Ako navrhnúť invertor - teória a príručka

Príspevok vysvetľuje základné tipy a teórie, ktoré môžu byť užitočné pre nováčikov pri navrhovaní alebo riešení základných koncepcií invertorov. Dozvieme sa viac.

Čo je to invertor

Je to zariadenie, ktoré prevádza alebo invertuje nízke napätie, vysoký potenciál jednosmerného prúdu na nízke súčasné vysoké striedavé napätie, napríklad zo zdroja 12V automobilovej batérie na výstup 220V AC.

Základný princíp za vyššie uvedenou konverziou

Základným princípom premeny nízkonapäťového jednosmerného prúdu na vysokonapäťový striedavý prúd je použitie uloženého vysokého prúdu vo vnútri jednosmerného zdroja (zvyčajne batérie) a jeho zosilnenie na vysokonapäťové striedavé napätie.

To sa v zásade dosiahne použitím induktora, ktorým je primárne transformátor s dvoma sadami vinutí, a to primárne (vstupné) a sekundárne (výstupné).

Primárne vinutie je určené na príjem priameho vysokonapäťového vstupu, zatiaľ čo sekundárne je na invertovanie tohto vstupu na zodpovedajúci striedavý výstup s nízkym prúdom s vysokým prúdom.

Čo je to striedavé napätie alebo prúd

Pod striedavým napätím rozumieme napätie, ktoré prepína svoju polaritu z kladnej na zápornú a naopak mnohokrát za sekundu v závislosti od nastavenej frekvencie na vstupe transformátora.

Všeobecne je táto frekvencia 50 Hz alebo 60 Hz v závislosti od technických parametrov konkrétnej krajiny.

Na napájanie výstupných stupňov sa používa umelo generovaná frekvencia pri vyššie uvedených rýchlostiach, ktoré môžu pozostávať z výkonových tranzistorov alebo mosfetov alebo GBT integrovaných do výkonového transformátora.

Silové zariadenia reagujú na napájané impulzy a riadia pripojené vinutie transformátora zodpovedajúcou frekvenciou pri danom prúde a napätí batérie.

Vyššie uvedená činnosť indukuje ekvivalentné vysoké napätie naprieč sekundárnym vinutím transformátora, z ktorého nakoniec vychádza požadované 220V alebo 120V AC.

Jednoduchá manuálna simulácia

Nasledujúca manuálna simulácia ukazuje základný princíp fungovania obvodu push-pull invertora založeného na transformátore so stredovým odbočením.

Keď sa primárne vinutie strieda s prúdom batérie, indukuje sa cez sekundárne vinutie ekvivalentné množstvo napätia a prúdu letieť späť režim, ktorý osvetlí pripojenú žiarovku.

V obvodoch prevádzkovaných invertoroch je implementovaná rovnaká operácia, ale pomocou výkonových zariadení a obvodu oscilátora, ktorý spína vinutie oveľa rýchlejším tempom, zvyčajne rýchlosťou 50 Hz alebo 60 Hz.

Takže v invertore by rovnaká činnosť v dôsledku rýchleho prepínania spôsobila, že sa záťaž objaví vždy ZAPNUTÁ, hoci v skutočnosti by sa záťaž zapínala / vypínala pri frekvencii 50 Hz alebo 60 Hz.

Ako transformátor prevádza daný vstup

Ako bolo uvedené vyššie, transformátor zvyčajne bude mať dve vinutia, jedno primárne a druhé sekundárne.

Dve vinutia reagujú takým spôsobom, že a keď sa na primárne vinutie aplikuje spínací prúd, spôsobí to prenos pomerne veľkého množstva energie cez sekundárne vinutie elektromagnetickou indukciou.

Preto predpokladajme, že ak je primárne dimenzované na 12V a sekundárne na 220V, kmitavý alebo pulzujúci 12V DC vstup na primárnu stranu by indukoval a generoval 220V AC cez sekundárne svorky.

Vstupom do primárneho zdroja však nemôže byť jednosmerný prúd, čo znamená, že aj keď zdrojom môže byť jednosmerný prúd, musí byť aplikovaný v pulznej forme alebo prerušovane cez primárny prúd, alebo vo forme frekvencie na stanovenej úrovni, máme diskutovali o tom v predchádzajúcej časti.

