CONVERTIZOR DE TENSIUNE - 12V c.c.-220V c.a.

CONVERTIZOR DE TENSIUNE - 12V c.c.-220V c.a.

Montajul prezentat in continuare, alimentat de la o baterie de acumulatoare cu tensiunea de 12 V, debiteaza o tensiune de 220 V la o frecventa de 50 Hz, permitind utilizarea unor aparate sau motoare fara nici o retinere.

Stabilitatea frecventei la 50 Hz este superioara montajelor de acest fel.
Puterea ce o pot furniza astfel de montaje este de ordinul a catorva zeci de wati, suficienta pentru scopurile amatorilor.

Acest tip de montaj - convertizorul - a aparut datorita faptului ca in curent continuu transformatorul este inutilizabil. Singura solutie de ridicare a valorii unei tensiuni continue consta in a transforma intai aceasta tensiune in tensiune alternativa si a o trece printr-un transformator ridicator de tensiune.

Aceasta operatie, care pare la prima vedere foarte simpla in teorie, in practica se arata mai dificila. Schema prezentata in figura 1 rezuma afirmatiile anterioare: intrerupatorul, daca este manipulat repede, produce in primarul transformatorului o tensiune alternativa, dar nu sinusoidala, care va fi transformata intr-o tensiune mai mare Vs=n2*Vb/n1

Acest principiu foarte simplu a fost folosit inaintea aparitiei tranzistoarelor sub forma vibratoarelor mecanice, ce asigurau alimentarea cu tensiune anodica a aparatelor de radioreceptie cu tuburi din baterii de acumulatoare.

Schema din figura 2 arata cum era construit un asemenea vibrator.
Un releu este alimentat in paralel cu primarul transformatorului.
Functionarea este similara cu a soneriei: in repaus infasurarea primara si bobina releului primesc alimentare, imediat armatura este atrasa si alimentarea sistemului intrerupta, aceasta permite eliberarea armaturii si restabilirea circuitului electric s.a.m.d.

La acest sistem frecventa semnalului este foarte instabila, depinzind de parametrii mecanici de la releu.

Prin contacte trece un curent foarte mare care poate produce distrugerea acestora.

Vibratorul mecanic a fost inlocuit la aparitia tranzistorului cu asa-numitul convertizor static (fig. 3): in acest montaj un tranzistor de putere joaca rolul intrerupatorului din figura 1, un oscilator comandand perioadele de conductie .

Un asemenea convertizor este aplicabil pentru puteri foarte reduse (wati).
Pentru puteri mai mari si cu un bun randament pot fi construite convertizoare cu iesire simetrica de tipul aratat in fig. 4.

Ideea functionarii este identica, dar utilizam doua tranzistoare, care sint alternativ in conductie, cuplate la un transformator cu primarul simetric.
Dorind sa obtinem o putere de 60 W la iesirea convertizorului inseamna ca din baterie de 12 V vom extrage cel putin 5A (trebuie tinut cont de 5-8% (pierderi).
Aceasta arata ca intrerupatorul din figurile 1-2 sau tranzistorul din fig.3 sau fig.4 trebuie sa reziste la 5 A, avind in acelasi timp sarcina inductiva (primarul transformatorului).
Or, cind spunem sarcina inductiva spunem aparitia unor supratensiuni si deci tranzistoarele pe care le vom monta trebuie sa reziste la tensiuni mari.

Vom calcula in continuare un convertizor ce va trebui sa debiteze 50 W, care, prin dublarea tranzistoarelor de putere si a puterii transformatorului, poate fi ridicat la 100 W.

Multe montaje de convertizoare chiar industriale nu au un oscilator pentru pilotarea tranzistoarelor de putere, utilizand principiul autooscilatiei.

Aceasta solutie este economica, dar prezinta inconvenientul generarii unei frecvente foarte instabile dependenta de sarcina.

Aceasta nu influenteaza mult daca alimentam becuri sau un blitz, dar nu poate fi utila la alimentarea unui motor, de exemplu pentru picup.

Montajul nostru este pilotat de un oscilator care furnizeaza 50 Hz cu o stabilitate pronuntata.

Schema bloc a convertizorului este prezentata in figura 5.

