Dc ac преобразователь с синусоидальным выходным напряжением

Чистая синусоида VS её ступенчатая аппроксимация. Часть I

Временами приходится пользоваться устройствами для автономного или резервного питания. Это могут быть автономные инверторные бензогенераторы, автомобильные инверторы, источники бесперебойного питания в режиме работы от батарей. В общем, все те устройства, в составе которых присутствует инвертор. И все бы ничего, но не все подобные устройства выдают на выходе синусоидальное переменное напряжение, на которое, собственно, и рассчитано все электрооборудование. То есть переменное-то оно у всех, а вот форма этого напряжения может быть далеко не синусоидальная.

В таких случаях в характеристиках устройства, в строке «Форма выходного напряжения» пишут «Ступенчатая аппроксимация синусоиды» или «Модифицированная синусоида» или «Квазисинусоида» или как-то еще.

Это означает, что там совсем не синусоида, а разнополярные прямоугольные импульсы, которые следуют с определенной паузой. Ниже на осциллограммах показаны синусоидальная форма напряжения в бытовой электросети (слева) и осциллограммы так называемой «квазисинусоиды», снятые с разных устройств.

Форма напряжения: а) в бытовой электросети; б) на выходе ИБП Back-UPS CS 500; в) на выходе инвертора 12/220 Mean Well

Нетрудно заметить, что амплитуды импульсов на осциллограммах с квазисинусоидой отличаются и составляют в первом случае 350–360 В, во втором — 290–300 В. Но их ширина подобрана таким образом, что среднеквадратичное значение получаемого переменного напряжения соответствует 225–230 В.

Казалось бы, нет проблем. Частота напряжения 50 Гц, среднеквадратичное значение соответствует 230 В. Но это только на первый взгляд. В сигнале, который отличается от синусоиды, присутствуют гармоники, т. е. получаемые разнополярные импульсы состоят не только из сигнала частотой 50 Гц, но и из сигналов более высоких частот, кратных основной частоте 50 Гц (150, 250, 350 и т. д.). Не будем углубляться в теорию, а просто скажем, что при запитывании оборудования подобной «квазисинусоидой» на него подается напряжение не только частотой 50 Гц, но и частотой 150 Гц, 250 и далее по нарастающей. При этом амплитуды этих напряжений хоть и уменьшаются с ростом частоты, но все же могут иметь достаточно высокий уровень. Уровень этих гармоник зависит от ширины импульса, его амплитуды и скорости нарастания.

Спектрограммы гармоник напряжения с выхода ИБП Back-UPS CS 500 (слева) и инвертора 12/220 Mean Well (справа) при нагрузке 25 Вт

Далее мы подробно рассмотрим различное электрооборудование и попробуем определить, насколько для него критична форма питающего напряжения.

Нагревательное электрооборудование

Оборудование, которое представляет собой активную нагрузку и не имеет в составе каких-либо регулирующих электронных устройств (диммеров), конденсаторов, индуктивностей, абсолютно не восприимчиво к форме питающего напряжения. Например, лампы накаливания, утюги, паяльники и другие нагревательные приборы. Но, к сожалению, такое оборудование всегда в меньшинстве.

Люминесцентные, светодиодные лампы и светильники

В конструкции таких ламп всегда присутствует устройство (драйвер), преобразующее напряжение 220–230 В в необходимое для питания светоизлучающих компонентов. Естественно, рядовой пользователь не знает принцип работы драйвера конкретной лампы или светильника и не может предположить, как они поведут себя при питании не синусоидальным напряжением, ведь они не рассчитаны на такие условия.

Проведем эксперимент, для статистики возьмем несколько ламп и светильников различных моделей и сравним их потребляемую мощность и другие параметры при подключении к обычной розетке и к устройству с «прямоугольной аппроксимацией синусоиды». Таким устройством будет источник бесперебойного питания фирмы APC с полной мощностью 500 В*А.

По результатам тестов заметно, что электрические характеристики ламп изменяются при питании квазисинусом. В большинстве случаев изменяются они в худшую сторону — увеличивается ток потребления и уменьшается коэффициент мощности. Критический случай, если в светодиодной лампе в качестве токоограничивающего элемента установлен конденсатор. При питании такой лампы квазисинусом со значительным уровнем гармоник потребляемая мощность может увеличиваться в разы, значит, и ток через светодиоды возрастает. Это можно наблюдать и визуально по изменению яркости свечения. Конечно, лампа в таком режиме прослужит недолго. Что интересно, при подключении такой лампы к автомобильному инвертору (12/230 В) подобного увеличения мощности не наблюдалось. Это связано с тем, что используемый для тестов инвертор выдавал разнополярные импульсы с меньшим уровнем гармоник, чем источник бесперебойного питания (рис. 2).

