Инвертор Pure sine wave на базе контроллера EG8010 (модуль EGS002). Чистый синус 220V из аккумулятора

Да, я понимаю. Немного неожиданно. Признаюсь честно, я сам от себя не ожидал. Все нижеописанное — результат стечения обстоятельств, не более.

Одним холодным зимним утром я, как обычно, встал в шесть часов утра, умылся, налил себе кофе и задумался о вечном. Вечное постепенно собиралось в кучу в ещё не проснувшейся голове, но постепенно выстраивалось в стройный ряд планов на грядущий день. Или хотя бы на пару-тройку ближайших часов.

Надо разбудить жену, детей, собрать, одеть и направить в нужном направлении и при этом никуда не опоздать. И тут почему-то резко стемнело… Только писк UPS-ов убедил меня в том, что это не кирпич на голову и не удар в лоб.
Просто отключили электричество. Какая неприятная мелочь… Проверил щиток. Нет, это не у меня проблема. Электроэнергии нет не только у меня, но и в соседних домах. Уже интереснее… Для меня подобные вещи не являются неожиданностью. Аварийные фонари в доме есть всегда. Привычный атрибут в этом мире.
Но! Жене нужен фен! На работу же идём, а не картошку копать! А света нет. Аварийные бигуди есть, но их применение откладывается по причине «а вдруг сейчас включат?». Но в ответ — тишина. Только писк UPS.

И тут жена произносит фразу, которая в принципе и задала мне направление для исследований:
 — У тебя же UPS может питать компьютер? Давай к нему подключим фен?
Все просто, как блин. Я даже не стал вдаваться в тонкости холодного пуска UPS на тяжелую нагрузку, мощность фена, несовпадения розеток там и там, пустую трату времени и прочие несущественные с точки зрения простой логики вещи, просто сказал:
 — Не потянет.
Это не убедило. Но и тема закрылась сама собой. А вот идея то осталась.

Понятно, что свет дали через два часа, когда фен уже и не нужен был, и что подобные проблемы случаются раз в несколько лет, но вот я всё же решил хотя бы почитать о том, как решают подобные задачи вообще. Изучить, так сказать, матчасть.

А дальше стало просто интересно. Итак. Что мы имеем?
Источник постоянного тока — аккумулятор. Заряженный любым способом — например от солнечных батарей, ветрогенератора, генератора автомобильного двигателя, просто от электросети.

Задача — получить с него стандартную электрическую сеть небольшой мощности. Например, для того-же фена, телевизора, компьютера и прочего, когда обычная электросеть по разным причинам недоступна.

И как же прогрессивное человечество решает эту проблему? Преобразователем постоянного напряжения в переменное. В простонародье — инвертор. Однако здесь возникает вопрос — какой инвертор? Какие нужны параметры, характеристики и прочее?

При изучении вопроса было выявлено несколько основных путей. Так как нужно получить переменный ток, инверторы «изготавливают» две формы переменного напряжения.

1. Modified sine wave — модифицированная синусоида, применяется в недорогих UPS и инверторах, как правило получается при использовании двухтактного мощного каскада и трансформатора или H-моста и трансформатора.


2. Pure sine wave — чистая синусоида. Получается, как правило, с использованием ШИМ.
Применяется в более дорогих UPS, также UPS двойного преобразования, более сложных и дорогих инверторах.


В принципе, вопрос выбора схемотехники не стоял вообще. Есть масса полудохлых UPS, можно даже при желании сломать и нормальный, но только вот вопрос в том, что все они все же modified типа, а нормальных у меня есть всего два или три, и их откровенно жалко ломать.

А как иначе, не ломая ещё вполне живой UPS, можно получить контроллер с PWM?

Кто-то спросит — что, для фена обязательно pure sine? Лицо не треснет?
Так ведь если делать, так нормальный, чтоб не было ограничений по типу нагрузки. А вдруг завтра холодильник понадобится? Собрать мультивибратор — я это делал в радио кружке. Пилить прошивку контроллера для PWM? А смысл? Купить? Не спортивно. Бросить? Так уже появился интерес!