Se observa ca oscilatorul si defazorul sint alimentate cu tensiune stabiliza de 5 V. Impulsuri de 50 Hz in contrafaza sint aplicate apoi la doua amplificatoare de putere.
Schema completa apare in fig.6.

De la acumulator, printr-o siguranta fuzibila de 10 A, convertizorul primeste alimentare.

Circuitul integrat IC1 de tip 7805 asigura o tensiune stabilizata de 5 V
In locul acestui circuit se poate construi un stabilizator cu componente discrete.

Principalul este ca IC2 si IC3 sa primeasca 5 V (cit mai stabil).
Prezenta tensiunii de 5 V este indicata de o dioda LED
IC2 este un circuit integrat de tip 555 cu 8 terminale care lucreaza ca oscilator cu frecventa de 100 Hz.

De la iesirea acestuia semnalul este aplicat unui circuit integrat CDB474 (IC3), care produce o divizare cu 2 a semnalului.

De la iesirile Q si Q-negat se comanda amplificatoarele de putere pe cele doua ramuri.
Tranzistoarele T1, sint de tip BC107 (2N2222-2N2219), tranzistoarele T2, de tip BD136 - BD138-BD140, iar T3, sint 2N3055 montate pe radiatoare de caldura.
Transformatorul este elementul cel mai greu de construit si foarte important.
Aici trebuie tinut cont ca 2N3055 lucreaza in regim de comutatie, adica teoretic pe fiecare parte a primarului se aplica 12 V.

Dar tranzistoarele, oricat de bune ar fi, prezinta intre colector si emitor o cadere de tensiune (numita VCE saturatie, in cataloage) de citeva sute de milivolti pana la peste 1 V, functie de curentul de saturatie.

Aceasta inseamna ca tensiunea reala aplicata transformatorului este mai mica de 12 V, ajungand in jur de 10 V. Deci transformatorul va trebui sa aiba doua infasurari de 10 V si una de 220 V.

Se ia un miez feromagnetic cu sectiunea de 10 cm patrati (tole E + I), in primar bobinandu-se 2 x 50 spire CuEm D 1,5 mm, iar in secundar 1 210 spire CuEm D 0,35 mm.
Pe transformator se vor infasura intai spirele pentru 10 V si peste ele cele de 220 V;

Intre infasurari se va pune panza uleiata.

Cablajul imprimat este prezentat la scara 1/1 in fig.7, iar in fig.8 plantarea pieselor.
Dioda DR (15 A) este montata pentru protectia montajului - la cuplarea gresita a acumulatorului dioda intra in conductie, arde fuzibilul -, partea electronica nefiind afectata.
La montaj trebuie sa se tina seama ca firele de alimentare trebuie sa fie cu un cablu bifilar din sarma litata, iar rezistoarele de 33 ohm/5 W se vor monta la citiva milimetri de placa, sa aiba un pic de aerisire.

Dupa montarea tuturor pieselor revizuiti daca nu s-au strecurat erori de cablaj.
La cuplarea tensiunii, convertizorul trebuie sa functioneze imediat, ultimul reglaj fiind stabilirea exacta a frecventei de 100 Hz la oscilator cu ajutorul unui frecventmetru.
Intreg montajul se introduce intr-o cutie la care doi pereti sint radiatoare de caldura pentru 2N3055, iar in ceilalti pereti sint prevazute gauri de aerisire.

Breviar de legi si teoreme, utilizate in conceperea schemei    electrice de functionare.

Legea lui Ohm

Este valabila pentru conductorii electrici la capetele carora se aplica tensiuni electrice. Legea lui Ohm spune ca intr-un conductor intensitatea curentului electric este direct proportionala cu tensiunea aplicata. Formula cea mai utilizata a legii lui Ohm este:

unde:

I - este intensitatea curentului, masurata in ystem (A);

U - este tensiunea aplicata, masurata in volti (V);

R - este rezistenta circuitului, masurata in ohmi (O).

Cu alte cuvinte, in cazul unui sistem a carui rezistenta este constanta, daca tensiunea creste, intensitatea curentului va creste si ea, proportional. Un astfel de sistem care respecta fidel legea lui Ohm se numeste sistem ohmic.

Teoremele lui Kirchhoff

Legile lui Kirhhoff servesc la calcularea retelelor electrice, si anume,

cunoscandu-se o parte din marimile care intervin intr-o retea, ele permit sa se determine celelalte marimi necunoscute.