Напрашивается вывод: подключение светодиодных и люминесцентных ламп к источнику с прямоугольной апроксимацией синусоиды — это своего рода лотерея. Нет гарантии продолжительной работы ламп, и срок их службы будет зависеть от применяемого драйвера и конкретных параметров квазисинуса.

Устройства с трансформаторными источниками питания

Следующая группа электрооборудования — устройства, имеющие в своем составе трансформаторы. Для проведения тестов были выбраны два устройства — отечественный трансформатор ТС-40-2 и сетевой трансформаторный адаптер с выходным стабилизированным напряжением. Результаты тестов в таблице.

Схема классического трансформаторного источника питания

В тестировании трансформаторных источников питания помимо источника бесперебойного питания использовался инверторный преобразователь, который тоже имеет на выходе квазисинусоиду, но их параметры немного отличаются, о чем было сказано выше.

По результатам экспериментов можно наблюдать, что трансформаторные источники питания при питании их квазисинусом ведут себя вполне приемлемо и даже хорошо. Первое, что можно отметить это уменьшение тока холостого хода. И, как оказалось, чем больше уровни гармоник в питающем напряжении, тем этот ток меньше. Это связано с тем, что трансформатор в большей степени представляет собой индуктивную нагрузку, а реактивное сопротивление индуктивности с ростом частоты возрастает.

Из отрицательных моментов можно выделить следующее. Даже если у источника со ступенчатой аппроксимацией синусоиды среднеквадратичное напряжение будет составлять 230 В, но амплитуда импульсов будет завышена, то и на выходе выпрямителя мы получим завышенное напряжение. Это связано с тем, что фильтрующий конденсатор С (рис. 3) стремится зарядиться до амплитудного значения выпрямленного напряжения. Так, в указанной выше схеме при смене питающего синусоидального напряжения на квазисинусоиду напряжение на выходе повышалось с 16 до 19 В, что, естественно, повышало общую потребляемую мощность. Данный эффект наблюдался при питании этой схемы от источника бесперебойного питания, у которого при среднеквадратическом значении напряжения в 230 В амплитуда импульсов достигает 350 В.

Однако при питании данной схемы от автомобильного инвертора с амплитудой импульсов около 300 В наблюдалось даже некоторое уменьшение выходного напряжения. При этом среднеквадратичное значение напряжения инвертора также составляло 230 В.

Резюмируя, можно сказать, что, кроме возможного повышения напряжения во вторичных цепях трансформаторных источников питания, других негативных последствий для трансформаторов от квазисинусоиды не выявлено. Превышение же напряжения может в некоторой степени увеличить нагрев источника питания в целом, а будет это превышение или нет зависит от модели используемого ИБП или отдельного инвертора.

Необходимо отметить, что при питании трансформатора ступенчатой аппроксимацией синусоиды прослушивается характерный «звонкий» гул от трансформатора. «Звонкость» звука как раз и говорит о том, что в питающем напряжении есть составляющие с более высокими частотами, чем 50 Гц. Кроме возможных неприятных слуховых ощущений для человека этот звук не несет никаких негативных последствий для трансформатора.

В следующей части статьи будет рассмотрено поведение другого электрооборудования при питании его напряжением с формой, отличной от синусоидальной.

DC/AC преобразователь с синусоидальным выходным напряжением

Большинство известных преобразователей постоянного напряжения в переменное имеют выходной сигнал прямоугольной формы. Однако крутые фронты прямоугольных импульсов созда­ют сильные помехи. Двигатели переменного тока при питании их прямоугольным напряжением сильно шумят, нагреваются и имеют низкий КПД. Эти проблемы устраняются, если питать нагрузку синусоидальным напряжением.

Известны компьютерные источники беспере­бойного питания с микропроцессорным управле­нием, имеющие «синусоиду» на выходе. Широко­го распространения они не получили из-за боль­шой стоимости (в разы большие, чем обычные преобразователи напряжения). Но многие потре­бители (и я в том числе) не имеют возможности использовать такую дорогую технику.

Для получения «синусоиды» на выходе преоб­разователя обычно используют широтно-им­пульсную модуляцию. Мне хотелось получить «синусоиду» на выходе преобразователя напря­жения без использования микропроцессора и программатора, т.е. наиболее простым аппарат­ным способом. Однако проблема заключается в том, что параметры широтно-импульсной модуляции необходимо изменять в каждом полупериоде синусоидального напряжения.

На рис.1 показана принципиальная электрическая схема преобразователя напряжения постоянного напряжения в переменное, с синусоидальным выходом на базе обычных цифровых микросхем. Схема разработана таким образом, чтобы устройство мог повторить практически любой радиолюбитель.

