Convertitore cc/ca da 100-150 VA

(150W DC/AC setp-up converter)

 

 

Un inverter 12Vcc/220Vca da «battaglia»

 

 

Quando nella nostra sede si rese necessaria una fonte di energia elettrica a 220Volt/400Hz, per alimentare alcuni vecchi apparecchi surplus, nelle nostre menti cominciò a farsi spazio l'idea di un semplice convertitore CC/CA, meglio noto con il termine di INVERTER.

Si optò per un piccolo circuitino da auto-costruire, semplice e veloce da realizzare (poiché non c'era molto tempo da perdere) ed efficace nel funzionamento.

Una breve consultazione con gli amici OM di sezione e via!

Buttar giù un piccolo schema e procedere per una veloce costruzione erano le uniche cose da fare.

I dubbi furono, inizialmente, circa la forma d'onda in uscita che sarebbe stata inevitabilmente quadra e comunque, seppur filtrata, mai perfettamente sinusoidale. Inoltre, un trasformatore abbassatore 220V/12V - 50Hz come avrebbe reagito se utilizzato come elevatore 12V/220V ed alla frequenza di 400Hz? Alla fine del montaggio un normalissimo trasformatore abbassatore montato "al contrario", all'uscita del nostro inverter, ha funzionato benissimo e non solo alla classica frequenza di 50Hertz ma anche a 400, sebbene con una maggiore dissipazione di energia ed un poco di rumore. Ma il nostro inverter si è rivelato molto utile anche in seguito quando, collegato alle batterie delle nostre automobili, ha compiuto il suo lavoro egregiamente per accendere alcune lampade al neon su un'altura in assenza dell'energia elettrica di rete per una delle tante spedizioni DX. Si pensi, infatti, a quanto possa essere utile un inverter 12Vcc/220Vca in queste evenienze! Con il semplice ed economico circuito presentato qui di seguito potrete convertire una 12Volt in corrente continua, fornita da un qualsiasi accumulatore, come ad esempio una o più batterie d'automobile, in un'energia elettrica a 220 Volt alternati e con frequenza intorno ai 50 Hz.

 

 

 

WATT 0 VA?

 

Il carico utilizzabile con questo inverter è di 100 VA nominali ma è possibile «tirarlo» fino a 150 VA rinforzando alcune piste del circuito stampato e studiando un buon sistema di ventilazione per il raffreddamento dei transistori finali. Se poi, oltre a questi ultimi accorgimenti, si aggiunge qualche altro transistore finale TIP33, la potenza erogata può anche superare i 200 VA. Il VA (si legge voltampere) è l'unità di misura della potenza apparente usata in corrente alternata. E' interessante, a tal punto, sottolineare la differenza che esiste tra una potenza elettrica espressa in Watt ed una potenza espressa in VA, per ben comprendere il progetto ed il dimensionamento di un dispositivo di erogazione di energia in corrente alternata come lo è un convertitore cc/ca. Innanzitutto c'è da considerare che, per rendere comprensibile a tutti l'esposizione dei concetti, utilizzerò spesso il termine "potenza" anche lì dove è più

indicato citare il termine "energia". In realtà c'è differenza tra le due grandezze, dato che l'energia coincide con la potenza richiesta ad una sorgente nell'unità di tempo:

 

 

 

 

In genere, per gli elettrodomestici e gli altri elettroutensili di casa, funzionanti a 220 Vca, la misura della potenza assorbita viene espressa in Watt, mentre il VA poco compare se non per qualche motore ad induzione di una certa consistenza o per qualche alternatore. In corrente alternata, il Watt è più propriamente l'unità di misura della potenza attiva, ovvero, la potenza effettivamente utilizzata dal carico, mentre il VA esprime la misura della potenza apparente che il generatore deve essere in grado di erogare per alimentare lo stesso carico. Un qualsiasi carico utilizzatore reale, come ad esempio una lampadina, un saldatore o altro, non è mai un carico puramente resistivo, poiché la sua impedenza elettrica è la risultante di un'aliquota resistiva (R) ed un'aliquota reattiva (X).

