Circuit invertor pe mai multe niveluri în cascadă cu undă sinusoidală

În acest articol vom învăța cum să realizăm un circuit invertor în mai multe niveluri (în 5 pași) folosind un concept foarte simplu dezvoltat de mine. Să aflăm mai multe despre detalii.

Conceptul de circuit

În acest site web am dezvoltat, proiectat și introdus multe circuite invertoare cu undă sinusoidală folosind concepte simple și componente obișnuite, cum ar fi IC 555, care se întâmplă să fie mai orientate spre rezultate în loc să fie complexe și pline de amestecuri teoretice.

Am explicat cât de simplu a amplificatorul audio de mare putere poate fi transformat într-un invertor cu undă sinusoidală pură și, de asemenea, am acoperit în mod cuprinzător referitor la invetere de undă sinusoidală folosind concepte SPWM

Am aflat, de asemenea, prin intermediul acestui site web despre cum se poate converti orice invertor pătrat într-un invertor cu undă sinusoidală pură proiecta.

Evaluând circuitele invertorului de undă sinusoidală de mai sus utilizând PWM-uri echivalente sinusoidale, înțelegem că forma de undă a SPWM-urilor nu se potrivește direct sau nu coincide cu o formă de undă sinusoidală reală, mai degrabă acestea execută efectul sau rezultatele undei sinusoidale interpretând valoarea RMS a undei sinusoidale reale. AC.

Deși SPWM poate fi considerat un mod eficient de replicare și implementare a unei unde sinusoidale în mod rezonabil pure, faptul că nu simulează sau nu coincide cu o undă sinusoidală reală face ca conceptul să fie puțin sofisticat, mai ales dacă este comparat cu un invertor cu undă sinusoidală în cascadă de 5 niveluri. concept.

Putem compara și analiza cele două tipuri de concepte de simulare a undelor sinusoidale, făcând referire la următoarele imagini:

Imagine cu formă de undă în cascadă pe mai multe niveluri

Putem vedea clar că conceptul cascadat pe mai multe niveluri în 5 pași produce o simulare mai evidentă și mai eficientă a unei unde sinusoidale reale decât conceptul SPWM care se bazează doar pe potrivirea valorii RMS cu magnitudinea inițială a undei sinusoidale.

Proiectarea unui invertor convențional cu 5 sinusuri cu undă sinusoidală poate fi destul de complexă, dar conceptul care este explicat aici face implementarea mai ușoară și folosește componente obișnuite.

Diagrama circuitului

NOTĂ: Vă rugăm să adăugați un condensator 1uF / 25 pe pinul # 15 și pinul # 16 pe liniile IC-urilor, altfel secvențierea nu va începe.
Referindu-ne la imaginea de mai sus, putem vedea cum simplul concept de invertor în cascadă pe 5 nivele poate fi implementat practic folosind doar un transformator muti-tap, câteva IC-uri 4017 și 18 BJT de putere, care ar putea fi ușor înlocuite cu mosfete, dacă este necesar.

Aici câteva 4017 IC-uri, care sunt jetoanele de 10 etape ale contorului Johnson, sunt în cascadă pentru a produce un nivel logic care rulează sau urmărește secvențial peste pinout-urile afișate ale IC-urilor.

Funcționarea circuitului

Aceste logici care rulează secvențial sunt utilizate pentru declanșarea BJT-urilor conectate în aceeași secvență care, la rândul său, comută înfășurarea transformatorului într-o ordine care determină transformatorul să producă un tip cascadat de formă de undă echivalentă sinusoidală.

Transformatorul formează inima circuitului și folosește un primar special rănit cu 11 robinete. Aceste robinete sunt extrase pur și simplu uniform dintr-o singură înfășurare lungă calculată.

