Tropimy błędy: pure sine inverter 12VDC / 230VAC

W Internecie można znaleźć mnóstwo schematów budzących większe lub mniejsze wątpliwości. Niektóre są ewidentnie błędne i bezwartościowe. Inne mają jakąś wartość, ale zawierają usterki i niedoróbki. Jeszcze inne nie są błędne, tylko całkiem przestarzałe. Jak ocenisz schemat pokazany na tytułowym rysunku?

Źródło schematu: https://www.homemade-circuits.com/make-this-1kva-1000-watts-pure-sine/

Schemat z powyższego rysunku był przedstawiony w wydaniu ZE z sierpnia roku 2023 w ramach konkursu Tropimy błędy, o oznaczeniu KX009. Rozwiązania można było nadsyłać do końca sierpnia. Oto rozwiązanie konkursu.

W aktualizowanym rok temu wpisie zatytułowanym Make This 1KVA (1000 watts) Pure Sine Wave Inverter Circuit Autor zaprasza do realizacji obiektu marzeń wielu elektroników. Mianowicie proponuje budowę prostego inwertera o mocy 1000 watów i to nie zwyczajnego, tylko dającego na wyjściu czystą sinusoidę (pure sine wave). Propozycja jest bardzo atrakcyjna, ponieważ wiele odbiorników, np. silniki, nie powinno być zasilanych z najprostszych inwerterów, dających przebieg o kształcie „połamanego prostokąta”.

Niestety, układ zawiera błędy. Jeden z uczestników ujął to następująco:

Dzień dobry!
Dawno się nie odzywałem, a że w trakcie wakacji w ciepłych (zbyt ciepłych) krajach, zabrałem się za lekturę ZE2308, postanowiłem przyjrzeć się zadaniu.
Schemat przetwornicy to portret jednorożca wykonany ręką dziesięciolatka.
Zapewne w takim wieku jest autor strony Swagatam Innovations, przedstawiający się skromnie jako inżynier. Jednorożców jak wiadomo nie ma, podobnie też w realnym świecie nie ma takich przetwornic.
Układ jest przeraźliwie zły, a do tego groźny dla ewentualnego naśladowcy!
Poprzestańmy tylko na rzeczach najgrubszych. Po pierwsze, układ nie jest ani przetwornicą typu „pure sinus”, ani nawet „modified sinus”.
Oscylator oparto na układzie NE555, co pomimo legendarnej uniwersalności tej kostki jest w tym zastosowaniu nietrafione.
Dla podanych parametrów układ oscyluje z częstotliwością około 100 Hz i tutaj mamy pierwszy błąd – dla wybranej konfiguracji pracy wypełnienie będzie zawsze większe niż 50%, a więc przebieg na wyjściu przetwornicy – jednorożca byłby niesymetryczny. Dla podanych wartości elementów, współczynnik wypełnienia wynosi 67%, stan wysoki na pin 3 trwa około 6,5 ms a stan niski 3,26 ms.
Dalej jest jeszcze ciekawiej: zaiste, krętymi ścieżkami błądziła jaźń autora, by dzielnikiem częstotliwości uczynić licznik Johnsona 4017 w takiej konfiguracji. Dla młodszych czytelników: ten niegdyś popularny i sympatyczny układ zlicza impulsy w taki sposób, że każde zbocze narastające na wejściu zegarowym powoduje pojawianie się stanu wysokiego na kolejnych 10 wyjściach licznika, o numerach od 0 do 9. Na schemacie wyjścia układu są połączone w grupy, poprzez diody separujące: pierwsza grupa to wyjścia o numerach od 1 do 3, druga – wyjścia 4 do 6. Tak więc, po włączeniu układu, przez pierwsze 9,76 ms nie będzie się działo nic (wyjście 0 jest nie podłączone), przez kolejne (w przybliżeniu) 29 ms wysterowane zostaną bramki „górnych” MOSFET-ów (stan wysoki na wyjściach 1,2,3) następnie przez 29 ms ten sam marny los spotka MOSFET-y „dolne” (wyjścia 4,5,6), po czym nastąpi 29 ms przerwy (nie podłączone nigdzie wyjścia 7,8,9) i cykl powtórzy się. Można zatem przyjąć, że w takim trybie pracy transformator byłby sterowany przebiegiem prostokątnym o częstotliwości około 16 Hz kluczowanym częstotliwością 25 Hz.
W tym miejscu układu przestaje robić się śmiesznie, a zaczyna być groźnie. Autor proponuje użycie potężnego, 1000 W transformatora o napięciu 2×12 V, co po raz kolejny świadczy o myśleniu magicznym. Przetwornica ma być zasilana akumulatorem 24 V, ewentualny transformator musiałby więc mieć dwa uzwojenia, po 24 V każde (lub minimalnie niższe). Tutaj na każde z jego uzwojeń pierwotnych podane jest napięcie dwukrotnie wyższe od nominalnego, co oczywiście doprowadziłoby do jego przeciążenia, nie wspominając o smutnym losie podłączonego do wyjścia przetwornicy odbiornika.
Co więcej, użycie jako kluczy pięciu par MOSFET IRF3205 nie jest optymalne: owszem, są to znakomite podzespoły, owszem, są „stuamperowe” (dokładnie ich Id max. to 110 A), ale warto czytać noty katalogowe. Ten imponujący parametr jest czysto teoretyczny, by nie powiedzieć – marketingowy. Wynika z kalkulacji opartej na Rds(on)i dotyczy nierealnej temperatury obudowy 25 stopni i Uds 10 V. Rzut oka na wykres SOAR nie pozostawia wątpliwości – przy 2,5 raza wyższym Uds i czasie impulsu dochodzącym do 30 ms maksymalny prąd drenu maleje dramatycznie.
Przy tak trudnym obciążeniu, jakie tworzy indukcyjność transformatora, przy tak dużych prądach, jest prawdopodobne, że pięć par tranzystorów okaże się niewystarczające – ich uszkodzenie i zwarcie drenów ze źródłem spowoduje przepływ olbrzymiego prądu przez uzwojenia i tak przeciążonego już transformatora. Wobec sięgającej setek amper wydajności prądowej akumulatora kwasowego, skutki dla układu i dla konstruktora będą katastrofalne.
I tu dochodzimy do kolejnego problemu: układ pozbawiony jest jakichkolwiek zabezpieczeń! Nie tylko przeciw przepięciom po stronie pierwotnej, nie ma też zabezpieczeń przed przeciążeniem, termicznych, nie przewidziano nawet najprostszego bezpiecznika topikowego! Katastrofalny w skutkach błąd!
Pomijam już inne drobiazgi, jak choćby sposób zasilania części cyfrowej, z błędnie dobranymi wartościami elementów stabilizatora parametrycznego (m.in. wielokrotnie zaniżona wartości rezystora szeregowego przeciążająca zarówno sam rezystor jak i diodę Zenera), brak pojemności filtrujących po stronie pierwotnej itp.
Podsumowując – układ od wejścia do wyjścia jest kompletnie błędny. Podobne przetwornice, oparte na zbliżonej koncepcji układowej, są budowane przez amatorów i działają, choć ich moce są wielokrotnie mniejsze, a ich prostota, w tym brak pętli sprzężenia zwrotnego stabilizującej napięcie wyjściowe, dyskwalifikuje je do zasilania wymagających urządzeń.
Budowa niewielkiej przetwornicy dającej na wyjściu czysty przebieg sinusoidalny 230 V także nie jest obecnie szczególnie trudna dla średnio zaawansowanego konstruktora, między innymi z racji dostępnych gotowych modułów sterujących, jak EGS002.
Jednakże wiara, że można zbudować przetwornicę DC/AC „pure sinus” o mocy 1 kW przy użyciu garstki elementów jest wiarą w jednorożce.

