Sådan designes en inverter - teori og vejledning

Indlægget forklarer de grundlæggende tip og teorier, som kan være nyttige for de nyankomne, mens de designer eller beskæftiger sig med grundlæggende inverterkoncepter. Lad os lære mere.

Hvad er en inverter?

Det er en enhed, der konverterer eller inverterer en lav spænding, et højt jævnstrømspotentiale til en lavstrøm med høj vekselspænding, f.eks. Fra en 12V bilbatterikilde til 220V vekselstrømsudgang.

Grundlæggende princip bag ovenstående konvertering

Det grundlæggende princip bag konvertering af en lavspændings-DC til en højspændings-AC er at bruge den lagrede høje strøm inde i en DC-kilde (normalt et batteri) og træde den op til en højspændings-AC.

Dette opnås grundlæggende ved hjælp af en induktor, der primært er en transformer med to sæt vikling, nemlig primær (input) og sekundær (output).

Den primære vikling er beregnet til modtagelse af den direkte høje strømindgang, mens den sekundære er til at invertere denne indgang til den tilsvarende højspændings lavstrøm alternerende output.

Hvad er vekselspænding eller strøm

Ved skiftevis spænding mener vi en spænding, der skifter dens polaritet fra positiv til negativ og omvendt mange gange i sekundet afhængigt af den indstillede frekvens ved transformatorens indgang.

Generelt er denne frekvens en 50Hz eller 60 Hz afhængigt af det specifikke lands specifikationer.

En kunstigt genereret frekvens anvendes ved de ovennævnte hastigheder til tilførsel af udgangstrinnene, som kan bestå af effekttransistorer eller mosfeter eller GBT'er integreret med effekttransformatoren.

Kraftenhederne reagerer på de tilførte impulser og driver den tilsluttede transformatorvikling med den tilsvarende frekvens ved den givne batteristrøm og spænding.

Ovennævnte handling inducerer en ækvivalent højspænding på tværs af transformatorens sekundære vikling, som i sidste ende udsender den krævede 220V eller 120V AC.

En simpel manuel simulering

Den følgende manuelle simulering viser det grundlæggende funktionsprincip for et centerhane-transformatorbaseret push pull-inverter-kredsløb.

Når den primære vikling skiftes skiftevis med en batteristrøm, induceres en ækvivalent mængde spænding og strøm gennem sekundærviklingen gennem flyve tilbage tilstand, der lyser den tilsluttede pære.

I et omskifter, der drives af kredsløb, implementeres den samme operation, men gennem strømudstyr og et oscillatorkredsløb, der skifter viklingen i et meget hurtigere tempo, normalt med en hastighed på 50Hz eller 60Hz.

I en inverter vil således den samme handling på grund af hurtig omskiftning medføre, at belastningen altid vises ON, selvom belastningen i virkeligheden vil blive tændt / slukket ved 50Hz eller 60Hz hastighed.

Hvordan transformeren konverterer en given input

Som diskuteret ovenfor er transformer vil normalt have to vikling, den ene primær og den anden sekundær.

De to viklinger reagerer på en sådan måde, at når en koblingsstrøm påføres ved den primære vikling, vil det medføre, at en forholdsmæssigt relevant effekt overføres over sekundærviklingen gennem elektromagnetisk induktion.

Antag derfor, at hvis den primære er klassificeret til 12V og den sekundære ved 220V, ville en oscillerende eller pulserende 12V DC-indgang til den primære side inducere og generere en 220V AC over de sekundære terminaler.

Indgangen til den primære kan dog ikke være en jævnstrøm, hvilket betyder, at selv om kilden kan være en jævnstrøm, skal den anvendes i en pulserende form eller intermitterende på tværs af den primære eller i form af en frekvens på det specificerede niveau, vi har diskuterede dette i det foregående afsnit.

