Kváziszinuszos tápok

Hogy is merül fel a kérdés?

A szituáció

Az ember fia időnként szükségét érzi, hogy 230V 50Hz-es tápláláshoz jusson olyan körülmények között, amikor az elektromos hálózat nem áll rendelkezésre. Ilyen esetek pl. az áramkimaradás, vagy egy autós/motoros túra a civilizációtól különböző távolságokban. 

Az első szituációban a barátunk a szünetmentes tápegység, míg a másikban az ún. inverter, bár igazándiból belülről a kettő lényegében nagyon hasonló.

A megoldások

Számos gyártó kvázi-végtelen mennyiségű terméke között válogathatunk a nagyon olcsó kínaitól a közepesen drága kínain át a sokkolóan drága kínaiig - a többi hamisítvány:)

Valahogy azonban meg kellene magyarázni az akár százszoros árkülönbözetet. Oké, egyik kézenfekvő szempont a teljesítmény. Ez még a nagymamámnak is világos, nem szorul magyarázatra, nyilván kb. arányosan drágább (egy belátható tartományban) a nagyobb teljesítményt (több wattot, több ampert) produkálni képes masina.

De mi a helyzet az ugyanolyan teljesítményűnek igért eszközök esetén?

Természetesen itt se higyjünk először a szemünknek, mert az egyik 500W nem ugyanaz, mint a másik 500W. A minőségi termék mondjuk tártós üzemben, akár 40 Celsius fokban napi 24 órában képes a megadott terhelést elviselni, míg az olcsó kínai kategóriában előfordul, hogy a megadott teljesítmény felét fél percig használva is kiszáll az elektronika lelke - a füst.

És el is jutottunk a címben szereplő fogalomig - vannak szinuszos ill kváziszinuszos kimenetet produkáló készülékek. A nagy árkülönbség itt jelentkezik. De mit is jelent ez tulajdonképpen?

Egy kis elektronika

A hálózati feszültség - az előállításának műszaki megoldása miatt - (jobbára) 50Hz frekvenciájú szép szinusz hullámformájú. Az elektromos fogyasztóink úgy is vannak tervezve, hogy ilyen táplálást fognak kapni. Persze vannak köztük toleránsak, akik beérik ettől eltérő táplálással, de bizonyos fajtáik kifejezetten megkövetelik a szinuszos táplálást. Az okokról kicsit később.

Hogy is néznek ki ez a feszültség jelalakok? Találtam egy szép kis képet a neten, íme:

Ezt látva kicsit meg is lepődhetünk, mert a 230V nem is 230V!? Egyrészről csúcsban 325V (=230 * 1,41), másrészről váltakozó feszültség lévén csúcstól csúcsig 650V! Akkor mi is a 230V? Az ún effektív, vagy hatásos feszültség, ami kb úgy definiálódik, hogy hány voltos egyenfeszültség okoz egy hajsütővason ugyanakkora fűtőteljesítmény, mint a mi szinuszos váltakozó feszültésgünk. Hát ez lenne a 230V, amit a konnektorban találunk.

És mi a kváziszinuszos, vagy módosított szinuszos feszültésg?

Pl itt van egy jó leírás, vagy egy másik kép a netről, kicsit máshogyan:

Vissza az eszközökhöz

És mit találunk a szünetmentes tápegység/inverter kimenetén? Ha ún. szinuszos kimenetű eszközről beszélünk, akkor nagyjából ugyanazt, mint a konnektorban. Vincent, örülünk? Örülünk.

És mi a helyzet a kváziszinuszos eszközökkel? A nevükből adódóan ők nem szép tiszta szinuszos feszültségformát fognak produkálni, hanem valami ezt közelítőt. Lássuk hogy miként is néz ez ki a gyakorlatban!

A mérés körülményei

[ Ez a fejezet kihagyható, kicsit technikai:) ]

Ahhoz, hogy a lényeget meglássuk, szükségünk van egy műszerre, amit oszcilloszkópnak hívnak. Nagyon hasznos kis eszköz, ha elektronikával foglalkozol. Nélküle kb olyan dolgozni, mint csukott szemmel motort vezetni. A lényege, hogy egy képernyőre tudja vetíteni a mérendő feszültséget, méghozzá az idő függvényében, csuda egy masina. Vannak akik ügyesek, és inkáb Quake display-t csinálnak belőle, mert már nagyon unatkoznak.

Tehát a mérés.

Először is azt tudni kell, hogy általában az oszcilloszkópok (ahogyan az enyém is) centiméter osztású négyzethálós képernyővel rendelkeznek, 10x8 méretben, és 5V/cm a maximum feszültségábrázolásuk, azaz +/- 20V-ig tudják kirajzolni a képet. Emellett a jobb mérővezetékeken lehet egy pl. 1/10-es osztást is bekapcsolni, így +/- 200V-ig jók lennénk, de ez nekünk most kevés.

Találtam egy összeállított ellenállásosztót a fiókban ~10K : 100K értékben, ami ~1:11  osztást végez. Így a műszer 1/10-es osztású mérőfejjel, 1V/cm állasban 110V / osztás feszültséget fog kijelezni. Mivel 50Hz frekvenciájú  feszültségre számítunk (és vízszintesen 10 osztásunk van) a 2ms/osztás időalapot választjuk, így pontosan 1 teljes hullámot kell a képernyőm lássunk (20ms).

