Gorvinovy stránky


   Jednoduchý měnič (střídač) 12V= / 230V~ 50/60 Hz


   Upozornění a varování: toto elektrické zařízení má na výstupu nebezpečné napětí! Sestava a provoz měniče je jen na vlastní nebezpečí! Autor nezodpovídá za žádnou škodu či úraz způsobený měničem!

   Úvod

   V případě výpadku elektřiny, což se nám dříve stávalo poměrně často, dobře poslouží tento jednoduchý a vcelku levný měnič, napájený 12V automobilovou baterií. Nejdražší položkou je tu transformátor, který stál v r. 2005 asi 550,- Kč, ostatní součástky dohromady vychází pod 100,- Kč.

   Jednou v zimě nešel proud několik dní a vzhledem k tomu, že čerpadla našeho plynového topení jsou napájeny elektřinou, tak nám zkrátka byla doma dost zima. Toto byl dostatečný impulz, abych se začal poohlížet po konstrukci měniče. :-) Samozřejmě je možnost si měnič koupit, ale mě to prostě lákalo, postavit jej sám a tak jsem se začal pídit po informacích. Nejvíce mi pomohl pan Viktor Laika, jemuž jsem velice vděčný za cenné rady i za informace, které jsem potřeboval o principu funkce měniče znát. Jeho úžasné stránky Malá voda vám vřele doporučuji k prohlédnutí.

   Zde uvedený měnič vychází převážně z konstrukce měniče popsaného na stránkách Danyk.wz.cz a obsahuje pár mých zlepšení, které vyplynuly při sestavování a testování tohoto měniče. Nejvíc ztrát vzniká při transformaci napětí v trafu a na výstupním přemosťujícím kondenzátoru 1µF, propojující přes odpor 2R2 výstupy trafa, který je „obšlehnutý“ z měniče pana Laiky. Zabraňuje přepěťovým špičkám při chodu měniče bez zátěže, kde maximální špičkové napětí na začátku obdélníků může mít hodnotu až 6kV! Je to sice ztráta (taková umělá zátěž, zvyšující spotřebu měniče) a odpojením kondenzátoru by se spotřeba měniče snížila, ale byla by to úspora na nepravém místě, protože se výrazně zvyšuje možnost průrazu transformátoru i tranzistorů. Dále má kondenzátor příznivý vliv i na stabilitu chodu měniče (při snížení jeho hodnoty na polovinu jsem pozoroval oscilace frekvence měniče).


   Popis funkce měniče

   Základem je obvod IR2153, který je vybaven dvěma výstupy speciálně určenými pro buzení mosfetů (tranzistorů, které pak spínají proud do transformátoru) a deadtime (v podstatě zaručuje, že tranzistory nespínají proti sobě, tím se zmenšuje spotřeba a zvyšuje účinnost měniče). Ochrana proti nízkému napájecímu napětí však nezabrání poškození baterie, což se děje, poklesne-li její napětí pod 10,5V při zatížení. Naměřil jsem vypnutí obvodu něco pod 9V a to už je akumulátor stejně nevratně poškozen. Hlavní nevýhodou obvodu je poměrně krátký deadtime (1,2µs), což trošku snižuje účinnost měniče, ale to je daň za jednoduchost konstrukce. Není to však nic dramatického, vzhledem ke spotřebě měniče bez prodlevy, např. s 555-kou, který má asi 1,1A a měniče s časovou prodlevou 10% (pro odindukování trafa), který má spotřebu asi 0,8A (záleží též na velikosti trafa). Klidová spotřeba zde popsaného měniče (bez zátěže) s 2x11,5V (upraveným) trafem 160VA je 0,99A, tedy necelých 12W, což je zhruba uprostřed uvedených hodnot. Při zátěži 25W žárovkou má měnič spotřebu 2,98A; se 75W žárovkou 6,3A.


