Jak navrhnout střídač - teorie a výuka

Příspěvek vysvětluje základní tipy a teorie, které mohou být užitečné pro nováčky při navrhování nebo řešení základních konceptů střídače. Pojďme se dozvědět více.

Co je to invertor

Je to zařízení, které převádí nebo převádí nízkonapěťový, vysoký stejnosměrný potenciál na nízkoproudé vysoké střídavé napětí, například ze zdroje 12V automobilové baterie na výstup 220V AC.

Základní princip za výše uvedenou konverzí

Základním principem převodu nízkonapěťového stejnosměrného proudu na vysokonapěťový střídavý proud je použití uloženého vysokého proudu uvnitř stejnosměrného zdroje (obvykle baterie) a jeho zesílení na vysokonapěťové střídavé napětí.

Toho je v zásadě dosaženo použitím induktoru, což je primárně transformátor, který má dvě sady vinutí, a to primární (vstupní) a sekundární (výstupní).

Primární vinutí je určeno pro příjem přímého vstupu vysokého proudu, zatímco sekundární je pro invertování tohoto vstupu do odpovídajícího střídavého výstupu s nízkým proudem vysokého napětí.

Co je to střídavé napětí nebo proud

Střídavým napětím rozumíme napětí, které mění svoji polaritu z kladné na zápornou a naopak mnohokrát za sekundu v závislosti na nastavené frekvenci na vstupu transformátoru.

Obecně je tato frekvence 50 Hz nebo 60 Hz v závislosti na specifikacích utility konkrétní země.

Uměle generovaná frekvence se používá při výše uvedených rychlostech pro napájení výstupních stupňů, které mohou sestávat z výkonových tranzistorů nebo mosfetů nebo GBT integrovaných do výkonového transformátoru.

Napájecí zařízení reagují na napájené impulsy a řídí připojené vinutí transformátoru s odpovídající frekvencí při daném proudu a napětí baterie.

Výše uvedená akce indukuje ekvivalentní vysoké napětí napříč sekundárním vinutím transformátoru, které nakonec vydává požadované 220V nebo 120V AC.

Jednoduchá manuální simulace

Následující manuální simulace ukazuje základní princip fungování obvodu push-pull invertoru založeného na transformátoru se středovým odbočkem.

Když je primární vinutí střídáno střídavě s proudem baterie, je indukováno ekvivalentní množství napětí a proudu přes sekundární vinutí letět zpátky režim, který osvětluje připojenou žárovku.

U obvodových střídačů je implementována stejná operace, ale prostřednictvím výkonových zařízení a obvodu oscilátoru, který spíná vinutí mnohem rychlejším tempem, obvykle rychlostí 50 Hz nebo 60 Hz.

V měniči by tedy stejná akce v důsledku rychlého přepínání způsobila, že se zátěž objeví vždy ZAPNUTO, i když ve skutečnosti by zátěž byla ZAPNUTA / VYPNUTA s frekvencí 50 Hz nebo 60 Hz.

Jak transformátor převádí daný vstup

Jak bylo uvedeno výše, transformátor obvykle bude mít dvě vinutí, jedno primární a druhé sekundární.

Obě vinutí reagují takovým způsobem, že a když je na primární vinutí aplikován spínací proud, způsobí to, že bude prostřednictvím sekundárního vinutí přenesena proporcionálně relevantní energie prostřednictvím elektromagnetické indukce.

Proto předpokládejme, že pokud je primární jmenovitý proud 12V a sekundární 220V, oscilační nebo pulzující 12V DC vstup na primární stranu by indukoval a generoval 220V AC přes sekundární svorky.

Vstupem do primárního zdroje však nemůže být stejnosměrný proud, což znamená, že i když zdrojem může být stejnosměrný proud, musí být aplikován v pulzní formě nebo přerušovaně přes primární vstup, nebo ve formě frekvence na stanovené úrovni, máme diskutovali o tom v předchozí části.

