Два варианта инверторов: вибрационный и генератор с обратной связью

Инвертор и выпрямитель - это как две стороны одной медали, как инь и янь, как электродвигатель и генератор, как трансформатор повышающий и транс понижающий - думаю логика ясна.

Инверторы нашли широкое применение в схемах зарядных устройств, частотных приводов, ламп, электромобилей. Также инверторы нашли применение в преобразовании энергии ветра и солнца (от ветряков и солнечных панелей соответственно) в переменную для передачи в энергосистему.

Выпрямитель создает постоянное напряжение из переменного, а вот задача инвертора состоит в том, чтобы сделать “пациента живым” (у меня в голове родилась аналогия с дефибриллятором, когда прямая линия на аппарате при остановке сердца превращается в кривую переменного графика сердечных сокращений при удачном раскладе реанимационных операций) или другими словами - преобразовать постоянное напряжение в переменное.

При этом возможно еще и изменить величину входного напряжения в другую сторону, чаще в большую (например из 12 вольт постоянки получить 220 вольт переменки).

Существуют разнообразные схемы для получения переменного напряжения. Их нереально много, чтобы все привести, надо написать не одну книгу. А пока издашь книгу, появятся новые. А если, по каждой схеме еще давать разъяснения, то может уйти большая часть жизни.

Но основной принцип - изменение полярности постоянного напряжения или тока с определенной частотой и получение на выходе сигнала определенной формы. Инверторы могут быть однофазные и трехфазные. По форме сигнала синусоидальные, а также с несинусоидальной формой. Для бытовых приборов и устройств, содержащих двигатели и трансформаторы, важен синус. Как и для профессиональной звуковой аппаратуры, лабораторных приборов и телевизионных устройств.

Освежим в памяти некоторые формы сигналов, чтобы не возникало лишних вопросов при рассмотрении дальнейшего материала: синусоида, меандр, прямоугольный, треугольный, пилообразный.

Если форма не прямая, то значит это не постоянка, а переменка. Для целей изменения полярности с определенной частотой могут использоваться: вибраторы; усилители; тиратроны, которые затем заменили на тиристоры; транзисторы и прочие устройства.

В этой статье рассмотрим устаревший вибрационный инвертор, а также популярные генераторы с обратной связью.

Вибрационный инвертор

В основе данного преобразователя лежит вибратор. Вибрационные инверторы использовались до внедрения полупроводниковых, которые после своего изобретения начали преобладать.

Форма выходного напряжения получается прямоугольная, вплоть до меандра. Возможная схема приведена на рисунке ниже:

У нас есть повышающий трансформатор Т (опционально) - может служить для повышения выходного переменного напряжения до величины например 220В. Это может использоваться, если необходимо из 12 получить 220. Трансформатор используется без глубокого насыщения. В этом может помочь заземленный сердечник или например электростатические экраны между первичкой и вторичкой.

Параллельная трансформатору цепочка RC - все эти цепочки RL, LC и прочие, которые встречаются в электронике, в основном это фильтры, задача которых уменьшить воздействие помех или других негативных факторов. В случае с вибрационным инвертором присутствует RC- демпфирующая цепь, которая уменьшает искрение подвижных контактов.

Также в схеме присутствует ключ (контакт) S, подвижный контакт на железном якоре и соленоид.

Принцип работы состоит в следующем: изначально при разомкнутом ключе S подвижный контакт в нейтральном положении. При замыкании контакта S создается магнитный поток, который подтягивает контакт кверху и ток течет по верхней половине обмотки трансформатора Т. Затем происходит короткое замыкание в цепи соленоида и контакт перебрасывает на противоположную сторону, где ток течет по другой стороне обмотки трансформатора, но из-за магнитного поля и упругости возвращается обратно к верхнему положению через нейтральное. И так далее, и так по кругу.

Получается мы подаем постоянный ток, который через соленоид создает магнитный поток, а также конструктивно меняет свое направление при перебрасывании контакта. Получается он у нас как бы переменный. Далее ничего не подозревающий трансформатор преобразует этот сигнал до более высокого значения. И на выходе мы можем получить форму напряжения вплоть до меандра - то есть переменный сигнал более высокого значения.

Использовались такие устройства для питания радиоприемников в автомобилях.

Генераторы с обратной связью - Хартли и Колпитца

Наиболее распространенной считается схема генератора Хартли или как её еще называют индуктивная трехточка. В случае, если недопустимо использование катушки индуктивности с отводами применяется схема генератора Колпитца. Возможны три варианта данных схем: на каскаде с общим эмиттером, с общей базой, с общим коллектором.

Генератор Хартли

В схеме генератора Хартли используется либо одна катушка индуктивности с отводом (аналогично, как у автотрансформатора), либо две близко расположенные отдельные. Емкости служат для фильтрации составляющих постоянного тока и напряжения.

Генератор Колпитца

Схема Колпитца (емкостная трехточка) является более простой и стабильной. В ней отвод берется не от индуктивности, а от емкостного делителя.

У генераторов с обратной связью форма выходного сигнала близка к синусоиде. Однако, для повышения КПД данные устройства используют в режиме перевозбуждения. Что выдает дополнительные гармоники, однако, их количество меньше, чем у инверторов с выходным прямоугольным сигналом.