Не секрет, що ефективність змінного струму набагато вище в порівнянні з постійним струмом, це доведено як практично, так і теоретично. Але дуже часто трапляється так, що доступний тільки постійний струм, наприклад, бортова мережа автомобіля, акумулятори, сонячні батареї і інші альтернативні джерела енергії. У той же час, наприклад, при використанні сонячних батарей, протягом дня сонячна енергія надходить в нерівних кількостях, ввечері або в хмарну погоду її значно менше, ніж днем в ясну погоду.
Для вирівнювання напруги в схемі з сонячною батареєю використовують акумулятори, які при надлишках сонячної активності заряджаються, а при недостатності сонячного світла віддають накопичену за попередній час енергію. Або буває необхідність використання змінного струму, але не зі стандартними параметрами. Якщо за допомогою трансформатора ми можемо знизити або підвищити напругу, то частоту змінного струму, на жаль, з їх допомогою не зміниш. Для всіх вищеописаних випадків можна застосувати диво сучасної технології - інвертор електричної енергії.
Згідно вікіпедії. Інвертор - пристрій для перетворення постійного на змінний струм зі зміною величини частоти або напруги.
По суті інвертор - це перетворювач постійного струму в змінний струм. Причому отримати на виході можна будь-який струм, з практично будь-якими необхідними параметрами. Струм, одержуваний на виході інвертора, не залежить від вхідного. Єдине, що інвертор не може робити - це збільшувати електричну енергію, щоб не порушити закон збереження енергії. У всьому іншому універсальність інверторів величезна, вони дозволяють отримувати не статичні параметри струму на виході, а регулювати його.
Принцип роботи інвертора. якщо спростити сам процес, можна описати так: це трансформатор, до первинної обмотці якого підключені два ключа, які по черзі відкриваються і закриваються. В результаті працює або ліва, або права обмотки. В один момент часу електричний струм рухається або в одну сторону по першій обмотці, або в протилежну по другій обмотці. У цей час у вторинній обмотці індукується струм. Токи в обмотці наростають і зменшуються, у вторинній обмотці також, але при цьому ще й змінюючи напрямок струму, в залежності від того, яка первинна обмотка зараз активна. Правда, на виході ми отримуємо ступінчасту (а), або апрокісмірованую синусоїду (б), а не плавну (в), але це не суттєво для роботи більшості побутових приладів. Дорожчі інвертори дозволяють отримувати на виході і синусоїдальну форму вихідної напруги (в).
Інвертори можна розділити на автономні і мережеві. Автономні інвертори отримують живлення від потужних акумуляторних батарей. Харчування від них постійне. Мережеві інвертори отримують живлення від постійного струму, але вхідна напруга різниться за часом. Наприклад, у випадку з сонячними батареями воно може коливатися в діапазоні від 300 до 800 вольт. А ось ток на виході повинен залишатися постійним за параметрами: і за напругою і по частоті. А значить, в таких інверторах система контролю і комутації більш досконала, оскільки в якості генератора частоти використовується сама мережа, і робота інвертора синхронізується з цією мережею.
Отже, з теоретичною частиною розібралися. Але де ж можна зустріти інвертори в повсякденному житті? У великих містах трифазні інвертори зазвичай використовуються для створення тяги тролейбусів, трамваїв, та й взагалі для харчування трифазних асинхронних електродвигунів. Однофазні інвертори є практичні в кожному офісі - джерела безперебійного живлення.
Масове використання ІБП пов'язано із забезпеченням безперебійної роботи комп'ютерів, що дозволяє підключеному до ДБЖ обладнання при пропажі електричного струму або при виході його параметрів за допустимі норми, деякий нетривалий час продовжити роботу. Найпоширеніші побутові ДБЖ обладнані акумулятором 12 вольт 7,2 А.
