Как спроектировать инвертор - теория и руководство

В сообщении объясняются фундаментальные советы и теории, которые могут быть полезны новичкам при разработке или работе с базовыми концепциями инвертора. Узнаем больше.

Что такое инвертор

Это устройство, которое преобразует или инвертирует низкое напряжение и высокий потенциал постоянного тока в слаботочное высокое переменное напряжение, например, от автомобильного источника питания 12 В в выходное напряжение переменного тока 220 В.

Основной принцип вышеупомянутого преобразования

Основной принцип преобразования постоянного тока низкого напряжения в переменный ток высокого напряжения состоит в том, чтобы использовать накопленный высокий ток внутри источника постоянного тока (обычно батареи) и повышать его до высокого напряжения переменного тока.

В основном это достигается за счет использования катушки индуктивности, которая в основном представляет собой трансформатор с двумя наборами обмоток, а именно первичную (вход) и вторичную (выход).

Первичная обмотка предназначена для приема постоянного сильноточного входа, а вторичная - для инвертирования этого входа в соответствующий высоковольтный слаботочный переменный выход.

Что такое переменное напряжение или ток

Под переменным напряжением мы подразумеваем напряжение, которое переключает свою полярность с положительной на отрицательную и наоборот много раз в секунду в зависимости от заданной частоты на входе трансформатора.

Обычно эта частота составляет 50 или 60 Гц, в зависимости от технических характеристик коммунальных предприятий конкретной страны.

Искусственно сгенерированная частота используется с вышеуказанными скоростями для питания выходных каскадов, которые могут состоять из силовых транзисторов, МОП-транзисторов или GBT, интегрированных с силовым трансформатором.

Силовые устройства реагируют на подаваемые импульсы и возбуждают подключенную обмотку трансформатора с соответствующей частотой при заданном токе и напряжении батареи.

Вышеупомянутое действие индуцирует эквивалентное высокое напряжение на вторичной обмотке трансформатора, которое в конечном итоге выдает требуемые 220 В или 120 В переменного тока.

Простое ручное моделирование

Следующее ручное моделирование демонстрирует основной принцип работы двухтактной инверторной схемы с центральным отводным трансформатором.

Когда первичная обмотка переключается попеременно с током батареи, эквивалентное количество напряжения и тока индуцируется во вторичной обмотке через лететь обратно режим, при котором горит подключенная лампочка.

В инверторах, управляемых схемой, реализована та же операция, но с помощью силовых устройств и схемы генератора, которая переключает обмотку гораздо быстрее, обычно с частотой 50 Гц или 60 Гц.

Таким образом, в инверторе одно и то же действие из-за быстрого переключения может привести к тому, что нагрузка всегда будет включенной, хотя в действительности нагрузка будет включаться / выключаться с частотой 50 Гц или 60 Гц.

Как трансформатор преобразует заданный вход

Как обсуждалось выше, трансформатор обычно имеет две обмотки, одну первичную, а другую вторичную.

Две обмотки реагируют таким образом, что при приложении тока переключения к первичной обмотке пропорционально соответствующая мощность будет передаваться через вторичную обмотку посредством электромагнитной индукции.

Поэтому предположим, что если первичная обмотка рассчитана на 12 В, а вторичная на 220 В, колеблющийся или пульсирующий вход постоянного тока 12 В на первичной стороне будет индуцировать и генерировать 220 В переменного тока на вторичных клеммах.

Однако вход в первичную обмотку не может быть постоянным током, то есть, хотя источником может быть постоянный ток, он должен подаваться в импульсной форме или периодически через первичную обмотку, или в форме частоты на заданном уровне, мы имеем обсуждали это в предыдущем разделе.

Это необходимо для того, чтобы можно было реализовать присущие индуктору атрибуты, согласно которым индуктор ограничивает флуктуирующий ток и пытается уравновесить его, подавая эквивалентный ток в систему во время отсутствия входного импульса, что также известно как явление обратного хода. .

Поэтому, когда подается постоянный ток, первичная обмотка сохраняет этот ток, а когда постоянный ток отсоединяется от обмотки, позволяет обмотке отбрасывать накопленный ток через свои клеммы.

Однако, поскольку клеммы отключены, эта обратная ЭДС индуцируется во вторичной обмотке, создавая необходимый переменный ток на вторичных выходных клеммах.

Таким образом, приведенное выше объяснение показывает, что схема генератора импульсов или, проще говоря, схема генератора становится обязательной при проектировании инвертора.

Основные этапы схемы инвертора

Чтобы построить базовый функциональный инвертор с достаточно хорошей производительностью, вам потребуются следующие основные элементы:

• Трансформатор
• Устройства питания, такие как N-канал МОП-транзисторы или NPN Biploar Power Transistors
• Свинцово-кислотная батарея

Блок-схема

Вот блок-схема, которая иллюстрирует, как реализовать вышеуказанные элементы с помощью простой конфигурации (центральный отвод двухтактный).

Как разработать схему генератора для инвертора

Цепь генератора является решающим этапом схемы в любом инверторе, так как этот этап отвечает за переключение постоянного тока на первичную обмотку трансформатора.

Каскад генератора, пожалуй, самая простая часть инверторной схемы. По сути, это нестабильная конфигурация мультивибратора, которую можно создать разными способами.

Вы можете использовать вентили NAND, вентили NOR, устройства со встроенными генераторами, такие как IC 4060, IC LM567 или просто IC 555. Другой вариант - использование транзисторов и конденсаторов в штатном нестабильном режиме.

На следующих изображениях показаны различные конфигурации генераторов, которые можно эффективно использовать для достижения основных колебаний в любой предлагаемой конструкции инвертора.

На следующих диаграммах мы видим несколько популярных схем генераторов, выходы представляют собой прямоугольные импульсы, которые на самом деле являются положительными импульсами, высокие квадратные блоки указывают положительные потенциалы, высота квадратных блоков указывает уровень напряжения, который обычно равен приложенному. напряжение питания на ИС, а ширина квадратных блоков указывает промежуток времени, в течение которого это напряжение остается живым.

Роль генератора в цепи инвертора

Как обсуждалось в предыдущем разделе, каскад генератора необходим для генерации основных импульсов напряжения для питания последующих каскадов мощности.

Однако импульсы от этих каскадов могут быть слишком слабыми для их токовых выходов, и поэтому они не могут быть поданы непосредственно на трансформатор или на силовые транзисторы в выходном каскаде.

Чтобы довести ток колебаний до требуемых уровней, обычно используется промежуточный каскад драйвера, который может состоять из пары транзисторов средней мощности с высоким коэффициентом усиления или даже чего-то более сложного.

Однако сегодня, с появлением сложных МОП-транзисторов, ступень драйвера может быть полностью исключена.

Это связано с тем, что МОП-транзисторы являются устройствами, зависящими от напряжения и не зависят от величины тока для работы.

При наличии потенциала выше 5 В на затворе и истоке большинство МОП-транзисторов будут насыщаться и полностью проводить через свой сток и исток, даже если ток составляет всего 1 мА.

Это делает условия чрезвычайно подходящими и легкими для применения в инверторных приложениях.

Мы можем видеть, что в приведенных выше схемах генератора выход является одним источником, однако во всех топологиях инвертора нам требуются импульсные выходы с попеременной или противоположной поляризацией от двух источников. Этого можно просто достичь, добавив каскад затвора инвертора (для инвертирования напряжения) к существующему выходу генераторов, см. Рисунки ниже.

Конфигурирование каскада осциллятора для проектирования небольших схем инвертора

Теперь давайте попробуем понять простые методы, с помощью которых описанные выше каскады генератора могут быть соединены с каскадом мощности для быстрого создания эффективных конструкций инверторов.

Разработка схемы инвертора с использованием генератора НЕ-затвора

На следующем рисунке показано, как можно сконфигурировать небольшой инвертор с использованием генератора НЕ затвора, такого как IC 4049.

Здесь в основном N1 / N2 формирует каскад генератора, который создает необходимые тактовые частоты 50 Гц или 60 Гц или колебания, необходимые для работы инвертора. N3 используется для инвертирования этих часов, потому что нам нужно применить часы с противоположной поляризацией для каскада силового трансформатора.

Однако мы также можем видеть вентили N4, N5, N6, которые настроены на входной и выходной линиях N3.

На самом деле N4, N5, N6 просто включены для размещения 3 дополнительных вентилей, доступных внутри IC 4049, в противном случае только первые N1, N2, N3 могут быть использованы для операций без каких-либо проблем.

3 дополнительных ворота действуют как буферы а также убедитесь, что эти вентили не остаются неподключенными, иначе это может негативно повлиять на ИС в долгосрочной перспективе.

Синхронизирующие импульсы с противоположной поляризацией на выходах N4 и N5 / N6 подаются на базы силового каскада BJT с использованием мощных BJT TIP142, которые способны выдерживать хороший ток 10 А. Можно увидеть конфигурацию трансформатора на коллекторах BJT.

Вы обнаружите, что в вышеупомянутой конструкции не используются промежуточные усилители или каскады драйверов, потому что сам TIP142 имеет внутренний каскад Дарлингтона BJT для необходимого встроенного усиления и, следовательно, может с комфортом усилить тактовые частоты с низким током от ворот НЕ до высоких колебания тока в подключенной обмотке трансформатора.

Больше инверторов IC 4049 можно найти ниже:

Самодельная схема инвертора мощности 2000 ВА

Простейшая схема источника бесперебойного питания (ИБП)

Проектирование схемы инвертора с использованием генератора затвора NAND триггера Шмидта

На следующем рисунке показано, как схему генератора, использующую IC 4093, можно интегрировать с аналогичным силовым каскадом BJT для создания полезная конструкция инвертора .

На рисунке показана конструкция небольшого инвертора, использующего триггерные вентили И-НЕ IC 4093 Шмидта. Совершенно идентично и здесь можно было бы избежать N4, и базы BJT могли бы быть напрямую подключены через входы и выходы N3. Но опять же, N4 включен, чтобы разместить один дополнительный вентиль внутри IC 4093 и гарантировать, что его входной контакт не останется неподключенным.

Более похожие конструкции инвертора IC 4093 можно найти по следующим ссылкам:

Лучшие модифицированные схемы инвертора

Как сделать схему солнечного инвертора

Как построить схему инвертора высокой мощности на 400 Вт со встроенным зарядным устройством

Как разработать схему ИБП - Учебное пособие

Схемы распиновки IC 4093 и IC 4049

ПРИМЕЧАНИЕ. Контакты питания Vcc и Vss микросхемы не показаны на схемах инвертора, они должны быть надлежащим образом подключены к источнику питания от батареи 12 В для инверторов 12 В. Для инверторов с более высоким напряжением этот источник питания должен быть соответствующим образом понижен до 12 В для контактов питания IC.

Разработка схемы мини-инвертора с использованием осциллятора IC 555

Из приведенных выше примеров становится совершенно очевидным, что самые простые формы инверторов могут быть разработаны путем простого соединения силового каскада трансформатора BJT + с каскадом генератора.

Следуя тому же принципу, генератор IC 555 также может быть использован для создания небольшого инвертора, как показано ниже:

Приведенная выше схема не требует пояснений и, возможно, не требует дополнительных пояснений.

Больше такой схемы инвертора IC 555 можно найти ниже:

Схема простого инвертора IC 555

Понимание топологии инвертора (как настроить выходной каскад)

В предыдущих разделах мы узнали о каскадах генератора, а также о том факте, что импульсное напряжение от генератора поступает прямо на предыдущий выходной каскад мощности.

Существует три основных способа создания выходного каскада инвертора.

Используя:

1. Двухтактный каскад (с центральным трансформатором ответвления), как описано в примерах выше.
2. Пуш-пул-полумостовой этап
3. Пуш-пул-полный мост или ступень с Н-мостом

Двухтактный каскад с центральным отводным трансформатором является наиболее популярной конструкцией, поскольку включает более простые реализации и дает гарантированные результаты.

Однако для этого требуются более громоздкие трансформаторы, а выходная мощность ниже по КПД.

Ниже можно увидеть несколько вариантов инверторов, в которых используется трансформатор с центральным ответвлением:

В этой конфигурации в основном используется трансформатор с центральным отводом, внешние отводы которого подключены к горячим концам выходных устройств (транзисторы или МОП-транзисторы), в то время как центральный отвод идет либо на минус батареи, либо на плюс батареи, в зависимости от от типа используемых устройств (тип N или тип P).

Полумостовая топология

Ступень полумоста не использует трансформатор центрального отвода.

К полумост конфигурация лучше, чем двухтактная схема с центральным ответвлением, с точки зрения компактности и эффективности, однако для реализации вышеуказанных функций требуются конденсаторы большой емкости.

К полный мост или H-мостовой инвертор похожа на полумостовую сеть, поскольку она также включает в себя обычный двухотводный трансформатор и не требует центрального трансформатора.

Единственное отличие - устранение конденсаторов и включение еще двух силовых устройств.

Топология полного моста

Схема полного мостового инвертора состоит из четырех транзисторов или МОП-транзисторов, расположенных в конфигурации, напоминающей букву «H».

Все четыре устройства могут быть N-канального типа или с двумя N-канальными и двумя P-каналами, в зависимости от используемого каскада внешнего генератора.

Как и полумост, полный мост также требует отдельных изолированных выходов с чередованием колебаний для запуска устройств.

Результат тот же, первичная обмотка подключенного трансформатора подвергается обратному прямому переключению тока батареи через нее. Это создает необходимое индуцированное повышенное напряжение на выходной вторичной обмотке трансформатора. Эта конструкция обеспечивает максимальную эффективность.

Детали логики H-мостового транзистора

На следующей диаграмме показана типичная конфигурация H-моста, переключение выполняется, как показано ниже:

1. A HIGH, D HIGH - толчок вперед
2. B HIGH, C HIGH - обратная тяга
3. A HIGH, B HIGH - опасно (запрещено)
4. C HIGH, D HIGH - опасно (запрещено)

Вышеупомянутое объяснение предоставляет основную информацию о том, как проектировать инвертор, и может быть включено только для проектирования обычных инверторных схем, обычно прямоугольных типов.

Однако есть много дополнительных концепций, которые могут быть связаны с конструкциями инверторов, например создание синусоидального инвертора, инвертора на основе ШИМ, инвертора с управляемым выходом, это всего лишь дополнительные этапы, которые могут быть добавлены в описанные выше базовые конструкции для реализации указанных функций.

Мы обсудим их в другой раз или, возможно, через ваши ценные комментарии.