To je nutné, aby bylo možné implementovat inherentní atributy induktoru, podle nichž induktor omezuje kolísavý proud a snaží se jej vyvážit vhozením ekvivalentního proudu do systému během nepřítomnosti vstupního impulzu, známého také jako fenomén zpětného chodu .

Proto když je aplikován DC, primární ukládá tento proud, a když je DC odpojen od vinutí, umožňuje vinutí nakopnout uložený proud přes jeho svorky.

Jelikož jsou však svorky odpojeny, tato zpětná emf je indukována do sekundárního vinutí, což vytváří požadovaný střídavý proud přes sekundární výstupní svorky.

Výše uvedené vysvětlení tedy ukazuje, že obvod pulzátoru, nebo jednodušeji řečeno, obvod oscilátoru se stává nezbytným při navrhování střídače.

Základní fáze obvodu střídače

Chcete-li vytvořit základní funkční střídač s přiměřeně dobrým výkonem, budete potřebovat následující základní prvky:

• Transformátor
• Napájecí zařízení, například N-kanál MOSFETy nebo NPN biploární výkonové tranzistory
• Olověná baterie

Blokové schéma

Tady je blokové schéma, které ilustruje, jak implementovat výše uvedené prvky s jednoduchou konfigurací (push-pull se středovým klepnutím).

Jak navrhnout obvod oscilátoru pro střídač

Obvod oscilátoru je rozhodujícím fázovým obvodem v jakémkoli střídači, protože tento stupeň je odpovědný za přepínání Dc do primárního vinutí transformátoru.

Oscilátorový stupeň je možná nejjednodušší částí v invertorovém obvodu. Je to v podstatě neuvěřitelná konfigurace multivibrátoru, kterou lze provést mnoha různými způsoby.

Můžete použít brány NAND, brány NOR, zařízení s vestavěnými oscilátory, jako jsou IC 4060, IC LM567 nebo zcela 555 IC. Další možností je použití tranzistorů a kondenzátorů ve standardním astabilním režimu.

Následující obrázky ukazují různé konfigurace oscilátoru, které lze efektivně využít k dosažení základních oscilací pro jakýkoli návrh střídače.

V následujících diagramech vidíme několik populárních návrhů obvodů oscilátoru, výstupy jsou čtvercové vlny, které jsou ve skutečnosti kladnými impulsy, vysoké čtvercové bloky označují kladné potenciály, výška čtvercových bloků označuje úroveň napětí, která se obvykle rovná aplikované hodnotě napájecí napětí do IC a šířka čtvercových bloků označuje časové rozpětí, po které toto napětí zůstane naživu.

Role oscilátoru v invertorovém obvodu

Jak je uvedeno v předchozí části, je pro generování základních napěťových impulsů pro napájení následujících výkonových stupňů vyžadován stupeň oscilátoru.

Impulsy z těchto stupňů však mohou být s jejich proudovými výstupy příliš nízké, a proto je nelze přivádět přímo do transformátoru nebo do výkonových tranzistorů ve výstupním stupni.

Aby se oscilační proud posunul na požadovanou úroveň, obvykle se používá mezilehlý budicí stupeň, který může sestávat z několika středních výkonových tranzistorů s vysokým ziskem nebo dokonce z něčeho složitějšího.

Avšak dnes s příchodem sofistikovaných mosfetů může být fáze řidiče zcela odstraněna.

Je to proto, že mosfety jsou zařízení závislá na napětí a při provozu se nespoléhají na aktuální velikosti.

S přítomností potenciálu nad 5 V přes jejich bránu a zdroj by většina mosfetů nasycovala a vedla plně přes svůj odtok a zdroj, i když je proud tak nízký jako 1 mA

Díky tomu jsou podmínky nesmírně vhodné a snadné pro jejich použití pro střídače.

Vidíme, že ve výše uvedených obvodech oscilátoru je výstup jediným zdrojem, ale ve všech topologiích invertorů vyžadujeme střídavě nebo opačně polarizované pulzující výstupy ze dvou zdrojů. Toho lze jednoduše dosáhnout přidáním stupně hradla měniče (pro invertování napětí) ke stávajícímu výstupu z oscilátorů, viz obrázky níže.