Egy szünetmentes tápegység

A vizsgált eszköz egy APC BACK UPS ES-550 típusú asztali készülék. Egy jónevű gyártó belépő osztályú készüléke, amit sok éve használok a NAS-om védelmére. Az eszköz egyrészről túlfeszültség védelmet biztosít, másrészről pedig egy bizonyos ideig akkor is biztosítja a ráakasztott eszközök tápellátását, ha a hálózati feszültség alacsony, vagy egyáltalán nem áll rendelkezésre.

A mérés közben a készülék normál üzem közben volt, azaz működött róla egy ADSL és egy WiFi router, valamint egy 2 lemezes NAS, kb 30W összterhelést okozva.

Így nézett ki a kimeneti feszültség, ha minden rendben működött, és a fali konnektorban a mutiméter 235V-ot jelzett (ez kb 332V-os csúcsfeszültséget jelent):

Érdemes megfigyelni a vágást kb 319V-os feszültségnél, erről gondolta a készülék, hogy jó lesz 230V effektív feszültségnek. Ha nem vágott volna, ránézésre kb 335V-nál lenne a csúcs, ez egész jól összevág a multiméteres méréssel.

Lássuk mi történik, ha kihúzzuk a szüntementest a falból, áramszünetet szimulálva (bocs, így sikerül a periódust elkapni, 1 cm-el jobbra csúszott a jel, de a lényeg látszik):

Itt aztán van cifraság rendesen. Kváziszinusz, mi? Ez az ún. kváziszinuszos feszültség, ami egy majdnem sima négyszögjel, annyi különbséggel, hogy kicsit pihen nullában, mielőtt elindulna az ellenkező irányban. Sőt elég ronda, majd 90V-os túllövéssel a zárás oldalon. Mindegy, számítógépnek úgy tűnik jó, sosem panaszkodott. Amit fontos megfigyelni a csúcsfeszültség (Umax) értéke és a kitöltési tényező (k), ebből pl. vissza tudjuk számítani az effektív feszültséget.

Umax = 368V (!)

k = 4cm / 10cm = 40%

Tehát Ueff = 147V (!) ez közel sincs 230V...

Egy inverter

Az autóban/motoron használható, 12V-ról 230V-os "hálózati" feszültésget előállító vizsgált alkalmatosság a SAL (magyar) cég SAI-1000W terméke, a doboz szerint szártmazási helye: Kína, tehát nem hamisítvány:) 

A leírás szerint 500W-tal terhelhető tartósan, csúcsban 1000W-al, azonban arról nem nyilatkoznak, hogy ez pontosan milyen időtartamokat is jelent, 10 perc, 1másodperc vagy egy nanoszekundum. Biztosan van erre ipari szabvány, de én a buta konzumer ezt nem ismerem. Ezen kívül még két információt találtam a leírásban figyelemre méltónak:

• Ha motoros berendezésekhez (fúrógép, kompresszor, légkondi) haszáljuk, az inverter teljesítménye legyen legalább háromszorosa a fogyasztó által felvettnek.
• A kimeneti feszültség hullámformája: módosított szinuszhullám

Az első esetben nagyon érdekes lenne a gyakorlatban megvizsgálni a működést, erre most sajnos nem volt módom. Azt sejtem, hogy a motoros eszköz mindenképp gyengébb lesz, mint a hálózatról, mert a villanymotor csúcs-forgatónyomatékát a tápfeszültség csúcs feszültsége biztosítja, de ezt most nem tudtam kipróbálni.

A módosított szinuszhullám pedig alább látható:

Ez a "módosított szinusz" nagyon hasonló az előző kimenethez. Hogy ne csaljunk, rögzítsük, hogy ezt a mérést terheletlenül végeztem, így a túllövés hiánya nem vethető közvetlenül össze a szünetmentes táp kimenetével. Vegyük észre, hogy mind a csúcsfeszültség, mind a kitöltési tényező eltér az előbb mérttől:

Umax = 297 V (alacsonyabb)

k = 8.8cm / 10cm = 68% (magasabb)

Tehát Ueff  = 202 V (magasabb)

Konklúzió

Elméleti

A kvázi szinuszos kimenetű tápegységek esetén a hangsúly a kvázin van. A szinusztól nagyon, de nagyon távol vannak. Az effektív feszültségük nem éri el a hálózati feszültségét, és tele vannak közepes és nagyfrekvenciás összetevővel, de ez már egy másik történet, ehhez kellene egy spektrum analizátor... Említenek a kézikönyvek némi búgást, meg a fogyasztó teljesítményének megváltozását, mint normál működést.

Gyakorlati

A szünetmentes tápról kiválóan eldolgozik a NAS, akár fél óráig is (hacsak be nincs konfigurálva, hogy a szünetmentes által adott vészjelzés hatására ennél hamarabb állítsa le magát), az inverterről pedig vidáman elmegy a borotva, kempingmerülőforraló, mindenféle töltők, de még a (kapcsoló üzemű tápos) LED fényvető is. Szóval elméleti rondaság ide-vagy oda, a készülékek a gyakorlatban szépen működnek. Ha tudok szerezni egy 150W-os fúrógépet, akkor még kipótolom ezt a fejezetet. Aki viszont a Hortobágyon flexelni szeretne, szinte biztos, hogy nem fog megfelelni az olcsó, "1000W"-os kváziszinuszos inverter.

Gyakorlati++

A mérőkapcsolást pedig tessék alaposan ellenőrizni bekapcsolás előtt, különben ilyesmi lesz:

Köszi a figyelmet!