После длительных поисков у китайцев, в интернет-магазинах и просто так, была случайно найдена в продаже плата. Просто печатная плата EGP1000W для изготовления киловаттного инвертора с нормальным синусом на базе неизвестного мне контроллера EG8010.

Набираем в поисковике "EG8010" и вот, оказалось, друзья из Китая уже производят то, что мне нужно.
Занимается этим фирма EG Microelectronics Corporation. Китай. Провинция Чжэцзян. Есть английский даташит. Производят версии однофазные и трехфазные.

И более того, китайцы производят сразу готовые модули EGS002 и даже с дисплеем и драйверами!

Сам по себе контроллер довольно функциональный. Параметры настраиваются наплавляемыми перемычками на плате — частота, Dead time. Есть индикация состояния на светодиоде. Стабилизация выходного напряжения. Порог — 3 В. Контроль и измерение потребляемого нагрузкой тока, на этом измерении завязана защита от перегрузки. Порог — 0,5 В.
Термоконтроль выходных ключей внешним датчиком с включением вентилятора по достижении температуры 45°. Термодатчик — 10К*25°С.

На дисплей модуля EGS002 выводится:
1. Выходное напряжение.
2. Частота.
3. Потребляемый нагрузкой ток.
4. Температура ключей.

Плата EGS002 управляет H-мостом. Работа с разными режимами PWM (bipolar, unipolar). Прикольно, да?

Ниже приведены примеры использования блока EGS002 в двух способах получения переменного напряжения 220 В.

↑ Вариант первый: нужна постоянка 400 В

Именно 400, а не 310, потому что требуется ещё и стабилизация выходного напряжения.
Ключи напрямую коммутируют постоянку 400 В, дроссель и конденсатор в красном квадратике по схеме сглаживают артефакты ШИМ.

↑ Вариант второй: нужна постоянка 12/24/36/48 В

Вольтаж зависит от трансформатора. Как его называют на профильных форумах — «БЖТ» — Большой Железный Трансформатор. От его данных зависит нужное для преобразование напряжение.

БЖТ можно использовать, например, от старого UPS.

Осциллограммы изображены для униполярного режима. Режимы описаны в даташите. В униполярном режиме одна половина Н-моста работает как ШИМ, вторая — как переключатель полярности.

В биполярном режиме оба плеча молотят как ШИМ, но при этом требуется дроссель на каждую половину моста и отдельная обратная связь для каждой половины. Синхронная.

Модуль EGS002 рассчитан на униполярный режим, поэтому другие не рассматриваю.

Ну, а теперь пора попробовать на практике то, что так красиво в теории.

↑ Практика по Варианту 1

Для первого варианта нам нужно получить постоянное напряжение +400В. Как? Обратимся к автомобилистам.

Контроллер UC3825. Двухтакт. Планируется использование трех пар полевиков типа P60NF06. Из того, что смог купить на вскидку. Чтоб их раскачать, драйвер усилен каскадом из биполяров.

Предусмотрена защита от перегрузки, а защита от перегрева и от понижения напряжения питания реализована в виде отдельного модуля на IC1. Там два компаратора. При перегреве или при понижении напряжения ниже 10,5 В, в цепь защиты ШИМ контроллера приходит напряжение выше 1 В, и он отключается.

Трансформатор от киловаттного UPS, павшего в неравной борьбе с электрокомпанией.
Первичка: 4+4+4+4 витка проводом 0,8?4.
4+4 — это если нужно 12 В.
4+4-4+4 — это уже для 24 В.

Вторичка: 147+10+10+10+20 тем же проводом 0,8 мм.
Отводы сделаны для того, чтоб оперативно менять число витков для получения 400 В.
Дроссель после моста выдернут из какого-то БП, он там использовался как ДГС, обмотки включены последовательно, чтобы получить желаемые 2-2,2 мГн. Лучше, конечно, побольше.

Далее сам блок инвертора.

Предусмотрел два варианта питания низковольтной части — 12 и 24 В.

Дроссель L1 – транс от компьютерного БП на 400 Вт. 80 витков провода 0,8 мм. Почти внавал.
Далее — установка нужной индуктивности в 3,3 мН с помощью прокладок.
Вместо конденсатора на 2,2 мкФ по даташиту поставил 2?1,5 мкФ х 630 В. Типа СВВ. Что было.

