Как да проектираме инвертор - теория и урок

Постът обяснява основните съвети и теории, които могат да бъдат полезни за новодошлите, докато проектират или работят с основни концепции за инвертора. Нека научим повече.

Какво е инвертор

Това е устройство, което преобразува или инвертира ниско напрежение, висок постоянен ток потенциал в нисък ток високо променливо напрежение, като например от 12V източник на автомобилна батерия до 220V AC изход.

Основен принцип зад горното преобразуване

Основният принцип на преобразуването на DC с ниско напрежение в AC с високо напрежение е да се използва съхраненият висок ток вътре в източник на постоянен ток (обикновено батерия) и да се повиши до високо напрежение AC.

Това основно се постига чрез използване на индуктор, който е предимно трансформатор, имащ два комплекта намотки, а именно първичен (вход) и вторичен (изход).

Първичната намотка е предназначена за приемане на входа на постоянен висок ток, докато вторичната е за обръщане на този вход в съответния променлив изход с ниско напрежение с високо напрежение.

Какво е променливо напрежение или ток

Под променливо напрежение имаме предвид напрежение, което превключва полярността си от положителна на отрицателна и обратно много пъти в секунда в зависимост от зададената честота на входа на трансформатора.

Обикновено тази честота е 50Hz или 60 Hz в зависимост от характеристиките на полезността на конкретната държава.

Използва се изкуствено генерирана честота при горепосочените скорости за захранване на изходните стъпала, които могат да се състоят от силови транзистори или MOSFET или GBT, интегрирани със силовия трансформатор.

Захранващите устройства реагират на подадените импулси и задвижват свързаната намотка на трансформатора със съответната честота при дадения ток и напрежение на батерията.

Горното действие предизвиква еквивалентно високо напрежение във вторичната намотка на трансформатора, което в крайна сметка извежда необходимите 220V или 120V AC.

Една проста ръчна симулация

Следващата ръчна симулация показва основния принцип на работа на инверторната верига за издърпване, базирана на централен кран.

Когато първичната намотка се превключва последователно с ток на батерията, еквивалентно количество напрежение и ток се индуцира през вторичната намотка през обратна връзка режим, който осветява свързаната крушка.

В инвертори, управлявани от верига, се изпълнява същата операция, но чрез захранващи устройства и осцилаторна верига, която превключва намотката с много по-бързо темпо, обикновено със скорост 50Hz или 60Hz.

По този начин, при инвертор същото действие поради бързото превключване би накарало товара да изглежда винаги ВКЛЮЧЕН, въпреки че в действителност товарът ще бъде включен / изключен при скорост 50Hz или 60Hz.

Как трансформаторът преобразува даден вход

Както беше обсъдено по-горе, трансформатор обикновено ще има две намотки, едната първична и другата вторична.

Двете намотки реагират по такъв начин, че когато се прилага превключващ ток към първичната намотка, би се получило прехвърляне на пропорционално подходяща мощност през вторичната намотка чрез електромагнитна индукция.

Следователно, да предположим, че ако първичният е номинален на 12V, а вторичният на 220V, осцилиращ или пулсиращ 12V DC вход към първичната страна би индуцирал и генерирал 220V AC през вторичните клеми.

Въпреки това, входът към първичния не може да бъде постоянен ток, което означава, че въпреки че източникът може да бъде постоянен ток, той трябва да се прилага в импулсна форма или периодично през първичната, или под формата на честота на определеното ниво, имаме обсъдихме това в предишния раздел.

Това се изисква, за да могат да се реализират присъщите атрибути на индуктор, според които индуктор ограничава колебания ток и се опитва да го балансира чрез хвърляне на еквивалентен ток в системата по време на отсъствие на входния импулс, известен също като явление на обратния ход .

Следователно, когато се прилага постояннотоковият ток, първичният запазва този ток и когато постоянният ток е изключен от намотката, позволява на намотката да отблъсне запазения ток през своите клеми.

Тъй като обаче клемите са разкачени, тази задна едс се индуцира във вторичната намотка, съставлявайки необходимия променлив ток през вторичните изходни клеми.

Горното обяснение по този начин показва, че импулсна верига или по-просто казано, осцилаторна верига става задължителна, докато се проектира инвертор.

Основни етапи на веригата на инвертора

За да изградите основен функционален инвертор с сравнително добри показатели, ще са ви необходими следните основни елементи:

• Трансформатор
• Захранващи устройства, като N-канал MOSFETs или NPN Biploar силови транзистори
• Оловно-киселинна батерия

Блокова диаграма

Ето блоковата схема, която илюстрира как да се изпълнят горните елементи с проста конфигурация (централно натискане с натискане).

Как да проектирам верига на осцилатор за инвертор

Осцилаторна верига е решаващият етап на веригата във всеки инвертор, тъй като този етап става отговорен за превключването на постояннотока в първичната намотка на трансформатора.

Етап на осцилатор е може би най-простата част в инверторна схема. По същество това е нестабилна конфигурация на мултивибратор, която може да бъде направена по много различни начини.

Можете да използвате NAND порта, NOR порта, устройства с вградени осцилатори като IC 4060, IC LM567 или съвсем 555 IC. Друг вариант е използването на транзистори и кондензатори в стандартен нестабилен режим.

Следващите изображения показват различните конфигурации на осцилатора, които могат ефективно да се използват за постигане на основните трептения за всеки предложен дизайн на инвертора.

В следващите диаграми виждаме няколко популярни дизайна на осцилаторни схеми, изходите са квадратни вълни, които всъщност са положителни импулси, високите квадратни блокове показват положителни потенциали, височината на квадратните блокове показва нивото на напрежение, което обикновено е равно на приложеното захранващо напрежение към интегралната схема, а ширината на квадратните блокове показва интервала от време, през който това напрежение остава живо.

Ролята на осцилатор в инверторна верига

Както беше обсъдено в предишния раздел, е необходим осцилаторен етап за генериране на основни импулси на напрежение за захранване на следващите степенни мощности.

Въпреки това импулсите от тези етапи могат да бъдат твърде ниски с техните токови изходи и следователно те не могат да се подават директно към трансформатора или към силовите транзистори в изходния етап.

За да се изтласка осцилационният ток до необходимите нива, обикновено се използва междинен стълб на драйвера, който може да се състои от няколко транзистора със средна мощност с голямо усилване или дори нещо по-сложно.

Днес обаче с появата на усъвършенствани MOSFET-та, водачът може да бъде напълно елиминиран.

Това е така, защото MOSFET устройствата са зависими от напрежението и не разчитат на текущите величини за работа.

При наличието на потенциал над 5V през портата и източника, повечето MOSFET-и биха се наситили и провели изцяло през канализацията и източника си, дори ако токът да е само 1 mA

Това прави условията изключително подходящи и лесни за прилагането им за инверторни приложения.

Виждаме, че в горните осцилаторни вериги изходът е единичен източник, но във всички инверторни топологии се изискват алтернативно или противоположно поляризирани пулсиращи изходи от два източника. Това може просто да се постигне чрез добавяне на инверторен стълб (за инвертиране на напрежението) към съществуващия изход от генераторите, вижте фигурите по-долу.

Конфигуриране на осцилаторния етап за проектиране на малки инверторни вериги

Сега нека се опитаме да разберем лесните методи, чрез които гореописаното с осцилаторните стъпала може да бъде прикрепено със степен на мощност за бързо създаване на ефективни инверторни проекти.

Проектиране на инверторна схема с помощта на NOT Gate Oscillator

Следващата фигура показва как малък инвертор може да бъде конфигуриран с помощта на генератор NOT gate, като например от IC 4049.

Тук основно N1 / N2 образува осцилаторния етап, който създава необходимите 50Hz или 60Hz часовници или трептения, необходими за работата на инвертора. N3 се използва за обръщане на тези часовници, защото трябва да приложим противоположно поляризирани часовници за степента на силовия трансформатор.

Въпреки това можем да видим и портите N4, N5 N6, които са конфигурирани през входния и изходния ред на N3.

Всъщност N4, N5, N6 са просто включени за настаняване на 3-те допълнителни порти, налични в IC 4049, иначе само първите N1, N2, N3 могат да бъдат използвани самостоятелно за операциите, без никакви проблеми.

3-те допълнителни портите действат като буфери и също така се уверете, че тези порти не остават несвързани, което в противен случай може да създаде неблагоприятен ефект върху интегралната схема в дългосрочен план.

Противополяризираните часовници през изходите на N4 и N5 / N6 се прилагат към основите на мощността BJT етап, използвайки TIP142 мощност BJT, които са способни да се справят с добър ток от 10 ампера. Трансформаторът може да се види конфигуриран в колекторите на BJT.

Ще откриете, че в горния дизайн не се използват междинни усилватели или каскади на драйвера, тъй като самият TIP142 има вътрешен BJT Дарлингтън етап за необходимото вградено усилване и следователно са в състояние комфортно да усилят часовниците с нисък ток от вратите NOT към високи токови колебания през свързаната намотка на трансформатора.

Още дизайни на инвертор IC 4049 можете да намерите по-долу:

Домашна верига за захранване от 2000 VA

Най-простата верига за непрекъснато захранване (UPS)

Проектиране на инверторна верига с помощта на осмилатор на NAND порта Schmidt Trigger

Следващата фигура показва как осцилаторна верига, използваща IC 4093, може да бъде интегрирана с подобен BJT степен на мощност за създаване на полезен инверторен дизайн .

Фигурата демонстрира малък инверторен дизайн, използващ IC 4093 Schmidt спусъци NAND порта. Съвсем идентично и тук N4 можеше да бъде избегнат и BJT базите можеха да бъдат директно свързани през входовете и изходите N3. Но отново, N4 е включен, за да побере едната допълнителна порта в IC 4093 и да гарантира, че входният му щифт не е оставен несвързан.

Още подобни проекти на инвертор IC 4093 могат да бъдат посочени от следните връзки:

Най-добре модифицирани инверторни схеми

Как да направим слънчева инверторна верига

Как да изградим 400-ватова инверторна верига с висока мощност с вградено зарядно устройство

Как да проектирам схема на UPS - урок

Диаграми на пиновете за IC 4093 и IC 4049

ЗАБЕЛЕЖКА: Vcc и Vss захранващите щифтове на IC не са показани в схемите на инвертора, те трябва да бъдат подходящо свързани с 12V захранване на батерията, за 12V инвертори. За инвертори с по-високо напрежение това захранване трябва да бъде съответно понижено до 12V за захранващите щифтове на IC.

Проектиране на мини инверторна верига с помощта на осцилатор IC 555

От горните примери става съвсем очевидно, че най-основните форми на инвертори могат да бъдат проектирани чрез просто свързване на степен на мощност на трансформатора BJT + с осцилаторна степен.

Следвайки същия принцип, осцилатор IC 555 може да се използва и за проектиране на малък инвертор, както е показано по-долу:

Горната схема е обяснима сама по себе си и може би не изисква допълнителни обяснения.

Още такива схеми на инвертор IC 555 можете да намерите по-долу:

Обикновена инверторна схема IC 555

Разбиране на инверторните топологии (Как да конфигурирам изходния етап)

В горните раздели научихме за осцилаторните етапи, както и за факта, че импулсното напрежение от осцилатора отива направо към предходния изходен етап.

Има предимно три начина, чрез които може да се проектира изходен етап на инвертора.

Чрез използване на:

1. Push Pull Stage (с централен трансформатор), както е обяснено в горните примери
2. Push Pull Half-Bridge Stage
3. Push Pull Full-Bridge или H-Bridge Stage

Изтласкващият етап, използващ централен трансформатор на крана, е най-популярният дизайн, тъй като включва по-опростени изпълнения и дава гарантирани резултати.

Това обаче изисква по-обемни трансформатори и изходът е по-нисък в ефективността.

Няколко инверторни дизайна могат да се видят отдолу, които използват трансформатор с централен кран:

В тази конфигурация основно се използва трансформатор с централен кран, чиито външни кранове са свързани към горещите краища на изходните устройства (транзистори или MOSFET-и), докато централният кран отива или към отрицателното на батерията, или към положителното на батерията в зависимост спрямо типа на използваните устройства (тип N или тип P).

Топология на полумоста

Половината на моста не използва централен трансформатор на крана.

ДА СЕ полумост конфигурацията е по-добра от веригата с централно натискане с издърпване по отношение на компактност и ефективност, но изисква кондензатори с голяма стойност за изпълнение на горните функции.

ДА СЕ пълен мост или H-мостов инвертор е подобен на мрежа с половин мост, тъй като той също включва обикновен трансформатор с два крана и не изисква централен трансформатор на крана.

Единствената разлика е премахването на кондензаторите и включването на още две захранващи устройства.

Топология на пълен мост

Пълна мостова инверторна верига се състои от четири транзистора или MOSFET-та, подредени в конфигурация, наподобяваща буквата „H“.

И четирите устройства могат да бъдат от тип N канал или с два N канала и два P канала в зависимост от използвания етап на външния осцилатор на драйвера.

Подобно на половин мост, пълният мост също изисква отделни, изолирани алтернативно осцилиращи изходи за задействане на устройствата.

Резултатът е същият, свързаният първичен трансформатор е подложен на обратен напред вид превключване на тока на батерията през него. Това генерира необходимото индуцирано засилено напрежение на изходната вторична намотка на трансформатора. Ефективността е най-висока при този дизайн.

Подробности за логиката на транзистора H-Bridge

Следващата диаграма показва типична H-мостова конфигурация, превключването се извършва както по-долу:

1. A HIGH, D HIGH - тласък напред
2. B HIGH, C HIGH - изтегляне назад
3. A HIGH, B HIGH - опасно (забранено)
4. C HIGH, D HIGH - опасно (забранено)

Горното обяснение предоставя основната информация относно проектирането на инвертор и може да бъде включено само за проектиране на обикновени инверторни вериги, обикновено с квадратни вълни.

Съществуват обаче много други концепции, които могат да бъдат свързани с инверторни проекти, като създаване на синусоидален инвертор, инвертор, базиран на ШИМ, инвертор с контролиран изход, това са само допълнителни етапи, които могат да бъдат добавени в обяснените по-горе основни проекти за изпълнение на споменатите функции.

Ще ги обсъдим някой друг път или може да бъде чрез вашите ценни коментари.