Danas je nabavljen mrežni adapter 220/240 V na 110/120 V oznake DC3000, proizvod američke tvrtke Hartman Products iz 1980-tih godina. Ova tvrtka je bila dobavljač različitih malih električnih uređaja za kućanstva.
Adapter DC3000 je zanimljiv po tome što nije riječ o klasičnom transformatorskom već čistom elektroničkom pretvaraču napona 220/110 V.
Upotrijebljen je spoj klasičnog regulatora izmjeničnog mrežnog napona kakav je uobičajen u kućnim regulatorima jačine rasvjete s time da su umjesto triaka upotrijebljena dva anti-paralelno spojena tiristora gdje onda svaki propušta jednu suprotnu poluperiodu napona. Prednost upotrebe dva tiristora umjesto jednog triaka očituje se u raspodjeli opterećenja koje moraju izdržati ti elementi. S obzirom da kroz svaki tiristor struja prolazi samo u svakoj drugoj poluperiodi napona onda su oni u kontinuiranom radu dvostruko manje vremena opterećeni od triaka. Također, tiristori su otporniji na reverzne naponske pikove koje izazivaju induktivna trošila jer ne vode struju u suprotnom smjeru i mogu izdržati velike reverzne struje. Kao alternativa spoju dva tiristora za imjeničnu struju su razvijeni alternistori (dvosmjerni tiristori).
U našem slučaju se koriste dva tiristora S5025R (Littelfuse Teccor) koji mogu podnijeti napone do 500 V i struje do 25 A. Adapter je deklariran za snagu 3000 W na 120 V što znači da je maksimalna jačina struje 25 A, te je ugrađen i takav osigurač. Ovo su maksimalne vrijednosti struja i nikako nije poželjno ovakav adapter trajno optereti trošilom od 3 kV, no dva tiristora od 25 A će se ovdje svakako manje grijati od jednog triaka 25 A. Vjerojatno glavni razlog upotrebe tiristora ovdje leži u činjenici da su otporniji na naponske pikove koje stvaraju induktivna trošila, poput onih sa elektromotorom.
S praktične strane gledano, dva tiristora su vjerojatno cjenovno skuplja od jednog triaka ili alternistora, a osim toga dva tiristora se ne mogu jednostavno spojiti paralelno sa sva tri priključka. Okidanje preko Gate priključka mora biti električki odvojeno za svaki tiristor kako bi isti ispravno radili u paru što traži ugradnju dodatnih okidačkih elemenata. Stoga se dva anti-paralelno spojena tiristora vrlo rijetko koriste i gotovo uvijek se u ovakve regulatore izmjeničnog napona stavlja triak.
Elektronička shema AC/AC regulatora 220/110 V Hartman DC3000.
Na shemi vidimo klasičan RC krug (2 x 150 kΩ, 100 nF) kojim se određuje, odnosno preko potenciometra namješta vremenska konstanta za okidanje tiristora. Da bi regulator funkcionirao tiristori moraju biti u nekom zatvorenom strujnom krugu, odnosno kroz njih mora teći neka minimalna struja da savlada unutrašnji otpor tiristora i da ga time održava otvorenim (vodljivim). Obično je struja reda nekoliko mA. Stoga je otpornik od 15 kΩ vjerojatno stavljen iz razloga da osigura tu minimalnu struju kroz tiristore, a time onda i funkcioniranje regulatora i kada su na njega priključena trošila vrlo male snage.
Za okidanje tiristora koriste dva elektronička elementa koje nismo uspjeli identificirati. Prvi je bez ikakvih oznaka i vrlo vjerojatno je riječ o diaku, dakle dvosmjernom okidačkom elementu koji osigurava čišće okidačke impulse za tiristore. Drugi element ima oznake Q5 01E4 C6M i također kao tiristori logo tvrtke Littelfuse Teccor. Pod robnom markom Teccor američka tvrtka Littelfuse proizvodi diake, triake, tiristore, kvadrace, alternistore i slične elektroničke elemente. Ovdje je svakako riječ o separatoru okidnih impulsa na jedan ili drugi tiristor. To može biti neka izvedba dvosmjernog triaka poput alternistora (dvosmjerni tiristor) ili nekog specijalnog uniteralnog ili bilateralnog okidača (elektroničke sklopke) za tiristore (SUS, SBS, STS). Također postoje gotovi elementi koji u jednom kućištu objedinjavaju diak i triak, a zovu se kvadraci. Okidanje dva tiristora koji rade u paru može se vršiti i opto-izolatorima sa foto-triakom ili transformatorima. Svi ovi elementi imaju osnovnu funkciju pravovremenog (faznog) okidanja tiristora ili triaka čistim okidnim signalom (bez šuma) kako bi se spriječila neželjena okidanja.
Naš tiristorski adapter DC3000 je ispravan. Elementi u krugu okidanja tiristora odabrani su tako da se pali na cca 160 V. Snimili smo kako izgleda izlazni valni oblik kada tiristori “izrežu” dijelove poluperioda.
