Что такое инвертор, он же преобразователь напряжения 12 – 220 вольт?

Простые схемы преобразователей, принципы работы, виды и типы инверторов по формам выходного напряжения

Инвертор (в узком электротехническом понимании этого слова) – это устройство для преобразования постоянного тока в переменное с изменением величины действующего значения напряжения. В ещё более узком – преобразователь постоянного напряжения (12, 24 или 48 В) в переменное 220 В.
И наконец, в радикально узком понимании – штуковина, позволяющая запитать от автомобильного аккумулятора различные бытовые приборы, рассчитанные на сетевое питание, а короче – весьма полезный и удобный в хозяйстве прибамбас!

По форме выходного напряжения инверторы подразделяются на следующие виды:

Из сказанного выше вытекает, что предпочтительными и более универсальными являются инверторы с выходным напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Причём, для их реализации подходят готовые низкочастотные силовые трансформаторы необходимой номинальной мощности, включённые «задом на перёд». То есть, его вторичная низковольтная обмотка служит первичной, а высоковольтная первичная – вторичной. Именно такие схемы мы и рассмотрим в рамках данной статьи.

Схема, изображённая на Рис.1, а также комментарии к ней заимствованы из книги М. А. Шустова "Практическая схемотехника", раздел "Преобразователи напряжения".

Рис.1 Схема простого преобразователя напряжения 220 В, 50 Гц

"Максимальная выходная мощность преобразователя – 100 Вт, КПД - до 50%.
Задающий генератор выполнен по схеме традиционного симметричного мультивибратора, выполненного на транзисторах ѴТ1 и ѴТ2 (КТ815). Выходные каскады преобразователя собраны на составных транзисторах ѴТ3 и ѴТ4 (КТ825). Эти транзисторы устанавливают без изолирующих прокладок на общий радиатор.
Устройство потребляет от аккумулятора ток до 20 А. В качестве силового использован готовый сетевой трансформатор на 100 Вт (сечение центральной части железного сердечника — около 10 см2). У него должны быть две вторичные обмотки, рассчитанные на 8В/10А каждая. Для того, чтобы частота работы задающего генератора была равна 50 Гц, подбирают номиналы резисторов R1 и R2".
Так как мультивибратор генерирует меандр с заваленными фронтами, а мощные эмиттерные повторители повторяют эту форму, то и в нагрузке будет протекать переменный ток, напоминающий по форме синусоиду и дополнительных мер по сглаживанию не требуется.

Значительно повысить КПД инвертора можно, если применить в качестве силовых каскадов не повторители напряжения, а транзисторы, работающие в ключевом режиме.
Такая модификация преобразователя приведена на Рис.2.


Рис.2 Схема простого преобразователя напряжения с повышенным КПД

Принцип работы преобразователя такой же, как и у предыдущего устройства. Задающий генератор (Т1, Т2) формирует два пара-фазных напряжения с частотой 50 Гц. Напряжения с выходов задающего генератора подаются на два однотипных ключевых каскада (Т3, Т4), которые коммутируют напряжение на первичной обмотке трансформатора. Поскольку мультивибратор генерирует меандр с заваленными фронтами, ключевые транзисторы срабатывают с некоторой задержкой, обуславливая формирование на выходе инвертора подобие модифицированного синусоидального напряжения.
С указанными на схеме элементами выходная мощность преобразователя составляет около 200 Вт. Дальнейшего повышения КПД и увеличения мощности инвертора можно добиться простой заменой биполярных ключевых элементов на мощные MOSFET транзисторы, как это показано на Рис.2.

Многочисленные и довольно популярные схемы инверторов, построенные на специализированных микросхемах для импульсных источников питания (типа TL494, TL594 и др.) обладают следующими преимуществами: высоким КПД и не менее высокой стабильность частоты, мало зависящей от напряжения питания и внешних условий.
Приведём для примера подобную схему импульсного преобразователя напряжения +12V в ~220V мощностью 100W, опубликованную в журнале «Радиоконструктор» 07, 2017.

Рис.3 Схема импульсного преобразователя напряжения +12V в ~220V

"Эквивалентная частота генерации составляет 50 Гц и задаётся величиной сопротивления резистора R5 и ёмкостью конденсатора С5. Резистором R4 регулируется скважность выходных импульсов. Им можно регулировать выходное напряжение.
На выходах микросхемы (выводы 9 и 10) выделяются противофазные импульсы, немного задержанные относительно друг друга, чтобы не вызывать сквозного тока в схеме выходного каскада в моменты переключения. Импульсы поступают на мощные ключевые полевые транзисторы VT1 и VT2. Диоды VD2 и VD3 защищают эти транзисторы от выбросов отрицательной ЭДС на первичной обмотке импульсного трансформатора Т1.

Трансформатор Т1 – готовый низкочастотный силовой трансформатор номинальной мощностью 100W с одной первичной обмоткой на 220V и вторичной обмоткой на 18V с отводом от середины. Можно попробовать и трансформатор с вторичной обмоткой на 12V с отводом от середины или на 24V с отводом от середины. Но во втором случае, боюсь, что выходное напряжение окажется несколько ниже 220V.
Трансформатор включён «задом на перёд», то есть, его вторичная низковольтная обмотка теперь служит первичной, а высоковольтная первичная - вторичной.
Подключив нагрузку и мультиметр, резистором R4 выставить напряжение на нагрузке 220V".

Многие схемы, построенные на TL494, TL594 и т. д., при всех своих достоинствах, часто обладают одним, но существенным недостатком. Если не позаботиться о корректной установке "мёртвого времени" ИМС (в приведённой схеме – резистором R4), то напряжения на выходе преобразователей будет иметь форму, близкую к форме меандра со всеми вытекающими отсюда последствиями. Причём, никакие дополнительные дроссели, а также конденсаторы во вторичной обмотке трансформатора - к существенному результату не приведут!

А вот уважаемый товарищ А.П. Семьян в своей книжке «500 схем для радиолюбителей» порадовал нас оригинальным схемотехническим решением с формированием модифицированного синуса посредством цифровой микросхемы 561ИЕ8 (Рис.4).



Рис.4 Схема импульсного преобразователя напряжения на ИМС 561ИЕ8

На элементах DD1.1, DD1.2 собран задающий генератор с частотой 500 Гц. Делитель на DD2 формирует две импульсные последовательности частотой 50 Гц со сдвинутыми на 180° фазами для управления силовыми ключами VT1 и VT2 двухтактного преобразователя.
Чтобы избежать сквозных токов переключения между выключением одного ключа и включением другого существует «мёртвая зона», равная 10% длительности периода. При подаче высокого уровня (логической «1») на вход «Блокировка» оба выходных ключа запираются.
Выходная мощность преобразователя ограничена мощностью силового трансформатора Т1 и максимальным допустимым током выходных транзисторов.
Коэффициент трансформации силового трансформатора Кт = 20.

В качестве выходных транзисторов подойдут IRFZ034 (15А), IRFZ044 и RG723A (30A), IRFZ046 (50A), IRFP064 (100А). Для надёжности устройства рекомендуется иметь двойной запас по току и тройной – по напряжению. Силовые цепи должны быть по возможности короче и выполнены проводами соответствующего сечения.

Создание преобразователей с чистым 50-герцовым синусом обычно сопряжено с использованием микроконтроллерных прибамбасов, что делает рассмотрение этого вопроса (для нас доблестных электронщиков) не таким уж и простым и в рамках данной статьи нецелесообразным.