Преобразователь выполнен по схеме полного моста, выполненного на четырех транзисторах VT1-VT4. Синусоидальный выходной сигнал формируется методом широтно-импульсной модуляции. Управляется мост двумя высокочастотными драйверами типа IR2110, способными перезаряжать затворы полевых транзисторов током до 2 А. Напряжение питания этих драйверов должно находиться в пределах 10…15 В. При снижении напряжения ниже 10 В драйвер отказывается работать, так как он имеет встроенную схему контроля питающего напряжения. Повышение напряжения выше 15 В приводит к выходу из строя драйверов или затворов полевых транзисторов.

Максимальное напряжение между затвором и истоком указанных на схеме транзисторов составляет 20 В.

Задающий генератор преобразователя вы­полнен на микросхеме DA1. Частота его колеба­ний определяется величиной резистора R1, а скважность импульсов равная 2 достигается ус­тановкой движка резистора R1 в нужное положе­ние. Выходной сигнал с задающего генератора поступает на две последовательно соединенные интегрирующие цепочки R5C3 и R6C2, а также на одновибратор, выполненный на D-триггере мик­росхемы DD1.1. Выходной сигнал интегрирую­щей цепочки представляет собой приближенную синусоиду с периодом в 10 мс. Выходной сигнал одновибратора — прямоугольный импульс дли­тельностью 0,5 мс и периодом в 10 мс. Длитель­ность импульса можно регулировать, изменяя величину резистора R7.

На D-триггере микросхемы DD1.2 построен делитель частоты на 2, т.е. период его выходного сигнала равен 20 мс (частота 50 Гц). Из прямых и инверсных выходных сигналов триггера DD1.2 и выходного сигнала одновибратора DD1.1 логиче­ские элементы DD3.1 и DD3.2 формируют сигна­лы управления силовыми ключами моста.

Широтно-импульсный модулятор построен на микросхеме DD3, содержащей два инвертора b полевые (р-канальные и n-канальные) транзисто­ры. Западный аналог этой микросхемы — CD4007. Выходное сопротивление транзисторов этой ИМС почти линейно зависит от входного на­пряжения. На инверторах DD3.1 и DD3.3 выпол­нен мультивибратор по стандартной схеме. По­левые транзисторы включены через диоды VD3-VD4 параллельно резистору R8. При высо­ком уровне на выходе генератора диод VD4 будет проводить, т.е. выходное сопротивление p-канала транзистора будет включено параллельно с резистором R8. Подобным образом выходное сопротивление n-канала транзистора включается параллельно резистору R8 при низком уровне на выходе генератора.

Широтно-импульсный модулятор реализуется изменением скважности импульсов генератора в соответствии с входным напряжением, посту­пающим с интегрирующей цепочки R5С3, R6С2. Само изменение частоты колебаний ми­нимально зависит от скважности, так как вы­ходное сопротивление одного транзистора возрастает, а другого всегда уменьшается при любой величине управляющего напряжения. Таким образом, среднее за период значение шунтирующего резистор R8 сопротивления остается постоянным.

Частота колебаний генератора соответст­вует 2 кГц. Увеличение управляющего напря­жения, поступающего на модулятор, приводит к увеличению длительности выходных импуль­сов. Уменьшение управляющего напряжения к уменьшению длительности импульсов выход­ного сигнала. Частота колебаний остается неизменной.

На рис. 2 показаны временные диаграммы сигналов в определенных точках преобразова­теля:

• выходной сигнал задающего генератора;
• выходной сигнал одновибратора;
• выходной сигнал делителя на 2 (DD2) вывод 13;
• инверсный выходной сигнал делителя на 2 (DD2) вывод 12;
• результат сложения прямого сигнала де­лителя на 2 и выходного сигнала однови­братора;
• результат сложения инверсного сигнала делителя на 2 и выходного сигнала одно­вибратора;
• выходной сигнал логического элемента DD1 без высокочастотного заполнения с широтно-импульсного модулятора;
• с высокочастотным заполнением;
• выходной сигнал логического элемента DD2 без высокочастотного заполнения с широтно-импульсного модулятора;
• с высокочастотным заполнением;
• сигнал на первичной обмотке трансформа­тора ТV

От длительности импульса одновибратора (диаграмма 2 на рис.2) зависит величина вре­менной паузы между включением ключей. Это необходимо для того, чтобы силовые ключи не оказались открытыми одновременно.

Диоды VD7-VD10 устанавливаются в том случае, когда силовые транзисторы не имеют внутреннего диода.

Мощность преобразователя зависит от типа примененных полевых транзисторов. Полевые транзисторы, а также транзисторы IGBT можно ставить параллельно для увеличения мощности преобразователя. Если требуется преобразователь напряжения на другую частоту, например на 400 Гц, то необходимо изменить частоту задаю­щего генератора и довести ее до 800 Гц, путем уменьшения сопротивления резистора R1. Кроме этого необходимо уменьшить сопротивление резистора R6, чтобы уменьшить величину временной паузы между импульсами. Частота широтно-импульсного модулятора также должна быть увеличена до 5 кГц, путем уменьшения емкости конденсатора С4 до 470 пФ.