Для теста в первый раз использовал свежезаряженный аккумулятор CSB 12 В 12 А/ч. Надо потестить сам контроллер 12/400 и следом инвертор. Соединяю.


В принципе, с пуском проблем не возникло. Нужно только подстроить выходное напряжение.
Всё оказалось собрано верно. Синий (!) индикатор даже показывает что-то.

Дисплей очень маленький, прямо перед ним пробка аккумулятора. И при нагрузке в виде лампы 220 В 40 Вт ток не показывает — надо настраивать.

Зато не обманули — это правда синус!

Девайс имеет интересный софт-старт. Около 1-1,5 С. Напряжение плавно «выползает» до нормы. На смену нагрузки реагирует адекватно, но после 250 Вт начинает верещать дроссель L1 конвертера 12/400 — не хватает ему ёмкостей после дросселя. Но это решимо. А вот что делать с током?

С нагрузкой 250 Вт (лампы 40+60+150 Вт) аккумулятор живет около 5 минут! При этом радиатор самого ШИМ не нагревается выше 30° — и по индикатору и на ощупь.
Сильнее всего греется набор резисторов токовой защиты в конвертере 12/400.
То есть преобразование для больших мощностей, выше 200 Вт, для аккумулятора на 12 В не имеет просто никакого смысла. Даже если у вас рядом автомобиль. Измеренный ток при мощности в 160 Вт (лампы 40+60+60 Вт) в цепи 12В — 15-16 А. Да и прибор похоже врёт сильно на таком токе.

Ну ладно, пока отложим этот вариант и попробуем другой — там где используется БЖТ.

↑ Практика по варианту 2. Большой железный трансформатор

БЖТ и набор полевиков в кол-ве 8 шт. были изъяты из старого UPS фирмы IMV на 700 W.

Вот такой там тор. Две обмотки. Число витков не известно. Известно то, что работал он на два аккумулятора. При включении первички в сеть 220 В, на вторичке 17 В. Использовался Н-мост.

Схема инвертора будет намного проще.


Включение вообще элементарное.


А вот по массогабаритным показателям — не факт.


Но запуск тоже проблем не вызвал. Ничего не стрельнуло и не задымило.
Конструктивно все силовые ключи находятся на радиаторах под 80 мм вентилятором.

Термодатчик закреплен на одном из радиаторов.

Ну, хорошо. Теперь есть два варианта устройства. Нужно выбрать одно. Критерий — КПД. И он даже более важен в этом случае, чем масса, мощность и прочее.
Нагружаю по очереди оба преобразователя лампочками 220 В 40 Вт. Две лампы параллельно — 80 Вт активной мощности.

Первым идет инвертор 24 В ? 400 В ? 220 В. Ток в цепи 24 В — 4,3 А. То есть для получения 80 Вт на выходе мы потратим 103 Вт от батарей. Интересно.

Теперь инвертор на БЖТ. Ток в цепи 24 В — 3,6 А. А тут уже 86 Вт. Еще интереснее! Мне почему-то казалось, что будет наоборот.

А как железяка терпит нагрузку? Собрал все лампы, что были. Это сложная задача при отсутствии места на столе.
Итак: 150+150+40+40+60 = 440 Вт. Такой гирляндой я по очереди нагрузил оба преобразователя.
Тот что с конвертером на 400 В сдулся сразу — писк транса и ШИМ вылетел с ошибкой «пониженное напряжение».
А вот БЖТ легко запустился и продолжил работать.

Получается — слабое звено — именно мой конвертер 12/24?400В.

То есть для получения хотя бы 500 Вт мне нужен больший транс, толще провод и так далее.
И скорее всего нужно кольцо. Других каркасов у меня нет. Поэтому отложу его в сторонку и продолжу с БЖТ.

Попробую разместить устройство в корпусе от UPS, откуда был сдернут трансформатор.

Всё помещается. П-образные кронштейны держали внутри корпуса два аккумулятора на 7,2 А/ч. Мне этого мало, поэтому аккумуляторы будут снаружи.