De multe ori, circuitele electrice sunt mai complicate , continand una sau mai multe surse de energie electrica si mai multe rezistente, legate in diferite moduri alcatuind retele electrice. Marimile care intervin intr-o retea elecrica sunt: fortele elecromotoare, rezistentele diferitelor laturi si curentii prin aceste laturi. In general, circuitele electrice nu sunt formate dintr-un singur generator si un singur ystemive. Un circuit ramificat este circuitul care contine mai multe generatoare si consumatoare. Pentru un astfel de cicuit, in mod evident nu se pot folosi legile lui Ohm.

NOD Punct al unui circuit in care sunt interconectate cel putin trei elemente de circuit.

LATURA = Portiune de circuit:

Cuprinsa intre doua noduri;

Care nu cuprinde nici un nod interior;

Care este parcursa de acelasi ystem.

OCHI = Portiune de circuit:

Formata dintr-o succesiune de laturi (cel putin doua) care formeaza o linie poligonala inchisa.

La parcurgerea careia se trece prin fiecare nod o singura data.

O categorie deosebita de ochiuri o reprezinta ochiuri simple (fundamentale) sunt ochiuri care nu au diagonale.

TEOREMA I A LUI KIRCHHOFF

DEMONSTRATIE

Consideram un nod de retea in care se intalnesc cinci laturi. Curentii din fiecare latura transporta, intr-un interval de timp oarecare, ∆t, sarcinile electrice Q₁,Q₂ ,.,Q_5..

Deoarece sarcina electrica:

nu poate fi creata,

nu poate sa dispara,

nu se poate acumula in nod.   

Rezulta ca sarcina totala care iese din nod trebuie sa fie egala cu sarcina totala care intra in nod, adica:

Q₂+Q₃+Q₅=Q₁+Q₄ .Impartind aceasta relatie la ∆t, se obtine:

I₁ +I₄=I₂+I₃+I₅    Nod de retea.

Evidend, acest rezultat se poate obtine pentru orice nod in care se intalnesc orcate laturi. Rezultatul este cunoscut sub denumirea de teorema I a lui Kirchhoff.

Teorema I-a lui Kirchhoff: Suma intensitatilor curentilor care ies dintr-un nod este egala cu suma intensitatilor care intra in nodul respectiv.

Sau

Suma algebrica a intensitatilor curentilor care se intalnesc intr-un nod, este nula.

Teorema II-a lui Kirchhoff:

Din legea lui Ohm pentru intregul circuit rezulta: I(R+r)=E. Aceasta relatie cuprinde in membrul stang suma tensiunilor pe rezistentele din circuit iar in membrul drept - tensiunea electomotoare din ochi.

Suma algebrica a tensiunilor dintr-un ochi de retea este egala cu suma algebrica a tensiunilor electromotoare din ochiul respectiv.

∑E=∑RI

-E₁+E₂= I₁(R₁+r)-I₂r₂-I₃(R₃+R₆)+I₄(R₄+R₅)

APLICAREA TEOREMELOR LUI KIRCHHOFF

Daca se cunosc elementele consecutive ale unui circuit (toate caracteristicile generatoarelor si consumatoarelor), ecuatiile obtinute prin aplicarea teoremelor lui Kirchhoff, permit aflarea intensitatilor tuturor curentilor din acel circuit.

Etapele care trebuie parcurse pentru analiza acestui ystem fizic sunt:

1. Se identifica nodurile circuitului .
2. Se identifica laturile circuitului.
3. Se noteaza curentii si se aleg sensuri pentru acestia.
4. Se aplica teorema I a lui Kirchhoff pentru n-1 noduri.
5. Se aleg cele f ochiuri pentru care se aplica teorema a II a lui Kirchhoff.

Este recomandabil ca acestea sa fie tocmai ochiurile simple (fundamentale). Se aleg sensuri de referinta in cele f ochiuri.

6. Se aplica teorema a II a lui Kirchhoff in cele f ochiuri alese.
7. Cu cele n-1ecuatii obtinute se formeaza un system de ecuatii obtinut este egal cu numarul laturilor, deci egal cu numarul necunoscutelor (intensitatile curentilor).