Tak vidím že měniče jsou vděčný téma hlavně pro kutily a národ bastlířský.
Protože i mezi elektricky vzdělanými lidmi vládne ještě poměrně dost nejasností, bude tohle vlákno určené především elektrikářům, technikům a lidem, kteří vo elektrice vědí víc než jen to, že kope. Nebo je to zajímá.
Psát to budu na etapy protože to je téma poměrně obsáhlé, pokusím se tam dát nějaký vobrázky a dokreslit problematiku měničů do detailu.
Krom toho si založíme další vlákno jakožto diskuzi o měničích. Tady budeme diskutovat pouze k danému tématu. Páč touha zasyflit odborný vlákno emocema je mamutí a téměř ji nejde ubrzdit. Jasně jsou to naše hračky a my jsme velký kluci :D.
Měniče s modifikovanou sínusovkou
Jak funguje měnič s modifikovanou sínusovkou?
měnič EMOS 75W
Měnič už má roky - jezdil se mnou expedice po Albánii a Balkáně a nabíjel baterku do foťáku když jsem ještě neměl velkej telefon. Několikrát do něj vytekly všemožný kapaliny od oleje až po benzín a vždycky to přežil, tak jsem ho nevyhodil a funguje dodnes.
Měnič má vstup ošetřený trubičkovou pojistkou 10A a za ním jsou Mosfet tranzistory které rozkmitají stejnosměrné napájecí napětí na cca 50kHz.
Všimněte si, že píšu ne 50Hz, ale hodnotu tisíckrát vyšší.
Vstupní výkonové tranzistory - jsou polem (bránou) řízené MOSFET nebo IGBT tranzistory které řídí speciální IO (šváb ) který je vyrobený přímo pro tuto funkci, a je téměř lhostejné, jestli je to měnič 100W a nebo 4000W.
Řízení vstupu - tomuto typu řídicích integrovaných obvodů říkáme "mikrokontrolér". Samozřejmě typů a provedení je celá řada, ale pitvat detaily pro naši aplikaci nemá význam - protože potřebujeme pochopit funkci, nikoliv výrobu.
Provedení měničů je vždy velice podobné a liší se jen ve výkonu přenosové soustavy a spínacích součástek.
Spínací součástky - jsou vždy tranzistory, které na rozdíl od tyristorů umí při tom spínání i efektivně regulovat.
Tyristor - je desítky let stará výkonová součástka která ale umí jen otevřít a zavřít. Čili pro výrobu měničů zcela nevhodná. V dřevních dobách se měniče tyristorama spínané vyráběly, ale bylo třeba obří trafo, případně tlumivka, jinak z toho lítaly špičky a co dělal účiník se sínusovkou? škoda mluvit. Nicméně i tehdy to chodilo. Nějak. A všichni chataři byli vděční za tenhle komfort.
Tranzistor - klasický bipolární tranzistor je známý od padesátých let kdy nosným polovodičem bylo Germanium. Já pamatuju OC 170, 1NU70 a další. Tranzistory byly teplotně závislý, člověk na ně dejchnul a rozjely se, ale to byly začátky. Pak přišly křemíkový polovodiče a to už byla jiná liga: uměly spínat vysoký napětí (běžně 1000V) a relativně veliký proudy (stovky ampér) a tím začaly první regulovatelný svářečky (pro rejpaly: nemyslím Triodynku, která je regulovaná buzením ve stejnosměrným vinutí. Ale klidně se domě pusťte !t můžeme si tu probrat i Ward-Leonardovo soustrojí - nezapomeňte že jsem šachťák).
Nicméně tyto součástky dokázaly v podstatě jen "nějak" spínat a ještě né moc rychle. Což jsou Tyristory a Triaky.
Tyristor - spíná jen jednu půlvlnu a ještě pomalu (pokud obě, musí se zapojit antiparalelně, ale to už je zcela OT)
Triak - umí spínat vlny obě, ale taky pomalu (typické bylo ovládání otáček vrtaček a malých 1f střídavých motorků)
Ale pořád nikdo neuměl vyrobit součástku, která by dokázala veliké výkony "bezeztrátově" regulovat.
