I convertitori di tensione da 12 a 220 V sono utilizzati ovunque ci sia la necessità di collegare dispositivi elettrici che consumano corrente di rete standard a fonti di tensione alternata. In molti casi questa alimentazione di rete può non essere disponibile. L'uso di un generatore autonomo a benzina richiede il rispetto delle regole della sua manutenzione: monitoraggio costante del livello di carburante in funzione, assicurando la ventilazione. L'uso di convertitori, completi di batterie per veicoli, può risolvere il problema nel migliore dei modi.
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Designazione e principio di funzionamento
Cos'è un convertitore di tensione. Un dispositivo elettronico che cambia il valore di un segnale d'ingresso. Può essere usato come un dispositivo che aumenta o diminuisce il valore della tensione di ingresso. La tensione in ingresso dopo la conversione può cambiare sia la sua grandezza che la sua frequenza. I dispositivi che cambiano la tensione DC (la convertono) in un segnale di uscita AC sono chiamati inverter.
I convertitori di tensione sono utilizzati sia come unità autonome che forniscono corrente alternata ai consumatori, sia come parte di altri prodotti: sistemi e fonti di alimentazione ininterrotta, unità di aumento della tensione continua al valore richiesto.
Gli inverter sono generatori di tensione armonica. Una fonte di corrente continua è creata per mezzo di un circuito di controllo speciale per permettere l'inversione periodica della polarità. Il risultato è un segnale di tensione alternata sui contatti di uscita del dispositivo a cui è collegato il carico. La sua grandezza (ampiezza) e la sua frequenza sono determinate dal circuito dell'inverter.
Il dispositivo di controllo (controller) imposta la frequenza di commutazione della sorgente e la forma del segnale di uscita, e la sua ampiezza è determinata dagli elementi dello stadio di uscita del circuito. Sono progettati per la massima potenza consumata dal carico nel circuito AC.
Il controllore è anche usato per controllare il segnale di uscita, che si ottiene controllando la larghezza dell'impulso (aumentando o diminuendo la larghezza dell'impulso). Le informazioni sui cambiamenti nel valore del segnale di uscita verso il carico sono riportate al controllore da un circuito di feedback, che viene utilizzato per formare il segnale di controllo per mantenere i parametri richiesti. Questo metodo è chiamato segnale PWM (Pulse Width Modulation).
I circuiti di commutazione dell'uscita di potenza dell'inverter a 12 V possono usare transistor bipolari compositi ad alta potenza, tiristori a stato solido e transistor a effetto campo. I circuiti di controllo sono basati su microcircuiti, che sono dispositivi pronti all'uso con le funzioni necessarie (microcontrollori), appositamente progettati per tali convertitori.
Il circuito di controllo fornisce la sequenza di tasti per garantire che l'uscita dell'inverter fornisca il segnale richiesto per il normale funzionamento dei dispositivi di consumo. Inoltre, il circuito di controllo deve garantire la simmetria della tensione di uscita a semionda. Questo è particolarmente importante per i circuiti che usano trasformatori di impulsi step-up all'uscita. La componente DC della tensione, che può apparire se la simmetria non è mantenuta, deve essere evitata.
Ci sono molte varianti di circuiti di inverter di tensione (VI), ma ce ne sono 3 di base:
- Un inverter a ponte senza trasformatore IN;
- invertitore di tensione del trasformatore con un conduttore neutro;
- Circuito a ponte con un trasformatore.
Ognuno di essi è utilizzato nel proprio campo, a seconda dell'alimentazione utilizzata in esso e della potenza di uscita richiesta per alimentare i consumatori. Ognuno deve avere elementi di protezione e di segnalazione.
La protezione contro la sottotensione e la sovratensione della sorgente DC determina il campo di funzionamento "in ingresso" degli inverter. La protezione dell'uscita AC di sovratensione e sottotensione è necessaria per il normale funzionamento dell'attrezzatura del consumatore. Il campo di intervento viene impostato in base ai requisiti del carico utilizzato. Questi tipi di protezione sono reversibili, cioè il funzionamento può essere ripristinato quando l'attrezzatura viene riportata alla normalità.
Se la protezione è scattata a causa di un cortocircuito nel carico o di un aumento eccessivo della corrente di uscita, è necessario effettuare un'analisi approfondita della causa dell'evento prima che l'apparecchiatura possa continuare a funzionare.
L'inverter da 12 volt è il più adatto per l'alimentazione locale. La disponibilità di un gran numero di automobili e di batterie da 12V DC permette di utilizzarle per alimentare le richieste degli utenti. Tali reti possono essere installate in una varietà di luoghi, a partire dalla propria auto. Sono mobili e non dipendono da un parcheggio.
Convertitori da 12 V a 220 V
I semplici convertitori da 12 a 220 sono progettati per le esigenze di bassa potenza. I requisiti della qualità della tensione di alimentazione in uscita e della forma del segnale sono bassi. I loro circuiti classici non usano microcontrollori PWM. Il flip-flop assemblato con elementi logici I-Ne genera impulsi elettrici con una frequenza di ripetizione di 100 Hz. Un D-trigger è usato per creare un segnale in fase. Divide la frequenza dell'oscillatore master per 2. Il segnale in controfase sotto forma di impulsi quadrati è generato alle uscite dirette e inverse del trigger.
Questo segnale, attraverso gli elementi buffer sugli elementi logici, NON controlla il circuito di uscita dell'inverter, che è costruito su transistor chiave. La loro potenza determina la potenza di uscita degli inverter.