E' proprio l'aliquota reattiva X, presente in un qualsiasi carico reale, a determinare la differenza tra potenza apparente, espressa in VA, e potenza attiva espressa in Watt. Supponiamo di avere un carico reale con impedenza Z il cui valore ohmico è la risultante della combinazione di una componente puramente resistiva ed una componente puramente reattiva (figura1).

Nell'istante in cui colleghiamo il generatore G al carico Z, il carico richiederà energia al generatore e, più precisamente, l'energia richiesta ed utilizzata nel tempo dalla componente resistiva del carico è chiamata potenza attiva, mentre quella richiesta dalla componente reattiva è chiamata potenza reattiva. La prima equivale alla potenza effettivamente utilizzata dal carico per il suo funzionamento, la seconda equivale ad un'aliquota di potenza, comunque richiesta al generatore, ma non realmente utilizzata.

Infatti, possiamo immaginare la reattanza X come una «spugna» che, ad ogni ciclo alternato, assorbe potenza reattiva che, però, non viene utilizzata, poiché restituita subito dopo al generatore (figura1). Sebbene la potenza reattiva non riveste un ruolo di utilità per il funzionamento del carico, comunque, essa costringe il generatore a dover erogare continui spunti di energia superiori a quelli della potenza attiva necessaria per il funzionamento del carico utilizzatore ed anche se essa viene restituita, ciò non toglie che, ad ogni ciclo alternato, il generatore deve erogare una potenza di spunto totale necessaria a soddisfare l'assorbimento sia della componente resistiva che della componente reattiva: questa potenza totale di spunto è detta potenza apparente. La potenza apparente può, quindi, essere considerata come una sommatoria tra potenza attiva e reattiva; non si tratta, però, di una somma algebrica ma di una somma vettoriale (vedi teoria delle potenze elettriche in regime alternato). Volendo usare una definizione più empirica ed intuitiva, possiamo dire che la potenza apparente è quell'energia che «appare» dover essere erogata nel tempo dal generatore per alimentare un carico reale; dico «appare» perché, essendo la potenza reattiva restituita al generatore, il consumo energetico effettivamente richiesto alla sorgente equivale alla sola potenza attiva. Ecco un esempio pratico: se colleghiamo una lampadina da 100 Watt al nostro inverter (le lampade ad incandescenza hanno una reattanza induttiva molto bassa e quasi trascurabile rispetto alla componente resistiva), quest'ultimo dovrà essere in grado di erogare una potenza di circa 105 VA. I 100 Watt della lampadina sono la quantità di energia attiva assorbita per il corretto funzionamento, mentre tutta il resto dell'energia sovra-generata (5 VA) è la quantità reattiva richiesta dalla reattanza induttiva della lampadina e restituita all'inverter ad ogni ciclo alternato. Il consumo energetico sarà sempre di 100 Watt/ora ma il nostro inverter dovrà essere in grado di generare potenza a 105 VA. La differenza tra potenza apparente e potenza attiva si fa ancor più determinante se utilizzassimo, come carico, un motore ad induzione invece che la lampadina. Infatti i motori elettrici hanno un'impedenza prevalentemente reattivo-induttiva e poco resistiva (X è abbastanza rilevante rispetto ad R), specie se lavorano a mezzo carico o, peggio ancora, se girano a vuoto. Supponiamo di collegare un motore ad induzione da 100 Watt attivi al nostro inverter e di far

girare il rotore a vuoto: la potenza apparente che il convertitore cc/ca dovrà erogare varia da 250 VA a 500 VA. Penso che quest'ultimo esempio sia stato più esaustivo del primo per capire perché in determinati casi è più opportuno parlare di VA e non di Watt. Infatti, se un inverter dovrà essere utilizzato prevalentemente con carichi fortemente induttivi, come motori elettrici (lavatrici, trapani, flex, ventilatori eccetera) ed altre macchine elettriche, è bene che esso sia dimensionato sul calcolo delle potenze apparenti richieste dai carichi e non badando alle potenze attive di questi. Se a questo punto vi state chiedendo come quantizzare l'aliquota di potenza apparente e di potenza attiva che un qualsiasi carico può richiedere alla sorgente cui è collegato, la risposta è la seguente: informatevi sul suo «fattore di potenza», indicato ovunque come cosf o (si legge cosen-fi). Il fattore di potenza di un carico è un numero adimensionale ed equivale al suo rapporto resistenza/impedenza. Più esso è basso, più sarà prevalente l'aliquota reattiva sull'aliquota resistiva e più sarà grande il divario tra potenza apparente e potenza attiva. Ecco i fattori di potenza dei carichi più ricorrenti:

 

·          lampade ad incandescenza e stufe elettriche      cos f =   0,95  -  1

·          motori a pieno carico                                              cos f =   0,8    -   0,9

·          motori a mezzo carico                                            cos f =   0,6     -  0,8

·          motori a vuoto                                                          cos f =   0,2     -  0,4

 

Conoscendo il fattore di potenza e la potenza apparente del carico potremo calcolarci la potenza attiva in Watt:

 

 

 

 

Se, viceversa, conosciamo la potenza attiva in Watt e si desidera conoscere la potenza apparente che il carico richiederà all'inverter:

 

 

 

 

 

I convertitori CC/CA

 

In elettronica industriale con il termine inverter è indicato un dispositivo in grado di convertire una sorgente di energia elettrica in corrente continua (CC) in una sorgente di energia in corrente alternata (CA): ciò che, usualmente, viene chiamato anche «convertitore CC/CA». I convertitori cc/ca giocano un ruolo molto importante sia nel campo delle grosse potenze (alimentazioni di grossi motori in corrente alternata in cui c'è la necessità di una sorgente pulita, cioè priva di disturbi ed interruzioni) che nell'uso domestico (come piccola fonte di energia per tamponare la mancanza della 220 Volt durante un black-out). Oggi, l'industria del silicio offre la possibilità di usare dei chips integrati che svolgono tutte le funzioni di un inverter con caratteristiche veramente professionali. Siano essi sofisticati o meno, hanno una tecnica generale di funzionamento che è comune a tutti. Spesso, sono le piccole congetture ed i piccoli perfezionamenti a fare la differenza tra un inverter «casereccio» ed uno professionale. Lo schema a blocchi di un convertitore cc/ca è visibile in (figura2). La «logica di controllo» è, sostanzialmente, un oscillatore ad onda quadra (duty cycle = 50%) la cui frequenza deve essere regolata sullo stesso valore di frequenza della corrente alternata in uscita: nel nostro caso, poiché la frequenza di rete distribuita è 50 Hz, l'oscillatore dovrà generare un'onda quadra a 50 Hz. Tanto più precisa e stabile è questa frequenza, migliori saranno le caratteristiche generali di tutto il dispositivo. Nei convertitori professionali l'oscillatore è quarzato e spesso gli eventuali slittamenti di frequenza sono controllati e corretti da un PLL. All'uscita della «logica di controllo» usciranno due onde quadre in controfase che  serviranno per pilotare lo «stadio di commutazione di potenza». Quest'ultimo, è composto da componenti che svolgono una funzione di commutazione sull'energia in corrente continua fornita dall'accumulatore. Avviciniamoci gradualmente allo schema elettrico, osservando la (figura3) che ci da una rappresentazione più chiara su come è realizzato un inverter. I due dispositivi J1 e J2 sono due commutatori controllati che possono essere realizzati da transistori bipolari oppure transistori JFET/MOSFET/VMOS o, ancora, da tiristori. L'uso di tiristori rende, però, la realizzazione più complessa, poiché questi dispositivi necessitano di un ulteriore circuito di avviamento (sistema Mc Murrey-Bedford). I due commutatori di potenza, grazie ai due segnali-pilota in controfase, si aprono e si chiudono alternativamente ed in modo opposto (uno aperto, l'altro chiuso) e ad una frequenza di 50 Hz, favorendo il passaggio alternato della corrente elettrica erogata dall'accumulatore prima in un verso, poi nell'altro. In questo modo il trasformatore vede il suo avvolgimento primario attraversato da una corrente alternata. Infatti, quando J1 si chiude e J2 è aperto, la corrente circola nel tratto I1, passando dalla presa centrale dell'avvolgimento primario del trasformatore, circolando in J1 e ritornando al negativo dell'accumulatore. Nel caso, sull'avvolgimento primario, il polo positivo coincide con il terminale dell'avvolgimento connesso a J1. La fase complementare (J1 aperto e J2 chiuso) vede la corrente seguire il percorso I2 ed il terminale dell'avvolgimento primario, connesso a J2, assume polarità positiva.