Příklad:
Bipolární (obyčejný) tranzistor má např. spínací hodnotu 10V a 1A. Pokud bude chodit v režimu vypnu/zapnu čili plně otevřený nebo zcela zavřený, relativně v pohodě bude v tomto režimu chodit bez chlazení.
Ale pokud budu chtít regulovat proud jím procházející např. od 0,1 do 0,9A bude topit jako kráva, a velice brzo se upeče. To znamená že část regulovaného rozdílu (zjednodušeně) se promění v teplo.
A to jsme v koncích. Protože uregulovat relativně bezeztrátově velký výkony v řádech desítek až tisíců Wattů tím pádem nejde.
Tak.
Zlom nastal v 80. letech minulýho století vynálezem polem řízených tranzistorů (unipolární tranzistor) FET a MOSFET.
Unipolární tranzistory - už se tak nehřejí a umí spínat obří výkony. Např. MOSFET tranzistory na vstupním obvodu našeho měničku umí při ideálním chlazení 60A !!!! (neumím si to představit, páč mechanickej kontakt na 60A by sám o sobě byl velikej jako celý tranzistorový pouzdro - TO220. A tendle mrňavej jebák je schopen uspínat 60A při šílenejch kmitočtech, při kterejch by se mechanickej kontakt utavil v jednom konstantním oblouku,....no prostě pokrok. Asi jako schizofrenní postoj lidí, kteří musí intenzívně odvětrávat baterku, i když ji už dávno nikdo nepřebíjí a doba mechanickejch cívkovejch vybavovačů se zemědělskou vůli 0,5V na každou stranu je už přes 40 let nenávratně pryč,....
Další zlomová vývojová fáze byl vývoj unipolárních tranzistorů IGBT. To jsou tranzistory schopné spínat obrovské výkony a ještě (a to je velmi důležité - obrovsky rychle).
Takže v našich měničích jsou vždy osazeny polem MOSFET nebo bránou IGBT řízené "unipolární" tranzistory.
tolik k polovodivým spínacím prvkům.
Takže jsme si na vstupu rozkmitali stejnosměrné napětí 12V přes nějaký rezonanční obvod na střídavých 12V/50kHz. Ty následně pustíme do malého trafa s feritovým jádrem a vytransformujeme v sekundárním vinutí na 220V/50kHz.
Trafo - neuvěřitelně mi vrtá hlavou, jak je tak maličký trafíčko schopný přenýst 75W ? Normální klasický trafíčko podobných rozměrů s jádrem ze skládaných Permaloy C nebo EI plechů by přeneslo max 5-8W. Dobře, jádro je z feritu - ale to přece neznamená že přenese 10x tolik !?!? Jak je to možný?
odpověď bude za chvíli;
Jestliže do města vede 400kV linka - dráty jsou tlustý jako prst a přesto nakrmí celé město: je to jasný - vysoké napětí = elektrony v drátech tečou šílenou rychlostí (napětí 400.000V) tudíž O.K.
Ale jak je to u trafa, kde s napětím pracovat nemůžu?
odpověď je prostá: je to kmitočet, pánové.
Jestliže do trafa pumpuju rychlostí 50 pulzů za vteřinu, jeho hltnost je nějakým způsobem daná.
Jestliže do trafa dokážu pumpovat rychlostí 1000x vyšší což je 50.000Hz (50kHz) jeho hltnost a přenesený výkon je teoreticky 1000x vyšší. To už samozřejmě nezvládne jádro ze skládaných plechů ale monolitický ferit (rozptyl magnetických proudů a jejich činnost tady pitvat nebudeme, páč bych většinu z vás spolehlivě zadřel. I tak to bude většina vstřebávat na etapy :he).
Čili takto z minitrafíčka dostaneme s přehledem 10x větší výkon, aniž by hřálo,rezonovalo,brumělo nebo se jinak bránilo.