Конструктивно перетворювачі сильно можуть відрізнятися в залежності від необхідної вихідної потужності. Якщо інвертор з вихідною потужністю до 150 ват можна зібрати, як то кажуть, на колінах будинку з підручних радіодеталей, то з більш високими вимогами доведеться «повозитися». Це пов'язано, як і більшої дорожнечею і недостатністю деталей, так і зростаючою кількістю виділеної теплоти. Нижче наведу схему щодо простого, але малопотужного інвертора, потужністю не більше 100 ват:
Від автомобільного акумулятора такий інвертор може живити пристрій потужністю 100 ват протягом декількох годин, що є досить непоганим показником. Ось найнеобхідніші параметри перетворювача:
Напруга харчування -------------------- 10,5 - 14 В
Напруга вихідного сигналу ----- 190 - 240 В
Частота змінної напруги - 48 - 52 Гц
Потужність підключається нагрузкі-- до 100 Вт
Як задає генератора DA1 в даному варіанті використовується спеціалізована мікросхема КР1211ЕУ1. Мікросхема містить інтегрований тактовий генератор, частота генерації якого визначається постійної часу ланцюга, яка підключається до висновку 7 мікросхеми. Для роботи системи захисту використовується висновок 1 мікросхеми. При подачі на нього високого рівня напруги робота мікросхеми блокується і на виходах встановлюється низький рівень напруги. У робочий режим мікросхема переводиться або виключенням і включенням харчування, або короткочасною подачею низького рівня напруги на висновок 3 мікросхеми. Вихідні імпульси DA1 по черзі відкривають польові транзистори VT4, VT5, які створюють в первинній обмотці трансформатора T1 змінний електричний струм. При цьому на висновках вторинної обмотки T1 формується вихідна змінна напруга.
Харчування для мікросхеми DA1 надходить від малопотужного інтегрального стабілізатора DA2. Наявність напруги живлення інформується светодиодом VD3. Частота формованого змінної напруги визначається номіналами R1, C1. Датчиком перевантаження служать паралельно з'єднані резистори R9 і R10. Протікає по ним ток створює падіння напруги між базою і емітером транзистора VT2 через дільник R8, R11. При перевантаженні транзистор VT2 відкривається і через дільник R6, R5 на висновок 1 мікросхеми надходить напруга високого рівня. Порогова величина струму спрацьовування захисту визначається номіналами R8, R11 і для даної схеми складає 10 А.
При зниженій напрузі харчування відкривається транзистор VT1. Струм, що протікає через відкритий транзистор VT1 і резистори R4, R5 створює на виведення 1 мікросхеми DA1 напруга високого рівня. Транзистори VT4, VT5 повинні бути встановлені на радіатори площею 30-50 кв. см. кожен. При цьому необхідно забезпечити електричну ізоляцію між радіатором і корпусом транзистора. Рекомендується використовувати прокладки з слюди або кераміки, а також діелектричні шайби під гвинти і теплопроводящую пасту. Як Т1 підійде понижуючий трансформатор потужністю не менше 150 Вт.
Рекомендується використовувати трансформатор ТП-190 після його нескладної доробки. Доопрацювання трансформатора полягає в тому, щоб, не вдаючись до його розбирання, відмотати 10 витків кожної секції вторинної обмотки. Для самостійного виготовлення трансформатора можна рекомендувати сердечник ПЛМ27-40-58. Первинна обмотка повинна містити дві секції по 32 витка дроту діаметром 2 мм, а вторинна (що підвищує) - 700 витків дроту діаметром 0,6 мм. З'єднання в ланцюгах витоків транзисторів VT4, VT5 первинної обмотки трансформатора Т1, а також конденсатора С8 повинні бути виконані проводом перерізом не менше 1,5 кв. мм.
Провід, що з'єднують перетворювач з джерелом живлення повинні мати переріз не менше 2,5 кв. мм. Резистор R19 встановлюється безпосередньо на виводах конденсатора С8, а елементи R19, C9 встановлюються на клемах трансформатора Т1. В якості вимикача SW1 рекомендується використовувати автомат на струм 16 А.
Елементи перетворювача, включаючи друковану плату, рекомендується закріпити на металевому шасі, яке слід з'єднати з «мінусом» джерела живлення. Використовувані в перетворювачі польові транзистори мають опір відкритого каналу близько 25 МОм, вони розраховані на досить великий допустимий струм стоку 40 А, тому потужність перетворювача може бути збільшена до 250 Вт шляхом зміни номіналів схеми блокування і використання відповідного трансформатора.
Налаштування інвертора зводиться до підбору частотозадаючого резистора R1. При відсутності вимірювальних приладів частоту формованого напруги можна оцінити за допомогою простого пристрою оцінки частоти, схема якого наведена на рис. 5. Роз'єм XР1 підключається до виходу перетворювача, а роз'єм XР2 - в електромережу 220 В 50 Гц. При цьому частота мигання світлодіода VD2 відповідає різниці частот напруг перетворювача і електромережі. Підбираючи резистор R1, слід домогтися найбільш рідкісних спалахів світлодіода.