I transistor possono essere compositi bipolari e a effetto campo. I circuiti di drenaggio o collettore comprendono la metà del primario del trasformatore. Il suo avvolgimento secondario è progettato per una tensione di uscita di 220V. Poiché il trigger divide la frequenza del multivibratore 100Hz per 2, la frequenza di uscita sarà di 50Hz. Questo valore è necessario per alimentare la stragrande maggioranza degli apparecchi elettrici e radiofonici domestici.
Tutti i componenti del circuito sono alimentati dalla batteria del veicolo con elementi aggiuntivi di stabilizzazione e protezione contro le interferenze ad alta frequenza. Anche la batteria stessa è protetta contro di loro.
I circuiti semplici degli inverter non includono elementi di protezione o di controllo automatico. La frequenza del segnale di uscita è determinata dalla scelta del condensatore e della resistenza di resistenza inclusi nel circuito dell'oscillatore master. La protezione più semplice contro un cortocircuito nel carico è un fusibile nel circuito che alimenta la batteria dell'auto. Un set di fusibili di riserva dovrebbe quindi essere sempre disponibile.
I più potenti convertitori moderni da DC a AC usano un circuito diverso. Il controller PWM imposta la modalità di funzionamento. Determina anche l'ampiezza e la frequenza del segnale di uscita.
Il circuito convertitore 2000W (12V+220V+2000W) utilizza il collegamento in parallelo di elementi attivi di potenza nei suoi stadi di uscita per ottenere la potenza di uscita richiesta. In questo progetto di circuito, le correnti dei transistor sono sommate.
Ma un modo più affidabile per aumentare il parametro di potenza è quello di combinare diversi convertitori DC/DC come ingresso a un comune inverter DC/AC (corrente continua/corrente alternata), la cui uscita viene utilizzata per collegare un carico pesante. Ogni inverter DC/DC è composto da un inverter con un'uscita del trasformatore e un raddrizzatore per quella tensione. Una tensione continua di circa 300 V è presente ai terminali di uscita. Sono tutti collegati in parallelo sull'uscita.
È difficile ottenere più di 600W di potenza da un singolo inverter. L'intero circuito dell'unità è alimentato dalla tensione della batteria.
Questi circuiti sono dotati di tutti i tipi di protezione, compresa quella termica. I sensori di temperatura sono montati sulle superfici dei dissipatori dei transistor di uscita. Generano una tensione che dipende dal grado di calore. Un dispositivo di soglia lo confronta con il setpoint in fase di progettazione e dà un segnale per fermare l'unità con un allarme appropriato. Ogni tipo di protezione ha il suo allarme, spesso acustico.
Un ulteriore raffreddamento forzato viene applicato per mezzo di un raffreddatore d'aria installato nell'alloggiamento che si attiva automaticamente su comando del rispettivo sensore termico. Inoltre, l'alloggiamento stesso è un affidabile dissipatore di calore perché è fatto di metallo ondulato.
Secondo la forma del segnale di tensione in uscita
I convertitori di tensione monofase possono essere divisi in due gruppi:
- Con un'uscita ad onda sinusoidale pura;
- Con una forma d'onda d'uscita sinusoidale modificata.
Nel primo gruppo, un convertitore ad alta frequenza produce una tensione costante. Il suo valore è vicino all'ampiezza del segnale sinusoidale richiesto all'uscita del dispositivo. In un circuito a ponte, una componente molto vicina a una forma d'onda sinusoidale viene estratta da questa tensione continua mediante una modulazione di larghezza d'impulso del regolatore e un filtro passa basso. I transistor di uscita si aprono più volte in ogni mezzo periodo per una legge armonica variabile nel tempo.
Un'onda sinusoidale pura è richiesta per i dispositivi che hanno un trasformatore o un motore come ingresso. La maggior parte dei dispositivi odierni permette una tensione la cui forma si avvicina a un'onda sinusoidale. I prodotti con alimentatori a commutazione hanno requisiti particolarmente bassi.
Unità di trasformazione
I convertitori di tensione possono contenere trasformatori. Nei circuiti inverter, sono coinvolti nel funzionamento dei generatori di blocco, che producono impulsi di forma quasi rettangolare. Un trasformatore di impulsi è usato come parte di un tale oscillatore. Gli avvolgimenti sono collegati in modo tale da creare una retroazione positiva, con conseguente oscillazione smorzata.
Il nucleo magnetico è fatto di una lega che ha un'alta larghezza di banda magnetica. Questo assicura il funzionamento insaturo del trasformatore. Vari tipi di ferrite, permalloy hanno queste proprietà.
I generatori di blocco dei trasformatori sono stati sostituiti da multivibratori. I multivibratori utilizzano circuiti all'avanguardia e hanno una stabilità di frequenza superiore ai loro predecessori. Inoltre, i circuiti multivibratori possono cambiare la frequenza operativa dell'oscillatore in modo semplice.
Nei moderni modelli di inverter, i trasformatori operano negli stadi di uscita. Il cavo dal punto centrale dell'avvolgimento primario alimenta i collettori o il drenaggio dei transistor utilizzati in essi con una tensione di alimentazione della batteria. Gli avvolgimenti secondari sono calcolati, utilizzando un rapporto di trasformazione, alla tensione alternata di 220V. Questo è il valore utilizzato per alimentare la maggior parte dei consumatori domestici.
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