Трансформатор TV1 должен быть выбран на соответствую­щую рабочую частоту преобразо­вателя.

Дроссель L1 служит для устра­нения влияния работы силовых ключей на питающее напряжение платы управления. Диод VD11 препятствует разряду конденса­тора С6 на источник питания пре­образователя в момент включения силовых клю­чей. Драйверы DА2 и DА3 имеют вход SD, при по­даче на который сигнала высокого уровня они за­пираются, и преобразователь не работает. Это можно использовать для защиты преобразовате­ля от перегрузки.

Печатная плата преобразователя имеет раз­меры 105×51 мм. Ее чертеж, расположение эле­ментов и перемычек на ней приведен на рис.3.

Литература

1. Широтно-импульсный модулятор на одной КМОП микросхеме // Электроника. — 1977. — №13. — С.55.

Автор: Вячеслав Калашник, г. Воронеж
Источник: Радиоаматор №6/2016

Возможно, вам это будет интересно:

Постоянная ссылка на это сообщение: http://meandr.org/archives/33595

Добавить комментарий Отменить ответ

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.

Инвертор DC AC: назначение, схема и принцип работы

Инвертор DC/AC преобразует постоянный ток в переменный. При этом может изменяться величина электрического напряжения. Устройство представляет собой отдельный прибор или является частью системы источников бесперебойного питания для различной аппаратуры. Может иметь контроллер заряда.

Для чего нужен инвертор DC/AC

Преобразователи AC/DC используются постольку, поскольку маломощные генераторы постоянного тока не могут эффективно питать современные приборы.

Развитие технологий требует применения усовершенствованных способов защиты данных и аппаратуры при внезапном отключении электричества.

К примеру, если ПК сталкивается с отключением сети, инвертор DC/AC и резервный аккумулятор образуют источник бесперебойного питания. Это позволяет безопасным образом закончить работу устройства.

DC – это постоянный ток, AC – переменный. Инвертор также служит промежуточным элементом в цепи преобразователей энергии. В этом случае прибор работает на высокой частоте в десятки и сотни килогерц.

Как работает инвертор DC AC

Переменное напряжение в инверторе образуется за счет частых подключений источника постоянного напряжения к противоположным клеммам нагрузки. Направление движения тока в результате чередуется.

Принцип работы станет понятнее, если представить, что к резистору попеременно то минусом, то плюсом подключается батарейка. Чередование должно осуществляться с высокой скоростью.

Существуют импульсные преобразователи следующих типов:

• Механические. Преобразование постоянного тока в переменный происходит за счет частого переключения контактов.
• Полупроводниковые. Отличаются более высокой эффективностью.
• Цифровые. Используются на телекоммуникационной аппаратуре.

Инвертор генерирует осциллирующие (колебательные) импульсы. Форма выходного напряжения устройства DC/AC бывает:

Используется в высокоточных и сложных приборах, восприимчивых к качеству напряжения. Синусоида получается благодаря широтно-импульсной модуляции. Инверторы с такой формой напряжения являются очень дорогими.

• Квазисинусоидной, или ступенчатой.

Это более дешевый вид импульсного преобразователя напряжения. Подходит для установки на нагревательные и осветительные приборы бытового назначения.

• Импульсной, или прямоугольной.

Из-за особенностей такой синусоиды, смена полярностей происходит резко. Для обычного пользователя это означает, что использование дешевого преобразователя напряжения может привести к нежелательной поломке таких чувствительных устройств как холодильник или стиральная машина. Опасности также подвержена дорогостоящая видеоаппаратура, аудиотехника.

Что стоит учитывать, определяя эффективность преобразователя питания:

• КПД;
• допустимый Power Factor (PF), или коэффициент мощности;
• качество напряжения на выходе;
• допустимый пик-коэффициент, или Crest Factor;
• перегрузочную способность устройства.

В каких режимах может работать инвертор DC/AC:

• Перегрузка. В этом случае преобразователь способен до 30 минут отдавать такую мощность, которая до полутора раз превышает номинальную.
• Длительная работа. Функционирование осуществляется при номинальной мощности инвертора.
• Режим пусковой. Устройство отдает повышенную мощность на несколько миллисекунд. Это запускает электродвигатели.

Инвертор DC/AC не рассчитан на постоянное функционирование в режиме пиковой мощности на протяжении длительного промежутка времени.

Инвертирующая схема

Классификация DC/AC по исполнению схемы:

Предназначены для питания устройств мощностью до 500 Вольт-Ампер (В·А). Имеют относительно простую схему. Нулевой вывод трансформатора дает 2 напряжения с противоположной фазой и одинаковым значением.