Pozdrawiam serdecznie
Szymon Burian

Inny uczestnik konkursu napisał tak:
Na wyjściu tego inwertera nie uzyskamy czystej sinusoidy. Zastosowany kondensator 3 uF na wyjściu jest za mały, aby uzyskać taki efekt (sinusoidy) dla mocy 1000 W. W tym przypadku uzyskamy prostokąt. Ale zwiększenie wartości pojemności to jednocześnie zwiększenie obciążenia inwertera, co jest złym rozwiązaniem dla uzyskania przebiegu sinusoidy. Raczej zbliżonego do sinusoidy.
Układ przedstawionego inwertera nie nadaje się do zmiennych obciążeń. Przy zmianie obciążenia będą się zmieniać parametry napięcia wyjściowego: jego kształt, wartość RMS.
W układzie można się spodziewać przepięć, więc należy zadbać o skuteczne zabezpieczenie wrażliwych elementów elektronicznych.
Problemem jest praca równoległa tranzystorów MOSFET. Wynika to z różnic między poszczególnymi tranzystorami. Tranzystory MOSFET, nawet jeśli są identyczne, mogą mieć pewne różnice w charakterystykach, co może prowadzić do nierównomiernego podziału prądu w układzie równoległym. MOSFET z najniższym RDS(on) będzie przewodzić większy prąd. Aby minimalizować to zjawisko każdy MOSFET potrzebuje własnego rezystora bramkowego. MOSFETy powinny być zamontowane na wspólnym radiatorze, aby utrzymać jednakową temperaturę dla zapewnienia równowagi prądowej i termicznej pomiędzy sobą.
Aby na wyjściu uzyskać przebieg o f = 50 Hz należy ustawić odpowiednio częstotliwość pracy układu 555 (w roli generatora astabilnego) czyli na 500 Hz. Licznik 4017 dzieli f przez 10 na wyjściu. Z tymi wartościami elementów nie będzie to 500 Hz. Aby tak było pojemność kondensatora o wartości 0,047 uF należy zmienić na 9,6 nF.
Zastosowałbym inne rozwiązanie zasilania DC układów 555 i 4017. Przedstawione rozwiązanie z diodą Zenera 12 V i rezystorem szeregowym 100 Ω budzi we mnie niepokój. Najprościej i zdecydowanie pewniej zastosować układ LM7812 z ewentualnym wstępnym obciążeniem na wyjściu w postaci rezystora dla stabilnej pracy. Układy 555 i 4017 w tym przypadku łącznie pobierają bardzo mały prąd.
Tadeusz Susfał

Inni uczestnicy nadesłali krótsze rozwiązania. Oto niektóre fragmenty:

(…) rezystor 100 omów 1 W ma za małą moc (…)

(…) podstawowym problemem w przetwornicach push-pull jest niesymetria prowadząca do nasycenia rdzenia. Autor tego schematu i wielu innych podobnych ani się na ten temat nie zająknął (…)

(…) na pewno na wyjściu nie będzie sinusoidy, a w najlepszym przypadku schodki (…) w co też wątpię.

(…) zastosowanie CD4017 ewentualnie da na wyjściu zamiast prostokąta tak zwany modified sinus, który nie jest żadnym sinusem. Można by go nazwać przesuniętymi impulsami. (…) C3 nie zrobi z tego sinusa za żadne skarby (…) jeżeli kondensator C3 na wyjściu (3uF) ma wygładzać napięcie do czystego sinusa, to jest śmiesznie mało (…)

(…) zastanawiam się, co siedzi w głowie tego człowieka, który proponuje innym nie tylko niesprawdzone, ale całkowicie błędne konstrukcje. Naraża ich zdrowie i życie, a już na 100% naraża na stratę czasu i straty finansowe. Szczególnie w tym przypadku, bo MOSFET-y eksplodują, czy to z powodu stopniowego nasycenia rdzenia pod wpływem braku pełnej symetrii, czy też nasycenia wskutek zbyt wysokiego napięcia na 12-woltowym uzwojeniu trafo. (…)

Uczestnicy konkursu jednomyślnie stwierdzili, że zaprezentowany schemat jest całkowicie błędny, groźny, narażający na poważne straty finansowe, Zarówno schemat jak i dołączony opis poważnie wprowadzają w błąd osoby mniej zorientowane. ©

Piotr Górecki