Аппроксимированная синусоида

Обзор наиболее популярных моделей

Среди всех представленных на рынке автомобильных товаров наибольшим спросом среди водителей пользуются следующие представители инверторов:

МАП «ЭНЕРГИЯ»

Эта модель получила звание лучшей по мнению автовладельцев. Она собрала в себе самые оптимальные характеристики по габаритам, качеству, надежности и стоимости. Прибор изготовлен российским производителем, поэтому внешний вид у него лаконичный и даже строгий. По потребности можно приобрести модель в диапазоне 900-1200 Вт при напряжении от 12 до 28 V.

Главные преимущества:

качественный жидкокристаллический дисплей;
простота установки и настройки, что позволяет водителю самостоятельно управлять опциями и менять их в зависимости от ситуации;
наличие нескольких режимов работы;
выступает и в качестве зарядного приспособления, и в виде источника бесперебойного питания.

ACMEPOWER

Несмотря на то, что это китайская компания, ее продукция за более чем десятилетие своего существования зарекомендовала себя высоконадежной и функциональной. В отличие от российского конкурента он обладает малыми размерами и изящным дизайном, которому уделили действительно много внимания.

При ширине модельного ряда и рабочим параметрам каждый автовладелец подберет себе устройство под текущие нужды. К недостаткам можно отнести лишь низкую мощность на выходе.

MEANWELL

Еще один китайский разработчик, находящийся на рынке источников питания с 1982 года. Его инверторы обладают модифицированной и нормальной синусоидой, небольшими размерами своих устройств, коих в ассортименте свыше 5 тысяч, а также комплектуются клеммами и проводами для подключения.

Вот только производитель не рекомендует при подключении к прикуривателю включать инвертор на его полную мощность.

Классификация преобразователей напряжения

Если рассматривать автомобильные преобразователи по критериям универсальности и конструктивной сложности, то всё их многообразие можно разделить на два вида:

  • приборы с модифицированной синусоидой;
  • устройства с «чистой» синусоидой.

На выходе первых формируется напряжение, форма которого приближается к синусоиде при помощи множества прямоугольных ступенек ( меандр, о котором мы говорили чуть выше, является наиболее грубым приближением). Чем больше ступенек, тем точнее сигнал и меньше помех на выходе, что требует усложнения электрической схемы. Поэтому качественный автопреобразователь с модифицированной синусоидой стоит недёшево. Что же касается вторых, то они имеют выходное напряжение с параметрами, приближенными к стационарной электрической сети (форма сигнала – «чистая» синусоида).

Кроме того, инверторы делят на три класса мощности:

  1. Маломощные – для нагрузки не более 300 Вт. Питают зарядные устройства и блоки питания цифровой техники, осветительные лампы, электробритвы. Приборы этого типа оснащаются разъёмом для подсоединения к гнезду прикуривателя.
  2. Средней мощности – рассчитанные на 300-1500 Вт. Массовый класс автопреобразователей, которые подходят для подключения бытовой техники – от телевизоров до микроволновых печей и др. Подобные устройства требуют токоотдачи более 25 А, поэтому их можно питать непосредственно от автомобильного аккумулятора.
  3. Мощные устройства, предназначенные для нагрузки 1500 Вт и выше. Потребляют ток более 125 А и дают возможность использовать в дороге любую технику и электроинструмент – дрель, болгарку и т. д.

Если же говорить о классификации по производителю, то наиболее качественными считаются устройства, изготовленные известными европейскими, японскими и американскими компаниями. Второе место отдадим продукции отечественных брендов – она имеет оптимальное соотношение цены и качества. В конце списка — инверторы «ноунейм»-производителей и недорогие приборы китайской сборки.

Рекомендуем: Подключение тахометра своими руками: плюсы и минусы

Нужен ли инвертор с чистым синусом?

Попробуем разобраться с вопросом о форме выходного напряжения у ИБП и инверторов.