Toto je potrebné, aby bolo možné implementovať inherentné atribúty induktora, podľa ktorých induktor obmedzuje kolísavý prúd a snaží sa ho vyvážiť vrhaním ekvivalentného prúdu do systému počas neprítomnosti vstupného impulzu, tiež známeho ako fenomén spätného chodu .

Preto keď je aplikovaný DC, primár ukladá tento prúd a keď je DC odpojený od vinutia, umožňuje vinutiu nakopnúť uložený prúd cez jeho svorky.

Pretože sú však svorky odpojené, tento spätný emf sa indukuje do sekundárneho vinutia, čo vytvára požadovaný striedavý prúd cez sekundárne výstupné svorky.

Vyššie uvedené vysvetlenie teda ukazuje, že obvod pulzátora alebo jednoduchšie povedané obvod oscilátora je pri návrhu invertora nevyhnutný.

Základné obvodové fázy striedača

Na zostavenie základného funkčného invertora s primerane dobrým výkonom budete potrebovať nasledujúce základné prvky:

• Transformátor
• Napájacie zariadenia, napríklad N kanál MOSFETY alebo NPN dvojpólové výkonové tranzistory
• Olovená batéria

Bloková schéma

Tu je bloková schéma, ktorá ilustruje, ako možno vyššie uvedené prvky implementovať do jednoduchej konfigurácie (stredový kohútik - ťah - ťah).

Ako navrhnúť obvod oscilátora pre invertor

Obvod oscilátora je rozhodujúcim stupňom obvodu v ktoromkoľvek invertore, pretože tento stupeň je zodpovedný za prepínanie Dc do primárneho vinutia transformátora.

Stupeň oscilátora je možno najjednoduchšia časť v obvode invertora. Je to v podstate neuveriteľná konfigurácia multivibrátora, ktorú je možné vykonať rôznymi spôsobmi.

Môžete použiť brány NAND, brány NOR, zariadenia so zabudovanými oscilátormi, ako sú IC 4060, IC LM567 alebo úplne 555 IC. Ďalšou možnosťou je použitie tranzistorov a kondenzátorov v štandardnom stabilnom režime.

Nasledujúce obrázky zobrazujú rôzne konfigurácie oscilátorov, ktoré je možné efektívne využiť na dosiahnutie základných oscilácií pre akýkoľvek navrhovaný návrh invertora.

V nasledujúcich diagramoch vidíme niekoľko populárnych návrhov obvodov oscilátorov, výstupy sú obdĺžnikové vlny, ktoré sú vlastne kladnými impulzmi, vysoké štvorcové bloky označujú kladné potenciály, výška štvorcových blokov označuje úroveň napätia, ktorá sa bežne rovná použitej hodnote napájacie napätie pre IC a šírka štvorcových blokov označuje časové rozpätie, počas ktorého toto napätie zostane živé.

Úloha oscilátora v obvode invertora

Ako je uvedené v predchádzajúcej časti, na generovanie základných napäťových impulzov na napájanie ďalších výkonových stupňov je potrebný oscilátorový stupeň.

Impulzy z týchto stupňov však môžu byť so svojimi prúdovými výstupmi príliš nízke, a preto ich nemožno privádzať priamo do transformátora alebo do výkonových tranzistorov vo výstupnom stupni.

Na potlačenie oscilačného prúdu na požadované úrovne sa zvyčajne používa stredný budiaci stupeň, ktorý môže pozostávať z niekoľkých stredných výkonových tranzistorov s vysokým ziskom alebo dokonca z niečoho zložitejšieho.

Avšak dnes s príchodom sofistikovaných mosfetov môže byť fáza vodiča úplne vylúčená.

Je to preto, že mosfety sú zariadenia závislé od napätia a pri prevádzke sa nespoliehajú na súčasné veľkosti.

Pri prítomnosti potenciálu nad 5 V cez ich bránu a zdroj by sa väčšina mosfetov nasýtila a fungovala úplne cez ich odtok a zdroj, aj keď je prúd tak nízky ako 1 mA.

Vďaka tomu sú podmienky mimoriadne vhodné a ľahké na ich použitie v invertorových aplikáciách.

Vidíme, že vo vyššie uvedených obvodoch oscilátora je výstup jedným zdrojom, avšak vo všetkých topológiách invertorov požadujeme striedavo alebo opačne polarizované pulzujúce výstupy z dvoch zdrojov. To sa dá jednoducho dosiahnuť pridaním stupňa hradla invertora (na inverziu napätia) k existujúcemu výstupu z oscilátorov, pozri obrázky nižšie.