Dette kræves, så de indbyggede attributter for en induktor kan implementeres, ifølge hvilke en induktor begrænser en svingende strøm og forsøger at afbalancere den ved at smide en ækvivalent strøm ind i systemet under fravær af indgangspulsen, også kendt som flyback-fænomen. .

Derfor, når jævnstrømmen påføres, lagrer den primære denne strøm, og når jævnstrømmen er afbrudt fra viklingen, tillader viklingen at sparke den lagrede strøm tilbage gennem dens terminaler.

Men da terminalerne er afbrudt, induceres denne tilbage-emf i sekundærviklingen, hvilket udgør den krævede AC over de sekundære outputterminaler.

Ovenstående forklaring viser således, at et pulserekredsløb eller mere enkelt sagt, et oscillatorkredsløb bliver bydende nødvendigt, mens en inverter designes.

Grundlæggende kredsløbsfaser af en inverter

For at opbygge en grundlæggende funktionel inverter med rimelig god ydelse har du brug for følgende grundlæggende elementer:

• Transformer
• Power Devices, såsom N-kanal MOSFET'er eller NPN Biploar Power Transistors
• Blybatteri

Blokdiagram

Her er blokdiagrammet, der illustrerer, hvordan man implementerer ovenstående elementer med en simpel konfiguration (center tap push-pull).

Sådan designes et oscillatorkredsløb til en inverter

Et oscillatorkredsløb er det afgørende kredsløbstrin i enhver inverter, da dette trin bliver ansvarlig for at skifte DC til transformatorens primære vikling.

Et oscillatortrin er måske den enkleste del i et inverterkredsløb. Det er dybest set en astabel multivibratorkonfiguration, som kan laves på mange forskellige måder.

Du kan bruge NAND-porte, NOR-porte, enheder med indbyggede oscillatorer som IC 4060, IC LM567 eller bare fuldstændig en 555 IC. En anden mulighed er brugen af ​​transistorer og kondensatorer i standard astabel tilstand.

De følgende billeder viser de forskellige oscillatorkonfigurationer, som effektivt kan anvendes til at opnå de grundlæggende svingninger for ethvert foreslået inverterdesign.

I de følgende diagrammer ser vi et par populære oscillatorkredsløbskonstruktioner, udgangene er firkantede bølger, der faktisk er positive impulser, de høje firkantede blokke indikerer positive potentialer, højden af ​​firkantede blokke angiver spændingsniveauet, som normalt er lig med den anvendte forsyningsspænding til IC, og bredden af ​​de firkantede blokke angiver det tidsrum, som denne spænding forbliver i live.

Rollen for en oscillator i et inverter kredsløb

Som diskuteret i det foregående afsnit kræves et oscillatortrin til generering af basisspændingsimpulser til tilførsel af de efterfølgende effekttrin.

Imidlertid kan impulser fra disse trin være for lave med deres aktuelle udgange, og derfor kan den ikke tilføres direkte til transformeren eller til effekttransistorer i outputtrinet.

For at skubbe svingningsstrømmen til de krævede niveauer anvendes normalt et mellemliggende drivertrin, der kan bestå af et par mellemstore transistorer med høj forstærkning eller endda noget mere komplekst.

Men i dag med fremkomsten af ​​sofistikerede mosfeter kan et førertrin muligvis helt elimineres.

Dette skyldes, at mosfeter er spændingsafhængige enheder og ikke er afhængige af nuværende størrelsesorden til drift.

Med tilstedeværelsen af ​​et potentiale over 5V over deres port og kilde, ville de fleste mosfeter mætte og lede fuldt ud over deres afløb og kilde, selvom strømmen er så lav som 1mA

Dette gør forholdene meget egnede og lette at anvende dem til inverterapplikationer.

Vi kan se, at i ovenstående oscillatorkredsløb er outputen en enkelt kilde, men i alle inverter-topologier kræver vi en skiftevis eller modsat polariseret pulserende udgang fra to kilder. Dette kan simpelthen opnås ved at tilføje et inverterport-trin (til invertering af spænding) til det eksisterende output fra oscillatorerne, se figurerne nedenfor.