↑ Двухканальное зарядное устройство

Вообще, разряжать аккумуляторы я научился, теперь надо научиться их заряжать. По опыту эксплуатации UPS с двумя батареями я знаю, что заряд последовательно соединенных батарей не желателен. Как правило один из двух выходит из строя раньше, получается перекос ёмкости и прочие спецэффекты. Нужен зарядник для заряда двух батарей отдельно, с ограничением тока заряда. Долго думал. Но решил использовать для этого уже проверенные мной FSFA2100.


При полном заряде ток в цепи становится практически нулевым, и зажигается индикация полного заряда батареи. При этом FSFA2100 может перейти в Burst mode, тем самым экономя электроэнергию. Сильно усложнять систему я не стал, не вижу практического смысла. В плюсовом проводе БП установлен диод, позволяющий запускать БП при подключенной батарее. Иначе защита даёт это сделать только после отключения батареи, и подключения её заново после пуска БП. Лишний диод, зато нет проблем. LED1и LED2 – индикация питания, LED3 и LED4 – индикация полного заряда. Порог включения светодиодов 14,2-14,3 В регулируется подбором R32 и R35.

Идеи, примененные здесь, собраны по крупицам в сети, так что на авторство не претендую. Шунты лучше подобрать по нужному току, у меня стоят 3 шт. по 0,47 R. Пока вроде нормально.

Вот такая колдобина получилась в результате.

Трансформаторы намотаны на сердечниках, аналогичных примененным мной в БП на сборках FSFR/FSFA. Первичка 40 витков литца 0.07?80. Вторичка 5+5 витков тоже литца 0.1?70. Индуктивность первички немного занижена, порядка 450-470 мкГн, так меньше проблем с запуском на этих трансах.

В процессе работы выяснилось, что сильно греются радиаторы с диодами выпрямителя, поэтому пришлось ломать голову на счет охлаждения. Как питать вентилятор? Искать на 24 В? Делать стаб? Подключать его только к одной батарее? Но тогда она будет более разряжена. Блин, да чем же я занимаюсь? Бросать то уже поздно…
И тут мне на глаза попался дежурный БП на FSDM0265RN, что я как-то использовал для экспериментов с другими БП.


Небольшая доработка и получился БП для питания вентилятора и реле.
Трансформатор заводской. На выходе в оригинале было два напряжения — 5 В и 18 В.
Обмотка для 5 В намотана в два провода, поэтому не разбирая трансформатор, я ее разделил и соединил последовательно. Немного подстроил напряжение на выходе. Получилось 12 В для вентилятора и 25 В для питания реле (они у меня были на 24 В ). Всё в пределах нормы.

О назначении реле чуть ниже, а вот фото девайса.

Этот модуль делался после зарядника, поэтому пришлось немного покумекать, где и как его крепить.

Вот здесь он слева стоит торцом к основной плате.

↑ Что получилось итого

Ну, а теперь немного о том, что получилось суммарно.

Когда нет сетевого питания, все реле отключены. В этом положении можно включить инвертор для работы от аккумуляторов. Выход инвертора подключен к розетке выхода 220 В.

Когда есть сетевое питание, то, включив S1, запускаем зарядное устройство и сервисный БП. От него срабатывают реле, одно отключает выключатель запуска инвертора, чтоб в режиме заряда случайно не запустить его от заряжаемых батарей, остальные два реле отключают выход от инвертора, и перекидывают выход напрямую на питающую сеть.

Устройство заряжается и прозрачно для сети 220 В. При пропадании сети, реле отключатся и можно на ходу переехать на батареи. Конечно это не UPS и произойдет это не так быстро, но и необходимости в таком варианте и нет.


Теперь из подручных материалов нужно создать корпус. Иначе просто не имеет смысла. Сверху получиласть аккуратная полка для батарей.

И ручки для переноски. Родной корпус от UPS пилить желания не возникло — там толстый металл и не факт что получится, как задумывалось.
И пока оставлю его в таком виде — в процессе эксплуатации может что-то допилить придется.

Ну, а что же делать со второй версией конвертера, той, что на 400 В? Разобрать? Всегда успею. А вот попробовать его в другом виде идея пришла по ходу дела. Всем известно, что напряжение питающей сети у нас далеко от идеала.
Обычно это искажение формы и постоянка, помехи от холодильников и выключателей. Да мало ли что там еще?