Konfigurácia fázy oscilátora na navrhovanie malých obvodov striedača

Teraz sa pokúsime porozumieť ľahkým metódam, pomocou ktorých je možné vyššie uvedené vysvetlené pri stupňoch oscilátora pripojiť k výkonovému stupňu na rýchle vytvorenie efektívnych návrhov invertora.

Návrh obvodu invertora pomocou oscilátora NOT Gate

Nasledujúci obrázok ukazuje, ako je možné malý invertor nakonfigurovať pomocou oscilátora NOT gate, napríklad z IC 4049.

Tu v podstate N1 / N2 tvorí fázu oscilátora, ktorá vytvára požadované hodiny alebo oscilácie 50Hz alebo 60Hz potrebné pre prevádzku meniča. N3 sa používa na invertovanie týchto hodín, pretože musíme použiť opačne polarizované hodiny pre stupeň výkonového transformátora.

Vidíme však aj brány N4, N5 N6, ktoré sú konfigurované cez vstupné a výstupné vedenie N3.

V skutočnosti sú N4, N5, N6 jednoducho zahrnuté pre umiestnenie ďalších 3 brán dostupných vo vnútri IC 4049, inak by sa na tieto operácie mohol bez problémov použiť iba prvý N1, N2, N3.

Tí 3 navyše brány fungujú ako nárazníky a tiež sa uistite, že tieto brány nie sú ponechané neprepojené, čo by inak mohlo z dlhodobého hľadiska spôsobiť nepriaznivé účinky na IC.

Protikladne polarizované hodiny na výstupoch N4 a N5 / N6 sú aplikované na základne výkonového BJT stupňa pomocou výkonových BJT TIP142, ktoré sú schopné zvládnuť dobrý prúd 10 ampérov. Transformátor je možné vidieť nakonfigurovaný cez kolektory BJT.

Zistíte, že vo vyššie uvedenom prevedení sa nepoužívajú žiadne medzilehlé zosilňovače alebo budiace stupne, pretože samotný TIP142 má pre požadované zabudované zosilnenie interný stupeň BJT Darlington, a preto sú schopné pohodlne zosilniť nízkoprúdové hodiny z hradiel NOT do vysokých kmity prúdu cez pripojené vinutie transformátora.

Viac návrhov invertorov IC 4049 nájdete nižšie:

Domáci obvod elektrického invertora s výkonom 2 000 VA

Najjednoduchší obvod neprerušovaného napájania (UPS)

Návrh obvodu invertora pomocou oscilátora brány Schmidt Trigger NAND

Nasledujúci obrázok ukazuje, ako môže byť obvod oscilátora využívajúci IC 4093 integrovaný s podobným výkonovým stupňom BJT na vytvorenie užitočný dizajn invertora .

Obrázok demonštruje malú konštrukciu invertora pomocou IC 4093 Schmidtových spúšťacích brán NAND. Celkom rovnako sa dalo vyhnúť N4 a základne BJT mohli byť priamo spojené cez vstupy a výstupy N3. Ale opäť je tu zahrnutá N4, aby sa zmestila jedna ďalšia brána vo vnútri IC 4093 a aby sa zabezpečilo, že jej vstupný kolík nezostane nezapojený.

Viac podobných návrhov invertora IC 4093 je možné získať z nasledujúcich odkazov:

Najlepšie upravené obvody invertora

Ako vytvoriť obvod solárneho invertora

Ako zostaviť 400 Wattový vysokovýkonný invertorový obvod so zabudovanou nabíjačkou

Ako navrhnúť obvod UPS - návod

Pinoutové diagramy pre IC 4093 a IC 4049

POZNÁMKA: Napájacie piny Vcc a Vss IC nie sú zobrazené na schémach invertora, musia byť pre 12V invertory vhodne spojené s napájaním 12 V batérie. Pre invertory vyššieho napätia musí byť toto napájanie primerane znížené na 12V pre napájacie piny IC.

Návrh obvodu malého invertora pomocou oscilátora IC 555

Z vyššie uvedených príkladov je zrejmé, že najzákladnejšie formy invertorov je možné navrhnúť jednoduchým prepojením výkonového stupňa transformátora BJT + s stupňom oscilátora.