   Obvod IR2153 tedy generuje z vývodů 5 a 7 střídavě pulzy s malou prodlevou, každý pulz je veden na jeden tranzistor. Trafo je toroidní síťové s dvěma sekundárními vinutími. Pulz z IR2153 sepne nejprve jeden tranzistor a ten pustí do jednoho vinutí transformátoru plný proud z 12V baterie (samotný tranzistor má vnitřní odpor setiny ohmu). Po té pulz zanikne, tranzistor se vypne a pak se sepne tranzistor druhý, který však uzemní tentokrát druhý konec vinutí a proud tedy projde v opačném směru. Takto je generován střídavý proud, rovnou transformovaný na 230V. Každý tranzistor musí mít svůj chladič; protože je pod napětím – kolektor (chladiče jsou živé), nesmí se proto spojit ani uzemnit. Chladiče nemusí být moc velké, protože i při 160W jen nepatrně zvlažněly. Vypínač umožňuje pohodlné a rychlé vypnutí měniče, čímž zabráníme zbytečné spotřebě energie při chodu na prázdno, měnič však přitom stále zůstává v pohotovostním stavu. Za spínačem může být též připojen voltmetr, případně LEDdiodový bargraf, který ukazuje napětí akumulátoru a jeho zbývající kapacitu. Přívody k akumulátoru musí být co nejkratší, od svorek k měniči se doporučuje průřez 4 mm2 (průměr 2,26 mm) – vícežilovým kabelem (ohebným); silové propoje uvnitř měniče (zesílená čára ve schéma) alespoň 2,5 mm2 (průměr drátu 1,79 mm).

   Trimr 100k u varianty B slouží k doladění frekvence u přístrojů, které to vyžadují. S odporem 270k je na výstupu měniče prakticky přesně 58 Hz (jak lze odvodit i z osciloskopu dole). Při nastaveném odporu 283k má měnič 55 Hz, při 258k 60 Hz a frekvence 50 Hz dosáhneme nastavením odporu mezi piny 2 a 3 na 310k ohm.


   Pro výkon do 300W prostě výstupy z oscilátoru rozdvojíme a buďto napájíme čtyři IRFZ44 nebo dva IRFZ48, které jsou použitelné do 350W, transformátor musí být také samozřejmě na větší výkon, nebo se napájí dvě trafa paralelně (ovšem musí být na stejné napětí, pokud chceme jejich výstupy propojit). Je vhodné přidat i další vstupní elektrolyt 4700µF/16V, zesílit kabely a pojistku (tu určitě). Také nutno zvětšit kondenzátor přemosťující výstup. Vzhledem ke kapacitě se z běžné autobaterie nedoporučuje dlouhodobě odebírat více jak 300W.

   Nepřipojujte zemnící kolík zásuvky!
   Mohlo by se stát, že by byla fáze připojena na tento kolík a i když měnič není spojen se zemí, stále je to dost nebezpečné!

   Měnič není plně chráněn proti přepólování baterie!
   Měnič je pouze částečně chráněn (obvod IR2153 pomocí diody 1N4148). Elektrolyt 4700µF/16V však proti přepólování chráněný není. Doporučuji dostatečně zvýraznit + a – pól svorek připojovacích kabelů!

   Z měniče nelze napájet některé spotřebiče, jako např. zejména lednice a pod.! Náš mražák má spotřebu sice jen 55W, ale při rozběhu do protitlaku (při přerušení chodu) si bere až 850W! Napájet by tyto spotřebiče šlo jen s dostatečně předimenzovaným měničem, což by ovšem samozřejmě snižovalo účinnost. Podrobné informace najdete zde.

   Autobaterie
   Velice záleží na stavu olověného akumulátoru, jeho kapacitě i stáří (svorkové napětí zatížené starší baterie je menší). Měnič rozhodně doporučuju testovat na nabitém a dobrém akumulátoru a na takovém i provozovat. S postupným vybíjením baterie její napětí klesá a tím i samozřejmě napětí na výstupu měniče. Při vybití pod 10,5V při zatížení dojde k nevratnému poškození autobaterie! (Vybitá baterie má 11,8–12,0V bez zátěže.)