• Мостовые инверторы напряжения.

Схемы без трансформатора используются в устройствах, работающих с мощностью выше 500 ВА, или на высоковольтных установках.

Включают в себя мостовую схему с трансформаторами. Эта особенность комбинированных инверторов позволяет выпускать преобразователи, обладающие обширным диапазоном мощностей. Они могут колебаться от единиц и до десятков кВА.

Приведем схемы указанных преобразователей напряжения:

Инвертор DC AC — разновидности

Какие существуют классы AC/DC преобразователей в зависимости от принципа их действия:

Называются также «ведомыми». Преобразуют электроэнергию, отдавая ее в сеть переменного тока. Этот принцип действия представляет собой полную противоположность выпрямителя (так зовется прибор, преобразующий переменный ток AC в DC).

Занимаются преобразованием электротока с регулируемой или неизменной частотой. Работают на нагрузку, не имеющую связи с сетью переменного тока.

Какими бывают автономные преобразователи напряжения AC/DC:

Форма выходного напряжения таких инверторов зависит от порядка коммутации силовых ключей. На входе имеет конденсатор с большой емкостью. Форма тока на выходе задается характером нагрузки. В большинстве источников бесперебойного питания AC/DC используются инверторы АИН.

В этом случае характером нагрузки определяется именно форма выходного электрического напряжения, а не тока. На советских аэродромах использовался стационарный преобразователь АПЧС-63У1.

Резонансные инверторы чаще всего применяются для получения высокочастотного напряжения (от 0,5 до 10 кГц). Обычно работают на нагрузке в 1 фазу. Часто эксплуатируются в области электротермии, на установках индукционного нагрева.

В зависимости от конструкции:

• Однофазный инвертор DC/AC. Может иметь на выходе так называемый «чистый синус» или сигнал упрощенной формы.
• Двухфазный. Часто используются на сварочных аппаратах.
• Трехфазные инверторы чаще всего нужны для подачи соответствующего тока на электродвигатели. Высокомощные устройства этого типа устанавливаются в тяговых преобразователях.
• Многофазные.

Чем отличается инвертор DC AC от конвертора

Инвертор напряжения преобразует переменный ток (AC) в постоянный (DC), и наоборот. Устанавливается на промышленной технике, активно используется при работе с бытовыми приборами. Предназначен для подачи на устройства бесперебойного изолированного питания.

Инвертор DC AC используется также в сварочных аппаратах. Применение преобразователя позволяет уменьшить размеры и вес подобных приборов. Это способствует облегчению транспортировки и повышает удобство при эксплуатации данных устройств.

Существуют также приборы другого класса, предназначенные для понижения или повышения электрического напряжения переменного тока. Они называются «конвертеры» AC/AC.

Существуют и конвертеры DC/DC. Они преобразуют постоянное напряжение. Виды тока при этом не меняются. Будучи частью одной системы, они делают это таким образом, чтобы каждый отдельный аккумулятор получал именно то напряжение, которое ему нужно.

Где приобрести

Купить инвертор DC AC и оптроны можно в интернет-магазине «ТМ Электроникс». В каталоге представлен широкий выбор преобразователей.

Можно запросить звонок на сайте. Вам перезвонит менеджер и поможет сориентироваться в выборе продукции. Чтобы оформить заказ на сайте компании самостоятельно, добавьте товар в корзину и заполните форму.

Преимущества сотрудничества с «ТМ Электроникс»:

Товар распространяется по всей России. Доставим заказанный инвертор и любые сопутствующие электронные компоненты к терминалу транспортной компании или по указанному при оформлении покупки адресу. Курьер обязательно сообщит о своем приезде, если вы укажете свои контактные данные.

В наличии полупроводники, оптоэлектроника, трансформаторы, переключатели, кабели, компьютерные аксессуары и другие электронные комплектующие.

Вся продукция сертифицирована. Полное соответствие существующим в сфере радиоэлектроники ГОСТам.

• Качественный и надежный сервис, соответствующий европейским стандартам обслуживания.
• Мы заказываем устройства и электронные компоненты к ним напрямую у производителя.

Это позволяет не завышать стоимость продукции и продавать технику по максимально выгодной для покупателя цене.

• Техническая поддержка на русском языке.

Это обеспечивает покупателю удобство использования нашего сервиса на всех этапах сотрудничества.

Поиск электронных компонентов под индивидуальные нужды каждого клиента. Осуществляется инженерная поддержка. Занимаемся подбором элементной базы.

• Удобная оплата без комиссии. Купить инвертор можно онлайн, через электронный кошелек или по банковской карте.

Многолетний опыт позволяет нам предлагать покупателю только самый качественный товар. В TME продаются электронные компоненты от лучших зарубежных поставщиков.