Konfiguration af oscillatortrin til design af små inverterkredsløb

Lad os nu prøve at forstå de nemme metoder, hvorigennem ovenstående forklaret med oscillatortrin kan fastgøres med et effekttrin for hurtigt at skabe effektive inverterdesign.

Design af et inverterkredsløb ved hjælp af NOT Gate Oscillator

Følgende figur viser, hvordan en lille inverter kan konfigureres ved hjælp af en IKKE gate-oscillator som fra IC 4049.

Her danner grundlæggende N1 / N2 oscillatorstrinet, som skaber de krævede 50Hz eller 60Hz ure eller svingninger, der kræves til inverteren. N3 bruges til at invertere disse ure, fordi vi skal anvende modsat polariserede ure til strømtransformatorstadiet.

Vi kan dog også se N4-, N5 N6-porte, der er konfigureret på tværs af indgangslinjen og outputlinjen på N3.

Faktisk N4, N5, N6 er simpelthen inkluderet til at rumme de 3 ekstra porte til rådighed inde i IC 4049, ellers kunne kun den første N1, N2, N3 bruges alene til operationerne uden problemer.

De 3 ekstra porte fungerer som buffere og sørg også for, at disse porte ikke efterlades uden forbindelse, hvilket ellers kan skabe negativ indvirkning på IC på lang sigt.

De modsat polariserede ure på tværs af udgangene fra N4 og N5 / N6 påføres baserne for strøm BJT-scenen ved hjælp af TIP142 effekt BJT'er, som er i stand til at håndtere en god 10 amp strøm. Transformeren kan ses konfigureret på tværs af BJT'ernes samlere.

Du finder ud af, at der ikke anvendes nogen mellemforstærker eller driver-trin i ovenstående design, fordi selve TIP142 har et internt BJT Darlington-trin til den krævede indbyggede forstærkning og derfor er i stand til komfortabelt at forstærke de lave strømure fra IKKE-porte til høje aktuelle svingninger over den tilsluttede transformatorvikling.

Flere IC 4049 inverter design kan findes nedenfor:

Hjemmelavet 2000 VA Power Inverter Circuit

Enkleste UPS-kredsløb uden afbrydelse

Designe et inverter kredsløb ved hjælp af Schmidt Trigger NAND gate oscillator

Følgende figur viser, hvordan et oscillatorkredsløb ved hjælp af IC 4093 kan integreres med et lignende BJT-effektstrin til at skabe et nyttigt inverter design .

Figuren viser et lille inverterdesign ved hjælp af IC 4093 Schmidt trigger NAND-porte. Helt identisk også her kunne N4 have været undgået, og BJT-baserne kunne have været direkte forbundet over indgangene og udgangene N3. Men igen er N4 inkluderet for at rumme den ene ekstra port inde i IC 4093 og for at sikre, at dens inputpind ikke efterlades uden forbindelse.

Mere lignende IC 4093-inverterdesign kan henvises fra følgende links:

Bedste modificerede inverter kredsløb

Sådan oprettes et solcelleomformerkredsløb

Sådan opbygges et 400 watt inverter-kredsløb med høj effekt med indbygget oplader

Sådan designes et UPS-kredsløb - Vejledning

Pinout-diagrammer til IC 4093 og IC 4049

BEMÆRK: Vcc- og Vss-forsyningsstifterne på IC'en er ikke vist i inverterdiagrammerne, disse skal forbindes korrekt med 12V-batteriforsyningen til 12V-omformere. For højere spændingsomformere skal denne forsyning trækkes passende ned til 12V for IC-forsyningsstifterne.

Design af et Mini Inverter Circuit ved hjælp af IC 555 Oscillator

Fra ovenstående eksempler bliver det ganske tydeligt, at de mest basale former for invertere kunne designes ved simpelthen at koble et BJT + transformatoreffektstrin med et oscillatorstrin.