Очень часто встречаются рекомендации, что если нужно организовать питание (резервное питание) каких-то бытовых приборов и устройств, то нужен инвертор с «чистым» синусом. Эти рекомендации зачастую подтверждаются теоретическими доказательствами и размышлениями. Но что показывает практика применения инверторов с модифицированной синусоидой? А практика показывает то, что практически все (любые) электроприборы и устройства нормально работают от модифицированной синусоиды. Теоретики заявляют, что электродвигатели не работают от модифицированной синусоиды или начинают перегреваться, но на практике это не так. На самом деле, все, у кого не запустился электродвигатель от модифицированной синусоиды допустили ошибку в выборе мощности инвертора. Так как, например, компрессор бытового холодильника мощностью всего 100 Ватт при старте имеет очень большой пусковой ток. И может гарантированно запуститься только от инвертора, способного обеспечить мощность не менее 1000 Ватт (то есть в 10 раз больше).

Или при подключении циркуляционного насоса, насос начинает работать с непривычным звуком… Потребитель пугается и ошибочно воспринимает этот непривычный звук признаком неправильной работы насоса. Но ничего кроме непривычного звука в работе насоса не меняется. Насос работает и выполняет всё, что от него требуется…

И так практически с любым прибором или устройством. От инвертора с модифицированной синусоидой работает практически всё. Но всё же с некоторыми исключениями. Так, например от инвертора могут не работать котлы отопления. И связано это вовсе не с модифицированной синусоидой, а с тем, что некоторые котлы европейских производителей требуют соблюдения фазировки напряжения. У инвертора напряжение на выходе не фазное (отсутствуют ноль и фаза). И из за этого электроника котла неправильно определяет горение пламени и выдаёт ошибку. Для таких котлов нужны инверторы с пробросом нуля.

Ещё от инвертора с модифицированной синусоидой могут не работать плазменные телевизоры (не путать с LCD). Ну и некоторая телекоммуникационная аппаратура (в основном профессиональная). Так, что в быту инвертор с модифицированной синусоидой вполне работоспособный вариант чтобы обеспечить электропитанием бытовые приборы в случае кратковременного отсутствия сетевого напряжения.

Виды автомобильных инверторов

Блоки питания для автомобилей принято разделять на категории:

  • по качеству амплитуды выходного сигнала;
  • по допустимой мощности нагрузки;
  • по территориальному расположению производителя.

По синусоиде

Преобразователи могут формировать кривую напряжения нескольких видов:

  1. Чистая синусоида без отклонений графика. Рассчитана на подключение любых потребителей. Недостатком оборудования является повышенная цена, поскольку для получения равномерной кривой необходима сложная электронная схема.
  2. Модифицированная или аппроксимированная (имеет ступенчатый характер). Оборудование не подходит для подсоединения асинхронных двигателей или электроники. Отклонения кривой вызывают фоновые шумы и повышенный нагрев двигателей с одновременным падением КПД и ресурса.

По мощности

Перед тем как подобрать преобразователь, следует определиться с мощностью нагрузки. Производители указывают пиковое и номинальное значение, которые отличаются в 1,5-2 раза. Нормальный параметр позволяет определить мощность на протяжении длительного времени (например, отдача от 1000 Вт позволяет подсоединять различный электрический инструмент). Рекомендуется приобретать инвертор с запасом по номинальной мощности не менее 20%.

По стране-производителю

Большинство инверторов выпущено на территории Китая, часть изделий собрана в России с использованием китайских комплектующих (трансформаторов, электронных компонентов или деталей корпуса). Подобная практика является нормой

При подборе необходимо обращать внимание на технические параметры и анализировать отзывы покупателей

Полезные рекомендации

Советы по выбору и установке инверторного источника питания:

  1. При использовании преобразователя, подключенного к бортовой сети автомобиля, потребляемая мощность не должна превышать отдачу генератора (с учетом энергопотребления систем освещения и зажигания). В противном случае начнется разрядка аккумулятора, что приведет к остановке двигателя.
  2. Рекомендуется покупать оборудование с алюминиевым корпусом, обеспечивающим отвод тепла. Встречаются устройства с активным охлаждением и стальным кожухом, выдерживающим повышенные нагрузки. Преобразователи с такими корпусами рассчитаны на эксплуатацию в жестких условиях.
  3. При подборе следует учитывать стандарт розетки на преобразователе. Большинство приборов оборудовано штекером европейского формата с контактом заземления, встречаются изделия с универсальной розеткой.