Для посылок стандартных размеров предоставляем услугу бесплатной доставки. Условия пересылки крупногабаритных грузов рассчитываются отдельно. Возможен самовывоз из пунктов выдачи.

Читайте больше полезных и интересных статей в интернет-журнале PClegko.

Чистая синусоида VS её ступенчатая аппроксимация. Часть I

Временами приходится пользоваться устройствами для автономного или резервного питания. Это могут быть автономные инверторные бензогенераторы, автомобильные инверторы, источники бесперебойного питания в режиме работы от батарей. В общем, все те устройства, в составе которых присутствует инвертор. И все бы ничего, но не все подобные устройства выдают на выходе синусоидальное переменное напряжение, на которое, собственно, и рассчитано все электрооборудование. То есть переменное-то оно у всех, а вот форма этого напряжения может быть далеко не синусоидальная.

В таких случаях в характеристиках устройства, в строке «Форма выходного напряжения» пишут «Ступенчатая аппроксимация синусоиды» или «Модифицированная синусоида» или «Квазисинусоида» или как-то еще.

Это означает, что там совсем не синусоида, а разнополярные прямоугольные импульсы, которые следуют с определенной паузой. Ниже на осциллограммах показаны синусоидальная форма напряжения в бытовой электросети (слева) и осциллограммы так называемой «квазисинусоиды», снятые с разных устройств.

Форма напряжения: а) в бытовой электросети; б) на выходе ИБП Back-UPS CS 500; в) на выходе инвертора 12/220 Mean Well

Нетрудно заметить, что амплитуды импульсов на осциллограммах с квазисинусоидой отличаются и составляют в первом случае 350–360 В, во втором — 290–300 В. Но их ширина подобрана таким образом, что среднеквадратичное значение получаемого переменного напряжения соответствует 225–230 В.

Казалось бы, нет проблем. Частота напряжения 50 Гц, среднеквадратичное значение соответствует 230 В. Но это только на первый взгляд. В сигнале, который отличается от синусоиды, присутствуют гармоники, т. е. получаемые разнополярные импульсы состоят не только из сигнала частотой 50 Гц, но и из сигналов более высоких частот, кратных основной частоте 50 Гц (150, 250, 350 и т. д.). Не будем углубляться в теорию, а просто скажем, что при запитывании оборудования подобной «квазисинусоидой» на него подается напряжение не только частотой 50 Гц, но и частотой 150 Гц, 250 и далее по нарастающей. При этом амплитуды этих напряжений хоть и уменьшаются с ростом частоты, но все же могут иметь достаточно высокий уровень. Уровень этих гармоник зависит от ширины импульса, его амплитуды и скорости нарастания.

Спектрограммы гармоник напряжения с выхода ИБП Back-UPS CS 500 (слева) и инвертора 12/220 Mean Well (справа) при нагрузке 25 Вт

Далее мы подробно рассмотрим различное электрооборудование и попробуем определить, насколько для него критична форма питающего напряжения.

Нагревательное электрооборудование

Оборудование, которое представляет собой активную нагрузку и не имеет в составе каких-либо регулирующих электронных устройств (диммеров), конденсаторов, индуктивностей, абсолютно не восприимчиво к форме питающего напряжения. Например, лампы накаливания, утюги, паяльники и другие нагревательные приборы. Но, к сожалению, такое оборудование всегда в меньшинстве.

Люминесцентные, светодиодные лампы и светильники

В конструкции таких ламп всегда присутствует устройство (драйвер), преобразующее напряжение 220–230 В в необходимое для питания светоизлучающих компонентов. Естественно, рядовой пользователь не знает принцип работы драйвера конкретной лампы или светильника и не может предположить, как они поведут себя при питании не синусоидальным напряжением, ведь они не рассчитаны на такие условия.

Проведем эксперимент, для статистики возьмем несколько ламп и светильников различных моделей и сравним их потребляемую мощность и другие параметры при подключении к обычной розетке и к устройству с «прямоугольной аппроксимацией синусоиды». Таким устройством будет источник бесперебойного питания фирмы APC с полной мощностью 500 В*А.

По результатам тестов заметно, что электрические характеристики ламп изменяются при питании квазисинусом. В большинстве случаев изменяются они в худшую сторону — увеличивается ток потребления и уменьшается коэффициент мощности. Критический случай, если в светодиодной лампе в качестве токоограничивающего элемента установлен конденсатор. При питании такой лампы квазисинусом со значительным уровнем гармоник потребляемая мощность может увеличиваться в разы, значит, и ток через светодиоды возрастает. Это можно наблюдать и визуально по изменению яркости свечения. Конечно, лампа в таком режиме прослужит недолго. Что интересно, при подключении такой лампы к автомобильному инвертору (12/230 В) подобного увеличения мощности не наблюдалось. Это связано с тем, что используемый для тестов инвертор выдавал разнополярные импульсы с меньшим уровнем гармоник, чем источник бесперебойного питания (рис. 2).