   Transformátor (pro výkony 50-150W okolo 160VA)
   Jsou dvě možnosti:
   1) nechat si vyrobit 230V / 2x 11,5V (například mohu doporučit firmu Eximet);

   2) upravit běžný 230/12V
   Vzhledem k ceně dnešních měničů je vhodnější využít nějaké nepotřebné trafo, než si kupovat nové. Jde použít běžný toroidní transformátor 230V/12V pro bytové halogenové osvětlení. Jen pozor! Trafo musí mít vinutí provedeno dvojitě (12V výstup má sletované 2 dráty). Transformátor není možno jen tak jednoduše „otočit“, protože v měniči vzniká malá napěťová ztráta a tak by se na výstupu získalo při zatížení 75W nanejvýš 200V (viz tabulka v kap. Testování měniče). Trafo je proto potřeba upravit odebráním silného vinutí 12V. Neodstraňujte zbytečně moc bandáže trafa! Naměřil jsem, že jeden závit je asi 0,2V a odmotal jsem a uštípl asi 80 cm drátu (trafo mělo při 240V sítě 13V na výstupu). Tímto se ovšem neřiďte, vždy po pár otáčkách prostě změřte napětí (pozor, opatrně!). Pokud máte v síti 240V, neodebírejte vinutí na 11,5V, ale asi na 12V! Nakonec se upravená část trafa omotá izolepou. Dráty větví se pak rozštípnou a vzájemně propojí podle obrázků (pozor, aby nebyly propojené do zkratu!).


   Po připojení trafa tenkým (vnitřním) vinutím k rozvodné síti (pozor, opatrně!) změříme velikost výstupního napětí. Mělo by být při 230V kolem 23V~, při 240V~ pochopitelně víc. (T1 a T2 jsou tranzistory.)


   Testování měniče

   V tabulce uvádím naměřené hodnoty napětí při zatížení žárovkami pro různé transformátory a to pro prakticky novou, plně nabitou bezúdržbovou 44Ah autobaterii 12V (což byla i přibližně hodnota napětí při zatížení):

      Trafo 2x 
      Zátěž
12V     
 
11,5V   
 
10,5V   / 230V
 
     0W230V260V285V
   25W220V250V   -
   40W210V244V   -
   60W205V238V260V
   75W197V232V250V
 100W   -224V240V
 115W   -220V235V
 135W   -215V230V
 160W   -210V223V

   Vzhledem k povolené toleranci napětí +/– 10 % (207 - 253V), jsou přípustná napětí pro daná zatížení zobrazena barevně.

   Poznámka k transformátorům:

   12V – upravené trafo 100VA z dosloužilého hal. osvětlení, bez odmotání vinutí;
   11,5V – upravené trafo 160VA pův. 12V (odmotané vinutí, rozpojení větví);
   10,5V – trafo 160VA vyrobené na zakázku firmou Eximet.



   Další vylepšení měniče (verze II) – Gorvinův měnič

   Jedinou nevýhodou výše uvedeného jednoduchého měniče je, že poněkud „houpe“ při vyšších výkonech a především při napájení čerpadla kotle s kondenzátorem. Předpokládám, že to způsobují zpětné pulzy naindukované v trafu, což se projevuje malým kolísáním napětí na 12V straně a to má za následek změnu frekvence – tím i kolísání. Aby byl obvod IR2153 napájen stabilním napětím, napadlo mě nejprve „krmit“ jej zvlášť, např. z baterií, avšak tuto variant jsem zavrhl (proč používat ještě další externí zdroj). Protože ke stabilizaci napětí se mohou používat odpory, tak mě napadlo napájet obvod IR2153 z vysokonapěťové střídavé části obvodu srážením napětí přes kapacitní reaktanci kondenzátoru 100nF (jehož reaktance (odpor) je při 50 Hz asi 32k ohmu), usměrňovací můstek a následnou filtraci napětí dalším kondenzátorem. Tento napájecí prvek má minimální spotřebu a velkou schopnost stabilizace napětí. Aby to pro někoho nebyla španělská vesnice :-) jde o to, že ve střídavém napětí se kondenzátor sále nabijí a vybíjí a znovu nabíjí, vybíjí, ovšem propustí při tom jen tolik proudu jak velkou má kapacitu. Chová se tak vlastně jako odpor, ovšem jeho tepelné ztráty jsou zanedbatelné, narozdíl od klasického odporu, který by prostě topil jak kamínka (teda tady by to bylo „jenom“ asi 2W, ale to jsou další zbytečné ztráty měniče). Vyzkoušel jsem tuto myšlenku a výsledek? Měnič perfektně drží frekvenci při libovolné zátěži!