Per finire, il trasformatore adatterà l'ampiezza dell'onda quadra alternata al valore voluto (nel nostro caso 220 Volt efficaci). Un altro aspetto che rende fondamentale la differenza tra un convertitore cc/ca professionale ed uno economico consiste nelle soluzioni adottate per ovviare i fenomeni di isteresi dei transistori commutatori. Infatti, i due commutatori J1 e J2 non si troveranno mai in conduzione contemporanea (entrambi chiusi), grazie alla controfase esistente tra i due segnali-pilota. La controfase non garantisce, però, che nei piccoli tempi transitori di commutazione la conduzione contemporanea si verifichi comunque, per via dei reali tempi di recupero dei transistori (fenomeni di isteresi). Per scavalcare i problemi di isteresi, negli inverter professionali, oltre a sfasare i segnali-pilota si provvede a variare leggermente il duty cycle di uno di essi (figura4). Il non adottare questa tecnica, per motivi di semplicità  circuitale, non crea problemi di funzionamento, perché i tempi transitori, in cui si verifica la conduzione contemporanea, sono molto brevi. Però, la non osservanza di questa precauzione si ripercuote sulla qualità della purezza dell'onda in uscita, la quale, presenterà un'inevitabile distorsione di zero-crossing. Un filtro in uscita aiuterà non solo la scomparsa della distorsione di zero-crossing ma modellerà anche la spigolosa onda quadra in una più dolce onda dalle forme sinusoidali.

 

 

 

LO SCHEMA ELETTRICO

 

In (figura5) è visibile lo schema elettrico del convertitore cc/ca e la relativa (lista dei componenti). Sebbene il progetto originale di questo inverter sia nato per frequenze superiori a 50Hz, qui è presentata la "versione domestica" per utilizzarlo con i consueti elettrodomestici a 220Volt - 50 Hz. Non si tratta di un circuito dalle caratteristiche professionali ma il funzionamento è garantito. L'accumulatore utilizzabile dovrà essere in grado di erogare energia con tensione tra 12 e 14 Volt. Il cuore della «logica di controllo» è l'integrato 555, siglato IC1, che, in configurazione di multivibratore astabile, genera un'onda quadra. La frequenza dell'onda quadra, uscente dal pin 3, deve essere regolata a 50 Hz, tramite il trimmer R2. L'onda quadra, generata da IC1, viene applicata ai drivers T1 e T2, due BD 139. La funzione dei transistori T1 e T2 è quella di pilotare correttamente in potenza le due coppie di transistori commutatori T3-T4 e T5-T6. Il segnale pilota uscente da T1 è prelevato dal suo collettore, mentre quello uscente da T2 è prelevato dal suo emettitore. In tal modo i due segnali pilota sono in controfase (opposti). I transistori commutatori sono, invece, dei TIP 33C con una potenza di 80 Watt ciascuno ed una corrente massima di collettore di circa 10 A. Essi sono accoppiati in una connessione parallela per garantire una maggiore robustezza e, se si vuole aumentare la potenza, è possibile aggiungere qualche altro in parallelo a quelli già esistenti.

La coppia di commutatori funzionano in modo contrario proprio perché pilotati da segnali in controfase (T3/T4 in saturazione, T5/T6 in interdizione e viceversa), consentendo, in tal modo, la circolazione alternata della corrente continua dell'accumulatore nell'avvolgimento primario del trasformatore TR1. Il trasformatore eleverà in tensione il segnale alternato generato dall'inverter. L'accumulatore deve generare tensione tra i 12 ed i 14 Volt, quindi al primario del trasformatore avremo un'onda quadra con ampiezza variabile tra i 10 ed i 12 Volt (ciò in considerazione del fatto che in saturazione i TIP 33C presentano una caduta di tensione, tra collettore ed emettitore, pari a circa 1-1,5 Volt), il che significa una tensione di 7,1 - 8,5 Volt in valore efficace. Quindi, volendo ottenere in uscita una tensione con valore efficace di 220 Volt, il trasformatore deve essere un 220V/8+8V o almeno un 220V/10+10V. I diodi D1 e D2 servono per fugare a massa i transistori negativi durante le commutazioni.