Как работает инвертор

Если надо изменить напряжение переменной сети, достаточно одного трансформатора с первичной и вторичной обмоткой. С постоянным током все не так просто – понадобится более сложная электрическая схема с полупроводниковыми элементами. В нашем же случае необходимо повысить напряжение и изменить его тип. Для этого используется комбинированная схема, в которой применяется и трансформатор, и полупроводниковые приборы.

В основу работы инвертора положен принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Задающий генератор подает импульсы частотой 10 kHz – 20 Mhz на силовой ключ, подключенный к обмотке высокочастотного трансформатора – с его-то выхода и снимается переменный ток. Ширина импульсов зависит от подключенной нагрузки, поэтому в схеме используют систему обратной связи

Минимальная скважность сигналов соответствует наименьшей мощности, а при повышении токоотдачи ширина импульсов достигает значения 1:1 (максимальное значение)

Сложность состоит в том, что форма получаемого при этом выходного сигнала – не плавный спад/нарастание напряжения (синусоида), а меандр со скачкообразным изменением потенциала. Это значит, что снятое напряжение нельзя использовать для целого ряда электронных устройств. Чтобы превратить меандр в синусоиду, схему инвертора дополняют фильтрами из конденсаторов и катушек.

Рекомендуем: Лучшие антирадары для автомобиля

Чем различаются автомобильные инверторы

В продаже можно найти автомобильные инверторы, стоимость которых различается в десятки раз. Связано это не столько с именитостью бренда, сколько с параметрами и функциональностью устройства.

При покупке автомобильного инвертора важно определиться с мощностью, которая от него потребуется. Условно можно разделить инверторы по мощности следующим образом:

  • До 300 Ватт. Это совсем слабые модели инверторов, которые могут подключаться, как в прикуриватель, так и к аккумулятору напрямую. Подобные варианты преобразователей подойдут для зарядки мобильных устройств;

  • От 300 до 1500 Ватт. Стандартные автомобильные инверторы, которые подключаются только к аккумулятору напрямую. Их часто выбирают для подключения бытовой техники – телевизор, ноутбук, микроволновая печь и другой.
  • Выше 1500 Ватт. Мощные автомобильные инверторы, которые приобретаются для строительных работ «в полевых условиях». К ним можно подключать различную технику – болгарку, дрель и прочую.

Важно при выборе инвертора обращать внимание, чтобы по мощности он превосходил устройства, которые к нему будут подключаться. Если в маломощный инвертор подключить требовательную технику, велик риск его выхода из строя

От мощности инвертора напрямую зависит его отдача, что важно для многих приборов, которые будут подключаться к преобразователю. Если на выходе требуется стабильное напряжение 220 Вольт, то придется выбирать инверторы мощностью более 1500 Ватт, только они способны обеспечить столь высокий КПД

При этом инвертор на 300 Ватт выдаст около 200 Вольт, а модели около 600 Ватт способны предоставить порядка 215 Вольт.

Сферы применения

Инверторы используются в различных ситуациях:

  • В дальних поездках обеспечивают возможность подключения к аккумулятору автомобиля
    необходимых приборов (холодильника, электрических инструментов и т.д.).
  • Преобразование энергии, полученной от альтернативных источников (например, от солнечных батарей).
  • Резервное энергоснабжение дома на случай неожиданного отключения электричества.
  • Источник энергии на загородных участках при отсутствии централизованной электрификации и т.д.

Для выполнения каждой из этих задач выбирают соответствующие модели преобразователей. Чаще всего инверторы 12/220 используются автомобилистами.

Устройства с входным напряжением 12 В и 24 В не являются взаимозаменяемыми!

Как сделать своими руками

При желании изготовить инвертор типа «чистый синус» своими руками, необходимо помнить, что это достаточно сложное электронное устройство. При самостоятельном изготовлении необходимо не только уметь работать с паяльником, а также нужно знать, как правильно монтировать микросхемы и прочие электронные комплектующие. Уметь работать с электронными приборами, с помощью которых можно отслеживать форму выходного сигнала, а также подстраивать элементы схемы, обеспечивающие соответствие формы и силы выходного сигнала, предъявляемым требованиям.