Tak. Z trafíčka nám vylezlo 220V, ale s nepoužitelným kmitočtem 50kHz. Tak to napětí zase usměrníme na 220V stejnosměrných, relativně odfiltrujeme elektrolytickými kondenzátory (Elyt 400v) a znovu rozespínáme MOSFET tranzistory na výstupu. Aby tranzistory spínaly na přesných 50Hz (což je důležité) spíná je opět mikrokontrolér řízený oscilátorem.
Oscilátor je obvod řízený krystalem, který spíná na zcela konkrétním kmitočtu a říká mikrokontroléru kolik je 50Hz (dřív se krystaly vyráběly u nás v Hradci Králové a byly proslulé svou kvalitou).
Takže koncové unipolární tranzistory vyrábí modifikovanou sínusovku, kterou všichni známe, nicméně na obrazovce osciloskopu vypadá úplně jinak (obrázek vložím).
Účinnost měniče
Samozřejmě měnič má nějakou účinnost. Většina výrobců uvádí rozmezí 80-90%.
Z toho můžeme zjednodušeně odvodit, že - 100W měnič při plné zátěži 100W bude mít účinnost cca 80%, ale při zatížení 30% (cca 30W) jeho účinnost klidně vzroste na 90% !!!!!
Jak je to možný?
1) trafíčko zvýšenejma proudama topí - topí jak vinutí, tak feritový jádro. Se zvyšující teplotou se zvyšuje odpor a snižuje účinnost zařízení.
2) filtrační elektrolytické kondy jedou v módu cca 320V (aritmetický průměr sínusovky, odmocnina ze dvou) čili taky solidně hřejí (na pouzdře sice mají provozní odolnost 105°C ale ruku na srdce; jak dlouho?)
3) spínací tranzistory taky vyprodukují nějaké teplo. Samozřejmě čím větší proudy spínají, tím více topí.
Takže tady vidíme, že v tom měniči topí úplně všechno.
Chlazení měničů
malé měniče (do 300W)
Většina malých měničů má na primární straně perličkový termistor přilepený k chladiči vstupního MOSFET tranzistoru. Jakmile ten začne topit, ochranný obvod omezuje, nebo vypíná vstupní proud.
Jenže pokud dochází k plynulému ohřevu vysokým proudem například 100W měnič má 100W odběr tak ochrana může zafungovat pozdě.
Stejně tak problém nastává při nedostatečném chlazení měniče. Součástky běžně vydrží provozní teplotu až 100°C a odtud už k zápalný teplotě laků, a součástek není daleko. Zařízení bydlí v dřevěném karavanu takže potrava pro oheň je na zlatým tácku.
Psát tady o provozování měniče v debilním režimu, jako jsou lednice a klimošky je festival ztracenýho času
Někdo tady napsal o 300W měniči Belkin, že je to "plasťáček". To bylo velice trefné. Měnič má sice hliníkový profil uvnitř krabičky, ale jeho oplach venkovním vzduchem a chladicí výkon zásadně omezuje právě zmíněná plastová krabička (protože ho tu mám taky, tak obrázky doplním).
Toto je typický představitel měničů, na který bych se bál pověsit zátěž větší než 150W a už vůbec ne trvale. Což ale vůbec neznamená že je to šmejd. Výstupní sínusovka je identická jako u EMOSího měničku, z čehož usuzuji, že bude použitý podobný nebo stejný mikrokontrolér. U jiných značek to asi nebude jinak.
Emosí měnič - má pasívní chlazení s hlídáním teploty na vstupu, čili není určen k pevné zástavbě.
Jen pro zajímavost - krmil jsem s ním 24" telku (kvalitní, ale starý Samsung na 220V s příkonem 55W) a měniček bez protestů krmil telku asi půl hodiny. Patrně by vyhověl i na trvalejší provoz, ale na delší testování jsem neměl čas ani koule (nechat to běžet v dílně bez dozoru). Takže dedukce, že na 55W telku je potřeba 300W měnič není úplně přesná, ale na 100W měnič bych se ji pověsit asi bál. Navíc láce těch malejch měničů je taková že nemá smysl to řešit.
