Jak zaprojektować falownik - teoria i samouczek

Wypróbuj Nasz Instrument Do Eliminowania Problemów





W poście wyjaśniono podstawowe wskazówki i teorie, które mogą być przydatne dla nowicjuszy podczas projektowania lub zajmowania się podstawowymi koncepcjami falownika. Dowiedzmy się więcej.

Co to jest falownik

Jest to urządzenie, które przekształca lub przekształca niskie napięcie, wysoki potencjał prądu stałego w niskie napięcie, wysokie napięcie przemienne, takie jak ze źródła akumulatora samochodowego 12 V na wyjście 220 V AC.



Podstawowa zasada powyższej konwersji

Podstawową zasadą konwersji niskiego napięcia prądu stałego na prąd przemienny o wysokim napięciu jest wykorzystanie zmagazynowanego wysokiego prądu wewnątrz źródła prądu stałego (zwykle akumulatora) i zwiększenie go do wysokiego napięcia prądu przemiennego.



Zasadniczo osiąga się to za pomocą cewki indukcyjnej, która jest przede wszystkim transformatorem mającym dwa zestawy uzwojeń, a mianowicie pierwotny (wejściowy) i wtórny (wyjściowy).

Uzwojenie pierwotne jest przeznaczone do odbierania stałego wejścia wysokiego prądu, podczas gdy wtórne służy do odwracania tego wejścia do odpowiedniego wyjścia przemiennego niskiego prądu o wysokim napięciu.

Co to jest napięcie lub prąd przemienny

Przez napięcie przemienne rozumiemy napięcie, które zmienia swoją polaryzację z dodatniej na ujemną i odwrotnie, wielokrotnie w ciągu sekundy, w zależności od ustawionej częstotliwości na wejściu transformatora.

Ogólnie częstotliwość ta wynosi 50 Hz lub 60 Hz, w zależności od specyfikacji użyteczności w danym kraju.

Sztucznie generowana częstotliwość jest wykorzystywana przy powyższych szybkościach do zasilania stopni wyjściowych, które mogą składać się z tranzystorów mocy, mosfetów lub GBT zintegrowanych z transformatorem mocy.

Urządzenia zasilające reagują na podawane impulsy i napędzają podłączone uzwojenie transformatora z odpowiednią częstotliwością przy zadanym prądzie i napięciu akumulatora.

Powyższe działanie indukuje równoważne wysokie napięcie w uzwojeniu wtórnym transformatora, które ostatecznie wytwarza wymagane 220 V lub 120 V AC.

Prosta symulacja ręczna

Poniższa symulacja ręczna przedstawia podstawową zasadę działania obwodu falownika przeciwsobnego z centralnym transformatorem zaczepu.

Gdy uzwojenie pierwotne jest przełączane naprzemiennie z prądem akumulatora, równoważna ilość napięcia i prądu jest indukowana na uzwojeniu wtórnym poprzez flyback tryb, który oświetla podłączoną żarówkę.

W falownikach sterowanych obwodem ta sama operacja jest realizowana, ale za pomocą urządzeń zasilających i obwodu oscylatora, który przełącza uzwojenie w znacznie szybszym tempie, zwykle z częstotliwością 50 Hz lub 60 Hz.

Tak więc w falowniku to samo działanie spowodowane szybkim przełączaniem spowoduje, że obciążenie będzie zawsze WŁĄCZONE, chociaż w rzeczywistości obciążenie będzie włączane / wyłączane z częstotliwością 50 Hz lub 60 Hz.

symulacja pracy falownika z ręcznym przełączaniem

Jak transformator przekształca dane wejście

Jak omówiono powyżej, plik transformator zwykle będzie miał dwa uzwojenia, jedno pierwotne, a drugie wtórne.

Dwa uzwojenia reagują w taki sposób, że a gdy prąd przełączający jest przyłożony do uzwojenia pierwotnego, spowodowałby przeniesienie proporcjonalnie odpowiedniej mocy przez uzwojenie wtórne poprzez indukcję elektromagnetyczną.

Dlatego przypuśćmy, że jeśli napięcie pierwotne wynosi 12 V, a napięcie wtórne 220 V, oscylujące lub pulsujące napięcie wejściowe 12 V prądu stałego po stronie pierwotnej indukuje i generuje napięcie przemienne 220 V na zaciskach wtórnych.

Jednak wejście do uzwojenia pierwotnego nie może być prądem stałym, co oznacza, że ​​chociaż źródło może być prądem stałym, musi być stosowane w postaci impulsowej lub sporadycznie w poprzek pierwotnego lub w postaci częstotliwości na określonym poziomie, mamy omówiliśmy to w poprzedniej sekcji.