Ниже, приведена одна из схем, используя которую, можно самостоятельно собрать подобный прибор. Это достаточно простая схема, но тем не менее, она широко используется и промышленными производителями таких устройств.

В качестве генератора сигналов используется микросхема КР1211ЕУ1, а в качестве ключей — транзисторы IRL2505. Повышающий трансформатор повышает напряжение на выходе до 220 вольт, а снижение высокочастотных помех осуществляет конденсатор.

Мощность устройства, собранного по этой схеме – до 0,5 кВт, в зависимости от мощности трансформатора.

Плюсы и минусы

К достоинствам инверторов типа «чистый синус» можно отнести их следующие свойства:

  1. Синусоида на выходе близка к форме кривой напряжения бытовой сети 220 Вольт промышленного способа производства электрической энергии.
  2. Форма выходного сигнала позволяет подключать к приборам данного типа различные технические устройства, работа которых зависит от качества напряжения питающей сети.
  3. Использование инверторов типа «чистый синус» увеличивает сроки эксплуатации бытовых приборов и технических устройств, чувствительных к качеству напряжения.
  4. Улучшаются условия эксплуатации подключенной нагрузки: снижается шум при работе циркуляционных насосов и их нагрев, работа различных источников света и электронных устройств, не происходит «зависание» компьютера и электронных гаджетов.

Основным недостатком инверторов «чистый синус» является их высокая стоимость, в сравнении с приборами, выдающими выходной сигнал иной формы.

ШИМ контроллер: принцип работы

ШИМ сигналом управляет ШИМ контроллер. Он управляет силовым ключом благодаря изменениям управляющих импульсов. В ключевом режиме транзистор может быть полностью открытым или полностью открытым. В закрытом состоянии через p-n-переход идет ток не больше нескольких мкА, то есть мощность рассеивания близка к нулю. В открытом состоянии идет большой ток, но так как сопротивление p-n-перехода мало, происходят небольшие теплопотери. Больше тепла выделяется в при переходе из одного состояния в другое. Однако благодаря быстроте переходного процесса в сравнении с частотой модуляции, мощность этих потерь незначительна.

Все это позволило разработать высокоэффективный компактный широтно импульсный преобразователь, то есть с малыми теплопотерями. Резонансные преобразователи с переключением в 0 тока ZCS позволяют свести теплопотери к минимуму.

Аналоговая ШИМ

В аналоговых ШИМ-генераторах управляющий сигнал формируется при помощи аналогового компаратора, когда на его инвертирующий вход подается пилообразный или треугольный сигнал, а на неинвертирующий — непрерывный модулирующий.

Выходные импульсы идут прямоугольной формы. Частота их следования соответствует частоте пилы, а длительность плюсовой части импульса зависит от времени, когда уровень постоянного модулирующего сигнала, идущего на неинвертирующий вход компаратора, выше уровня пилообразного сигнала, подающегося на инвертирующий вход. В период когда напряжение пилообразного сигнала будет превышать модулирующий сигнал — на выходе будет фиксироваться отрицательная часть импульса.

Во время когда пилообразный сигнал подается на неинвертирующий вход, а модулирующий — на инвертирующий, выходные прямоугольные импульсы будут положительными, когда напряжение пилы будет выше уровня модулирующего сигнала на инвертирующем входе, а отрицательное — когда напряжение пилы станет ниже сигнала модулирующего.

Цифровая ШИМ

Работая с цифровой информацией, микроконтроллер может формировать на выходах или 100% высокий или 0% низкий уровень напряжения. Но для эффективного управления нагрузкой такое напряжение на выходе нужно изменять. Например, когда осуществляется регулировка скорости вращения вала мотора или при изменении яркости светодиода.

Вопрос решают ШИМ контроллеры. То есть, 2-хуровневая импульсно-кодированная модуляция — это серия импульсов, характеризующаяся  частотой 1/T и либо шириной Т, либо шириной 0. Для их усреднения применяется передискретизация. При цифровой ШИМ прямоугольные подимпульсы, которыми и заполнен период, могут занимать любое место в периоде. Тогда на среднем значении сигнала за период сказывается лишь их количество. Так как процесс осуществляется на частоте в сотни кГц, можно добиться плавной регулировки. ШИМ контроллеры решают эту задачу.