BJT-urile asociate cu unul dintre CI-urile comută una dintre jumătățile transformatorului prin 5 robinete, permițând generarea de pași de 5 niveluri, constituind un jumătate de ciclu al formei de undă AC, în timp ce BJT-urile asociate cu celelalte circuite integrate au funcția identică de a forma până la jumătatea inferioară a ciclului AC sub formă de formă de undă în cascadă pe 5 niveluri.

IC-urile sunt rulate de semnale de ceas aplicate în poziția indicată în circuit, care ar putea fi achiziționate de la orice circuit standard de 555 IC.

Primele 5 seturi de BJT construiesc cele 5 niveluri ale formei de undă, restul de 4 BJT schimbând același lucru în ordine inversă pentru a completa forma de undă în cascadă având un total de 9 zgârie-nori.

Aceste zgârie-nori sunt formate prin producerea unui nivel de tensiune ascendentă și descendentă prin comutarea înfășurării corespunzătoare a transformatorului, care sunt evaluate la nivelurile de tensiune relevante

De exemplu, înfășurarea # 1 ar putea fi evaluată la 150V în raport cu robinetul central, înfășurarea # 2 la 200V, înfășurarea # 3 la 230V, înfășurarea # 4 la 270V și înfășurarea # 5 la 330V, deci atunci când acestea sunt comutate secvențial de către setul celor 5 BJT-uri afișate, obținem primele 5 niveluri ale formei de undă, apoi când aceste înfășurări sunt comutate invers de următoarele 4 BJT-uri creează formele de undă descendente de 4 niveluri, completând astfel jumătatea ciclului superior al 220V AC.

Același lucru este repetat și de celelalte 9 BJT asociate cu celelalte 4017 IC, dând naștere la jumătatea inferioară a AC în cascadă cu 5 niveluri, care completează o formă de undă AC completă a ieșirii de 220V AC necesare.

Detalii despre înfășurarea transformatorului:

După cum se poate vedea în diagrama de mai sus, transformatorul este un tip obișnuit de miez de fier, realizat prin înfășurarea primarului și secundarului cu rotații corespunzătoare robinetelor de tensiune indicate.

Atunci când sunt conectate cu BJT-urile corespunzătoare, se poate aștepta ca aceste înfășurări să inducă un nivel de 5 sau un total de 9 niveluri în formă de undă în cascadă în care prima înfășurare de 36V ar corespunde și va induce un 150V, 27V ar induce un echivalent de 200V, în timp ce 20V, 27V, 36V ar fi responsabil de producerea 230V, 270V și 330V pe înfășurarea secundară în formatul în cascadă propus.

Setul de atingeri de pe partea inferioară a primarului va efectua comutarea pentru a finaliza 4 niveluri ascendente ale formei de undă.

O procedură identică ar fi repetată de cele 9 BJT asociate cu IC complementar 4017 pentru construirea semiciclului negativ al AC ... negativul este redat datorită orientării opuse a înfășurării transformatorului față de robinetul central.

Actualizați:

Schema completă a circuitului invertorului cu undă sinusoidală pe mai multe niveluri

NOTĂ: Vă rugăm să adăugați un condensator 1uF / 25 pe pinul # 15 și pinul # 16 pe liniile IC-urilor, altfel secvențierea nu va începe.
Potul de 1M asociat circuitului 555 va trebui ajustat pentru a configura o frecvență de 50Hz sau 60Hz pentru invertor, conform specificațiilor țării utilizatorului.

Lista de componente

Toate rezistențele nespecificate sunt de 10k, 1/4 wați
Toate diodele sunt 1N4148
Toate BJT-urile sunt TIP142
IC-urile sunt 4017

Note pentru circuitul invertorului cu undă sinusoidală în 5 pași pe mai multe niveluri:

Testarea și verificarea designului de mai sus a fost efectuată cu succes de domnul Sherwin Baptista, care este unul dintre adepții dornici ai site-ului web.