Перелік елементів для складання даного перетворювача:
Позиція Найменування Кількість
DA1 КР1211ЕУ1 - 1
DA2 78L06 Інтегральний стабілізатор 2
VT1, VT2 КТ3107А - 1
VT3 KT3102A - 1
VT4, VT5 IRZ44 Польовий транзистор 2
VD1, VD2 КД522А - 2
VD3 LED 5мм, G Світлодіод зелений 1
VD4 LED 5мм, R Світлодіод червоний 1
R1 1,1MОм; 1,2МОм; 1,3МОм Потрібно підбір 3
R2, R4 3,9 кОм Оранж. білий, червоний 1
R3, R13 6,2 кОм Блакитний, червоний, червоний 1
R5 10 кОм Коричн. чорний, оранж. 1
R6 9,1 кОм Білий, коричн. червоний 1
R7 100 кОм Коричн. чорний, жовтий 1
R8 2,2 кОм Червоний, червоний, червоний 1
R16 1,8 кОм Коричн, сірий, червоний 2
R9, R10 0,1 Ом 5 Вт 2
R11 1,0 кОм Коричн. чорний. червоний 1
R12, R17 620 Ом Блакитний, червоний. коричн. 2
R18 82 кОм 2 Вт сірий, червоний, помаранчевий 1
R14, R15 100 Ом Коричн. чорний, коричн. 2
R19 1,2кОм коричневий, червоний, червоний 1
C1 1000 ПФ - 1
C2, C3 0,1 мкФ - 2
C4 1000мкФ 16В - 1
C5 10 мкФ 16В - 1
C6, C7 0,047 мкФ - 2
C8 10000 мкФ 16В - 1
C9 0,047 мкФ 400В - 1
В якості корпусу використаний блок живлення з персонального комп'ютера, транзистори КТ315 з будь-яким буквеним індексом, КТ209 можна замінити на КТ361 так само з будь-яким буквеним індексом. Стабілізатор напруги 7805 краще замінити на вітчизняний КР142ЕН5А. Резистори будь-які, потужністю від 0,125 до 0,25 пт. Діоди підійдуть теж практично будь-які низькочастотні, наприклад - КД105 або IN4002. Конденсатори C1 типу К73-11, К10-17В з малим відходом ємності при прогріванні. Трансформатор був узятий від блоку живлення персонального комп'ютера, але можна використовувати і від старих лампових телевізорів, наприклад - "Весна" або "Рекорд", важливо, щоб витки, перетин і залізо збігалися. З радіодеталями розібралися, тепер, як все це зібрати воєдино. Нижче приведу непогану схему інвертора:
Цей процес можна описати так: на мікросхемі D1 зібраний генератор прямокутних імпульсів, частота проходження яких близько 200 гц - діаграма "A". З виведення 8 мікросхеми імпульси надходять далі на подільники частоти, зібрані на елементах D2.1 - D2.2 мікросхеми D2. В результаті чого на виведення 6 мікросхеми D2 частота проходження імпульсів стає вдвічі менше - 100 гц - діаграма "B", а на виводі 8 імпульси стають рівним частоті 50 гц - діаграма "C". З виведення 9 знімаються неінвертіруемие імпульси 50 гц - діаграма "D".
На діодах VD1-VD2 зібрана логічна схема "АБО". В результаті чого взяті з висновків мікросхем D1 висновок 8, D2 висновок 6 імпульси утворюють на катодах діодів імпульс відповідний діаграмі "E". Каскад на транзисторах V1 і V2 служить для збільшення амплітуди імпульсів необхідних для повного відкривання польових транзисторів. Транзистори V3 і V4, підключені до виходів 8 і 9 мікросхеми D2 по черзі відкриваються, замикаючи тим самим то один польовий транзистор V5, то інший V6. В результаті чого керуючі імпульси формуються так, що між ними існує пауза, через що виключається можливість протікання наскрізного струму через вихідні транзистори і значно підвищується ККД. На діаграмах "F" і "G" показані сформовані імпульси управління транзисторами V5 і V6. Ось так буде виглядати друкована плата:
Нам залишається тільки підготувати трансформатор від блоку живлення. Для цього обмотку на напругу 220 вольт залишаємо, а решта обмотки видаляються. Поверх цієї обмотки намотуються дві обмотки проводом ПЕЛ - 2 мм. Для кращої симетрії їх слід намотати одночасно в два дроти. При підключенні обмоток необхідно врахувати фазировку. Польові транзистори закріпити через слюдяні прокладки на загальний радіатор з алюмінію. Правильно зібраний інвертор починає працювати відразу після подачі живлення. Єдине - буває необхідність виставити частоту 50-60 Гц підбором резистора R1 і конденсатора C1.