Hur man utformar en växelriktare - teori och handledning

Inlägget förklarar de grundläggande tips och teorier som kan vara användbara för nykomlingarna när de utformar eller hanterar grundläggande inverterarkoncept. Låt oss lära oss mer.

Vad är en inverterare?

Det är en enhet som omvandlar eller inverterar en lågspänning, hög likspänningspotential till en låg växelström med hög växelström, t.ex. från en 12V-batterikälla till 220V växelström.

Grundprincip bakom ovanstående omvandling

Den grundläggande principen bakom omvandling av en lågspänningsström till en högspännings växelström är att använda den lagrade högströmmen inuti en likströmskälla (normalt ett batteri) och öka den till en högspänningsström.

Detta uppnås i princip genom att använda en induktor, som i första hand är en transformator med två uppsättningar lindning, nämligen primär (ingång) och sekundär (utgång).

Den primära lindningen är avsedd för mottagning av likströmsingången medan den sekundära är för att invertera denna ingång till motsvarande högspänningsväxelväxelutgång.

Vad är växelspänning eller ström

Med växelspänning menar vi en spänning som växlar sin polaritet från positiv till negativ och vice versa många gånger per sekund beroende på den inställda frekvensen vid transformatorns ingång.

Generellt är denna frekvens 50Hz eller 60Hz beroende på landets speciella specifikationer.

En artificiellt genererad frekvens används vid ovanstående hastigheter för matning av utgångsstegen som kan bestå av effekttransistorer eller mosfetter eller GBT integrerade med effekttransformatorn.

Kraftenheterna svarar på de matade pulserna och driver den anslutna transformatorlindningen med motsvarande frekvens vid given batteriström och spänning.

Ovanstående åtgärd inducerar en ekvivalent högspänning över transformatorns sekundärlindning som slutligen matar ut den nödvändiga 220V eller 120V AC.

En enkel manuell simulering

Följande manuella simulering visar den grundläggande funktionsprincipen för en kran för transformatorbaserad push-pull-växelriktare.

När primärlindningen växlas växelvis med en batteriström induceras en motsvarande mängd spänning och ström över sekundärlindningen flyga tillbaka läge som lyser upp den anslutna lampan.

I en kretsdriven växelriktare genomförs samma operation men genom kraftenheter och en oscillatorkrets som växlar lindningen i mycket snabbare takt, vanligtvis med en hastighet på 50Hz eller 60Hz.

Sålunda, i en växelriktare skulle samma åtgärd på grund av snabb omkoppling få lasten att alltid visas PÅ, även om belastningen i verkligheten skulle vara PÅ / AV vid 50Hz eller 60Hz hastighet.

Hur transformatorn konverterar en given ingång

Som diskuterats ovan har transformator har vanligtvis två lindningar, en primär och en sekundär.

De två lindningarna reagerar på ett sådant sätt att a när en omkopplingsström appliceras vid den primära lindningen skulle orsaka att en proportionellt relevant effekt överförs över sekundärlindningen genom elektromagnetisk induktion.

Antag därför att om primärvärdet är 12V och sekundärt vid 220V, skulle en oscillerande eller pulserande 12V DC-ingång till primärsidan inducera och generera en 220V växelström över de sekundära terminalerna.

Ingången till primären kan dock inte vara en likström, vilket betyder att även om källan kan vara en likström, måste den appliceras i pulserad form eller intermittent över den primära, eller i form av en frekvens på den angivna nivån, vi har diskuterade detta i föregående avsnitt.

Detta krävs så att en induktans attribut kan implementeras, enligt vilken en induktor begränsar en fluktuerande ström och försöker balansera den genom att kasta en ekvivalent ström i systemet under frånvaron av ingångspulsen, även känd som flyback-fenomen. .

Därför, när likströmmen appliceras, lagrar den primära strömmen, och när likströmmen kopplas bort från lindningen, låter lindningen sparka tillbaka den lagrade strömmen över sina terminaler.

Eftersom terminalerna är frånkopplade, induceras emellertid denna bakre emf i sekundärlindningen, vilket utgör den erforderliga växelströmmen över de sekundära utgångarna.

Ovanstående förklaring visar således att en pulserarkrets eller enklare sagt, en oscillatorkrets blir absolut nödvändig vid utformning av en växelriktare.

Grundläggande kretslopp för en växelriktare

För att bygga en grundläggande funktionell inverter med rimligt bra prestanda behöver du följande grundläggande element:

• Transformator
• Kraftenheter, till exempel N-kanal MOSFET eller NPN Biploar Power Transistors
• Blybatteri

Blockdiagram

Här är blockschemat som illustrerar hur du implementerar ovanstående element med en enkel konfiguration (mittknapp push-pull).

Hur man utformar en oscillatorkrets för en växelriktare

En oscillatorkrets är det avgörande kretssteget i alla inverterare, eftersom detta steg blir ansvarigt för att växla likströmmen till transformatorns primärlindning.

Ett oscillatorsteg är kanske den enklaste delen i en växelriktarkrets. Det är i grunden en astabel multivibratorkonfiguration som kan göras på många olika sätt.

Du kan använda NAND-grindar, NOR-grindar, enheter med inbyggda oscillatorer som IC 4060, IC LM567 eller helt enkelt en 555 IC. Ett annat alternativ är användningen av transistorer och kondensatorer i standard astabelt läge.

Följande bilder visar de olika oscillatorkonfigurationerna som effektivt kan användas för att uppnå de grundläggande svängningarna för alla föreslagna inverterkonstruktioner.

I följande diagram ser vi några populära oscillatorkretsdesigner, utgångarna är fyrkantiga vågor som faktiskt är positiva pulser, de höga fyrkantiga blocken indikerar positiva potentialer, höjden på fyrkantiga blocken anger spänningsnivån, som normalt är lika med den applicerade matningsspänning till IC, och bredden på fyrkantiga block indikerar den tidsperiod som denna spänning förblir vid liv.

Rollen för en oscillator i en växelriktarkrets

Som diskuterats i föregående avsnitt krävs ett oscillatorsteg för att generera basspänningspulser för matning av de efterföljande effektstegen.

Impulserna från dessa steg kan dock vara för låga med sina nuvarande utgångar, och därför kan den inte matas direkt till transformatorn eller till effekttransistorerna i utgångssteget.

För att pressa svängningsströmmen till de önskade nivåerna används normalt ett mellanliggande drivsteg, som kan bestå av ett par medelstora transistorer med hög förstärkning eller till och med något mer komplext.

Men idag med tillkomsten av sofistikerade myggor kan ett förarstadium elimineras helt.

Detta beror på att mosfetter är spänningsberoende enheter och inte är beroende av strömstorlek för drift.

Med närvaron av en potential över 5V över deras grind och källa, skulle de flesta mosfetter mättas och leda helt över avloppet och källan, även om strömmen är så låg som 1mA

Detta gör förhållandena väldigt lämpliga och enkla att använda för inverterapplikationer.

Vi kan se att i ovannämnda oscillatorkretsar är utgången en enda källa, men i alla inverterartopologier kräver vi alternerande eller motsatt polariserade pulserande utgångar från två källor. Detta kan enkelt uppnås genom att lägga till ett invertergrindsteg (för att invertera spänningen) till den befintliga utgången från oscillatorerna, se figurerna nedan.

Konfigurera oscillatorstadiet för att designa små växelriktarkretsar

Låt oss nu försöka förstå de enkla metoderna genom vilka ovanstående förklarade med oscillatorsteg kan fästas med ett effektsteg för att snabbt skapa effektiva inverterkonstruktioner.

Designa en växelriktarkrets med NOT Gate Oscillator

Följande bild visar hur en liten växelriktare kan konfigureras med en INTE grindoscillator som från IC 4049.

Här bildar i princip N1 / N2 oscillatorsteget som skapar de erforderliga 50Hz eller 60Hz klockorna eller svängningarna som krävs för växelriktarens drift. N3 används för att invertera dessa klockor eftersom vi måste använda motsatt polariserade klockor för krafttransformatorsteget.

Vi kan dock också se N4, N5 N6-grindar, som är konfigurerade över ingångslinjen och utgångslinjen för N3.

Egentligen ingår N4, N5, N6 helt enkelt för att ta emot de 3 extra grindarna som finns tillgängliga i IC 4049, annars kan bara den första N1, N2, N3 användas ensamt för operationerna, utan några problem.

De tre extra grindar fungerar som buffertar och se också till att dessa grindar inte lämnas oanslutna, vilket annars kan ge negativ effekt på IC på lång sikt.

De motsatt polariserade klockorna över utgångarna från N4 och N5 / N6 appliceras på basen av kraft BJT-steg med TIP142 effekt BJT, som kan hantera en bra 10 A ström. Transformatorn kan ses konfigurerad över samlare av BJT.

Du kommer att upptäcka att inga mellanförstärkare eller drivsteg används i ovanstående design eftersom TIP142 i sig har ett internt BJT Darlington-steg för den erforderliga inbyggda förstärkningen och därför kan bekvämt förstärka klockorna med låg ström från NOT-grindarna till höga strömsvängningar över den anslutna transformatorlindningen.

Fler IC 4049-inverterkonstruktioner hittar du nedan:

Hemmagjord 2000 VA effektomvandlare

Enklaste kretsen för oavbruten strömförsörjning (UPS)

Designa en växelriktarkrets med Schmidt Trigger NAND gate Oscillator

Följande bild visar hur en oscillatorkrets med IC 4093 kan integreras med ett liknande BJT-effektsteg för att skapa en användbar inverterdesign .

Figuren visar en liten inverterdesign med IC 4093 Schmidt trigger NAND-grindar. Helt identiskt också här kunde N4 ha undvikits och BJT-baserna kunde ha varit direkt anslutna över ingångarna och utgångarna N3. Men återigen ingår N4 för att rymma en extra grind inuti IC 4093 och för att säkerställa att dess ingångsstift inte lämnas fritt.

Fler liknande IC 4093-inverterkonstruktioner kan hänvisas från följande länkar:

Bästa modifierade inverterarkretsar

Hur man gör en solenergikrets

Hur man bygger en 400 Watt högeffektsomvandlare med inbyggd laddare

Hur man utformar en UPS-krets - Handledning

Pinout-diagram för IC 4093 och IC 4049

OBS: Vcc- och Vss-matningsstiften på IC visas inte i växelriktardiagrammen, dessa måste anslutas på lämpligt sätt till 12V-batteriförsörjningen, för 12V-omformare. För högre spänningsomformare måste denna matning lämpligen trappas ner till 12V för IC-matningsstift.

Designa en Mini Inverter Circuit med IC 555 Oscillator

Från ovanstående exempel blir det ganska uppenbart att de mest grundläggande formerna av växelriktare kan utformas genom att helt enkelt koppla ett BJT + transformatoreffektsteg med ett oscillatorsteg.

Enligt samma princip kan en IC 555-oscillator också användas för att designa en liten växelriktare som visas nedan:

Ovanstående krets är självförklarande och kräver kanske ingen ytterligare förklaring.

Fler sådana IC 555-inverterarkretsar kan hittas nedan:

Enkel IC 555-inverterarkrets

Förstå inverterartopologier (hur man konfigurerar utgångssteget)

I ovanstående avsnitt lärde vi oss om oscillatorstegen, och också det faktum att den pulsade spänningen från oscillatorn går direkt till föregående effektutgångssteg.

Det finns främst tre sätt genom vilka ett utgångssteg för en växelriktare kan utformas.

Genom att använda en:

1. Push Pull Stage (med Center Tap Transformer) som förklaras i ovanstående exempel
2. Push Pull Half-Bridge Stage
3. Push Pull Full-Bridge eller H-Bridge Stage

Push pull-steget med en mittkranstransformator är den mest populära designen eftersom den involverar enklare implementeringar och ger garanterade resultat.

Det kräver dock större transformatorer och effekten är lägre i effektivitet.

Ett par inverterkonstruktioner kan ses nedan som använder en mittkranstransformator:

I den här konfigurationen används i princip en mittkranstransformator med dess yttre kranar anslutna till de varma ändarna på utgångsenheterna (transistorer eller mosfetter) medan mittkranen antingen går till det negativa av batteriet eller till det positiva av batteriet beroende på beroende på vilken typ av enheter som används (N-typ eller P-typ).

Half-Bridge Topology

Ett halvbroscen använder inte en mittkranstransformator.

TILL halv bro konfiguration är bättre än en krets av typen kran för mittknapptryck när det gäller kompakthet och effektivitet, men det kräver kondensatorer med stort värde för att implementera ovanstående funktioner.

TILL helbrygga eller en H-broomvandlare liknar ett halvbrygganät eftersom det också innehåller en vanlig två-kranstransformator och inte kräver en mittkranstransformator.

Den enda skillnaden är eliminering av kondensatorerna och införandet av ytterligare två kraftenheter.

Fullbro-topologi

En fullbrygga-inverterarkrets består av fyra transistorer eller myggar anordnade i en konfiguration som liknar bokstaven 'H'.

Alla de fyra enheterna kan vara N-kanaltyp eller med två N-kanaler och två P-kanaler beroende på det externa föraroscillatorsteget som används.

Precis som en halvbrygga kräver en helbrygga också separata, isolerade alternerande oscillerande utgångar för att utlösa enheterna.

Resultatet är detsamma, den anslutna transformatorn primär utsätts för en omvänd framåt typ av omkoppling av batteriströmmen genom den. Detta genererar den nödvändiga inducerade ökade spänningen över transformatorns sekundära lindning. Effektiviteten är högst med denna design.

H-Bridge transistors logiska detaljer

Följande diagram visar en typisk H-bryggkonfiguration, omkopplingen görs enligt nedan:

1. A HÖG, D HÖG - framåt
2. B HÖG, C HÖG - omvänd drag
3. A HIGH, B HIGH - farligt (förbjudet)
4. C HÖG, D HÖG - farligt (förbjudet)

Ovanstående förklaring tillhandahåller grundläggande information om hur man konstruerar en växelriktare och kan endast införlivas för utformning av vanliga växelriktarkretsar, typiskt fyrkantvågstyperna.

Det finns emellertid många andra begrepp som kan associeras med inverterkonstruktioner som att göra en sinusomvandlare, PWM-baserad inverter, utgångsstyrd växelriktare, detta är bara ytterligare steg som kan läggas till i ovan beskrivna grundläggande konstruktioner för implementering av nämnda funktioner.

Vi kommer att diskutera dem någon annan gång eller genom dina värdefulla kommentarer.