Konfigurace fáze oscilátoru pro návrh malých obvodů střídače

Nyní se pokusíme porozumět jednoduchým metodám, kterými lze výše vysvětlené stupně oscilátoru připojit k výkonovému stupni pro rychlé vytvoření efektivních návrhů střídače.

Návrh obvodu invertoru pomocí NOT Gate oscilátoru

Následující obrázek ukazuje, jak lze konfigurovat malý střídač pomocí oscilátoru NOT gate, například z IC 4049.

Zde v zásadě N1 / N2 tvoří oscilátorový stupeň, který vytváří požadované hodiny nebo oscilace 50 Hz nebo 60 Hz potřebné pro provoz střídače. N3 se používá k invertování těchto hodin, protože musíme použít opačně polarizované hodiny pro fázi výkonového transformátoru.

Vidíme však také brány N4, N5 N6, které jsou konfigurovány napříč vstupním a výstupním vedením N3.

Ve skutečnosti jsou N4, N5, N6 jednoduše zahrnuty pro umístění 3 dalších hradel dostupných uvnitř IC 4049, jinak by pro operace mohl být bez problémů použit pouze první N1, N2, N3.

3 navíc brány fungují jako nárazníky a také se ujistěte, že tyto brány nejsou ponechány nepřipojené, což by jinak mohlo dlouhodobě nepříznivě ovlivnit IC.

Protikladně polarizované hodiny napříč výstupy N4 a N5 / N6 jsou aplikovány na základny výkonového BJT stupně pomocí výkonových BJT TIP142, které jsou schopné zvládnout dobrý 10 ampérový proud. Transformátor lze vidět nakonfigurovaný napříč kolektory BJT.

Zjistíte, že ve výše uvedeném provedení se nepoužívají žádné mezilehlé zesilovače ani budicí stupně, protože samotný TIP142 má interní stupeň BJT Darlington pro požadované vestavěné zesílení, a proto je schopen pohodlně zesilovat nízkonapěťové hodiny z hradel NOT do vysokých oscilace proudu napříč připojeným vinutím transformátoru.

Další návrhy invertorů IC 4049 naleznete níže:

Domácí obvod střídače s výkonem 2 000 VA

Nejjednodušší obvod nepřerušeného napájení (UPS)

Návrh obvodu invertoru pomocí oscilátoru brány Schmidt Trigger NAND

Následující obrázek ukazuje, jak lze obvod oscilátoru využívající IC 4093 integrovat do podobného výkonového stupně BJT pro vytvoření užitečný design střídače .

Obrázek ukazuje malou konstrukci střídače využívající brány NAND IC 4093 Schmidt trigger. Celkově stejně se dalo vyhnout N4 a základny BJT mohly být přímo připojeny přes vstupy a výstupy N3. Znovu je ale zahrnuta N4, která pojme jednu další bránu uvnitř IC 4093 a zajistí, že její vstupní kolík nezůstane nepřipojený.

Další podobné návrhy střídače IC 4093 lze odkázat z následujících odkazů:

Nejlepší upravené obvody střídače

Jak vytvořit obvod solárního invertoru

Jak postavit 400 wattový vysoce výkonný invertorový obvod s vestavěnou nabíječkou

Jak navrhnout obvod UPS - výukový program

Pinoutové diagramy pro IC 4093 a IC 4049

POZNÁMKA: Napájecí piny Vcc a Vss IC nejsou zobrazeny ve schématech střídače, musí být odpovídajícím způsobem připojeny k napájení 12V pro střídače 12V. U střídačů s vyšším napětím musí být toto napájení odpovídajícím způsobem sníženo na 12V pro napájecí kolíky IC.

Návrh obvodu mini invertoru pomocí oscilátoru IC 555

Z výše uvedených příkladů je zřejmé, že nejzákladnější formy střídačů lze navrhnout jednoduchým propojením výkonového stupně transformátoru BJT + s oscilátorovým stupněm.

