Cum să proiectezi un invertor - teorie și tutorial

Postul explică sfaturile și teoriile fundamentale care pot fi utile pentru noii veniți în timp ce proiectează sau se ocupă de conceptele de bază ale invertorului. Să învățăm mai multe.

Ce este un invertor

Este un dispozitiv care convertește sau inversează o tensiune redusă, un potențial de curent continuu ridicat într-o tensiune alternativă ridicată de curent scăzut, cum ar fi de la o sursă de baterie auto de 12V la o ieșire de 220V AC.

Principiul de bază din spatele conversiei de mai sus

Principiul de bază din spatele transformării unei tensiuni continue de joasă tensiune într-o tensiune alternativă de înaltă tensiune este utilizarea curentului mare stocat în interiorul unei surse de curent continuu (în mod normal o baterie) și intensificarea acestuia la o tensiune alternativă de înaltă tensiune.

Acest lucru se realizează practic utilizând un inductor, care este în primul rând un transformator care are două seturi de înfășurare și anume primar (intrare) și secundar (ieșire).

Înfășurarea primară este destinată recepționării intrării de curent mare continuu, în timp ce secundara este pentru inversarea acestei intrări în ieșirea alternativă corespunzătoare de înaltă tensiune de înaltă tensiune.

Ce este tensiunea sau curentul alternativ

Prin tensiune alternativă se înțelege o tensiune care își schimbă polaritatea de la pozitiv la negativ și invers de multe ori pe secundă, în funcție de frecvența setată la intrarea transformatorului.

În general, această frecvență este de 50Hz sau 60 Hz, în funcție de specificațiile de utilitate ale anumitor țări.

O frecvență generată artificial este utilizată la ratele de mai sus pentru alimentarea etapelor de ieșire care pot consta din tranzistoare de putere sau mosfete sau GBT-uri integrate cu transformatorul de putere.

Dispozitivele de alimentare răspund la impulsurile alimentate și acționează înfășurarea transformatorului conectat cu frecvența corespunzătoare la curentul și tensiunea datei bateriei.

Acțiunea de mai sus induce o tensiune ridicată echivalentă în înfășurarea secundară a transformatorului, care în cele din urmă produce ieșirea necesară de 220V sau 120V AC.

O simulare manuală simplă

Următoarea simulare manuală arată principiul de bază al funcționării unui circuit invertor push pull bazat pe transformatorul central.

Când înfășurarea primară este comutată alternativ cu un curent de baterie, o cantitate echivalentă de tensiune și curent este indusă de-a lungul înfășurării secundare prin zbura înapoi , care luminează becul conectat.

Într-un invertor cu circuit, aceeași operație este implementată, dar prin dispozitive de alimentare și un circuit oscilator care comută înfășurarea într-un ritm mult mai rapid, de obicei la o rată de 50Hz sau 60Hz.

Astfel, la un invertor aceeași acțiune datorată comutării rapide ar face ca încărcătura să apară întotdeauna ON, deși în realitate sarcina ar fi pornită / oprită la o rată de 50Hz sau 60Hz.

Modul în care transformatorul transformă o intrare dată

După cum sa discutat mai sus, transformator de obicei vor avea două înfășurări, una primară și cealaltă secundară.

Cele două înfășurări reacționează în așa fel încât a atunci când se aplică un curent de comutare la înfășurarea primară ar face ca o putere proporțională relevantă să fie transferată peste înfășurarea secundară prin inducție electromagnetică.

Prin urmare, să presupunem că, dacă primarul este evaluat la 12V și cel secundar la 220V, o intrare oscilantă sau pulsantă de 12V DC către partea primară ar induce și ar genera un 220V AC pe bornele secundare.

Cu toate acestea, intrarea în primar nu poate fi un curent continuu, ceea ce înseamnă că, deși sursa poate fi un DC, trebuie să fie aplicată într-o formă pulsată sau intermitent pe primar sau sub forma unei frecvențe la nivelul specificat, avem am discutat acest lucru în secțiunea anterioară.

Acest lucru este necesar pentru ca atributele inerente ale unui inductor să poată fi implementate, conform cărora un inductor restricționează un curent fluctuant și încearcă să-l echilibreze aruncând un curent echivalent în sistem în timpul absenței impulsului de intrare, cunoscut și sub numele de fenomen flyback .

Prin urmare, atunci când DC este aplicat, primarul stochează acest curent și, atunci când DC este deconectat de la înfășurare, permite înfășurării să dea înapoi curentul stocat pe terminalele sale.

Cu toate acestea, din moment ce terminalele sunt deconectate, acest emf din spate este indus în înfășurarea secundară, constituind AC necesar peste terminalele secundare de ieșire.

Explicația de mai sus arată astfel că un circuit de impulsuri sau mai simplu spus, un circuit de oscilator devine imperativ în timpul proiectării unui invertor.

Etapele fundamentale ale circuitului unui invertor

Pentru a construi un invertor funcțional de bază cu performanțe rezonabile, veți avea nevoie de următoarele elemente de bază:

• Transformator
• Dispozitive de alimentare, cum ar fi canalul N. MOSFET-uri sau tranzistoare de putere biploare NPN
• Baterie cu plumb acid

Diagramă bloc

Iată schema bloc care ilustrează modul de implementare a elementelor de mai sus cu o configurație simplă (buton central push-pull).

Cum se proiectează un circuit oscilator pentru un invertor

Un circuit oscilator este etapa crucială a circuitului în orice invertor, deoarece această etapă devine responsabilă pentru comutarea Dc în înfășurarea primară a transformatorului.

O etapă a oscilatorului este probabil cea mai simplă parte a unui circuit invertor. Este practic o configurație multivibratoră care poate fi realizată prin mai multe moduri diferite.

Puteți utiliza porți NAND, porți NOR, dispozitive cu oscilatoare încorporate precum IC 4060, IC LM567 sau pur și simplu un 555 IC. O altă opțiune este utilizarea tranzistoarelor și condensatoarelor în modul astabil standard.

Următoarele imagini arată diferitele configurații ale oscilatorului care pot fi utilizate în mod eficient pentru realizarea oscilațiilor de bază pentru orice proiectare a invertorului propusă.

În diagramele următoare vedem câteva modele populare de circuite oscilatoare, ieșirile sunt unde pătrate care sunt de fapt impulsuri pozitive, blocurile pătrate înalte indică potențiale pozitive, înălțimea blocurilor pătrate indică nivelul de tensiune, care este în mod normal egal cu cel aplicat tensiunea de alimentare IC, iar lățimea blocurilor pătrate indică intervalul de timp pentru care această tensiune rămâne în viață.

Rolul unui oscilator într-un circuit invertor

După cum sa discutat în secțiunea anterioară, este necesar un stadiu oscilator pentru generarea impulsurilor de tensiune de bază pentru alimentarea etapelor de putere ulterioare.

Cu toate acestea, impulsurile din aceste etape pot fi prea mici cu ieșirile lor de curent și, prin urmare, nu pot fi alimentate direct către transformator sau către tranzistoarele de putere din etapa de ieșire.

Pentru a împinge curentul de oscilație la nivelurile necesare, este utilizat în mod normal un stadiu intermediar al driverului, care ar putea consta dintr-un cuplu de tranzistori de putere medie cu câștig ridicat sau chiar ceva mai complex.

Cu toate acestea, astăzi, odată cu apariția unor mosfete sofisticate, o etapă a șoferului poate fi complet eliminată.

Acest lucru se datorează faptului că mosfeturile sunt dispozitive dependente de tensiune și nu se bazează pe mărimile curente pentru funcționare.

Cu prezența unui potențial de peste 5V pe poartă și sursă, cele mai multe mosfete s-ar satura și se vor deplasa pe drenaj și sursă, chiar dacă curentul este de până la 1mA

Acest lucru face ca condițiile să fie extrem de potrivite și ușor de aplicat pentru aplicații cu invertor.

Putem vedea că în circuitele oscilatoare de mai sus, ieșirea este o singură sursă, cu toate acestea, în toate topologiile invertorului, avem nevoie de ieșiri pulsatorii polarizate alternativ sau opus din două surse. Acest lucru poate fi realizat pur și simplu prin adăugarea unei trepte de poartă a invertorului (pentru inversarea tensiunii) la ieșirea existentă din oscilatoare, vezi figurile de mai jos.

Configurarea etapei oscilatorului pentru a proiecta circuite mici de invertor

Acum, să încercăm să înțelegem metodele ușoare prin care cele explicate mai sus cu trepte de oscilator pot fi atașate cu o treaptă de putere pentru a crea rapid proiecte de invertoare eficiente.

Proiectarea unui circuit invertor utilizând oscilatorul NOT Gate

Figura următoare arată cum poate fi configurat un invertor mic folosind un oscilator de poartă NU, cum ar fi de la IC 4049.

Aici practic N1 / N2 formează stadiul oscilatorului care creează ceasurile sau oscilațiile necesare de 50Hz sau 60Hz necesare pentru funcționarea invertorului. N3 este utilizat pentru inversarea acestor ceasuri, deoarece trebuie să aplicăm ceasuri polarizate opuse pentru etapa transformatorului de putere.

Cu toate acestea, putem vedea și porțile N4, N5 N6, care sunt configurate pe linia de intrare și linia de ieșire a N3.

De fapt, N4, N5, N6 sunt pur și simplu incluse pentru a găzdui cele 3 porți suplimentare disponibile în IC 4049, altfel numai primele N1, N2, N3 ar putea fi utilizate singure pentru operațiuni, fără probleme.

Cele 3 extra porțile se comportă ca tampoane și, de asemenea, asigurați-vă că aceste porți nu sunt lăsate neconectate, ceea ce, altfel, poate crea efecte adverse asupra CI pe termen lung.

Ceasurile polarizate opuse de la ieșirile N4 și N5 / N6 sunt aplicate la bazele puterii BJT cu ajutorul TIP142 BJT de putere, care sunt capabile să gestioneze un curent bun de 10 amp. Transformatorul poate fi văzut configurat pe colectoarele BJT-urilor.

Veți descoperi că nici un amplificator intermediar sau trepte de driver nu sunt utilizate în designul de mai sus, deoarece TIP142 în sine are un stadiu intern BJT Darlington pentru amplificarea necesară încorporată și, prin urmare, sunt capabili să amplifice confortabil ceasurile cu curent redus de la porțile NOT în oscilații de curent peste înfășurarea transformatorului conectat.

Mai multe modele de invertoare IC 4049 pot fi găsite mai jos:

Circuit invertor de putere de 2000 VA de casă

Cel mai simplu circuit de alimentare neîntreruptă (UPS)

Proiectarea unui circuit invertor folosind oscilatorul de poartă Schmidt Trigger NAND

Următoarea figură arată cum un circuit oscilator care utilizează IC 4093 poate fi integrat cu un stadiu de putere BJT similar pentru crearea unui design util al invertorului .

Figura arată un design mic al invertorului folosind porțile NAND IC 4093 Schmidt care declanșează. La fel de identic și aici N4 ar fi putut fi evitat, iar bazele BJT ar fi putut fi conectate direct între intrări și ieșiri N3. Dar, din nou, N4 este inclus pentru a găzdui o singură poartă suplimentară din interiorul IC 4093 și pentru a se asigura că pinul de intrare nu este lăsat neconectat.

Mai multe modele similare de invertoare IC 4093 pot fi consultate de la următoarele link-uri:

Cele mai bune circuite invertor modificate

Cum se realizează un circuit invertor solar

Cum se construiește un circuit invertor de mare putere de 400 W cu încărcător încorporat

Cum se proiectează un circuit UPS - Tutorial

Diagrame Pinout pentru IC 4093 și IC 4049

NOTĂ: Pinii de alimentare Vcc și Vss ai CI nu sunt afișați în diagramele invertorului, acestea trebuie să fie conectate corespunzător cu sursa de alimentare de 12V, pentru invertoarele de 12V. Pentru invertoarele de tensiune mai mare, această alimentare trebuie redusă în mod corespunzător la 12V pentru pinii de alimentare IC.

Proiectarea unui mini circuit invertor folosind oscilatorul IC 555

Din exemplele de mai sus, devine destul de evident faptul că cele mai de bază forme de invertoare ar putea fi proiectate prin simpla cuplare a unei etape de putere a transformatorului BJT + cu o etapă de oscilator.

Urmând același principiu, un oscilator IC 555 poate fi utilizat și pentru proiectarea unui invertor mic, așa cum se arată mai jos:

Circuitul de mai sus se explică de la sine și poate nu necesită explicații suplimentare.

Mai multe astfel de circuite invertor IC 555 pot fi găsite mai jos:

Circuit invertor IC 555 simplu

Înțelegerea topologiilor invertorului (Cum se configurează etapa de ieșire)

În secțiunile de mai sus am aflat despre etapele oscilatorului, precum și despre faptul că tensiunea pulsată de la oscilator merge direct la etapa de ieșire de putere precedentă.

Există în principal trei moduri prin care poate fi proiectată o etapă de ieșire a unui invertor.

Folosind un:

1. Push Pull Stage (cu transformatorul de atingere centrală) așa cum este explicat în exemplele de mai sus
2. Etapa Push Pull Half-Bridge
3. Push Pull Full-Bridge sau H-Bridge Etapa

Etapa push pull folosind un transformator central de robinet este cel mai popular design, deoarece implică implementări mai simple și produce rezultate garantate.

Cu toate acestea, necesită transformatoare mai voluminoase, iar eficiența este mai redusă.

Câteva modele de invertoare pot fi văzute mai jos, care utilizează un transformator de robinet central:

În această configurație, practic se folosește un transformator cu atingere centrală, cu robinetele sale exterioare conectate la capetele fierbinți ale dispozitivelor de ieșire (tranzistoare sau mosfete), în timp ce robinetul central merge fie la negativul bateriei, fie la pozitivul bateriei, în funcție de după tipul de dispozitive utilizate (tip N sau tip P).

Topologie pe jumătate de pod

O etapă cu jumătate de punte nu folosește un transformator de robinet central.

LA jumătate de pod configurația este mai bună decât un tip de circuit de tip push pull central, în ceea ce privește compactitatea și eficiența, totuși necesită condensatori de valoare mare pentru implementarea funcțiilor de mai sus.

LA pod complet sau un invertor H-bridge este similar cu o rețea cu jumătate de punte, deoarece încorporează și un transformator obișnuit cu două robinete și nu necesită un transformator de robinet central.

Singura diferență este eliminarea condensatoarelor și includerea a încă două dispozitive de alimentare.

Topologie Full-Bridge

Un circuit invertor cu punte completă constă din patru tranzistoare sau mosfete dispuse într-o configurație asemănătoare cu litera „H”.

Toate cele patru dispozitive pot fi de tip N canal sau cu două canale N și două canale P, în funcție de stadiul oscilatorului driverului extern care este utilizat.

La fel ca o jumătate de punte, o punte completă necesită și ieșiri separate, izolate alternativ, pentru a declanșa dispozitivele.

Rezultatul este același, transformatorul primar conectat este supus unui tip de comutare inversă a curentului bateriei prin acesta. Aceasta generează tensiunea intensificată indusă necesară pe înfășurarea secundară de ieșire a transformatorului. Eficiența este cea mai mare cu acest design.

Detalii despre logica tranzistorului H-Bridge

Următoarea diagramă prezintă o configurație tipică a podului H, comutarea se face ca mai jos:

1. UN ÎNALT, D ÎNALT - împingere înainte
2. B HIGH, C HIGH - tragere inversă
3. A HIGH, B HIGH - periculos (interzis)
4. C HIGH, D HIGH - periculos (interzis)

Explicația de mai sus oferă informații de bază cu privire la modul de proiectare a unui invertor și poate fi încorporată numai pentru proiectarea circuitelor obișnuite ale invertorului, de obicei tipurile de undă pătrată.

Cu toate acestea, există multe alte concepte care pot fi asociate cu proiectele de invertoare, cum ar fi realizarea unui invertor cu undă sinusoidală, invertor bazat pe PWM, invertor controlat de ieșire, acestea sunt doar etape suplimentare care pot fi adăugate în proiectele de bază explicate mai sus pentru implementarea funcțiilor menționate.

Le vom discuta altădată sau poate fi prin comentariile dvs. valoroase.