   Místo přepínače se dá použít spínač a startovací tlačítko, které při sepnutí rozběhne obvod IR2153. Ti pozornější si můžou všimnout další odlišnosti ve schématu oproti předchozím: kondenzátor přemosťující výstup 230V má hodnotu pouze 0,47µF narozdíl od předchozích, kde je použit 1µF. Je to způsobeno tím, že je obvod IR2153 napájen stabilním napětím, „nehoupe“ – frekvence je stálá a proto se může velikost kondezátoru zmenšit, což sníží odběr měniče. Při napájení obvodu ze vstupu (první dvě varianty) je měnič nestabilní při této kapacitě kondenzátoru (0,47µF) už při nulovém zatížení. Další snižování kapacity kondenzátru však už nedoporučuju, z důvodů popsaných výše (na konci úvodu).


   Vylepšení tak má pozitivní vliv i na účinnost. Jedinou nevýhodou je, že se trochu zvýší hlučnost střídače (obdélníky jsou zakulacené až na výstupu a ostré hrany se tak projevují ve slyšitelném spektru spoustou harmonických mechanických kmitů v jádře (způsobuje to přemagnetování – tzv. přesycení jádra). Klidová spotřeba tohoto měniče (bez zátěže) s 2x11,5V (upraveným) trafem 160VA je 0,63A, tedy necelých 8W, což je zhruba o 1/3 méně, než s kondenzátorem 1µF v první variantě. Při zátěži 25W žárovkou je spotřeba 2,65A; se 75W žárovkou 5,95A. Napětí zůstává stejné jako v předchozích případech (tabulka platí). Napájení obvodu z výstupu, má, jak je vidět, pozitivní vliv nejen na stabilitu, ale i na účinnost měniče.

Porovnání spotřeby měničů

Zátěž   veze I   verze II
  0W 0,99A 0,63A
25W 2,98A 2,65A
75W 6,30A 5,95A


   Spotřebiče bez problémů napájené vylepšeným měničem (vyzkoušel jsem):
   osvětlení – žárovky; i při 255V~ běžela dobře zářivka (13W) a též tzv. úsporka (20W) – je výhodnější jimi svítit, protože spotřebují o dost méně oproti klasickým žárovkám, což se příznivě projeví zejména při napájení osvětlení z akumulátoru;
   dále: nabíječka mobilního telefonu, plynový kotel s čerpadlem 67W (asynchronní s kondenzátorem – motor má stejný zvuk jako na síť), trafopájka 75W, video, televizor Toshiba (z 80. let) – jen trochu běhají malé proužky obrazovkou :-) a frekvence taky kolísá...
   

   A takto vypadá výstup měniče (verze II) na osciloskopu. Použito je trafo 230/12V 100VA, bez zátěže, výstupní napětí (efektivní) 230V~. Zatížením se tvar příliš nemění, pouze se snižují napětí hran a to se projevuje snižování efektivního napětí na výstupu. Jak lze z obrázku vyčíst, frakvence je asi 58Hz (odpor mezi hradly 2 a 3 obvodu IR2153 je trimrem nastaven na 270k ohmu). Je zachycena jen jedna půlka vlny, protože jsme neměli sondu 1:100 (je to měřeno se sondou 1:10 a proto ukazuje obrazovka 27V místo 270V). Celý výstup by vypadal asi takto:





   Na závěr

   Nedoporučuji používat měniče pro spotřebiče, které jsou přímo spojené s výrobou tepla (fény, var. konvice...). Jednak mají obecně velký příkon (měnič je většinou ani neutáhne) a také je prostě škoda pálit cennou energii akumulátoru tímto poněkud barbarským způsobem. Jistě se dá najít vhodnější způsob jak si uvařit čaj v době výpadku elektřiny. Takže vtipný poutací slogan na mé stránky od kolegy MeGaba je jen částečně pravdivý – vytápět dům pomocí baterie ano, ale pálit při tom plyn a měnič používat jen pro pohon čerpadla a kotle :-) Teď už mi jen zbývá vymyslet, jak uvařit vejce pomocí Faradayovy klece... :-)
 
   
   Gorvin
 
 


   
  • < Zpět
    Gorvin (c) 2010