Na rovnakom princípe je možné použiť oscilátor IC 555 aj na návrh malého invertora, ako je uvedené nižšie:

Vyššie uvedený okruh je samozrejmý a možno si nevyžaduje ďalšie vysvetlenie.

Viac takýchto invertorových obvodov IC 555 nájdete nižšie:

Jednoduchý invertorový obvod IC 555

Pochopenie topológií invertora (Konfigurácia výstupnej fázy)

V predchádzajúcich častiach sme sa dozvedeli o stupňoch oscilátora a tiež o skutočnosti, že impulzné napätie z oscilátora prechádza priamo do predchádzajúceho výkonového stupňa.

Existujú predovšetkým tri spôsoby, ktorými je možné navrhnúť koncový stupeň striedača.

Použitím a:

1. Push Pull Stage (s transformátorom na stred klepnutia), ako je vysvetlené vo vyššie uvedených príkladoch
2. Fáza Push-Pull Half-Bridge
3. Fáza Push-Pull Full-Bridge alebo H-Bridge

Stupeň push-pull s použitím transformátora so stredovým odbočovaním je najpopulárnejším dizajnom, pretože zahŕňa jednoduchšie implementácie a poskytuje zaručené výsledky.

Vyžaduje však objemnejšie transformátory a účinnosť je nižšia.

Ďalej je možné vidieť niekoľko návrhov invertorov, ktoré využívajú transformátor so stredovým odbočením:

V tejto konfigurácii sa v zásade používa transformátor so stredovým odbočením s jeho vonkajšími odbočkami pripojenými k horúcim koncom výstupných zariadení (tranzistory alebo mosfety), zatiaľ čo stredový odbočka ide buď k zápornému pólu batérie, alebo k kladnému pólu batérie, v závislosti od podľa typu použitých zariadení (typ N alebo typ P).

Topológia polovičného mosta

Polovičný mostík nevyužíva stredový transformátor odbočky.

TO polovičný most konfigurácia je lepšia ako kompaktný a efektívny typ obvodu so stredovým kohútikom, avšak vyžaduje implementáciu vyššie uvedených kondenzátorov s veľkou hodnotou.

TO plný most alebo invertor H-mosta je obdobou siete s polovičným mostom, pretože obsahuje aj obyčajný transformátor s dvoma odbočkami a nevyžaduje stredový transformátor.

Jediným rozdielom je vylúčenie kondenzátorov a zaradenie ďalších dvoch napájacích zariadení.

Topológia celého mosta

Celý obvod invertora mosta pozostáva zo štyroch tranzistorov alebo mosfetov usporiadaných do konfigurácie pripomínajúcej písmeno „H“.

Všetky štyri zariadenia môžu byť typu N kanálu alebo s dvoma N kanálmi a dvoma P kanálmi v závislosti od použitého externého stupňa oscilátora.

Rovnako ako polovičný mostík, aj úplný mostík vyžaduje na spustenie zariadení samostatné, izolované striedavo oscilujúce výstupy.

Výsledok je rovnaký, pripojený primér transformátora je podrobený opačnému druhu prepínania prúdu batérie cez neho. Toto generuje požadované indukované zosilnené napätie na výstupnom sekundárnom vinutí transformátora. Účinnosť je pri tomto dizajne najvyššia.

Logické podrobnosti tranzistora H-Bridge

Nasledujúci diagram ukazuje typickú konfiguráciu H-mosta, prepínanie sa vykonáva takto:

1. A HIGH, D HIGH - tlačenie dopredu
2. B VYSOKÁ, C VYSOKÁ - ťah dozadu
3. A HIGH, B HIGH - nebezpečné (zakázané)
4. C HIGH, D HIGH - nebezpečné (zakázané)

Vyššie uvedené vysvetlenie poskytuje základné informácie o tom, ako navrhnúť invertor, a môže byť začlenené iba pre návrh bežných obvodov invertora, zvyčajne typov obdĺžnikových vĺn.

Existuje však veľa ďalších konceptov, ktoré môžu byť spojené s návrhmi invertorov, ako je výroba sínusového invertora, invertor na báze PWM, výstupne riadený invertor, to sú iba ďalšie etapy, ktoré môžu byť pridané do vyššie vysvetlených základných návrhov na implementáciu uvedených funkcií.

Budeme o nich diskutovať niekedy inokedy alebo prostredníctvom vašich cenných komentárov.