Jest to wymagane, aby można było zaimplementować nieodłączne atrybuty cewki indukcyjnej, zgodnie z którymi induktor ogranicza zmienny prąd i próbuje go zrównoważyć, rzucając równoważny prąd do systemu podczas braku impulsu wejściowego, znanego również jako zjawisko flyback .

Dlatego po przyłożeniu prądu stałego prąd pierwotny przechowuje ten prąd, a gdy prąd stały jest odłączony od uzwojenia, pozwala uzwojeniu cofnąć zmagazynowany prąd na jego zaciskach.

Jednakże, ponieważ zaciski są rozłączone, ten tylny emf jest indukowany w uzwojeniu wtórnym, tworząc wymagany prąd przemienny na wtórnych zaciskach wyjściowych.

Powyższe wyjaśnienie pokazuje zatem, że obwód impulsatora, lub mówiąc prościej, obwód oscylatora staje się niezbędny podczas projektowania falownika.

Podstawowe etapy obwodu falownika

Aby zbudować podstawowy funkcjonalny falownik o dostatecznie dobrej wydajności, potrzebne będą następujące podstawowe elementy:

Schemat blokowy

Oto schemat blokowy, który ilustruje sposób implementacji powyższych elementów w prostej konfiguracji (środkowy kran push-pull).

Jak zaprojektować obwód oscylatora dla falownika

Obwód oscylatora jest kluczowym etapem obwodu w każdym falowniku, ponieważ ten etap staje się odpowiedzialny za przełączanie prądu stałego na uzwojenie pierwotne transformatora.

Stopień oscylatora jest prawdopodobnie najprostszą częścią obwodu falownika. Zasadniczo jest to stabilna konfiguracja multiwibratora, którą można wykonać na wiele różnych sposobów.

Możesz używać bramek NAND, bramek NOR, urządzeń z wbudowanymi oscylatorami, takich jak IC 4060, IC LM567 lub po prostu całkowicie 555 IC. Inną opcją jest użycie tranzystorów i kondensatorów w standardowym trybie astabilnym.

Poniższe obrazy przedstawiają różne konfiguracje oscylatorów, które można skutecznie wykorzystać do uzyskania podstawowych oscylacji dla dowolnej proponowanej konstrukcji falownika.

Na poniższych diagramach widzimy kilka popularnych konstrukcji obwodów oscylatora, wyjściami są fale prostokątne, które są w rzeczywistości dodatnimi impulsami, wysokie bloki kwadratowe wskazują dodatnie potencjały, wysokość bloków kwadratowych wskazuje poziom napięcia, który zwykle jest równy zastosowanemu napięcie zasilające układ scalony, a szerokość kwadratowych bloków wskazuje przedział czasu, w którym napięcie to pozostaje aktywne.

Rola oscylatora w obwodzie falownika

Jak omówiono w poprzedniej sekcji, stopień oscylatora jest wymagany do generowania podstawowych impulsów napięcia do zasilania kolejnych stopni mocy.

Jednak impulsy z tych stopni mogą być zbyt niskie przy ich wyjściach prądowych, a zatem nie mogą być podawane bezpośrednio do transformatora ani do tranzystorów mocy w stopniu wyjściowym.

Aby przesunąć prąd oscylacyjny do wymaganych poziomów, zwykle stosuje się pośredni stopień sterownika, który może składać się z kilku tranzystorów średniej mocy o dużym wzmocnieniu lub nawet czegoś bardziej złożonego.

Jednak dzisiaj, wraz z pojawieniem się wyrafinowanych mosfetów, część sterownika może zostać całkowicie wyeliminowana.

Dzieje się tak, ponieważ mosfety są urządzeniami zależnymi od napięcia i nie opierają się na wielkości prądu podczas działania.

Przy obecności potencjału powyżej 5 V na ich bramce i źródle, większość mosfetów nasycałaby się i przewodziłaby w pełni przez dren i źródło, nawet jeśli prąd jest tak niski, jak 1 mA

To sprawia, że ​​warunki są niezwykle odpowiednie i łatwe do zastosowania w aplikacjach z falownikami.

Widzimy, że w powyższych obwodach oscylatora wyjście jest jednym źródłem, jednak we wszystkich topologiach falownika wymagamy naprzemiennie lub przeciwnie spolaryzowanych impulsów wyjściowych z dwóch źródeł. Można to po prostu osiągnąć, dodając stopień bramki falownika (do odwracania napięcia) do istniejącego sygnału wyjściowego z oscylatorów, patrz rysunki poniżej.