Можно провести следующую аналогию с механикой. Когда маховик вращается при помощи двигателя, при включенном двигателе маховик будет раскручиваться или продолжать вращение, если двигатель выключен, маховик будет тормозить из-за сил трения. Однако, если движок включать/выключать на несколько секунд, вращение маховика будет держаться на определенной скорости благодаря инерции. Чем дольше период включения двигателя, тем быстрее раскрутится маховик. Аналогично работает и ШИМ модулятор. Так работают ШИМ контроллеры, в которых переключения происходят в секунду тысячи раз, и частоты могут достигнуть единиц мегагерц.

Использование ШИМ-контроллеров обусловлено их следующими преимуществами:

  • стабильностью работы;
  • высокой эффективностью преобразования сигнала;
  • экономией энергии;
  • низкой стоимостью.

Получить на выводах микроконтроллера (МК) ШИМ сигнал можно:

  • аппаратным способом;
  • программным способом.

В каждом МК есть встроенный таймер, генерирующий ШИМ импульсы на определённых выводах. Это аппаратный способ. Получение ШИМ сигнала при помощи команд программирования более эффективно за счет разрешающей способности и дает возможность задействовать больше выводов. Но программный способ вызывает высокую загрузку МК, занимая много памяти.

Варианты применения ИБП с аппроксимированной синусоидой

Как вы уже поняли, можно допускать применение инверторов ИБП: синусоидальная аппроксимация присутствует и с чистой синусоидой. Все зависит от оборудования, которое будет получать электроэнергию через такие источники.

Где ступенчатая синусоида не мешает

Если оборудование не имеет в своей схеме диммеров (электронных приборов регулировки), конденсаторов, индуктивных катушек и использует активную нагрузку, то оно не восприимчиво к той или иной синусоиде. Таких приборов не очень много, но они все-таки есть, и мы их широко используем в быту:

  • обычные лампы накаливания;
  • простые электроплиты;
  • утюги, фены, паяльники;
  • электрообогреватели типа каминов;
  • электробойлеры (не все).

Негативное влияние аппроксимации

В Сети иногда проскакивает мнение, что все осветительные приборы могут функционировать от ИБП с аппроксимированной синусоидой, но это только полуправда. В большинстве случаев мы не используем не «лампочку Ильича», а более современные светильники с преобразователем напряжения ≈220-230 V. Подавляющее большинство людей даже не задумываются над принципами работы таких осветительных приборов, но посмотрите результаты теста некоторых из них, которые представлены в таблице ниже.

Отклонение от чистоты линии должно быть менее 8%Источник mykharkov.info

В таблице сравниваются параметры разных моделей светильников при подключении к обычной сети ≈220-230 V и к источнику бесперебойного питания, где присутствует ступенчатая аппроксимация синусоиды. Для эксперимента был использован ИБП компании APC с мощностью 500 V*A.

Даже неискушенный пользователь заметит, что электрические характеристики приборов освещения становятся другими при модифицированной синусоиде и эти изменения происходят с негативом – потребляемый ток возрастает, а КПД (яркость) падает. Возможна также ещё одна реакция, например, когда для ограничения мощности добавляют конденсатор, он соберет все реактивные токи, что одновременно будут делать диоды, и мощность, конечно же, увеличится в несколько раз, но это очень быстро выведет лампу из строя. Но при подключении к другому автономному ИБП 12/220 V такой картины не наблюдается, и лампа работает нормально.

Отсюда можно сделать вывод: подключение светодиодов или люминесцентных ламп на квази-синус зависит от случая: может сгореть, но может функционировать в нормальном режиме. Если говорить о правильной работе приборов, где в значительной степени присутствуют реактивные токи, а также для устройств, которые чувствительны к помехам, то придется использовать только источники типа on-line, выдающих чистую синусоиду.

Среди агрегатов, которым в любом случае противопоказана аппроксимированная синусоида можно назвать:

  • все котлы отопления с электрическим циркуляционным насосом и электронным управлением;
  • насосы для водоснабжения, в том числе гидрофоры и погружные модели;
  • вентиляторы промышленного и бытового типа;
  • вся техника с трансформаторами.

Чистый и модифицированный синус. В чем отличие.