1. Decidem alimentarea cu intrare a invertorului --- 24V @ 18Ah @ 432Wh

2. Va exista o problemă de Zgomot generată în întregul proces de construire a acestui invertor. Pentru a sparge foarte ușor problema zgomotului generat și amplificat

A. Decidăm să filtrăm semnalul de ieșire al IC555 în momentul în care este produs la pinul 3, procedând astfel, se poate obține o undă pătrată mai curată.

B. Decidăm să folosim FERRITE BEADS la ieșirile respective ale IC4017 pentru a îmbunătăți filtrarea înainte ca semnalul să fie trimis către tranzistoarele amplificatorului.

C. Decidem să folosim DOUĂ TRANSFORMATOARE și să îmbunătățim filtrarea între amândoi în circuit.

3. Datele etapei oscilatorului:

Această etapă propusă este etapa principală a circuitului invertorului. Produce impulsurile necesare la o frecvență dată pentru ca transformatorul să funcționeze. Se compune din IC555, IC4017 și tranzistoare de putere pentru amplificator.

A. IC555:

Acesta este un cip de temporizare ușor de utilizat și are o multitudine de proiecte care pot fi realizate cu ajutorul acestuia. În acest proiect al invertorului îl configurăm în modul astabil pentru a genera unde pătrate. Aici setăm frecvența la 450Hz reglând potențiometrul de 1 megaohm și confirmând ieșirea cu un contor de frecvență.

B. IC4017:

Acesta este un cip logic Jhonson cu 10 etape, care este foarte celebru în circuitele de semnalizare / chaser cu LED-uri secvențiale / care rulează. Aici este configurat inteligent pentru a fi utilizat într-o aplicație invertor. Furnizăm acest 450Hz generat de IC555 la intrările IC4017. Acest CI face treaba de a sparge frecvența de intrare în 9 părți, fiecare rezultând o ieșire de 50Hz.
Acum pinii de ieșire ai ambelor 4017 au un semnal de ceas de 50Hz care rulează continuu înainte și înapoi.

C. Tranzistoarele de putere ale amplificatorului:

Acestea sunt tranzistoarele de mare putere care trag puterea bateriei în înfășurările transformatorului în conformitate cu semnalul alimentat în ele. Deoarece curenții de ieșire din anii 4017 sunt prea mici, nu îi putem alimenta direct în transformator. Prin urmare, avem nevoie de un fel de amplificator care să convertească semnalele de curent scăzut din anii 4017 în semnale de curent mare, care apoi pot fi trecute pe transformator pentru o funcționare ulterioară.

Acești tranzistori s-ar încălzi în timpul funcționării și ar avea neapărat nevoie de radiator.
S-ar putea folosi un radiator separat pentru fiecare tranzistor, prin urmare ar trebui să se asigure că
radiatoarele nu se ating.

SAU

S-ar putea folosi o singură bucată lungă de radiator pentru a se potrivi cu toate tranzistoarele de pe el. Atunci ar trebui
izolați termic și electric fișa centrală a fiecărui tranzistor de atingerea radiatorului

pentru a le evita să fie scurtcircuitate. Acest lucru se poate face folosind Mica Isolation Kit.

4. Urmează primul transformator:

A. Aici folosim principalul multi-tastați la un transformator secundar cu două fire. Apoi găsim volți per atingere pentru a pregăti tensiunea primară.

---PASUL 1---

Luăm în considerare tensiunea DC de intrare de 24V. Împărțim acest lucru cu 1.4142 și găsim echivalentul său AC RMS care este 16.97V ~
Rotunjim cifra RMS de mai sus, care are ca rezultat 17V ~

---PASUL 2---

Apoi împărțim RMS 17V ~ la 5 (deoarece avem nevoie de cinci tensiuni la robinet) și obținem RMS 3.4V ~
Luăm cifra finală RMS cu 3,5V ~ și înmulțind-o cu 5 ne oferă 17,5V ~ ca cifră rotundă.
În final, am găsit Volts Per Tap, care este RMS 3.5V ~

B. Decidem să menținem tensiunea secundară la RMS 12V ~ adică 0-12V se datorează faptului că putem obține o ieșire de amperaj mai mare la 12V ~

C. Deci avem ratingul transformatorului după cum urmează:
Primar multi-tastați: 17,5 --- 14 --- 10,5 --- 7 --- 3,5 --- 0 --- 3,5 --- 7 --- 10,5 --- 14 --- 17,5V @ 600W / 1000VA
Secundar: 0 --- 12V @ 600W / 1000VA.
Am obținut acest transformator de către un dealer local de transformatoare.