Konfiguracja stopnia oscylatora do projektowania małych obwodów falownika

Spróbujmy teraz zrozumieć proste metody, dzięki którym powyższe wyjaśnione stopnie oscylatora mogą być połączone ze stopniem mocy w celu szybkiego tworzenia efektywnych projektów falowników.

Projektowanie obwodu falownika przy użyciu oscylatora bramkowego NOT

Poniższy rysunek pokazuje, jak można skonfigurować mały falownik za pomocą oscylatora bramki NOT, takiego jak IC 4049.

prosty obwód falownika za pomocą IC 4049

Tutaj w zasadzie N1 / N2 tworzy stopień oscylatora, który wytwarza wymagane zegary 50 Hz lub 60 Hz lub oscylacje wymagane do pracy falownika. N3 służy do odwracania tych zegarów, ponieważ musimy zastosować przeciwnie spolaryzowane zegary dla stopnia transformatora mocy.

Jednak widzimy również bramki N4, N5 N6, które są skonfigurowane na linii wejściowej i wyjściowej N3.

Właściwie N4, N5, N6 są po prostu dołączone do umieszczenia 3 dodatkowych bramek dostępnych wewnątrz IC 4049, w przeciwnym razie tylko pierwsze N1, N2, N3 mogą być używane samodzielnie do operacji, bez żadnych problemów.

3 dodatkowe bramy działają jak bufory a także upewnij się, że te bramki nie pozostaną niepodłączone, co w przeciwnym razie może mieć niekorzystny wpływ na układ scalony w dłuższej perspektywie.

Przeciwnie spolaryzowane zegary na wyjściach N4 i N5 / N6 są stosowane do podstaw stopnia mocy BJT za pomocą BJT mocy TIP142, które są w stanie obsłużyć dobry prąd 10 A. Transformator można zobaczyć skonfigurowany na kolektorach BJT.

Przekonasz się, że żaden pośredni wzmacniacz ani stopnie sterujące nie są używane w powyższym projekcie, ponieważ sam TIP142 ma wewnętrzny stopień BJT Darlington dla wymaganego wbudowanego wzmocnienia i dlatego jest w stanie wygodnie wzmocnić zegary niskiego prądu z bramek NOT do wysokich oscylacje prądu na podłączonym uzwojeniu transformatora.

Więcej projektów falowników IC 4049 można znaleźć poniżej:

Domowy obwód falownika 2000 VA

Najprostszy obwód zasilacza bezprzerwowego (UPS)

Projektowanie obwodu falownika przy użyciu oscylatora bramkowego Schmidt Trigger NAND

Poniższy rysunek pokazuje, jak obwód oscylatora wykorzystujący IC 4093 można zintegrować z podobnym stopniem mocy BJT w celu utworzenia przydatny projekt falownika .

Rysunek przedstawia konstrukcję małego falownika wykorzystującą bramki NAND wyzwalające IC 4093 Schmidt. Całkiem identycznie też można było uniknąć N4, a podstawy BJT można było podłączyć bezpośrednio do wejść i wyjść N3. Ale ponownie, N4 jest dołączony, aby pomieścić jedną dodatkową bramkę wewnątrz IC 4093 i zapewnić, że jego pin wejściowy nie pozostanie niepodłączony.

Więcej podobnych konstrukcji falowników IC 4093 można znaleźć pod poniższymi linkami:

Najlepsze zmodyfikowane obwody falownika

Jak zrobić obwód falownika słonecznego

Jak zbudować 400-watowy obwód falownika o dużej mocy z wbudowaną ładowarką

Jak zaprojektować obwód UPS - samouczek

Schematy wyprowadzeń dla IC 4093 i IC 4049

UWAGA: Piny zasilania Vcc i Vss układu scalonego nie są pokazane na schematach falownika, muszą one być odpowiednio połączone z zasilaniem akumulatorowym 12 V, dla falowników 12 V. W przypadku falowników wyższego napięcia zasilanie to musi być odpowiednio obniżone do 12 V dla pinów zasilania układu scalonego.

Projektowanie obwodu mini inwertera za pomocą oscylatora IC 555

Z powyższych przykładów jasno wynika, że ​​najbardziej podstawowe formy falowników można zaprojektować po prostu przez połączenie stopnia mocy transformatora BJT + ze stopniem oscylatora.

Zgodnie z tą samą zasadą oscylator IC 555 może być również użyty do zaprojektowania małego falownika, jak pokazano poniżej:

Powyższy obwód jest oczywisty i być może nie wymaga dalszych wyjaśnień.

Więcej takich obwodów falownika IC 555 można znaleźć poniżej:

Prosty obwód falownika IC 555

Zrozumienie topologii falowników (jak skonfigurować stopień wyjściowy)

W powyższych sekcjach dowiedzieliśmy się o stopniach oscylatora, a także o tym, że pulsujące napięcie z oscylatora trafia bezpośrednio do poprzedniego stopnia wyjściowego mocy.

Istnieją przede wszystkim trzy sposoby zaprojektowania stopnia wyjściowego falownika.

Używając:

  1. Stopień Push Pull (z transformatorem centralnym), jak wyjaśniono w powyższych przykładach
  2. Etap Push Pull Half-Bridge
  3. Stopień Push Pull Full-Bridge lub H-Bridge

Stopień przeciwsobny wykorzystujący centralny transformator zaczepowy jest najpopularniejszą konstrukcją, ponieważ wymaga prostszej implementacji i daje gwarantowane wyniki.

Wymaga jednak większych transformatorów, a wydajność jest niższa.

Poniżej można zobaczyć kilka konstrukcji falowników, w których zastosowano centralny transformator zaczepu:

W tej konfiguracji zasadniczo stosuje się transformator z centralnym zaczepem z zewnętrznymi odczepami podłączonymi do gorących końców urządzeń wyjściowych (tranzystorów lub mosfetów), podczas gdy środkowy zaczep przechodzi do ujemnego lub dodatniego akumulatora, w zależności od od rodzaju zastosowanych urządzeń (typ N lub typ P).

Topologia półmostkowa

Stopień półmostkowy nie wykorzystuje środkowego transformatora zaczepu.

DO pół mostu konfiguracja jest lepsza niż obwód typu push pull środkowego zaczepu pod względem zwartości i wydajności, jednak wymaga kondensatorów o dużej wartości do realizacji powyższych funkcji.

DO pełny mostek lub falownik z mostkiem H. jest podobna do sieci półmostkowej, ponieważ zawiera również zwykły transformator z dwoma zaczepami i nie wymaga transformatora środkowego zaczepu.

Jedyną różnicą jest wyeliminowanie kondensatorów i włączenie dwóch dodatkowych urządzeń zasilających.

Topologia pełnego mostu

Obwód falownika z pełnym mostkiem składa się z czterech tranzystorów lub mosfetów ułożonych w konfiguracji przypominającej literę „H”.

Wszystkie cztery urządzenia mogą być typu N lub z dwoma kanałami N i dwoma kanałami P, w zależności od używanego zewnętrznego stopnia oscylatora sterownika.

Podobnie jak półmostek, pełny mostek również wymaga oddzielnych, izolowanych naprzemiennie oscylujących wyjść do wyzwalania urządzeń.

Rezultat jest taki sam, podłączony pierwotny transformator jest poddawany wstecznemu rodzajowi przełączania prądu akumulatora przez niego. To generuje wymagane podwyższone napięcie indukowane na wyjściowym uzwojeniu wtórnym transformatora. Dzięki tej konstrukcji wydajność jest najwyższa.

Szczegóły logiki tranzystora mostka H.

Poniższy schemat przedstawia typową konfigurację mostka H, ​​przełączanie odbywa się jak poniżej:

  1. A HIGH, D HIGH - pchnięcie do przodu
  2. B HIGH, C HIGH - odwrotne ciągnięcie
  3. A HIGH, B HIGH - niebezpieczne (zabronione)
  4. C HIGH, D HIGH - niebezpieczne (zabronione)

Powyższe wyjaśnienie dostarcza podstawowych informacji dotyczących projektowania falownika i może być wykorzystane tylko do projektowania zwykłych obwodów falownika, zwykle typu prostokątnego.

Jednak istnieje wiele innych koncepcji, które mogą być związane z konstrukcjami falowników, takich jak wykonanie falownika sinusoidalnego, falownika opartego na PWM, falownika sterowanego mocą wyjściową, są to tylko dodatkowe etapy, które można dodać w opisanych powyżej podstawowych projektach realizacji wspomnianych funkcji.

Omówimy je innym razem lub może to być spowodowane cennymi komentarzami.




Poprzedni: Jak przekonwertować 12 V DC na 220 V AC Dalej: 3 ciekawe obwody DRL (światła do jazdy dziennej) do Twojego samochodu