Напрашивается вывод: подключение светодиодных и люминесцентных ламп к источнику с прямоугольной апроксимацией синусоиды — это своего рода лотерея. Нет гарантии продолжительной работы ламп, и срок их службы будет зависеть от применяемого драйвера и конкретных параметров квазисинуса.

Устройства с трансформаторными источниками питания

Следующая группа электрооборудования — устройства, имеющие в своем составе трансформаторы. Для проведения тестов были выбраны два устройства — отечественный трансформатор ТС-40-2 и сетевой трансформаторный адаптер с выходным стабилизированным напряжением. Результаты тестов в таблице.

Схема классического трансформаторного источника питания

В тестировании трансформаторных источников питания помимо источника бесперебойного питания использовался инверторный преобразователь, который тоже имеет на выходе квазисинусоиду, но их параметры немного отличаются, о чем было сказано выше.

По результатам экспериментов можно наблюдать, что трансформаторные источники питания при питании их квазисинусом ведут себя вполне приемлемо и даже хорошо. Первое, что можно отметить это уменьшение тока холостого хода. И, как оказалось, чем больше уровни гармоник в питающем напряжении, тем этот ток меньше. Это связано с тем, что трансформатор в большей степени представляет собой индуктивную нагрузку, а реактивное сопротивление индуктивности с ростом частоты возрастает.

Из отрицательных моментов можно выделить следующее. Даже если у источника со ступенчатой аппроксимацией синусоиды среднеквадратичное напряжение будет составлять 230 В, но амплитуда импульсов будет завышена, то и на выходе выпрямителя мы получим завышенное напряжение. Это связано с тем, что фильтрующий конденсатор С (рис. 3) стремится зарядиться до амплитудного значения выпрямленного напряжения. Так, в указанной выше схеме при смене питающего синусоидального напряжения на квазисинусоиду напряжение на выходе повышалось с 16 до 19 В, что, естественно, повышало общую потребляемую мощность. Данный эффект наблюдался при питании этой схемы от источника бесперебойного питания, у которого при среднеквадратическом значении напряжения в 230 В амплитуда импульсов достигает 350 В.

Однако при питании данной схемы от автомобильного инвертора с амплитудой импульсов около 300 В наблюдалось даже некоторое уменьшение выходного напряжения. При этом среднеквадратичное значение напряжения инвертора также составляло 230 В.

Резюмируя, можно сказать, что, кроме возможного повышения напряжения во вторичных цепях трансформаторных источников питания, других негативных последствий для трансформаторов от квазисинусоиды не выявлено. Превышение же напряжения может в некоторой степени увеличить нагрев источника питания в целом, а будет это превышение или нет зависит от модели используемого ИБП или отдельного инвертора.

Необходимо отметить, что при питании трансформатора ступенчатой аппроксимацией синусоиды прослушивается характерный «звонкий» гул от трансформатора. «Звонкость» звука как раз и говорит о том, что в питающем напряжении есть составляющие с более высокими частотами, чем 50 Гц. Кроме возможных неприятных слуховых ощущений для человека этот звук не несет никаких негативных последствий для трансформатора.

В следующей части статьи будет рассмотрено поведение другого электрооборудования при питании его напряжением с формой, отличной от синусоидальной.

Power Electronics

Часовой пояс: UTC + 4 часа

Преобразователь 12В-220В 50Гц (DC-AC) с синусом на выходе

Преобразователь 12V/230V (200W).

Преобразователь PDA200W способен из бортового напряжения 12V производить напряжение 230V/50Hz, которое

можно использовать для питания устройств переменного тока мощностью до 200Вт.

ВВЕДЕНИЕ
Высокий КПД – 90%, и электронная защита – вот самые важные особенности этого преобразователя.
Созданный по самой современной технологии, преобразователь PDA200W имеет высокую производительность,

надежность и безопасность в эксплуатации при очень маленьких габаритах. Он очень удобен для применения в

автомобиле, на кемпинге и при отдыхе на природе.
Технические данные этого компактного 200W преобразователя PDA200W показаны в таблице 1.

Технические данные:
Входное напряжение: 10,5 — 15V
Входной ток:
При 13,6V/150W: …12A
Выходная мощность: …150W
Пиковая мощность (не более 5 мин.): …200W
Выходное напряжение: …230V (eff)

Функции защиты:
— Сигнализация минимального напряжения (11V)
— Автоматическая защита и выключение при достижении (10,5V)
— Защита от перегрева
— Защита от перегрузки
— Защита от короткого замыкания

Габаритные размеры (LxBxH): 154x73x42 мм
Масса: 490г.

