Необходимость использования DC/AC-преобразователей для транспортного электрооборудования была давно. Напряжение транспортной сети имеет значение: 6 – 72В и более вольт. В самолётах, обычно, бортовая сеть имеет 28В постоянного и 110 или 200В переменного, но с частотой 400Гц. На транспорте генерируется электричество в виде переменного напряжения, но впоследствии, требуется его выпрямление и преобразование в постоянное. Такого типа преобразователи мы рассматривали в прошлой статье, части 2.
Необходимость в постоянном напряжении транспортной бортовой сети нужна для аккумулятора, чтобы сохранять (аккумулировать) энергию на время отсутствия генерации тока. А вот использовать переменное напряжение непосредственно с выхода генератора, который работает от двигателя, не представляется удобным. Потому что оно по величине и частоте в значительной степени зависит от оборотов того самого двигателя. Впрочем, AC/AC-преобразователи рассмотрим в следующей статье. В транспортном электрооборудовании ток с генератора сразу же выпрямляется и стабилизируется электронным стабилизатором, который в народе называют «таблеткой».
Свойства и применение DC/AC-преобразователей (инверторов)
С появлением мощных источников питания, например, солнечных батарей, иногда возникает необходимость ещё в DC/AC-преобразователях. Причём, иногда бывает важно, чтобы напряжение было стабилизировано, не только по амплитуде, но и по частоте, также форме синусоиды. Для чего это нужно? Для эффективного и безопасного питания индуктивных или ёмкостных нагрузок, таких как электродвигатели, электромагнитные реле и электронная техника, рассчитанная на работу от сети переменного тока. Наилучшие параметры имеет ШИМ-контроллер (Широтно-Импульсная Модуляция).
Гальваническая развязка
Казалось бы, какая может быть опасность от сравнительно низкого, да ещё и постоянного напряжения, чтобы использовать гальваническую развязку входа/выхода? Впрочем, никакой. Но она необходима для предотвращения гальванической обратной связи (на рисунке 3 стрелки указаны из цепи Б в А). Дело в том, что переменное напряжение выхода может быть около 220В, а цепи постоянной сети транспорта от переменных напряжений большой величины никак не защищены. Да и надобности для этого нет никакой.
Также современные двигатели в самих авто «напичканы» электроникой, их электрооборудование может содержать более 100 микроконтроллеров. Обычно они построены на КМОП-структуре, а это высокоомная маловольтовая техника, которая моментально выходит из строя от высокого потенциала. Всё же приборы эти недорогие, но их определение и замена может потребовать долгой работы специалиста и обойтись дорогостоящим ремонтом.
Впрочем, это лишь для того, чтобы читатели понимали, что не стоит включать в цепь прикуривателя дорогого автомобиля непонятно какого происхождения преобразователь.
Классификация DC/AC-преобразователей
Преобразование из постоянного в переменное напряжение может осуществляться таким типом устройств:
- Механическим — привод электродвигателя постоянного тока связан с генератором переменного напряжения;
- Электронным — переменное напряжение формируется ключами, управляемые генератором, также автогенераторы;
- ШИМ-контроллеров — с помощью программных средств формируется синусоидальное напряжение.
В настоящее время механические преобразователи в силу своей громоздкости и дороговизны уже практически не применяются. А вот электронные — пользуются широким спросом, в свою очередь, они классифицируются на цифровые и аналоговые. Вид преобразования зависит от характера нагрузки. Например, для питания светодиодных ламп подходит практически любой преобразователь, причём форма выходного напряжения практически никакой роли не играет. А вот для универсального применения годится лишь топология с формированием синусоидального сигнала. Лучше всего это удаётся реализовать с помощью ШИМ-контроллеров.
Сфера применения DC/AC-преобразователей
В бытовой практике используют DC/AC-преобразователь как адаптер, способный воссоздать аналогию сетевого напряжения, причём, может даже трёхфазного. Также он нужен, если применить альтернативные источники питания, работающие на аккумуляторную батарею. Это могут быть:
- солнечные элементы;
- бензогенераторы;
- ветряные генераторы и пр.
Постоянное напряжение с выхода аккумулятора приходится делать переменным, если нагрузка рассчитана на такой тип питания. Классифицируются они на:
- Зависимые (ведомые) — подключены совместно с сетью переменного напряжения, включаются при её пропадании;
- Автономные — цепи таких преобразователей не связаны с сетью и не управляются ей.
В приборах электроники, иногда, возникает необходимость создания выходов для питания нагрузки, рассчитанной на переменное напряжение. Для этого может применяться каскад DC/AC-преобразования внутри самой схемы или использоваться отдельное устройство. Обычно это маломощные компоненты, рассчитанные на небольшую нагрузку или участок схемы.
Виды электронного преобразования DC/AC-напряжения
В зависимости от сферы применения, характера нагрузки, также бюджета, для реализации DC/AC-преобразователя может использоваться различное схемотехническое решение.
Автогенераторы
Если требуется применить простой и недорогой преобразователь для нагрузки с постоянным сопротивлением, то используют автогенераторы. Их недостатком является высокая зависимость частоты преобразования от тока нагрузки, при его некоторых значениях возможен срыв генерации, а значит и полная остановка его работы.
DC/AC-преобразователи с задающим генератором
Задающий генератор, работающий совместно с ключевым каскадом позволяет в значительной степени устранить недостатки, присущие автогенератору. Форма выходного напряжения может быть различной:
- Импульсная;
- Прямоугольно-переменная;
- Ступенчатая (квазисинусоидальная);
- Синусоидальная.
Последний вид переменного напряжения наиболее приемлем для универсального применения. DC/AC-преобразователи собирают по аналоговым, цифровым или комбинированным схемам, в них могут использоваться дискретные и интегральные компоненты.
Более сложные устройства могут иметь дополнительные функции — защиту от перегрузки, перегрева и др.
ШИМ-контроллеры
DC/AC-преобразователь, работающий на программируемом интегральном компоненте называют ШИМ контроллером. Топологии их делятся на:
- Трансформаторные;
- Мостовые (полумостовые);
- Комбинированные.
Гальваническая развязка входа/выхода может быть реализована только в трансформаторных или комбинированных схемах. Однако полноценную синусоиду на выходе с помощью 1 транзисторного ключа получить неудаётся. Поэтому в ШИМ-контроллерах применяют топологии с несколькими силовыми транзисторами.
Схема со сквозной нейтралью может ещё называться полумост (см. рисунок 6).
Её достоинством является то, что нейтральный электрод является общим для входа и выхода. В такой топологии устройство защитного отключения (УЗО), установленное на входе источника постоянного напряжения, будет одинаково надёжно срабатывать при утечке тока в любом месте, в том числе и в нагрузке.
Мостовые схемы имеют 4 транзисторных ключа, управляемые с помощью микроконтроллера (см. рисунок 7).
Такая топология предполагает подключение нагрузки напрямую или через трансформатор.
При написании программ по схеме "мост" или "полумост" учитываются характеристики используемых экземпляров транзисторов, а в особенности, ёмкости переходов и время включения/выключения. Потому что преждевременное включение одного из транзисторов в одном плече может резко снизить КПД преобразователя, их перегрев и даже произвести выход их из строя.