Подводя итоги можно сказать, что использование ступенчатой синусоиды для приборов, генерирующих реактивные токи, в лучшем случае обернется невозможностью их запуска, а худшие варианты – это падение коэффициента мощности и даже быстрый выход из строя. Потому источники бесперебойного питания типа on-line, где на выходе чистый синус, это лучший вариант бесперебойника как на промышленном, так и на бытовом уровне. 

Классификация

Основными критериями классификации этих приборов являются мощность, форма тока и входное напряжение. Выбор конкретной модели зависит от целей, с которыми приобретается устройство.

Для подключения к автомобильному прикуривателю используются простейшие компактные преобразователи небольшой мощности. От них могут получать питание гаджеты с низким потреблением электроэнергии (телефоны, ноутбуки, вентиляторы, фонарики).

Мощность инвертора, включаемого в прикуриватель, не должна превышать 150 Вт. В противном случае можно вывести из строя всю электропроводку автомобиля.

Преобразователи для питания приборов мощностью от 150 Вт присоединяют напрямую к клеммам аккумулятора. Чтобы снизить потери КПД, не рекомендуется использовать «крокодильчики», которые входят в комплектацию некоторых моделей. Для стабильного и надёжного подключения больше подойдут медные клеммы с винтовым соединением.

Номинальная и пиковая мощность

При выборе преобразователя следует суммировать мощность всех потребителей, которые будут к нему подключены. К полученному результату прибавляют ещё 20%, так как прибор не сможет долго работать на пределе возможностей. Кроме того, возможны потери вследствие плохого контакта в соединениях или низкого качества кабеля. Также нужно учитывать ёмкость аккумулятора.

Рассчитывать мощность инвертора необходимо по двум характеристикам: номинальной и пиковой. Первая из них определяет нагрузку, под которой прибор может работать длительное время. У бытовых моделей она обычно составляет от 60 до 1000 Вт. Однако существуют модификации, у которых этот показатель превышает 1 кВт. С их помощью можно обустроить мобильную мини-электростанцию. Их целесообразно покупать, например, для подключения электроинструментов.

Пиковая мощность характеризует максимальную нагрузку, которую инвертор может выдержать в течение короткого промежутка времени. Она варьируется в пределах 150 – 10000 Вт. Ток, потребляемый некоторыми электроприборами при начале работы, в несколько раз превышает номинальное значение

Выбирая преобразователь, нужно обязательно обратить внимание на этот момент, иначе подключенное к нему оборудование может не запуститься

Мнение эксперта
Кузнецов Василий Степанович

Если устройство используется при работающем двигателе автомобиля, ток его нагрузки не должен быть выше тока, вырабатываемого генератором.

Для бытовых нужд (например, путешествий на автомобиле) обычно бывает достаточно инвертора мощностью до 600 Вт. Этого хватит, чтобы включить холодильник, зарядить телефон, ноутбук или фонарик. Ток нагрузки такого прибора составляет примерно 50 А, что значительно меньше показателей современных автомобильных генераторов.

Форма тока

Важным критерием выбора преобразователя является форма тока, получаемая на выходе. От этого параметра зависит, какие приборы к нему можно подключить.

Существует два вида формы:

  1. Чистая (непрерывная) синусоида. Диаграмма тока представляет собой ровную синусоиду. Такие приборы обеспечивают безопасное подключение любого оборудования. В схему этих устройств входят дорогостоящие комплектующие, поэтому цена на них достаточно высока.
  2. Модифицированная (изменённая) синусоида. Диаграмма тока – ступенчатая. Такие инверторы нельзя использовать для подключения электроинструмента с асинхронными двигателями, компрессоров и приборов, восприимчивых к помехам. Оборудование либо вообще не запустится, либо будет работать в экстремальном режиме, что приводит к снижению КПД и сокращению срока службы. Преобразователи с модифицированной синусоидой подходят для питания ламп, обогревателей, коллекторных двигателей, телефонов, ноутбуков, телевизоров. Повысить качество работы можно за счёт дополнительной установки устройства плавного пуска.

Стоимость инверторов с чистым синусом достаточно высока. Приобретать их целесообразно только при необходимости подключить оборудование, несовместимое с модифицированной синусоидой.