Žuto je ulazni mrežni napon efektivne vrijednosti 220 V, a plavo je izlazni napon iz tiristorskog regulatora efektivne vrijednosti 110 V. Lijepo se može vidjeti kako tiristori režu svaku poluperiodu napona na pola čime se dobiva dvostruko manja efektivna vrijednost napona takvog valnog oblika. Međutim, ovdje treba uočiti dvije stvari:
- Izlazi napon više nije sinusan (tiristor radi kao prekidač, a ne kao pojačalo ili kontinuirani atenuator)
- Vršna vrijednost izlaznog napona i dalje je jednaka vršnoj vrijednosti ulaznog napona
Ove dvije činjenice ograničavaju upotrebu ovog adaptera. On će sasvim sigurno dobro raditi na jednostavnim električnim uređajima i aparatima koji se baziraju na grijačima, žaruljama, elektromotorima, elektromagnetima i slično, no neki elektronički uređaji i ispravljači bi mogli imati problema sa nesinusnim naponom napajanja.
Što se pak tiče vršnog napona, on za mrežni napon 220 V iznosi 310 V, a za mrežni napon 110 V vršna vrijednost je dvostruko manja i iznosi oko 155 V. To znači da će mrežni elementi unutar električnih uređaja predviđenih za mrežu 110 V vjerojatno biti deklarirani za vršne (istosmjerne) napone 200 ili 250 V, a preko ovog našeg adaptera će dobivati vršni napon 310 V što lako može dovesti do brzog uništenja tih komponenti. Prvi bi mogli biti pogođeni filtarski kondenzatori poput onih u ulaznom RSO filtru.
Iz ova dva razloga ja za testiranje “američkih” elektroničkih uređaja predviđenih za 110 V uvijek koristim čisti transformatorski adapter. Iako su elektronički adapteri manji, veće snage i često sa mogućnosti kontinuirane regulacije napona, ipak ih nije uputno koristiti za osjetljive elektroničke uređaje. No, kao i samoj naljepnici piše, bez problema se mogu koristiti za priključivanje aparata za brijanje, putnog glačala, fena i figara za kosu, kuhala za vodu i sličnih osobnih malih električnih aparata koji se uobičajeno nose na putovanja. Naravno, govorimo o 1980-tim godinama kada u takve uređaje još nisu ugrađivali mikrokontrolere i sličnu kompleksnu elektroniku.
Unutrašnja i vanjska konstrukcija našeg adaptera baš ne ulijeva povjerenje u sigurnost. Na metalno kućište može doći do proboja faznog napona, a s obzirom da nema uzemljenja to može biti vrlo opasno za korisnika. Također, osim što je bez uzemljenja, mrežna utičnica je izvedena vrlo loše za adapter od 3000 W. Komponente su na pločicu zalemljene prilično neuredno što je i karakteristično za elektroničke proizvode iz 1980-tih godina ručno lemljene u Kini.
Danas se mogu vrlo povoljno nabaviti slični elektronički adapteri koji ipak bolje zadovoljavaju sigurnosne norme te su pouzdaniji za upotrebu. Svi oni koriste triake, tako da čak i oni koji se deklariraju kao tiristorski (SCR) adapteri zapravo sadrže triak kao regulacijski element. To je i očekivano jer upotreba dva anti-paralelno spojena tiristora samo komplicira shemu i povećava broj elemenata potrebnih za ugradnju, a time ne dobivamo bolje električne karakteristike sklopa. Pogledajmo i jedan (kineski) regulator izmjeničnog napona sa triakom.
Upotrijebljen je triak BTA16 600B (600 V / 16 A) te diak za njegovo čisto okidanje. Elektronička shema je principijelno ista kao što smo imali i za tiristore.
Kod regulatora za izmjeničnu struju ne možemo upotrijebiti diodu za zaštitu regulacijskog poluvodiča od reverznih struja koje stvaraju induktivna trošila kako je to uobičajeno kod istosmjernih regulatora napona. Umjesto toga koristi se serijski spoj kondenzatora i otpornika koji se naziva “RC snubber” (RC prigušnica). Na shemi je to serijski spoj kondenzatora od 100 nF i otpornika od 100 Ω paralelno vezan triaku kao prekidačkom elementu. Kako sama riječ kaže, RC snubber je krug koji prigušuje inducirane naponske oscilacije nastale u trenutku isključivanja induktivnog trošila. Stoga, da bi bio što učinkovitiji, ovaj RC krug mora biti proračunat na rezonantnu frekvenciju tih neželjenih oscilacija.
Ulazni sinusni napon (žuto) i izlazni naponi iz triak regulatora (plavo) na kutu okidanja cca 10° i 45° (jedna podjela = 2 ms).
Ulazni sinusni napon (žuto) i izlazni naponi iz triak regulatora (plavo) na kutu okidanja cca 90° i 150° (jedna podjela = 2 ms).
