Czysty sinus czy modyfikowany sinus. Jaka przetwornica napięcia będzie najlepsza dla Ciebie?

Wybór odpowiedniej przetwornicy napięcia dla wielu osób może nie być prostą i szybką czynnością. Teoretycznie jest to urządzenie mające na końcu gniazdo elektryczne, podłączam, włączam do gniazda np. telewizor i ma pracować. Nic więcej nie powinno mnie interesować. Jak się jednak zacznie zagłębiać w temat, wychodzi, jak wiele parametrów mają przetwornice i że niektóre z nich są faktycznie ważne, a i kluczowe w niektórych zastosowaniach. Jednym z takich parametrów jest kształt napięcia wyjściowego: czysty sinus lub sinus modyfikowany.

W tym artykule przeanalizujemy techniczne aspekty obu rozwiązań, sprawdzimy, dlaczego niektóre urządzenia nie pracują poprawnie na tanich przetwornicach i jak dobrać parametry, by nie uszkodzić podłączonych urządzeń.

1. Czysty sinus czy modyfikowany: jakie są różnice?

Zacznijmy od początku. To, że napięcie w domowym gniazdku ma wartość 230V raczej każdy wie. To, że jest to napięcie przemienne – pewnie też. Ale to, jaka jest częstotliwość tych zmian, czy kształt napięcia, to już nie każdy musi wiedzieć. Z jednej strony nie ma się co dziwić, wtykam coś do gniazdka i ma działać. Nie muszę się na wszystkim znać. Jeżeli jednak potrzebujemy stworzyć sobie alternatywne miejsce, które zasili nasze urządzenia, musimy poszerzyć naszą wiedzę.

Pod kątem kształtu napięcia rozróżniamy dwa typy przetwornic:

Czysty sinus (Pure Sine Wave)

Napięcie w sieci wygląda jak na poniższej grafice:

Można się więc spodziewać, że przetwornica będzie miała taki sam przebieg. Faktycznie, przetwornica wytwarzający tak zwany „czysty sinus” będzie miała taki sam kształt napięcia wyjściowego. Tak więc dla wszystkich podpinanych urządzeń nie ma znaczenia, czy będą zasilane z sieci energetycznej, czy z przetwornicy tego typu. Trudno napisać tu coś więcej, tego typu przetwornica jest praktycznie „przezroczysta” dla wszystkich urządzeń.

Sinus modyfikowany (Modified Sine Wave)

Tutaj pojawia się tajemnicze słowo „modyfikowany”. W praktyce wygląda to tak:

Jak widać, to bardzo „oszukana” sinusoida. Technicznie jest to przebieg prostokątny z dodatkowym krokiem „zero”. Zamiast płynnego wzrastania i opadania napięcia, mamy tu gwałtowne skoki napięcia: zero – góra – zero – dół. Czy to powoduje, że taki przebieg nie nadaje się do zasilania urządzeń? Odpowiedź nie jest jednoznaczna, to zależy.

• Zaleta: Układ jest znacznie prostszy, nie wymaga drogich dławików miedzianych i skomplikowanych filtrów.
• Wada: Taki przebieg zawiera mnóstwo tzw. wyższych harmonicznych. Niektóre urządzenia odbierają to jako „brudny” prąd, co objawia się nagrzewaniem, buczeniem lub całkowitym brakiem działania.

Co ciekawe, technicznie przetwornica z modyfikowaną sinusoidą nie różni się znacząco od wersji z czystą sinusoidą. Poszczególne etapy transformacji napięcia są takie same. Skąd więc różnica w cenie i dlaczego właściwie robi się takie przetwornice?

· Cena: choć schemat blokowy jest taki sam, to miejsce tworzenia przebiegu znacząco się różni. Choć w obu przypadkach jest on generowany przez tak zwany „mostek H”, to dla sinusoidy modyfikowanej jest on prostszy, a więc i tańszy. Pracuje z częstotliwością 50Hz. Czysta sinusoida wymaga zastosowania w nim innych tranzystorów, innego, znacznie bardziej zaawansowanego elementu sterującego oraz wyjściowego układu LC. Tutaj tworzenie przebiegu wyjściowego wymaga pracy z częstotliwością sięgającą nawet kilkudziesięciu kHz i dodatkowej modulacji szerokości impulsów PWM. Tylko wtedy można osiągnąć oczekiwany wynik – poprawną, czystą sinusoidę.

· Zastosowanie: dla wielu urządzeń kształt napięcia wejściowego nie ma znaczenia. Dlatego na rynku jest miejsce na tego typu urządzenia.

Teraz, z praktycznego punktu widzenia, można przejść do sedna tematu. Skoro są dwa możliwe typy przebiegów napięcia i ten tańszy nie oznacza od razu „gorszy”, to skąd widzieć, czego potrzebuję?

Ogólnie można napisać, że:

· Czystego sinusa wymagają urządzenie posiadające elementy indukcyjne, jak silniki prądu przemiennego czy transformatory sieciowe. Ich zasada działania wymaga poprawnej sinusoidy. Choć zazwyczaj będą działać również na przebiegu prostokątnym, to z gorszą sprawnością, będą się bardziej nagrzewać i mogą ulec szybkiemu uszkodzeniu.

· Sinus modyfikowany (przebieg prostokątny) w pełni nadaje się do zasilania urządzeń o charakterze rezystancyjnym, jak np. grzałki, oraz większości takich posiadających na wejściu zasilacz impulsowy. Ten drugi typ obejmuje dziś bardzo szeroki zakres, gdyż większość popularnych urządzeń elektronicznych zasilanych z sieci zamienia napięcie przemienne na stałe, właśnie zasilaczem impulsowym. Są to wszelakiego typu ładowarki, zasilacze, telewizory, komputery itp. Nie można jednak tego traktować jako pewnik, nadal istnieją, choć niszowo, zastosowania czy produkty oparte na transformatorach sieciowych. Są też zastosowania wykorzystujące zasilacze impulsowe, które wolą sinusa, choć nie jest to zazwyczaj elektronika użytkowa.

2. Idealna przetwornica do pompy C.O.

Zasilanie awaryjne centralnego ogrzewania to jeden z częstych powodów zakupu przetwornicy. Tutaj nie ma miejsca na kompromisy: pompa C.O. bezwzględnie wymaga czystego sinusa.

Dlaczego? Pompy obiegowe to zazwyczaj silniki indukcyjne. Ich działanie opiera się na wirującym polu magnetycznym. Jeśli podasz im sinus modyfikowany:

· Silnik będzie buczeć i wibrować: kanciaste skoki napięcia powodują szarpanie wirnikiem.

· Nadmierne nagrzewanie: energia z harmonicznych prądu „prostokątnego” nie zamienia się w ruch, lecz w ciepło w uzwojeniach. Może to doprowadzić do stopienia izolacji i spalenia pompy.

· Niższa wydajność: Pompa może nie osiągać swoich obrotów znamionowych, co zaburzy obieg.

3. Jaka przetwornica do lodówki zapewni bezpieczeństwo?

Lodówka to jedno z najtrudniejszych urządzeń do zasilania z akumulatora. Problemem nie jest jej średnie zużycie prądu (które jest stosunkowe małe), ale moment rozruchu kompresora.

Prąd rozruchowy

Silnik kompresora w lodówce w momencie startu może pobierać nawet 5 do 10 razy więcej prądu niż podczas normalnej pracy. Jeśli Twoja lodówka pobiera 100W, to w ułamku sekundy przy starcie może potrzebować nawet 1000W.

Dlaczego tylko czysty sinus?

Lodówki mają sterowniki elektroniczne i silniki indukcyjne. Uruchomienie ich na modyfikowanym sinusie często kończy się próbą rozruchu z negatywnym rezultatem.

Klucz do sukcesu: wybierz przetwornicę z czystym sinusem o mocy ciągłej min. 1000W (dla domowej lodówki), aby mieć pewność, że sprosta temu wyzwaniu.

4. Jaką przetwornicę wybrać do elektronarzędzi?

W przypadku elektronarzędzi odpowiedź brzmi: „to zależy”.

• Proste urządzenia (szlifierki, wiertarki bez regulacji): starsze, proste narzędzia z silnikami szczotkowymi zazwyczaj poradzą sobie na modyfikowanym sinusie, choć będą pracować głośniej i mocniej się nagrzewać. Jeżeli chodzi o hobbystyczną, nieciągłą możliwość użycia takiego urządzenia, jest to akceptowalne.
• Nowoczesne narzędzia z elektroniką: jeśli Twoja wiertarka ma regulację obrotów, miękki start (soft-start) lub używasz ładowarki do akumulatorów elektronarzędzi – powinieneś mieć czysty sinus.

5. Ważne aspekty przy wyborze przetwornicy

Pod kątem tematu poruszonego w tym artykule, pierwszym krokiem przy wyborze przetwornicy musi być decyzja czego potrzebujemy, czystego czy modyfikowanego sinusa. Na podstawie przedstawionych informacji wybór powinien być już prostszy. Trzeba się też zastanowić, czy w sytuacji, gdy modyfikowany sinus wystarczy, nie rozważyć dopłaty do wersji z czystym sinusem. Jeżeli różnica w cenie nie jest duża, daje to jednak ogromną elastyczność w ewentualnej zmianie koncepcji zasilania.

Pamiętajmy o mocy przetwornicy! Gdy chcemy zasilać jakiś odbiornik o charakterze oporowym, np. suszarkę, która ma moc 500W, wystarczy nawet przetwornica o mocy 500W. Minusem tego rozwiązania jest to, że non stop będzie pracowała na pełnej mocy, a układ chłodzenia ciągle będzie chodził na pełnych obrotach. Gdyby jednak głównym podzespołem w odbiorniku był silnik, trzeba znacząco przewymiarować moc przetwornicy. Przy za małej mocy nie będzie tak, że silnik wolniej się będzie rozkręcał, bo przetwornica nie jest w stanie dać mu pełnej mocy, jakiej oczekuje. Przetwornica wyłączy się, zadziałają w niej zabezpieczenia, czego efektem będzie brak możliwości korzystania z podłączonego sprzętu.

6. Podsumowanie: którą przetwornicę wybrać?

Wybór sprowadza się do prostego bilansu potrzeb:

• Wybierz modyfikowany sinus, jeśli: planujesz zasilać tylko grzałki (np. czajnik bez elektroniki), lub ładowarkę do telefonu/laptopa i chcesz wydać jak najmniej.
• Wybierz czysty sinus, jeśli: zasilasz lodówkę, pompy C.O., ekspres do kawy, sprzęt medyczny. To inwestycja w bezpieczeństwo i długowieczność Twoich urządzeń.

Pamiętaj: Twoje urządzenia są zazwyczaj warte znacznie więcej niż różnica w cenie między tymi dwoma typami przetwornic.

7. FAQ