Высокий КПД преобразователя (до 90 %) достигается применением обедненного феррита и импульсной техники.
При этом преобразование происходит на частоте около 45КГц, с последующим электронным преобразованием в

стабилизированное выходное напряжение 50Гц.
Применение импульсной техники и современных технологий не только позволили собрать преобразователь

PDA200W в габаритах 154x73x42мм, но и добиться высокой надежности.
Его выходное напряжение стабилизировано и поддерживается неизменным при различных нагрузочных

характеристиках, а так же снижении напряжения источника питания до 11V. Преобразователь поддерживает

стабильное напряжение на выходе вплоть до достижения 10,5V, когда срабатывает автоматика защиты, которая

отключает источник питания для предотвращения полной разрядки АКБ.
Также имеется защита от перегрузки и короткого замыкания при ремонте и эксплуатации.
Шнур питания длиной 1,2м. На его конце подключен штекер для подключения к прикуривателю автомобиля, а

для подключения нагрузок используется сетевая евро-розетка.
При подключении нагрузки, питающее напряжение медленно возрастает, защищая таким образом от случайного

поражения током при прикосновении к выходным контактам.
Теперь перейдем к схеме.

РАБОТА СХЕМЫ
На рис.1 показана большая схема преобразователя которая тем не менее в собранном состоянии дает

миниатюрный прибор.
Интегральная микросхема IC2 (ШИМ) в сочетании с мощными транзисторами Q1 – Q4 а также импульсным

трансформатором T1, образуют повышающий преобразователь. Этой частью схемы производится

трансформация напряжения 12V в выходное постоянное напряжение величиной приблизительно 340V, которое

заряжает конденсатор C26.
Применение микросхемы ШИМ (IC2) типа SG3525 (KA3525) которая содержит все важные компоненты, которые

требуются для создания импульсного источника питания, дало возможность создать очень компактный

преобразователь.
Сопротивлением R10 на выводе 6 (IC2), а также цепью R9 и C4 устанавливается частота задающего генератора

и соответственно частота преобразования.
С данными номиналами тактовая частота составляет около 45КГц. Ширина импульса выходного сигнала

устанавливается сопротивлениями R6 – R9 а также конденсатором C3 и обеспечивает постоянство нагрузки на

выходе преобразователя.
Напряжение питания IC2 берется непосредственно от источника питания 12V и подается на вывод 15

микросхемы. Внутренний источник опорного напряжения выдает на вывод 16 микросхемы стабилизированное

напряжение 5,1V, которое может использоваться как для стабилизации внутренних цепей, так и внешних.
Управляющие выходы IC2 выводы 11 и 14 через сопротивления R1 – R4 управляют непосредственно

транзисторами выходного каскада Q1 – Q4.
Управление мощными транзисторами происходит так, что в первой фазе открытыми являются транзисторы Q1 и

Q2, а в следующей фазе Q3 и Q4. Таким образом, верхний и нижний выводы трансформатора поочередно

соединяются с «землей».
На вторичной обмотке трансформатора T1 имеются 2 обмотки. Верхняя обмотка с присоединенными диодами

D16 до D19 является основной рабочей, а нижняя является вспомогательной, необходимой для питания

устройств во второй части схемы.
Прежде чем мы приступим к рассмотрению дальнейшего преобразования вторичных напряжений, мы хотим

рассмотреть работу компараторов схемы защиты IC1.
Эталонным напряжением для обеих компараторов микросхемы IC1 служит напряжение 5,1V получаемое от

встроенного в микросхему IC2 стабилизатора. Через фильтр нижних частот R37/C28 эталонное напряжение

поступает на выводы 2 и 5 микросхемы.
Резисторным делителем R15/R11 устанавливается порог переключения для акустического зуммера SU1.

Конденсатор C29 предотвращает срабатывание зуммера при кратковременных скачках напряжения. С помощью

сопротивлений R14 и R20 устанавливается напряжение гистерезиса. Переключение схемы происходит при

превышении опорного напряжения 5,1V на выводе 3, что приводит к активации зуммера на выводе 1

микросхемы.
О втором компараторе IC1 в сочетании с внешними элементами R16 – R18 и C12 реализован второй порог

переключения.
Если входное напряжение на сопротивлениях R16 – R18 достигнет 10,5V, то выход 7 компаратора переключится

с низкого, на высокий уровень. Это приводит к тому, что на выводе 1 IC2 исчезает сигнал управления, и первая

ступень преобразования выключается.
COMP-выход вывод 9 IC2 показывает это рабочее состояние переключением уровня с низкого на высокий. И

сигналом через D7 достигается защелкивание триггера. Если это произошло не по причине низкого входного

напряжения, то необходимо выключить и снова включить преобразователь.
Этим мы завершаем описание первичной схемы преобразования, и обращаемся к формирователю вторичного