Na základě stejného principu lze oscilátor IC 555 použít také pro návrh malého střídače, jak je znázorněno níže:

Výše uvedený okruh je samozřejmý a možná nevyžaduje žádné další vysvětlení.

Více takových invertorových obvodů IC 555 naleznete níže:

Jednoduchý obvod střídače IC 555

Porozumění topologiím střídače (Jak konfigurovat výstupní fázi)

Ve výše uvedených částech jsme se dozvěděli o fázích oscilátoru a také o skutečnosti, že pulzní napětí z oscilátoru jde přímo do předchozího výkonového stupně.

Existují primárně tři způsoby, jak lze navrhnout výstupní stupeň střídače.

Pomocí:

1. Push Pull Stage (s Center Tap Transformer), jak je vysvětleno v předchozích příkladech
2. Fáze Push Pull Half-Bridge
3. Fáze Push Pull Full-Bridge nebo H-Bridge

Fáze push pull pomocí transformátoru se středovým odbočkem je nejpopulárnějším designem, protože zahrnuje jednodušší implementace a poskytuje zaručené výsledky.

Vyžaduje však objemnější transformátory a výkon má nižší účinnost.

Níže je vidět několik návrhů střídačů, které používají transformátor se středovým odbočkem:

V této konfiguraci se v zásadě používá transformátor se středovým odbočkem s jeho vnějšími odbočkami připojenými k horkým koncům výstupních zařízení (tranzistory nebo mosfety), zatímco střední odbočka jde buď na záporný pól baterie, nebo na kladný pól baterie v závislosti na podle typu použitých zařízení (typ N nebo typ P).

Topologie napůl mostu

Poloviční můstek nepoužívá středový odbočkový transformátor.

NA poloviční můstek Konfigurace je z hlediska kompaktnosti a efektivity lepší než obvod typu push-pull typu center, avšak pro implementaci výše uvedených funkcí vyžaduje kondenzátory s velkou hodnotou.

NA plný můstek nebo invertor H-můstku je podobný síti polovičního můstku, protože také obsahuje běžný transformátor se dvěma odbočkami a nevyžaduje středový transformátor.

Jediným rozdílem je vyloučení kondenzátorů a zahrnutí dalších dvou napájecích zařízení.

Topologie celého mostu

Celý můstkový invertorový obvod se skládá ze čtyř tranzistorů nebo mosfetů uspořádaných do konfigurace připomínající písmeno „H“.

Všechna čtyři zařízení mohou být typu N kanálu nebo se dvěma kanály N a dvěma kanály P v závislosti na používané fázi externího oscilátoru ovladače.

Stejně jako poloviční můstek vyžaduje plný můstek také samostatné, izolované střídavě oscilační výstupy pro spouštění zařízení.

Výsledek je stejný, připojený primární transformátor je vystaven zpětnému dopřednému druhu přepínání proudu baterie skrz něj. To generuje požadované indukované zesílené napětí na výstupním sekundárním vinutí transformátoru. Efektivita je u tohoto designu nejvyšší.

Logické podrobnosti tranzistoru H-Bridge

Následující diagram ukazuje typickou konfiguraci H-můstku, přepínání probíhá jako níže:

1. VYSOKÝ, D VYSOKÝ - posun vpřed
2. B HIGH, C HIGH - zpětný tah
3. A HIGH, B HIGH - nebezpečné (zakázané)
4. C HIGH, D HIGH - nebezpečné (zakázané)

Výše uvedené vysvětlení poskytuje základní informace o tom, jak navrhnout střídač, a může být začleněno pouze pro návrh běžných obvodů střídače, obvykle typů obdélníkových vln.

Existuje však mnoho dalších konceptů, které mohou být spojeny s konstrukcemi invertorů, jako je výroba sinusového invertoru, invertor na bázi PWM, výstupně řízený invertor, to jsou jen další fáze, které mohou být přidány do výše vysvětlených základních návrhů pro implementaci uvedených funkcí.

Budeme o nich diskutovat někdy jindy nebo prostřednictvím vašich cenných komentářů.