Belkin má napájení z cigaretové zásuvky, vstupní proud při 75W příkonu (běžný NB ) je cca 6,5A což je hraniční výkon běžné cigaretové zásuvky. Má v sobě termočidlem ovládaný ventilátor, takže jeho zatížitelnost je o dva až tři řády lepší, než u pasivního chlazení.
Takže, pokud bude měnič permanentně hlídán, po ukončení práce vytažen ze zásuvky, nemám s jeho provozem do cca 150W problém.
velké měniče (600-4000W)
Měnič vestavěný někam do skříně - bude pravděpodobně provozován vždy na krátkou dobu (jednotek minut pro provoz mikrowelle, kafostroje, fénu,..). Pokud tento měnič není provozován na hraničních hodnotách (neboť předpokládám že nikdo po přečtení tohodle hroznýho elaborátu nebude takovej ignorant a debil) tak nebezpečí přehřátí v podstatě nehrozí.
Nicméně zajistit chlazení podle selskýho rozumu nutný je. Nezapomeňte, že obestavět měnič hadrama (šatní skříň) znamená, že ventilátor nasaje jemná textilní vlákna a ucpe chladič i desku se součástkama !!!! Vznětlivost superjemných textilních vláken začíná na 100°C !!!!
Dimenzování měničů
Pokud je nám známá aplikace a výkony - je návrh měniče vždy jednodušší. Víme jestli osadit modifikáč nebo čistej sínus, víme jaký výkon z něj budeme tahat a jak dlouho.
Běžná domácnost (karavan, obytka) si zpravidla vystačí s modifikáčem, pokud tam nebudou točivý stroje. Dostatečně dimenzovanej modifikáč zvládne moderní TV,Sat,nabíjení NB,Tel,Tablet,.....
samozřejmě rychlovarka,drobný stroje (vrtačka,bruska,pila kotoučová-mafl,řetězová,stavební halogen,a další). Záměrně podtrhávám slovo moderní, protože starší zařízení nemají kvalitní vstupní filtraci a modifikovanou sínusovkou trpí jak spotřebič, tak měnič.
Měnič (mikrokontrolér) si sice umí tu sínusoidu v zátěži "natáhnout" ale na to hřešit nelze. Jedná se hlavně o točivé stroje které se běžně přetěžují na 150% a v rozběhu i na 300%. To mějte vždy na paměti.
Spotřeba měničů naprázdno (StandBy režim)
Moderním měničům (i velkým) dnes stačí 0,3-1A. Malé měniče dnes mají spotřebu okolo 0,3-0,5A což není mnoho, ale v trvalém režimu vybijou baterku v karavanu za tejden.
Jednoduše: 0,4Ax24h=9,6Ah/24h.
Takže je budete vytahovat ze zásuvky. Je to sice vopruz, ale jistota.
Většina měničů (od 75W výše všechny) mají vypinač. I při vypnutém vypinači bere měnič proud. Sice malý, ale bere. Jeden z primárních tranzistorů funguje jako vypinač, protože normální kontaktový vypinač by byl zbytečně velký a drahý. Osadit tam vypinač elektronický je výrazně jednodušší. Protože spotřeba je sice malá ale je, tak já doporučuji u velkých měničů dát odpojovač baterie do aut a karavanů, které v zimě nejezdí, nebo nemají možnost trvalého připojení na 220V. Půl roku je přece jen dlouhá doba a určité riziko vybití baterky tam je. Auta co jezdí v zimě, ten problém neřeší.
Samozřejmě pokud velký měnič má možnost dálkového ovládání (DO) osazujeme ho. Je to věc k nezaplacení.
Pozor u malých měničů - někdy demontáž vypinače a prodloužení kabeláže k němu natolik zvedne odpor obvodu, že tranzistor přestane vypínat. Takže samodělné DO u malých měničů ne vždycky funguje.
Osazovaní měničů v kooperaci se sítí 220V
MODIFIKOVANÉ MĚNIČE NIKDY NEPŘIPOJUJEME DO SÍŤOVÉHO ROZVODU !!!
1) měnič má úplně jinou sínusovku
2) měnič má vždy o trochu jiný kmitočet
3) měnič má vždy o trochu jiné napětí
modifikovaný měnič vyrábí úplně jinou elektriku než je v síti !!!!