Efter samme princip kan en IC 555-oscillator også bruges til at designe en lille inverter som vist nedenfor:

Ovenstående kredsløb er selvforklarende og kræver muligvis ikke yderligere forklaring.

Flere sådanne IC 555 inverter kredsløb kan findes nedenfor:

Simpel IC 555 inverter kredsløb

Forståelse af inverter-topologier (Sådan konfigureres outputfasen)

I ovenstående afsnit lærte vi om oscillatorstadierne og også det faktum, at den pulserende spænding fra oscillatoren går direkte til det foregående effektudgangstrin.

Der er primært tre måder, hvorpå et outputtrin for en inverter kan designes.

Ved at bruge en:

1. Push Pull Stage (med Center Tap Transformer) som forklaret i eksemplerne ovenfor
2. Push Pull Half-Bridge Stage
3. Push Pull Full Bridge eller H-Bridge Stage

Push pull-scenen ved hjælp af en centerhanetransformator er det mest populære design, fordi det involverer enklere implementeringer og giver garanterede resultater.

Imidlertid kræver det større transformere, og output er lavere i effektivitet.

Et par inverterkonstruktioner kan ses nedenfor, som anvender en centerhanetransformator:

I denne konfiguration bruges dybest set en center-tap transformer med dens ydre vandhaner forbundet til de varme ender af outputenhederne (transistorer eller mosfets), mens centerhanen enten går til det negative af batteriet eller til det positive af batteriet afhængigt af på den anvendte type enheder (N-type eller P-type).

Halvbro-topologi

Et halvbro-trin gør ikke brug af en centerhane-transformer.

TIL halv bro konfiguration er bedre end en center tap push pull type kredsløb med hensyn til kompakthed og effektivitet, men det kræver store kondensatorer til implementering af ovenstående funktioner.

TIL fuld bro eller en H-bro inverter ligner et halvbro-netværk, da det også indeholder en almindelig to-tap transformer og ikke kræver en center tap transformer.

Den eneste forskel er fjernelsen af ​​kondensatorerne og inkluderingen af ​​yderligere to strømforsyninger.

Fullbro Topologi

Et fuldbroinverter kredsløb består af fire transistorer eller mosfeter arrangeret i en konfiguration, der ligner bogstavet 'H'.

Alle de fire enheder kan være N-kanaltype eller med to N-kanaler og to P-kanaler afhængigt af det eksterne driveroscillatortrin, der bruges.

Ligesom en halv bro kræver en fuld bro også separate, isolerede skiftevis oscillerende udgange for at udløse enhederne.

Resultatet er det samme, den tilsluttede transformator primære udsættes for en omvendt fremadskiftning af batteristrømmen gennem den. Dette genererer den krævede inducerede forstærkede spænding over transformatorens udgangssekundære vikling. Effektiviteten er højest med dette design.

H-Bridge transistor logiske detaljer

Følgende diagram viser en typisk H-brokonfiguration, skiftet foretages som under:

1. A HIGH, D HIGH - skub fremad
2. B HIGH, C HIGH - omvendt træk
3. A HIGH, B HIGH - farligt (forbudt)
4. C HIGH, D HIGH - farligt (forbudt)

Ovenstående forklaring giver de grundlæggende oplysninger om, hvordan man designer en inverter, og kan kun være inkorporeret til design af almindelige inverter-kredsløb, typisk firkantbølgetyperne.

Imidlertid er der mange yderligere begreber, der kan være forbundet med inverterdesign som at fremstille en sinusbølge-inverter, PWM-baseret inverter, outputstyret inverter, dette er bare yderligere trin, der kan tilføjes i de ovenfor forklarede grundlæggende designs til implementering af de nævnte funktioner.

Vi vil diskutere dem et andet tidspunkt eller kan være gennem dine værdifulde kommentarer.