Danas je dobiven na popravak pretvarač (inverter) istosmjernog napona 12 V na izmjenični napon 230 V / 50 Hz snage 300 W. Riječ je o modelu oznake HQ-INV300WU-12 proizvedenom na Tajvanu i uvezenom na evropsko tržište preko nekoliko stranih i domaćih uvoznika potrošačke elektronike (nizozemski Nedis, njemački M-el Elektronik, hrvatski Z-EL, Chipoteka). Uređaj je u prodaji od cca 2010. godine i još se ponegdje može nabaviti po cijeni od oko 50 eura.
Inverter smo dobili u rastavljenom stanju (nekoliko sitnih montažnih dijelova je izgubljeno ili potgano) no na pločici se ne vide tragovi pokušaja bilo kakvih popravaka, osim što se jasno uočava nekoliko uništenih tranzistora. Prema tvorničkim uputama, inverter ima ugrađenu zaštitu od preopterećenja, kratkog spoja i inverzne polarizacije ulaza, pa pretpostavljam da do ove havarije nije došlo zbog pogreške u rukovanju. Ipak, zaštita od krivog polariteta spajanja ulaznog napona 12 V svodi se samo na pregaranje osigurača koji nije ugrađen u sam inverter. Ukoliko je netko krivo spojio akumulator žicama izravno bez osigurača to je moguće dovelo do proboja ulaznih krugova. Kako god bilo, prvo moramo raščlaniti od kojih sklopova se sastoji ovaj naš inverter i koja je uloga sklopa sa uništenim tranzistorima.
Ulazni istosmjerni napon 12 V se prvo filtrira, a zatim pretvara u izmjenični impulsni napon visoke frekvencije (cca 40 kHz) preko četiri MOSFET-a. Po dva MOSFET-a su spojena paralelno i rade u push-pull spoju na primaru transformatora. Slično kao kod SMPS napajanja, zahvaljujući visokoj frekvenciji za potrebnu snagu od 300 W možemo koristiti transformator puno manjih gabarita nego bi to bilo potrebno za mrežni transformator 50 Hz. Taj transformator izmjenični impulsni napon 12V/40kHz podiže na cca 360 V. Na izlazu iz transformatora tako dobivamo amplitudno izobličen izmjenični napon visoke frekvencije (vidi objavu SMPS napajanje za mobilne primopredajnike) koji je teško izravno pretvoriti u pravilan (sinusni) izmjenični napon frekvencije 50 Hz. Stoga se ovaj napon ponovno ispravlja, filtrira i na taj način ponovno pretvara u istosmjerni napon. Istosmjerni napon se zatim kontrolirano pretvara u izmjenični napon frekvencije 50 Hz također preko četiri MOSFET-a ali ovaj put u H-mosnom spoju.
H-mosni spoj je naizmjenično prekidački spoj te izlazni napon neće biti sinusnog, nego pravokutnog oblika. Frekvencijama rada oba DC/AC pretvarača upravlja mikrokontroler (MCU). Za H-mosni spoj je potrebno dobro vremenski usklađeno upravljanje MOSFET-ima jer ako istovremeno provedu dva pogrešna MOSFET-a struja neće proći kroz trošilo nego će doći do izravnog kratkog spoja preko tih MOSFET-a.
Ovdje smo izveli djelomičnu shemu izlaznog DC/AC pretvarača na našem uređaju kako bi vidjeli na koji način je izvedena kontrola rada MOSFET-a. MOSFET-i se moraju uključivati dijagonalno naizmjenično (M1 i M2, zatim M3 i M4, pa opet M1 i M2…). Tako će kroz trošilo na izlaznoj utičnici struja naizmjenično teći u jednom pa u drugom smjeru, ovisno koji je par tranzistora trenutno uključen.
Ukoliko se dogodi da makar na djelić vremena istovremeno provedu dva vertikalna MOSFET-a to će izazvati čisti kratki spoj između polova napajanja. Da se ovo spriječi, u našem slučaju MOSFET-i se ne okidaju dijagonalno, nego se kontroliraju vertikalno. U jednom ciklusu, okidni impuls dolazi izravno na M4 i na tranzistor T1 te će oba ova elementa provesti. S obzirom da T1 vodi, on vrata (gate) M1 kratko spaja na masu te MOSFET M1 ne vodi ali se puni kondenzator C1. U drugom ciklusu, okidni impuls dolazi izravno na M2 i na tranzistor T2 te će oba ova elementa provesti. Isto kao i u prvom ciklusu, M2 će biti otvoren, a M3 će biti zatvoren jer mu T2 vrata spaja na masu. Također se puni kondenzator C2. U slijedećem ciklusu okidni impuls opet dobiva M4, ali sada vodi i M3 jer ga otvorenog drži napon kondenzatora C2. Jednako tako M1 neće voditi jer ga T1 drži zatvorenim, a neće voditi ni M2 jer mu na vratima nema okidnog impulsa. Tako se nikako ne može dogoditi da dva vertikalna MOSFET-a vode paralelno.