Для импульсных БП это не проблема — их можно питать как угодно и чем угодно. А если это тор? Да еще и питающий усилитель мощности или ЦАП? Тогда кривое напряжение из сети понижается трансом, сохраняя форму, а если есть ещё и примесь постоянки, то ещё и добавляется всякая «отсебятина». Потом имеем «артефакты» в питании, щелчки, всплески и т.п.

А если прогнать нашу сеть через конвертер в режиме двойного преобразования?
То есть получить 400 В постоянки с помощью обычного трансформатора, а потом с помощью конвертера получить чистый синус без всплесков и прочего! И при этом получить полную гальваноразвязку от сети! Стабилизированная чистая сеть.

Мощности большие для домашней аудиотехники не требуются, поэтому и трансформатор можно выбрать небольшой. Например, у меня валялся ТС180-2.

Старый, довольно надежный. Почему бы не попробовать? Тогда схема будет выглядеть так:

Нужно только ободрать транс до первички, и намотать вторичку на 400 В и на 16-18 В для питания драйвера и логики.

Можно конечно домотать на транс до нужного напряжения, собрав в кучу все вторички (всего-то 130 В домотать), но я не хочу делать так. Хочу правильно.

Кстати, автотрансформатор тут не годится — после него диодный мост и Н-мост, где оба выхода висят в воздухе относительно земли и питания. Поэтому я бы не стал рисковать, делая силовую часть на корпусе всего устройства — это бессмысленно и не безопасно.

Переделав плату с учетом всех доработок, соединяю все в кучу и включаю.

Как обычно, с пуском проблем не возникло. Только подстроить выходное напряжение и ток. В процессе работы выяснилось, что нагрузка в виде лампочки на 150 Вт не является проблемой для данного устройства. Тяжелее всего трансформатору. Он самый нагревающийся элемент конструкции. Радиатор 38-40° всё время, даже не дождался срабатывания вентилятора охлаждения.

Теперь надо засунуть это всё в коробку. От предыдущей конструкции остались уголки и текстолит, из этих остатков был быстренько собран корпус. Неказисто конечно, но это и не на стол и не на выставку. Немного не хватило длины листа, поэтому сверху оставил щели. Так и носить его проще. В принципе потом можно и закрыть, но пока так.

Нагрузка — моя старая «развязка» на не перемотанном ТС180 и за ней лампочка на 150 Вт. Так сказать, тест на комплексной нагрузке.


На задней стенке есть вход, выход, предохранитель, вентилятор охлаждения и главное — выключатель. Он разрывает цепь земли (третьего контакта на вилке) между входом и выходом. Это нужно мне, когда я буду через неё подключать осциллограф и лазить по силовым цепям. Для других задач эту цепь можно и иногда нужно замкнуть.

↑ Резюме

Вот на такие вещи может сподвигнуть простое отключение электропитания.
Проработало это хозяйство на полу на работе в течении шести часов, вызывая недоуменные взгляды проходящих мимо. Так что система вполне жизнеспособна.

Уже после сборки вспомнил одну историю. Несколько лет назад моему бывшему коллеге по работе привезли в подарок из североамериканских штатов интересные часы. Если помните, это такие, как показывают в старых фильмах, электромеханические часы Flip Clock с индикацией на перекидываемых карточках.

Так вот, мало того, что они на 110 В, так ещё и сами часы с синхронизацией от сети 60 Гц (наш стандарт 50 Гц). Естественно в работе они серьезно отставали и были у него больше как элемент интерьера, чем часы.
Вот теперь эта задача решилась бы очень просто. Нашлось ещё одно возможное применение данного устройства.

А ведь есть еще и трехфазные версии! Не, всё, хватит экспериментов на сегодня!

↑ Файлы

Как обычно платы и схемы здесь:
🎁inverter.zip  324.69 Kb ⇣ 454

И еще даташит контроллера EG8010:
🎁EG8010_datasheet_en.pdf  835.31 Kb ⇣ 288

С уважением, Алексей.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации