Come progettare un inverter - Teoria e tutorial

Il post spiega i suggerimenti e le teorie fondamentali che possono essere utili per i nuovi arrivati ​​durante la progettazione o la gestione dei concetti di base degli inverter. Impariamo di più.

Cos'è un inverter

È un dispositivo che converte o inverte un potenziale CC a bassa tensione e alto in un voltaggio alternato ad alta corrente a bassa corrente, come da una fonte di batteria per auto a 12V a un'uscita a 220V CA.

Principio di base alla base della conversione di cui sopra

Il principio di base alla base della conversione di una CC a bassa tensione in una CA ad alta tensione è utilizzare l'alta corrente immagazzinata all'interno di una sorgente CC (normalmente una batteria) e aumentarla fino a raggiungere una CA ad alta tensione.

Ciò si ottiene fondamentalmente utilizzando un induttore, che è principalmente un trasformatore con due serie di avvolgimenti, ovvero primario (ingresso) e secondario (uscita).

L'avvolgimento primario è pensato per ricevere l'ingresso diretto ad alta corrente mentre il secondario serve per invertire questo ingresso nella corrispondente uscita alternata a bassa corrente ad alta tensione.

Che cos'è la tensione o la corrente alternata

Per tensione alternata si intende una tensione che commuta la sua polarità da positiva a negativa e viceversa molte volte al secondo a seconda della frequenza impostata all'ingresso del trasformatore.

Generalmente questa frequenza è di 50 Hz o 60 Hz a seconda delle specifiche di utilità del paese.

Una frequenza generata artificialmente viene utilizzata alle velocità sopra indicate per alimentare gli stadi di uscita che possono essere costituiti da transistor di potenza o mosfet o GBT integrati con il trasformatore di potenza.

I dispositivi di potenza rispondono agli impulsi alimentati e pilotano l'avvolgimento del trasformatore collegato con la frequenza corrispondente alla corrente e tensione di batteria date.

L'azione di cui sopra induce un'alta tensione equivalente attraverso l'avvolgimento secondario del trasformatore che alla fine emette i 220 V o 120 V CA richiesti.

Una semplice simulazione manuale

La seguente simulazione manuale mostra il principio di funzionamento di base di un circuito inverter push pull basato su trasformatore di presa centrale.

Quando l'avvolgimento primario viene commutato alternativamente con una corrente della batteria, una quantità equivalente di tensione e corrente viene indotta attraverso l'avvolgimento secondario attraverso volo di ritorno modalità, che illumina la lampadina collegata.

In un inverter azionato da un circuito, la stessa operazione è implementata ma tramite dispositivi di potenza e un circuito oscillatore che commuta l'avvolgimento a un ritmo molto più veloce, di solito alla frequenza di 50Hz o 60Hz.

Pertanto, in un inverter la stessa azione dovuta alla commutazione rapida farebbe apparire il carico sempre acceso, sebbene in realtà il carico verrebbe acceso / spento a una frequenza di 50Hz o 60Hz.

Come il trasformatore converte un dato ingresso

Come discusso in precedenza, il trasformatore normalmente avrà due avvolgimenti, uno primario e l'altro secondario.

I due avvolgimenti reagiscono in modo tale che quando una corrente di commutazione viene applicata all'avvolgimento primario provocherebbe il trasferimento di una potenza proporzionalmente rilevante attraverso l'avvolgimento secondario per induzione elettromagnetica.

Supponiamo quindi che, se il primario è valutato a 12V e il secondario a 220V, un ingresso 12V DC oscillante o pulsante sul lato primario indurrebbe e genererebbe 220V AC attraverso i terminali secondari.

Tuttavia, l'ingresso al primario non può essere una corrente continua, il che significa che sebbene la sorgente possa essere una CC, deve essere applicata in una forma pulsata o in modo intermittente attraverso il primario, o sotto forma di una frequenza al livello specificato, abbiamo discusso di questo nella sezione precedente.

Ciò è necessario affinché gli attributi intrinseci di un induttore possano essere implementati, in base ai quali un induttore limita una corrente fluttuante e cerca di bilanciarla gettando una corrente equivalente nel sistema durante l'assenza dell'impulso di ingresso, noto anche come fenomeno flyback .

Pertanto, quando viene applicata la CC, il primario immagazzina questa corrente e quando la CC è scollegata dall'avvolgimento, consente all'avvolgimento di respingere la corrente immagazzinata attraverso i suoi terminali.

Tuttavia, poiché i terminali sono scollegati, questa back emf viene indotta nell'avvolgimento secondario, costituendo la CA richiesta attraverso i terminali di uscita secondari.

La spiegazione di cui sopra mostra quindi che un circuito pulsatore o, più semplicemente, un circuito oscillatore diventa imperativo durante la progettazione di un inverter.

Fasi fondamentali del circuito di un inverter

Per costruire un inverter funzionale di base con prestazioni ragionevolmente buone, avrai bisogno dei seguenti elementi di base:

• Trasformatore
• Dispositivi di alimentazione, come il canale N. MOSFET o transistor di potenza biploar NPN
• Batteria al piombo

Diagramma a blocchi

Ecco lo schema a blocchi che illustra come implementare gli elementi di cui sopra con una semplice configurazione (tap centrale push-pull).

Come progettare un circuito oscillatore per un inverter

Un circuito oscillatore è lo stadio cruciale del circuito in qualsiasi inverter, poiché questo stadio diventa responsabile della commutazione della corrente continua nell'avvolgimento primario del trasformatore.

Uno stadio oscillatore è forse la parte più semplice in un circuito inverter. È fondamentalmente una configurazione multivibratore astabile che può essere eseguita in molti modi diversi.

È possibile utilizzare porte NAND, porte NOR, dispositivi con oscillatori incorporati come IC 4060, IC LM567 o semplicemente un IC 555. Un'altra opzione è l'uso di transistor e condensatori in modalità astabile standard.

Le immagini seguenti mostrano le diverse configurazioni dell'oscillatore che possono essere efficacemente impiegate per ottenere le oscillazioni di base per qualsiasi progetto di inverter proposto.

Negli schemi seguenti vediamo alcuni progetti di circuiti oscillatori popolari, le uscite sono onde quadre che in realtà sono impulsi positivi, i blocchi quadrati alti indicano potenziali positivi, l'altezza dei blocchi quadrati indica il livello di tensione, che normalmente è uguale a quello applicato fornire tensione all'IC e l'ampiezza dei blocchi quadrati indica l'intervallo di tempo per il quale questa tensione rimane attiva.

Il ruolo di un oscillatore in un circuito inverter

Come discusso nella sezione precedente, è necessario uno stadio oscillatore per generare impulsi di tensione di base per alimentare gli stadi di potenza successivi.

Tuttavia gli impulsi provenienti da questi stadi possono essere troppo bassi con le loro uscite di corrente, e quindi non possono essere alimentati direttamente al trasformatore o ai transistor di potenza nello stadio di uscita.

Per spingere la corrente di oscillazione ai livelli richiesti, viene normalmente impiegato uno stadio di pilotaggio intermedio, che può essere costituito da una coppia di transistor di media potenza ad alto guadagno o anche qualcosa di più complesso.

Tuttavia oggi con l'avvento di mosfet sofisticati, uno stadio driver può essere completamente eliminato.

Questo perché i mosfet sono dispositivi dipendenti dalla tensione e non si basano sulle grandezze di corrente per il funzionamento.

Con la presenza di un potenziale superiore a 5 V attraverso il gate e la sorgente, la maggior parte dei mosfet si saturerebbe e condurrebbe completamente attraverso il drenaggio e la sorgente, anche se la corrente è di appena 1 mA

Ciò rende le condizioni estremamente adatte e facili per applicarle per applicazioni con inverter.

Possiamo vedere che nei circuiti dell'oscillatore sopra, l'uscita è una singola sorgente, tuttavia in tutte le topologie di inverter abbiamo bisogno di uscite impulsive polarizzate alternativamente o opposte da due sorgenti. Ciò può essere ottenuto semplicemente aggiungendo uno stadio di gate inverter (per invertire la tensione) all'uscita esistente dagli oscillatori, vedere le figure seguenti.

Configurazione dello stadio dell'oscillatore per progettare piccoli circuiti inverter

Ora proviamo a capire i semplici metodi attraverso i quali quanto sopra spiegato con gli stadi oscillatori può essere collegato a uno stadio di potenza per creare rapidamente progetti di inverter efficaci.

Progettazione di un circuito inverter utilizzando NOT Gate Oscillator

La figura seguente mostra come è possibile configurare un piccolo inverter utilizzando un oscillatore NOT gate come dall'IC 4049.

Qui fondamentalmente N1 / N2 forma lo stadio dell'oscillatore che crea i clock o le oscillazioni da 50Hz o 60Hz richiesti per il funzionamento dell'inverter. N3 viene utilizzato per invertire questi orologi perché abbiamo bisogno di applicare orologi polarizzati in modo opposto per lo stadio del trasformatore di potenza.

Tuttavia possiamo anche vedere le porte N4, N5 N6, che sono configurate attraverso la linea di ingresso e la linea di uscita di N3.

In realtà N4, N5, N6 sono semplicemente inclusi per ospitare i 3 gate extra disponibili all'interno dell'IC 4049, altrimenti solo il primo N1, N2, N3 potrebbe essere utilizzato da solo per le operazioni, senza problemi.

I 3 extra i cancelli agiscono come respingenti e assicurati anche che queste porte non vengano lasciate scollegate, il che potrebbe altrimenti creare effetti negativi sul circuito integrato a lungo termine.

I clock polarizzati in modo opposto tra le uscite di N4 e N5 / N6 vengono applicati alle basi dello stadio BJT di potenza utilizzando BJT di potenza TIP142, che sono in grado di gestire una buona corrente di 10 amp. Il trasformatore può essere visto configurato attraverso i collettori dei BJT.

Scoprirai che nessun amplificatore intermedio o stadi driver sono utilizzati nel progetto di cui sopra perché il TIP142 stesso ha uno stadio BJT Darlington interno per l'amplificazione incorporata richiesta e quindi è in grado di amplificare comodamente i clock a bassa corrente dalle porte NOT in alto oscillazioni di corrente attraverso l'avvolgimento del trasformatore collegato.

Di seguito sono disponibili altri modelli di inverter IC 4049:

Circuito inverter di potenza da 2000 VA fatto in casa

Il più semplice circuito di alimentazione ininterrotta (UPS)

Progettazione di un circuito inverter utilizzando l'oscillatore del gate NAND trigger Schmidt

La figura seguente mostra come un circuito oscillatore che utilizza IC 4093 può essere integrato con uno stadio di potenza BJT simile per creare un utile progettazione dell'inverter .

La figura mostra un piccolo inverter che utilizza i gate NAND trigger Schmidt IC 4093. In modo abbastanza identico anche qui l'N4 avrebbe potuto essere evitato e le basi BJT avrebbero potuto essere collegate direttamente tra gli ingressi e le uscite N3. Ma ancora una volta, N4 è incluso per ospitare l'unico gate aggiuntivo all'interno dell'IC 4093 e per garantire che il suo pin di ingresso non sia lasciato scollegato.

È possibile fare riferimento a progetti di inverter IC 4093 più simili dai seguenti link:

I migliori circuiti inverter modificati

Come realizzare un circuito inverter solare

Come costruire un circuito inverter ad alta potenza da 400 Watt con caricatore integrato

Come progettare un circuito UPS - Tutorial

Diagrammi di piedinatura per IC 4093 e IC 4049

NOTA: I pin di alimentazione Vcc e Vss dell'IC non sono mostrati negli schemi dell'inverter, questi devono essere opportunamente collegati con l'alimentazione della batteria 12V, per inverter 12V. Per inverter con voltaggio più alto, questa alimentazione deve essere opportunamente ridotta a 12V per i pin di alimentazione IC.

Progettazione di un circuito mini inverter utilizzando l'oscillatore IC 555

Dagli esempi precedenti, diventa abbastanza evidente che le forme più elementari di inverter potrebbero essere progettate semplicemente accoppiando uno stadio di potenza del trasformatore BJT + con uno stadio oscillatore.

Seguendo lo stesso principio, un oscillatore IC 555 può essere utilizzato anche per progettare un piccolo inverter come mostrato di seguito:

Il circuito di cui sopra è autoesplicativo e forse non richiede ulteriori spiegazioni.

Di seguito è possibile trovare altri circuiti dell'inverter IC 555 di questo tipo:

Circuito inverter IC 555 semplice

Comprensione delle topologie dell'inverter (come configurare lo stadio di uscita)

Nelle sezioni precedenti abbiamo appreso degli stadi dell'oscillatore e anche del fatto che la tensione pulsata dall'oscillatore va direttamente allo stadio di uscita di potenza precedente.

Ci sono principalmente tre modi attraverso i quali può essere progettato uno stadio di uscita di un inverter.

Utilizzando un:

1. Fase push-pull (con trasformatore a presa centrale) come spiegato negli esempi precedenti
2. Fase a mezzo ponte in opposizione
3. Fase push-pull a ponte intero o H-Bridge

La fase push pull che utilizza un trasformatore di presa centrale è il design più popolare perché implica implementazioni più semplici e produce risultati garantiti.

Tuttavia richiede trasformatori più voluminosi e l'uscita è più bassa in termini di efficienza.

Di seguito è possibile vedere un paio di modelli di inverter che utilizzano un trasformatore di presa centrale:

In questa configurazione, fondamentalmente viene utilizzato un trasformatore a presa centrale con le sue prese esterne collegate alle estremità calde dei dispositivi di uscita (transistor o mosfet) mentre la presa centrale va al negativo della batteria o al positivo della batteria a seconda in base al tipo di dispositivi utilizzati (tipo N o tipo P).

Topologia a mezzo ponte

Uno stadio a mezzo ponte non utilizza un trasformatore di presa centrale.

PER mezzo ponte la configurazione è migliore di un circuito di tipo push pull a presa centrale in termini di compattezza ed efficienza, tuttavia richiede condensatori di grande valore per implementare le funzioni di cui sopra.

PER full bridge o un inverter H-bridge è simile a una rete a mezzo ponte poiché incorpora anche un normale trasformatore a due prese e non richiede un trasformatore di presa centrale.

L'unica differenza è l'eliminazione dei condensatori e l'inclusione di altri due dispositivi di alimentazione.

Topologia a ponte intero

Un circuito inverter a ponte intero è costituito da quattro transistor o mosfet disposti in una configurazione simile alla lettera 'H'.

Tutti e quattro i dispositivi possono essere del tipo a canale N o con due canali N e due canali P a seconda dello stadio dell'oscillatore del driver esterno utilizzato.

Proprio come un mezzo ponte, un ponte completo richiede anche uscite separate, isolate alternativamente oscillanti per l'attivazione dei dispositivi.

Il risultato è lo stesso, il primario del trasformatore collegato è sottoposto ad una commutazione di tipo reverse forward della corrente della batteria attraverso di esso. Ciò genera la tensione aumentata indotta richiesta attraverso l'avvolgimento secondario di uscita del trasformatore. L'efficienza è massima con questo design.

Dettagli della logica del transistor H-Bridge

Lo schema seguente mostra una tipica configurazione H-bridge, le commutazioni vengono effettuate come sotto:

1. A HIGH, D HIGH - spinta in avanti
2. B HIGH, C HIGH - inversione di marcia
3. A HIGH, B HIGH - pericoloso (vietato)
4. C HIGH, D HIGH - pericoloso (vietato)

La spiegazione di cui sopra fornisce le informazioni di base su come progettare un inverter e può essere incorporata solo per la progettazione di circuiti inverter ordinari, tipicamente i tipi a onda quadra.

Tuttavia, ci sono molti altri concetti che possono essere associati ai progetti di inverter come la realizzazione di un inverter a onda sinusoidale, un inverter basato su PWM, un inverter controllato in uscita, queste sono solo fasi aggiuntive che possono essere aggiunte nei progetti di base sopra spiegati per implementare dette funzioni.

Ne discuteremo un'altra volta o forse attraverso i tuoi preziosi commenti.