Valni oblik napona iz triaca ne razlikuje se od onog koji se dobije preko dva tiristora. S obzirom da ovaj regulator ima kontrolu regulacije preko cijele faze ulaznog napona, snimili smo odnose ulaznog i izlaznog valnog oblika na različitim razinama regulacije, odnosno na različitim faznim kutovima sinusnog napona.
Ovdje prvo možemo uočiti kako će vršna vrijednost izlaznog napona početi smanjivati tek kada regulacija pređe polovinu poluperioda. U primjeru adaptera 220/110 V tiristori okidaju točno na polovici poluperioda (90°) tako da su amplitude ulaznog i izlaznog napona još uvijek jednake.
Na našim snimcima možemo vidjeti da izlazni valni oblik iz našeg triak regulatora nije ni blizu savršen kao oni koje možemo vidjeti nacrtane u teoretskim udžbenicima. Najviše su izraženi kosi kutovi sječenja amplitude koji uz to imaju izraženu istosmjernu komponentu (na pozitivnom i negativnom su odmaku od linije nula volti) posebno na malim faznim kutovima. Ovo je posljedica histereze, odnosno zaostalog napona na kondenzatoru za vremensku konstantu okidanja diaka. Kondenzator se ne stigne do kraja isprazniti u diac, nego ga napon u suprotnom smjeru počne puniti dok još ima zaostalog napona iz prethodnog smjera. To znači da će novi napon prvo morati isprazniti zaostali suprotni napon iz prethodne poluperiode, a tek onda će se kondenzator početi puniti u novom smjeru. Time nastaje određeno kašnjenje koje uzrokuje nejednake kutove vodljivosti i istosmjerni pomak u oba smjera. Zaostali napon, a time i kašnjenje će biti to veće što je kraća vremenska konstanta jer se kondenzator stigne manje isprazniti. Na slikama se lijepo vidi kako je na malim faznim kutovima ova pojava jako izražena, dok na velikim faznim kutovima te pojave više i nema. Histereza može se neutralizirati ugradnjom dodatnih sklopova u regulator.
Također, na našim snimcima se vidi da postoji neki mali fazni pomak između ulaznog i izlaznog napona koji je to više izražen što je regulacija manja (okidanje na manjoj fazi). Osim toga, izlazni napon u određenim fazama malo prelazi amplitudu ulaznog napona. Pretpostavljam da je fazni pomak posljedica (promjenjivog) RC kruga koji određuje vremensku konstantu okidanja triaca, a razlike moguće uzrokuje i kondenzator u krugu RC snubbera. Ovdje problem može biti i u nesavršenoj mjernoj opremi tako da ne mogu potvrditi ove pretpostavke. Naime, mjerenje (visokih) mrežnih napona moram vršiti preko djelitelja napona, a iste sam napravio provizorno za svaki kanal osciloskopa u svrhu ovog mjerenja, tako da tu moguće postoje neke tolerancije u otporima djelitelja, a time i u amplitudama prikazanih signala. Fazni pomak pak je lijepo izražen na malim faznim kutovima, a to se može pripisati jedino kondenzatorima ugrađenima u sam regulator ili moguće i nekim parazitskim kapacitetima u mjernom krugu.
Regulatori izmjeničnog napona sa tiristorima ili triacima su vrlo jednostavni i kompaktni sklopovi te se uz male dimenzije i težinu mogu napraviti regulatori za velike struje i napone. Međutim, koliko god se takvi regulatori činili na prvi pogled praktičnima, treba znati da to nikako nisu linearni regulatori već samo brzi prekidači koji sječenjem dijelova poluperioda napona zapravo smanjuju udio istog u valnom obliku i time onda smanjuju i ukupnu efektivnu vrijednost takvog napona. Izlazni valni oblici iz tiristorskih i triak regulatora mogu biti vrlo deformirani.
Za trošila poput rasvjetnih žarulja valni oblik napona uopće nije bitan već samo njegova efektivna vrijednost. Stoga se ovakvi regulatori i najčešće koriste upravo za tu primjenu (dimeri, light-show i slično). Za reguliranje snage nekog uređaja sa jednofaznim izmjeničnim elektromotorom ovakvi regulatori će također funkcionirati (elektromotori mogu raditi i sa impulsnim naponom) no tu treba paziti da je triak zaštićen od induciranih naponskih pikova. Razni grijači, poput kuhala, grijalica, lemilica i slično također se mogu lijepo kontrolirati ovakvim regulatorima. Neku osjetljivu elektroniku pak je bolje izbjegavati napajati preko ovakvih regulatora jer ne možemo znati kako će na takav napon reagirati transformatori i ispravljači ugrađeni u takve uređaje. Ne treba ni spominjati koliko harmonika sadrži jedan takav valni oblik pa za neke primjene treba računati i sa adekvatnim filtrima. No, kako god bilo, s praktične strane gledano to su mali, jeftini i efikasni regulatori tako da će uvijek imati neku svoju primjenu u elektrici i elektrotehnici kad ih već u elektronici moramo izbjegavati 🙂