 

 

 

LA REALIZZAZIONE PRATICA

 

Nelle figure  (6) e (7) sono riportati, rispettivamente, il P.C.B. (Printed Circuit Board) ed il lay-out per la disposizione dei componenti. La realizzazione del circuito potrà avvenire anche su una piastra sperimentale millefori, per velocizzarne la costruzione. Chi realizza l'incisione del circuito stampato dovrà usare una punta da un millimetro per la foratura relativa ai componenti di piccola/media potenza ed una punta da un millimetro e mezzo o due per i fori dei connettori e delle resistenze di potenza R5 ed R7. A montaggio terminato, l'unica taratura da effettuare è sul trimmer R2 che determinerà la giusta frequenza del segnale quadro in uscita di IC1: tale frequenza deve risultare di 50 Hz. Tanto più precisa è questa taratura, tanto migliori saranno le caratteristiche generali dell'inverter. Ottima sarebbe una taratura effettuata con l'ausilio di un oscilloscopio ma per chi non disponesse di un tale strumento potrà pre-tarare il trimmer per un valore di 13,7-14 Kohm, prima di saldarlo sul circuito stampato. Questo metodo spicciolo non assicura che la frequenza sia precisa sul valore di 50 Hz ma ciò non comporta grossi problemi per l'alimentazione di lampade, radio, elettrodomestici vari. Seguono alcuni aspetti che è necessario sottolineare per assicurare una buona robustezza del dispositivo alle potenze in gioco.

I transistori TIP 33C, vanno montati su generose ali di raffreddamento (radiatori), dopo aver interposto, tra il radiatore ed il loro corpo, delle miche isolanti o un velo di silicone e dopo averli collegati al resto del circuito con cavetti altrettanto generosi. Come trasformatore potrà essere utilizzato un normalissimo abbassatore (di quelli reperibili in tutti i negozi di elettrotecnica ed elettronica) con presa centrale al secondario. Esso dovrà essere utilizzato al contrario: il primario a 220 Volt verrà utilizzato come secondario ed il secondario come primario. Questo artificio comporterà una maggiore dissipazione di calore dalle lamine, poiché questi tipi di trasformatori hanno una particolare lavorazione del nucleo ferromagnetico detta a "grani orientati" che consente il miglior passaggio del flusso magnetico (minore riluttanza magnetica) in un determinato verso ma una maggiore perdita se il flusso circola in modo opposto all'orientamento dei grani.

 

 

 

CONCLUSIONI

 

Il convertitore CC/CA presentato, non può essere considerato come un'apparecchiatura professionale. La frequenza molto probabilmente non sarà ben tarata sul valore di 50Hz, né tanto meno l'onda in uscita sarà una sinusoide. E' possibile, tuttavia, fornire l'inverter di un filtro in uscita al trasformatore per modellare l'onda rettangolare in un'onda quanto più simile ad una sinusoide.

I filtri possono essere di tipo passabasso o passa-banda. Ne esiste uno specifico per i convertitori CC/CA e si chiama filtro di "Ott" ma la realizzazione è problematica dato che le induttanze diventerebbero gigantesche. Se si ha intenzione di utilizzare questo semplice inverter per alimentare piccoli elettrodomestici, come una radio, un lampadina, una caffettiera elettrica, un piccolo televisore o altro, non si incontreranno problemi particolari, anche perché sia l'onda quadra che la frequenza non rigorosamente a 50 Hz non compromettono la funzionalità di questi elettroutensili. Non si potrà pretendere, però, di utilizzare questo convertitore per alimentare grossi carichi, specie se fortemente induttivi, oppure è sconsigliato per i computers (a meno che non filtri bene l'uscita). Può essere utile anche per ottenere tensioni particolari non facilmente reperibili dai tradizionali alimentatori ad esempio come convertitore DC-DC Step-Up in cui si rende necessaria una tensione continua di 50, 100V o più (naturalmente dovrete utilizzare trasformatori differenti in base alle esigenze e, dopo aver convertito col trasformatore, rettificare, filtrare e stabilizzare di nuovo l'uscita). Può essere utilissimo in campo automotive come DC-DC setp up converter, partendo dall'energia a 12Vcc della batteria della vostra automobile.