Ugrađena su tri opto-izolatora između MCU-a i ostatka sklopovlja. Dva prosljeđuju signale od MCU prema pretvaraču za 230 V kako smo nacrtali na shemi. Treći opto-izolator pak prosljeđuje signal iz izlaza ispravljača prema MCU-u tako da je ovo povratna veza za regulaciju (stabilizaciju) izlaznog napona iz ispravljača ali i za detekciju preniskog ulaznog napona izvora (akumulatora). MCU će uključiti zvučni alarm na 10,5 V i isključiti inverter kad napon padne na 9,6 V.
Iz ovoga proizlazi da se upravljački signali za prvi pretvarač 12 V šalju iz MCU-a direktno na driver tranzistore (koju su pregoreni) što znači da je ovdje vrlo lako stradao i sam MCU, a onda ovaj uređaj neće biti moguće popraviti. Bio bi puno mirniji da MCU oba pretvarača kontrolira preko opto-izolatora, no za ovaj niskonaponski pretvarač 12 V realno nije bilo puno razloga ugrađivati opto-izolatore.
Iz svega možemo zaključiti da se ovi naši pregoreni tranzistori nalaze u krugu drivera DC/AC pretvarača za napon 12 V kojim upravlja MCU. To možemo potvrditi praćenjem veza, no s obzirom da su neki tranzistori uništeni do neprepoznatljivosti oznaka morati ćemo nacrtati shemu primarnog kruga pretvarača za 12 V.
Vidimo da se driveri za svaku granu push-pull izlaznog stupnja sastoje od tri tranzistora sa komplementarnim izlaznim stupnjem 2SC945/2SA733 (pojačalo u B-klasi). Inverter se reklamira kao “soft start”, no nigdje u uputama nije navedeno na što se ovo odnosi. Obično to upućuje na krug za ograničenje prevelike početne struje što je ovdje lako izvesti preko MCU-a kontrolom brzine rada ulaznog pretvarača 12 V. U našem sluačaju kod maksimalnog opterećenja struja izvora može narasti i do 35 A. Za prekidanje takve struje trebala bi adekvatna sklopka koja bi za ovakav uređaj bila velika i skupa. Stoga se ovdje ne prekida glavni strujni krug nego je uključenje uređaja izvedeno preko prednapona na bazama i vratima tranzistora u krugu pretvarača 12 V. Iz ovog razloga inverter uvijek iz izvora troši neku malu struju praznog hoda koja može iznositi do 0,36 A.
2SC945/2SA733 komplementarni parovi tranzistora u krugu drivera DC/AC pretvarača 12 V.
2SC945 tranzistor pojačala za piezo-zvučnik alarma.
Osim šest tranzistora u krugu drivera, na pločici se uočava još jedan uništen tranzistor koji služi kao pojačalo za piezo-zvučnik alarma, te još jedan koji služi za uključivanje ventilatora 12 V. I sa oba ova tranzistora upravlja MCU, a senzorski element je NTC termistor kojeg smo našli zalemljenog u blizini MCU-a i piezo-zvučnika. MCU će tako uključiti ventilator kada temperatura poraste iznad 45°C ili izlazna snaga premaši 100 W. Jednako tako će isključiti inverter (prekinuti slanje upravljačkih impulsa na pretvarač 12 V) kada temperatura poraste iznad 60°C ili izlazna snaga premaši 300 W. MCU u konačnici upravlja i sa indikacijskom LED. LED indikacija greški uključuje: niski ulazni napon (LED stalno svijetli), visoki ulazni napon (LED se pali i gasi brzinom jednom u sekundi), pregrijavanje (LED se pali i gasi brzinom tri puta u sekundi), preopterećenje (LED se pali i gasi brzinom jednom svake 1,5 sekunde).
Sad kad znamo kako radi sklopovlje našeg invertera doista se moramo zapitati što je to moglo izazvati tako dramatično uništenje sedam tranzistora i tko zna kojih još komponenti. Čak i da je došlo do proboja MOSFET-a (proboj napona napajanja 12 V na vrata MOSFET-a) isti nije mogao napraviti ovakvu havariju tranzistorima koji su deklarirani na 60 V / 150 mA. Čini se da je ovdje probio neki puno viši napon, no ne vidim preko čega bi na ovaj primarni krug transformatora mogao prodrijeti napon 230 V sa sekundarnog kruga. Sve se čini da je ovdje netko radoznao ulazne žice za 12 V utaknuo u mrežnu utičnicu 230 V, čisto da vidi da li inverter može raditi i u suprotnom smjeru kao ispravljač mrežnog napona 🙂 Ako je to bio slučaj, onda su svakako pogođeni i filtarski elektroliti kao i ostale komponente u primarnom krugu. Ostaje nam se nadati da nije probio i regulator napona 7805 preko kojeg se napaja MCU jer je istog nemoguće zamijeniti bez originalnog softvera.
Za početak smo ispitali izlazne MOSFET-e na kratki spoj i isti se čine ispravni. Nakon toga smo odlemili svih osam tranzistora te utvrdili kako je uništen i regulator 7805. Zamijenili smo regulator i dobili 5 V za napajanje MCU-a.