5. Acum urmează circuitul LC principal:

Un circuit LC cunoscut sub numele de dispozitiv de filtrare are aplicații robuste în circuitele convertorului de putere.
Fiind utilizat într-o aplicație cu invertor, este în general necesar pentru descompunerea vârfurilor ascuțite

a oricărei forme de undă generate și ajută la convertirea acesteia într-o formă de undă mai lină.

Aici la secțiunea secundară a transformatorului de mai sus fiind 0 --- 12V, ne așteptăm la un nivel multiplu
formă de undă în cascadă pătrată la ieșire. Deci, folosim un circuit LC în 5 etape pentru a obține o formă de undă echivalentă SINEWAVE.

Datele pentru circuitul LC sunt următoarele:

A) Toți inductorii ar trebui să aibă 500 UH (microhenry) 50A evaluat cu FUNDAMENT EI LAMINAT.
B) Toți condensatorii ar trebui să fie de tip 1uF 250V NONPOLAR.

Rețineți că ne accentuăm pe circuitul LC cu 5 etape și nu doar pe una sau două etape, astfel încât să putem obține o formă de undă mult mai curată la ieșire cu o distorsiune armonică mai mică.

6. Acum vine al doilea și ultimul transformator de etapă:

Acest transformator este responsabil pentru conversia ieșirii din rețeaua LC, adică RMS 12V ~ la 230V ~
Acest transformator ar fi evaluat după cum urmează:
Primar: 0 --- 12V @ 600W / 1000VA
Secundar: 230V @ 600W / 1000VA.

Aici, NICI o rețea LC suplimentară nu ar fi necesară la ieșirea finală de 230V pentru mai multe filtrări, deoarece am filtrat deja fiecare etapă a fiecărei ieșiri procesate la început.
IEȘIREA va fi acum un SINEWAVE.

Un lucru BUN este că nu există absolut niciun zgomot la ieșirea finală a acestui invertor și
pot fi operate gadgeturi sofisticate.

Însă un lucru care trebuie ținut cont de persoana care operează invertorul este NU SĂ ÎNCĂRCAȚI INVERTERUL și să mențineți sarcinile de putere ale gadgeturilor sofisticate în limite.

Câteva corecții care trebuie făcute în schema circuitului sunt date după cum urmează:

1. Regulatorul IC7812 ar trebui să aibă condensatori de bypass conectați. Ar trebui montat pe un
ÎNCĂLZITOR, deoarece s-ar încălzi în timpul funcționării.

2. Cronometrul IC555 ar trebui să urmeze o rezistență de serie înainte ca semnalul să treacă înainte la diode.
Valoarea rezistenței ar trebui să fie 100E. IC se încălzește dacă rezistorul nu este conectat.

În concluzie, avem 3 etape de filtrare propuse:

1. Semnalul generat de IC555 la pinul 3 este filtrat la masă și apoi transmis la rezistor
și apoi la diode.

2. Pe măsură ce semnalele de rulare ies din pinii relevanți ai IC4017, am mai conectat margele de ferită
transmiterea semnalului la rezistor.
3. Etapa de filtrare finală este utilizată între ambele transformatoare

Cum am calculat înfășurarea transformatorului

Aș vrea să vă împărtășesc ceva astăzi.

Când a venit vorba despre înfășurarea miezului de fier, nu știam nimic despre derularea specificațiilor, deoarece am aflat o mulțime de parametri și calcule intră în ele.

