilku przetwornic DC/DC na wejściu do wspólnego falownika DC/AC (prądu stałego/zmiennego), którego wyjście jest wykorzystywane do podłączenia obciążenia o dużej mocy. Każda przetwornica DC/DC składa się z falownika z wyjściem transformatorowym i prostownika dla tego napięcia. Na zaciskach wyjściowych jest obecne napięcie stałe o wartości około 300 V. Wszystkie one są połączone równolegle na wyjściu.
Trudno jest uzyskać więcej niż 600 W mocy z jednego falownika. Cały obwód urządzenia jest zasilany napięciem z akumulatora.
Obwody te są wyposażone w różnego rodzaju zabezpieczenia, w tym zabezpieczenia termiczne. Czujniki temperatury są zamontowane na powierzchniach radiatorów tranzystorów wyjściowych. Wytwarzają one napięcie zależne od stopnia nagrzania. Urządzenie progowe porównuje ją z wartością zadaną na etapie projektowania i daje sygnał do zatrzymania urządzenia za pomocą odpowiedniego alarmu. Każdy rodzaj zabezpieczenia ma swój własny alarm, często dźwiękowy.
Dodatkowe wymuszone chłodzenie jest realizowane za pomocą zainstalowanej w obudowie chłodnicy powietrza, która włącza się automatycznie na polecenie odpowiedniego czujnika temperatury. Ponadto sama obudowa jest niezawodnym radiatorem, ponieważ jest wykonana z metalu falistego.
W zależności od postaci sygnału napięcia wyjściowego
Jednofazowe przekształtniki napięcia można podzielić na dwie grupy:
- Z wyjściem o czystej fali sinusoidalnej;
- Ze zmodyfikowanym sinusoidalnym przebiegiem wyjściowym.
W pierwszej grupie przetwornica wysokiej częstotliwości wytwarza stałe napięcie. Jego wartość jest zbliżona do amplitudy sygnału sinusoidalnego wymaganego na wyjściu urządzenia. W obwodzie mostkowym składowa bardzo zbliżona do fali sinusoidalnej jest uzyskiwana z tego napięcia stałego za pomocą modulacji szerokości impulsu regulatora i filtra dolnoprzepustowego. Tranzystory wyjściowe otwierają się kilkakrotnie w każdym półokresie w celu uzyskania zmiennego w czasie prawa harmonicznego.
Czysta fala sinusoidalna jest wymagana w przypadku urządzeń, których wejściem jest transformator lub silnik. Większość współczesnych urządzeń umożliwia uzyskanie napięcia o kształcie zbliżonym do sinusoidy. Produkty z zasilaczami impulsowymi mają szczególnie niskie wymagania.
Jednostki transformatorowe
Przekładniki napięciowe mogą zawierać transformatory. W obwodach falownikowych biorą one udział w działaniu generatorów blokujących, które wytwarzają impulsy o kształcie zbliżonym do fali kwadratowej. Częścią takiego oscylatora jest transformator impulsowy. Uzwojenia są połączone w taki sposób, że powstaje dodatnie sprzężenie zwrotne, powodujące tłumione oscylacje.
Rdzeń magnetyczny jest wykonany ze stopu o dużej szerokości pasma magnetycznego. Dzięki temu transformator pracuje w trybie nienasyconym. Właściwości te mają różne rodzaje ferrytów i permaloidów.
Generatory blokujące transformatory zostały zastąpione przez multiwibratory. Multiwibratory wykorzystują najnowocześniejsze układy scalone i charakteryzują się większą stabilnością częstotliwości niż ich poprzednicy. Ponadto układy z multiwibratorami mogą w prosty sposób zmieniać częstotliwość pracy oscylatora.
W nowoczesnych modelach przetwornic transformatory pracują w stopniach wyjściowych. Wyprowadzenie ze środkowego punktu uzwojenia pierwotnego zasila kolektory lub dren użytych w nich tranzystorów napięciem zasilania z baterii. Uzwojenia wtórne są przeliczane, z wykorzystaniem współczynnika transformacji, na napięcie zmienne 220 V. Jest to wartość wykorzystywana do zasilania większości domowych odbiorników energii.
Powiązane artykuły:
