Przetwornice napięcia

1. Przetwornice napięcia

Dla szerokiego grona osób używających samochód do czegoś więcej niż dojazd do pracy czy sklepu, przetwornice stały się synonimem niezależności. Pozwalają przekształcić samochód osobowy, dostawczy czy kampera w mobilne biuro lub dom. To urządzenia, które rozwiązują problem „braku gniazdka” tam, gdzie jedynym dostępnym źródłem mocy jest alternator silnika, akumulator czy panel fotowoltaiczny.

2. Jak działają przetwornice 12V/24V na 230V – podstawowe zasady

Przekształcenie niskiego napięcia stałego na wysokie napięcie przemienne to skomplikowany proces, który odbywa się w kilku etapach. Sytuacja odwrotna, którą znają chyba wszyscy, dotycząca zasilaczy sieciowych jest dużo prostsza. Zamiana napięcia sieciowego 230V z gniazdka na niskie napięcie stałe, nie wymaga użycia wielu komponentów i zasilacz taki jest stosunkowo mały. Przetwornice DC/AC nie są już takie proste w konstrukcji.Proces konwersjiDziałanie nowoczesnej przetwornicy DC/AC można bardzo ogólnie podzielić na etapy:

1. Podbicie napięcia (DC-DC): Najpierw niskie napięcie DC zamieniane jest na wysokie napięcie DC o wartości \~350V, dzięki przetwornicy wysokiej częstotliwości z zastosowaniem transformatora impulsowego. Zastosowanie wysokiej częstotliwości pozwala na bardzo znaczące zmniejszenie wymiarów transformatora.
2. Kształtowanie przebiegu wyjściowego (DC-AC): Wysokie napięcie stałe trafia do tzw. mostka H (układ czterech tranzystorów IGBT lub MOSFET). Kluczują one prąd w taki sposób, aby na wyjściu uzyskać przebieg o zadanej częstotliwości, czyli zazwyczaj 50Hz. W zależności od konstrukcji, mostek H może tworzyć przebieg wyjściowy tzw. sinusoidy modyfikowanej lub czystej sinusoidy. Ma to kluczowe znaczenie odnośnie przeznaczenia przetwornicy.

3. Zastosowanie przetwornic samochodowych – praktyczne przykłady

Przetwornica w samochodzie to rozwiązanie, które pozwala nam korzystać z różnych urządzeń domowych zasilanych z gniazdka, bez konieczności posiadania ich „alternatywnej” wersji zasilanej z 12V.Przykłady praktycznego użycia:

• Mobilne biuro: Możliwość zasilania laptopów o dużej mocy (np. gamingowych lub stacji roboczych), drukarek i skanerów bez konieczności kupowania drogich zasilaczy samochodowych, które przy dużych mocach mogą też w ogóle nie być dostępne.
• Turystyka i kamping: Zasilanie małych lodówek kompresorowych, czajników turystycznych, ekspresów do kawy, telewizorów czy ładowanie baterii do rowerów elektrycznych.
• Prace serwisowe: Zasilanie lutownic, wiertarek, szlifierek kątowych czy ładowarek do elektronarzędzi w miejscach, gdzie nie ma przyłącza energetycznego.
• Choć nie jest to zastosowanie samochodowe, to przetwornice znajdą też zastosowanie w innych sytuacjach, jak np. awaryjne zasilanie krytycznych instalacji domowych w przypadku awarii zasilania.

Oczywiście trzeba pamiętać, że aby korzystać z laptopa w samochodzie, nie trzeba od razu kupować przetwornicy. Jeżeli zależy nam tylko na takim zastosowaniu, na pewno taniej, prościej i lepiej będzie kupić po prostu zasilacz do laptopa zasilany z gniazdka zapalniczki. Dodatkowo będzie to rozwiązanie lepsze energetycznie. Transformacja energii odbywa się tam raz. Przy zastosowaniu przetwornicy dzieje się to dwa razy, a każdy taki proces jest obarczony pewną sprawnością, a więc i stratami energii.

4. Na co zwrócić uwagę przy wyborze – kluczowe kryteria

Parametry, które mają główny udział w wyborze przetwornicy to:

• Napięcie wejściowe

Choć wydawałoby się, że najważniejsza to moc, no to przecież moc nie będzie miała znaczenia, jeżeli złe będzie zasilanie. Większość osób na pewno traktuje takie przetwornice jako urządzenia działające na 12V. Są jednak też inne napięcia zasilania, 24 czy 48V i jak najbardziej są one używane, tyko często w innych zastosowaniach. Choć istnieją, to jeżeli nie ma konieczności, lepiej unikać przetwornic potrafiących działać na dwóch napięciach zasilania, np. 12 i 24V. Na pewno lepiej sprawdzi się urządzenie dedykowane na jedną, konkretną wartość.

• Moc

Tak, to kluczowy parametr, ale i częsta pułapka marketingowa. Zazwyczaj podaje się dwie moce:

• moc ciągła
• moc szczytowa/chwilowa

W praktyce brać pod uwagę należy tylko moc ciągłą. Z taką mocą urządzenie może pracować przez dłuższy czas. Moc chwilowa zazwyczaj podawana jest jako podwojona wartość mocy ciągłej i oznacza ona, że urządzenie w krótkim czasie jest w stanie taką moc dostarczyć. Niestety ten czas jest bardzo krótki i może pomóc tylko w przypadku pewnych bardzo krótkich „pików” zapotrzebowania na moc. Zazwyczaj podawanym przykładem są tu wszelakie urządzenia zawierające silniki, jak agregaty, elektronarzędzia. Jednak ich większe zapotrzebowanie na moc przy starcie, choć krótkie, to i tak jest dużo dłuższe niż może wytrzymać przetwornica.Oczywiście lepiej wybrać przetwornicę o większej mocy, niż wydaje się, że będzie nam potrzebna. Po pierwsze, żadne urządzenie nie lubi pracować na swojej pełnej mocy. Po drugie, często jest tak, że wydaje się nam, ile dane urządzenie(a) pobiera mocy, ale nie bierzemy pod uwagę wspomnianych wyżej pików prądowych podczas załączania.

• Kształt przebiegu wyjściowego

Do wyboru są dwa:

• tak zwana sinusoida modyfikowana, będąca w praktyce przebiegiem prostokątnym
• czysta sinusoida

Więcej o tym można poczytać na naszym blogu „Czysty sinus czy modyfikowany sinus”, a tutaj, w skrócie można napisać tak: przetwornice z sinusoidą modyfikowaną są trochę tańsze, jednak nie powinno zasilać się z nich urządzeń posiadających elementy indukcyjne, jak silniki prądu przemiennego, czy transformatory zasilające. Przetwornice z czystą sinusoidą nie są dużo droższe, jednak nie mają żadnych ograniczeń odnośnie podłączanych do nich urządzeń.

• Dodatkowe parametry

Jest ich całkiem sporo, ale ich znaczenie zależy już od konkretnego zastosowania czy wymagań stawianych przez użytkownika. Są to na przykład:

• Zakres pracy napięcia wejściowego: dla przetwornic 12V jest to zazwyczaj \~9-16V.

• Sprawność: zazwyczaj \>90% (uzależnione od wielkości obciążenia).

• Pobór mocy w trybie jałowym, a więc bez podłączonego obciążenia: zazwyczaj \~5-15W.

• Liczba gniazd wyjściowych: zazwyczaj jedno lub dwa.

• Dodatkowe gniazdo(a) USB: często bywa jedno lub dwa USB-A, ale bywają też USB-C

• Wyświetlacz: przydatny gadżet, pozwala np. zdiagnozować pewne problemy wynikające z użycia złych przewodów zasilających, czy problemów ze źródłem zasilania.

• Pilot: w niektórych zastosowaniach dobrze jest móc włączyć/wyłączyć przetwornicę zdalnie.

• Zabezpieczenia: większość przetwornic monitoruje temperaturę pracy, napięcia, moc wyjściową, a w przypadku zadziałania danego zabezpieczenia – informuje o tym.

• Chłodzenie: choć każda przetwornica ma wentylator, to jej głośność może być różna. Progi temperatur przy których wentylator załącza się, mogą być różne. Wielkość i liczba wentylatorów również, co ma wpływ na dB.

• Waga i wymiary: te oczywiste parametry pozostawiamy bez komentarza.

5. Bezpieczeństwo i konserwacja – co warto wiedzieć

Przetwornica to urządzenie operujące na bardzo dużych prądach po stronie niskiego napięcia. To chyba najważniejsza rzecz, która może być pomijana przez część osób, które nie miały wcześniej kontaktu z takimi urządzeniami, a jest bardzo ważna. Te wysokie prądy wynikają niestety wprost z fizyki i nie ma tak, że jedna przetwornica jest lepsza, bo ma mniejsze prądy. Moc to moc.Główne zasady bezpieczeństwa:

1. Przekrój kabli: Jeżeli w komplecie z przetwornicą są przewody, należy je traktować jako do krótkotrwałego podłączenia do akumulatora na krótkim dystansie, a nie do podłączenia urządzenia na stałe, co zazwyczaj wymaga dużo dłuższych przewodów i o większym przekroju. Przewody w zestawie to nie kwestie ekonomii. Po prostu każda trwała instalacja jest indywidualna i wymaga indywidualnego podejścia. Dawanie do zestawu np. 10 metrów grubego przewodu nie oznacza, że ktoś go wykorzysta, a na pewno spowoduje to bardzo znaczącą zmianę ceny przetwornicy.
2. Wentylacja: Przetwornica podczas pracy generuje ciepło. Nie zamykaj jej w ciasnych schowkach ani niczym nie przykrywaj. Musi mieć swobodny przepływ powietrza.
3. Zabezpieczenie obwodu DC: Przetwornice mają w sobie zabezpieczenie w postaci bezpiecznika(ów) topikowego. Jest on często na stałe zamontowany w środku. Jego rola to zabezpieczenie urządzenia, które dostało usterki. Podczas normalnej pracy taki bezpiecznik nigdy nie powinien ulec przepaleniu. Ważnym jest natomiast, aby zabezpieczyć całą linię zasilającą przetwornicę. Dlatego zaraz za źródłem zasilania (najczęściej akumulatorem) powinien znajdować się bezpiecznik, chroniący przed skutkami zwarcia, jeżeli do takiego by doszło na trasie zasilającej, np. w wyniku przetarcia przewodu i zwarcia do karoserii.
4. Czystość styków: Zanieczyszczenia na zaciskach akumulatora zwiększają oporność przejścia. Przy prądach rzędu 50-100A nawet minimalna dodatkowa rezystancja zamienia się w punktową grzałkę, która stwarza ryzyko pożaru.
5. Miejsce użytkowania: Przetwornice wytwarzają wysokie napięcie, które jest niebezpieczne. Dlatego urządzenie może pracować tylko w suchym środowisku, nienarażonym na wilgoć czy deszcz. Przed każdorazowym uruchomieniem w sytuacji, gdy potencjalna wilgoć może być, należy sprawdzić, czy urządzenie jest suche.

Konserwacja:Urządzenia te są niemal bezobsługowe, ale warto raz na sezon przedmuchać je sprężonym powietrzem (usuwając kurz z wentylatorów) oraz sprawdzić dokręcenie śrub na zaciskach DC. Drgania w samochodzie mogą poluzować połączenia.