Așa că, pentru articolul de mai sus, i-am dat specificațiile de bază persoanei care înfășura trafo și mi-a cerut doar:

a) Tensiunea de intrare și ieșire, dacă este necesar,
b) Curentul de intrare și ieșire,
c) Puterea totală,
d) Aveți nevoie de un dispozitiv de prindere extern cu șuruburi la trafo?
e) Doriți o siguranță conectată intern la transformatorul de 220V?
f) Vrei fire conectate la trafo SAU pur și simplu să păstrezi firul emailat la exterior cu material de radiator adăugat?
g) Doriți ca miezul să fie împământat cu un fir extern conectat?
h) Doriți ca MIELE DE FIER să fie protejat lăcuit și vopsit cu oxid negru?

În cele din urmă, el m-a asigurat de un test de siguranță complet pentru transformatorul care este de tipul la comandă, odată gata și va dura un interval de 5 zile pentru a fi finalizat până la plata unei părți.
Plata parțială a fost (aproximativ) o pătrime din costul total propus dictat de persoana înfășurată.

Răspunsurile mele la întrebările de mai sus sunt:

NOTĂ: Pentru a evita confuziile de cabluri, presupun că trafo este realizat într-un singur scop: STEP DOWN TRANSFORMER unde primarul este partea de înaltă tensiune și secundarul este partea de joasă tensiune.

a) 0-220V intrare primară, 2 fire.
17,5 --- 14 --- 10,5 --- 7 --- 3,5 --- 0 --- 3,5 --- 7 --- 10,5 --- 14 --- 17,5V ieșire secundară multi-tastați, 11- fire.

b) Curentul principal de intrare: 4.55A la 220V Curentul de ieșire: 28.6 Amperi pe tensiunea secundară @ de la capăt la capăt 35V ..... în ceea ce privește calculul.

I-am spus că am nevoie de 5 amperi la 220V (230. Max), adică de intrare primară și 32 amperi la 35V, adică de ieșire secundară cu mai multe atingeri.

c) I-am spus inițial 1000VA, dar pe baza calculului volt amperilor și a rotunjirii cifrelor zecimale, puterea a ajuns la 1120VA +/- 10%. Mi-a oferit o valoare de toleranță de siguranță pentru partea 220V.

d) Da. Am nevoie de o instalație ușoară pe dulapul metalic.

e) Nu. I-am spus că voi plasa unul extern pentru accesul ușor al acestuia atunci când aruncă accidental.

f) I-am spus să păstreze firul emailat la exterior pentru ca partea secundară multi-tufată să fie încălzită corespunzător pentru siguranță și pe partea primară am solicitat conectarea firelor.

g) Da. Am nevoie de miez pentru a fi legat la pământ din motive de siguranță. Prin urmare, vă rugăm să atașați un fir extern.

h) Da. I-am cerut să ofere protecția necesară pentru ștanțările de bază.

Acestea au fost interacțiunea dintre mine și el pentru transformatorul de tip propus la comandă.

ACTUALIZAȚI:

În proiectarea în cascadă cu 5 pași de mai sus, am implementat tăierea în 5 pași pe partea DC a transformatorului, care pare a fi puțin ineficientă. Acest lucru se datorează faptului că comutarea ar putea duce la o cantitate semnificativă de energie pierdută prin EMF din spate de la transformator, iar acest lucru va avea nevoie ca transformatorul să fie enorm de mare.

O idee mai bună ar putea fi să oscilați partea DC cu un invertor cu punte completă de 50 Hz sau 60 Hz și să comutați partea AC secundară cu ieșirile IC 4017 secvențiale în 9 trepte folosind triac-uri, așa cum se arată mai jos. Această idee ar reduce vârfurile și tranzitorii și ar permite invertorului să aibă o execuție mai lină și eficientă a formei de undă sinusoidală în 5 trepte. Triacurile vor fi mai puțin vulnerabile la comutare, comparativ cu tranzistoarele de pe partea DC.