Convertitore cc/ca da 100-150 VA
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 (figura 1).
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 (figura 1).
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 figura 2.
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 figura 3
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 (figura 4).
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
figura 5
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 T3,
due BD 139: il segnale che giunge sulla base di T3 è sfasato di
180° rispetto a
quello applicato sulla base di T1, questo perché il transistore
T2, anch'esso
un BD 139, provvede alla funzione di stadio sfasatore. La funzione dei
transistori T1 e T3 è quella di pilotare correttamente in
potenza le due coppie
di transistori commutatori T4-T5 e T6-T7. Quest'ultimi sono dei TIP 33C
con una
potenza di 80 Watt ciascuno ed una corrente massima di collettore di
circa 10
A. I transistori commutatori sono accoppiati in una connessione
parallela per
garantire una maggiore robustezza e, se si vuole aumentare la potenza,
è
possibile aggiungere qualche altro transistore TIP 33C in parallelo a
quelli
già esistenti.
La coppia di
commutatori funzionano in modo contrario (T4/T5 in saturazione, T6/T7
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 220vo1t 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.