MCU ima oznaku EM78P458AJP-G (ELAN, Tajvan) i radi se o 8-bitnom mikrokontroleru sa ugrađenih 4K × 13 bita ROM i 84 × 8 bita RAM memorije te 2 x 8 ulazno izlaznih linija koje uključuju ADC i PWM. Radi sa kristalom od 4 MHz. Testom smo utvrdili da MCU generira pravokutne okidne impulse frekvencije 41,66 kHz za pretvarač 12 V na pinovima 3 i 4, te pravokutne okidne impulse frekvencije 50 Hz za pretvarač 230 V na pinovima 18 i 19. Ovo ukazuje da je MCU vjerojatno preživio havariju.
Sada slijedi zamjena tranzistora 2SC945/2SA733. Iako je riječ o komplementarnim parovima tranzistora 50 V / 150 mA opće namjene doista mi se neda tražiti po zalihama neke zamjene kad se za 5 eura može kupiti 100 novih takvih parova pa će poslužiti i za druge projekte. Čak i ako 20% tih tranziatora bude neispravnih ili slabog pojačanja, opet smo utrošili najmanje novaca, živaca i vremena za njihovu nabavku. Tako dok Kina ne isporuči ove tranzistore, vraćamo inverter natrag u njegovu kutiju te se iskreno nadamo da nećemo trebati nabavljati još neke komponente 🙂
Tranzistori 2SC945/2SA733 uredno su stigli nakon 20 dana od narudžbe i prvih osam koje smo izdvojili za zamjenu bili su ispravni i jednakih karakteristika.
Nakon zamjene tranzistora driveri su proradili i na vratima MOSFET-a dobivamo pravokutne okidne impulse frekvencije cca 42 kHz. Međutim, čini se da MOSFET-i rade u praznom hodu. Provjerom smo našli da je u prekidu središnji izvod primarnog namotaja transformatora. Ovo smo naravno morali provjeriti i prije, no transformator izvana izgleda netaknuto pa bi nas ionako kopkalo da nije u pitanju kakav specijalni spoj primarnog dijela napajanja. Uglavnom, sada znamo da je problem u transformatoru pa idemo vidjeti gdje je nastao taj prekid.
Primarni namotaj je treći po redu od vanjskog ruba. S obzirom da mora izdržati struju od 35 A izveden je u obliku bakrene trake. Na zadnjoj slici se vidi prekid (pregaranje) središnjeg izvoda sa bakrene trake.
Prvi vanjski namotaj sastoji se od sedam namota četiri paralelno spojene Cu-lak žice promjera 0,3 mm (ukupna dužina 59 cm). Ovo je neki pomoćni sekundarni namotaj za povratnu regulaciju. Ispod njega nalazi se polovica glavnog sekundarnog namotaja od Cu-lak žice promjera 0,6 mm (ukupna dužina 362 cm), motana u dva sloja po širini kalema. Ispod njega slijedi primarni namotaj. To je zapravo bakrena traka šest puta omotana oko jezgre sa središnjim izvodom. Ispod primarnog namotaja nalazi se druga polovica glavnog sekundarnog namotaja koju nisno odmatali.
Ovo je primarni namotaj transformatora od bakrene trake 18×480 mm. Žice koje su zalemljene na središnji izvod ovdje su pregorjele. Na taj izvod dolazi pozitivni pol ulaznog napona od 12 V. Pregaranje dvije žice promjera oko 0,35 mm mogla je izazvati samo jaka struja kratkog spoja. Sve više smo sigurni kako je ovdje netko na žice istosmjernog napajanja 12 V doveo izmjenični mrežni napon 220 V.
Ovdje možemo vidjeti od čega se sastoji jedan SMPS transformator koji mora napon 12V/35A transformirati na 230V/1,3A. Mala feritna jezgrica i nekoliko namotaja bakra. Zahvaljujući visokoj frekvenciji od 42 kHz induktivni otpor koji stvaraju svega 2×3 primarna namotaja dovoljan je za normalan prekidački rad MOSFET-a. Zamislite koliko željeza i koliko namotaja bakra mora imati jedan klasični mrežni transformator 50 Hz za te napone i struje. Ovo je svakako jedna od osnovnih prednosti SMPS napajanja ispred izravnih mrežnih transformatorskih napajanja.
Feritnu jezgru ovog transformatora nije bilo moguće rastaviti bez razbijanja. Namotaji su tvornički precizno i tijesno izvedeni na kalemu tako da gotovo i nema zazora između jezgre i vanjskog ruba namotaja. Stoga, iako se čini jednostavno, ovdje je gotovo nemoguće vratiti i natrag namotati namotaje istom preciznosti kao što su bili montirani i izolirani u originalu. Komadiće feritne jezgre bi možda i mogli ponovno zalijepiti no time se ne mogu garantirati njena prvotna svojstva. Tako ćemo od popravka ovog SMPS napajanja na kraju morati odustati ali nema veze, važno da smo se malo zabavili i naučili nešto praktično o tehnologiji izrade jeftinih naponskih invertera male snage.