Pokud chceme měničové napájení rozvést po karavanu, použijeme vždy samostatný nezávislý zásuvkový obvod. Nejlépe barevně odlišené zásuvky.
Systémy přepínání (reléově nebo manuálně) bytostně neschvaluju a nemontuju je. Pár jsme jich tu léčili (naštěstí vždy po někom) a vždycky to byla sračka na kvadrát.
Důvod je prostý:
1) náběhové špičky spečou kontakty relátka a měnič zahoří jasným plamenem.
2) doběh vyhlazovacích kondenzátorů nezajistí včasné umrtvení měniče, dojde k přeskoku oblouku a zahoření měniče - nezapomeňte, že aritmetický součet obou napětí je cca 650V !!!! A zkuste si to představit pod zátěží (páč uživatel bezpečně při přepínání tu zátěž nevypne, a nám stačí jen saturační nebo náběhový proudy,....)
U svářeček je napětí na prázdno 80V a při sváření 15-30V. A jakej je to voblouček.
Jištění měničů
Všechny měniče jsou jištěné z výroby tavnou pojistkou na primární straně. Někdy jsou pojistky zvenčí přístupné, jindy jsou uzavřené uvnitř na desce plošných spojů a přístupné až po rozebrání krabičky (Belkin). Vždy se jedná o pojistky trubičkové (v konektoru) nebo automobilní ploché. Sekundární strana u malých měničů zpravidla jištěna není, protože proti zkratu zafunguje primární jištění a proti přetížení tepelný obvod osazený na chladiči tranzistorů. Výkonnější typy (300-600W) mají jištěný primár tavnou automobilní pojistkou sekundár tavnou trubičkovou pojistkou v REMOS pouzdře zvenčí na plášti.
Velké měniče (1000-4000W) mají jištění většinou uvnitř, laik se v tom už nemá co hrabat, páč standartně, když mu bouchne pojistka - tak první co udělá je, že tam dá silnější, :o debil.
Že by začal zjišťovat, proč ta pojistka bouchla, se děje jen u osvícených a bohužel menšinových uživatelů. Páč kdyby všichni řešili problém jak mají, tak jsme bez práce a není důvod psát akademii !o:), že.
Ale skanzen je, že to ti bastlíři a matláci dojebou, až si s tím nikdo neví rady, pak to prodají "se slevou" řka, že to je "drobnost" a novej nešťastnej majitel po pár marnejch pokusech u příbuznejch, kamarádů a naposled u autoelektrikářů skončí u nás. Velice oblíbenej postup u němců na mobile.de - kór v poslední době pozoruju vzestup německým kutilem napadenejch aut i karavanů.
Soráč muselo to ze mě ven. Opět opakuju, že jsem těžce profesně deformovanej
My osazujeme venkovní jištění většinou v případě, že prodlužujeme silné přívodní vodiče (umístění dál od baterky). Samozřejmě platí zásada umístění jištění co nejblíže u zdroje (akumulátoru).
Vestavné jištění (originál) je zpravidla dimenzované na maximální výkon měniče. Naše jištění dimenzujeme na přesný příkon spotřebičů (většinou je známe). Takže třeba na modifikáč 2000W pro pohon fénu a rychlovarky víme, že potřebujeme 2000W/12V=166A čili osazujeme nejbližší pojistku 175A. Pokud nám stačí originál kabeláž (např 1m) tak jištění nedáváme.
Tož tak.
Docela jsem se krotil, tak snad Vás to jednoduchý, snadný a krátký čtení neunavilo, neřku-li nezadřelo,... B). Na druhou stranu po přelouskání tohodle eleborátu si přestanete myslet, že elektrika je jednoduchá.
Nebo je jednoduchá - ale nelze si myslet, že při dostatečný dávce vlastního sebevědomí, potažmo drzosti a ignorantství lze fyziku beztrestně ochcat.
- pokusím se sem průběžně poskládat vobrázky a popisky k nim.
- příště si povíme něco vo sínusákách a to už bude o hodně kratší, nebojte se nic !c.