Ilu półprzewodników trzeba, by skonstruować izolowaną przetwornicę 110 V DC / 220 V 50 Hz o mocy 50 W, dającą na wyjściu napięcie sinusoidalne i stabilizowane? Jak szybki mikrokontroler jest do tego potrzebny? Odpowiedź zaskoczy pewnie wielu, a poznamy ją dzięki przetwornicy SM 55 -1 marki KACO BACH GmbH, którą znalazłem kiedyś na złomowisku.
Przeznaczenie ani pochodzenie tej przetwornicy nie jest mi znane. Choć firma KACO istnieje do dziś, Internet milczy na temat jej dawnych produktów. Napięcie wejściowe może wskazywać na zastosowania kolejowe, lecz to tylko mój domysł. Konstrukcja waży prawie 7 kg, ma wymiary 330×110×170 mm i jest umieszczona w pancernej, stalowej obudowie. Mimo wieku (numer seryjny może wskazywać na produkcję w 1970 r.) oraz fatalnego stanu obudowy, przetwornica była od razu w pełni sprawna elektrycznie! Poniższe zdjęcie przedstawia jej wygląd tuż po przyniesieniu ze złomu.
Obudowa wykonana jest z blachy stalowej połączonej wkrętami. W przedniej ściance znajduje się gniazdo na bezpiecznik linii 110 V. Kiedyś było na niej dodatkowo nadrukowane logo producenta i jakieś napisy, ale odpadły one razem z farbą. Do ścianki tylnej przynitowana jest tabliczka znamionowa, a ponadto znajdują się w niej dwie dławnice - jedna na przewód wejściowy 110 V, druga na wyjściowy 220 V. Wentylację zapewniał perforowany spód oraz szczeliny pomiędzy brakującą, górną pokrywą, a ściankami bocznymi.
Wnętrze
Po wykręceniu wkrętów można rozdzielić obudowę na pojedyncze elementy. Jako, że wiele z nich stanowi mocowania wewnętrznych zespołów przetwornicy, je również należy poodkręcać od blach:
Na powyższym, prawym zdjęciu, widać już całe wnętrze przetwornicy. Od lewej: przewody odlutowane od gniazda na bezpiecznik, radiatory z tyrystorami i płytka z układem gasikowym pomiędzy nimi, kondensator rezonansowy i za nim dwa dławiki, transformator przetwornicy, transformator układu stabilizatora z kostką łączeniową na nim, rezystor do zasilania generatora 50 Hz i płytka tegoż generatora. Jeżeli uznać 7 diod krzemowych za mało istotne, to wszystkie „poważniejsze” elementy półprzewodnikowe widać na tym zdjęciu – są to dwa tranzystory BF257 na płytce generatora, dwa nieidentyfikowalne tyrystory AEG i… nic więcej! Poniżej: druga strona przetwornicy, płytka generatora 50 Hz, jeden z tyrystorów.
Z uwagi na dużą liczbę elementów indukcyjnych z uzwojeniami o wielu odczepach, rozrysowanie całego schematu ideowego nie jest łatwym zadaniem. Ograniczyłem się więc do niezbędnego minimum, pozwalającego jako tako poznać jej budowę:
Jak widać, składa się ona z dwóch głównych bloków: tyrystorowego falownika o komutacji równoległej z przewodzeniem ciągłym oraz z ferrorezonansowego stabilizatora napięcia.
Generator 50 Hz, zasilany napięciem ok. 60 V, wytwarza dwa sygnały prostokątne przesunięte w fazie o 180°, każdy o wypełnieniu 50% i amplitudzie 3,5 Vpp. Sterują one bramkami G1 i G2, powodując „zapłon” raz jednego, raz drugiego tyrystora. Kondensator foliowy włączony pomiędzy anodami blokuje przewodzący tyrystor w momencie „zapłonu” przeciwnego, umożliwiając tym samym tyrystorową komutację prądu stałego.
Ferrorezonansowy stabilizator napięcia jest bardzo zmyślnym urządzeniem elektrotechnicznym, mogącym stabilizować napięcie przemienne zarówno „w dół” (Uwe > Uwy) jak i „w górę” (Uwe < Uwy)! Choć układ składa się jedynie z dwóch elementów indukcyjnych i kondensatora, to jego zasada działania nie jest zbyt łatwa do opisania w przystępny sposób. Na szczęście nie muszę tego robić, bo na YouTube jest gotowy film o takim urządzeniu. Do 8:38 ma miejsce prezentacja stabilizatora, później krok po kroku zostaje wyjaśniona jego zasada działania.
A jak to działa?
Przeprowadziłem kilka pomiarów, obciążając przetwornicę żarówkami. Najpierw sprawdziłem wpływ obciążenia na napięcie wyjściowe. Wynik widoczny jest poniżej:
Jak widać, stabilizacja działa aż za dobrze, bo napięcie wyjściowe rośnie razem z obciążeniem! Zmiana jest jednak bardzo nieduża i wynosi około 1% napięcia znamionowego. A jaki jest przy tym kształt napięcia wyjściowego?
Po lewej bez obciążenia, po prawej z obciążeniem 40 W. Nie jest to idealny sinus jak z generatora, ale prawie nie różni się on od kształtu napięcia w sieci energetycznej
Celem kolejnego pomiaru było sprawdzenie zależności napięcia wyjściowego od wejściowego przy różnych obciążeniach. Rezultat jest następujący:
Przy obciążeniu 40 W, napięcie wejściowe może spaść o ponad 20% nie powodując zmiany napięcia wyjściowego. Bez obciążenia, napięcie wejściowe może spaść aż o 60%!
A jak wygląda sprawność takiego urządzenia?
Może nie jest rewelacyjna, ale przy znamionowym obciążeniu będzie bliska 70%, a to chyba całkiem nieźle jak na tak prosty układ?
Cool? Ranking DIY
