De post legt de fundamentele tips en theorieën uit die nuttig kunnen zijn voor de nieuwkomers bij het ontwerpen of behandelen van basisconcepten voor omvormers. Laten we meer leren.
Wat is een omvormer
Het is een apparaat dat een lage spanning, een hoog DC-potentiaal omzet of omkeert in een lage stroom en een hoge wisselspanning, zoals van een 12V auto-accu naar een 220V AC-uitgang.
Basisprincipe achter de bovenstaande conversie
Het basisprincipe achter het omzetten van een laagspannings-gelijkstroom naar een hoogspannings-wisselstroom is om de opgeslagen hoge stroom in een gelijkstroombron (normaal gesproken een batterij) te gebruiken en deze op te voeren naar een hoogspannings-wisselstroom.
Dit wordt in feite bereikt door een inductor te gebruiken, die in de eerste plaats een transformator is met twee sets wikkelingen, namelijk primair (ingang) en secundair (uitgang).
De primaire wikkeling is bedoeld voor het ontvangen van de gelijkstroominvoer met hoge stroom, terwijl de secundaire is bedoeld voor het omkeren van deze invoer in de overeenkomstige wisselstroomuitgang met hoge spanning en lage stroom.
Wat is wisselspanning of -stroom
Met wisselspanning bedoelen we een spanning die vele malen per seconde van polariteit wisselt van positief naar negatief en vice versa, afhankelijk van de ingestelde frequentie aan de ingang van de transformator.
Over het algemeen is deze frequentie 50 Hz of 60 Hz, afhankelijk van de specificaties van het betreffende land.
Een kunstmatig gegenereerde frequentie wordt gebruikt bij de bovenstaande snelheden voor het voeden van de eindtrappen die kunnen bestaan uit vermogenstransistors of mosfets of GBT's die zijn geïntegreerd met de vermogenstransformator.
De voedingsapparaten reageren op de toegevoerde pulsen en sturen de aangesloten transformatorwikkeling aan met de bijbehorende frequentie bij de gegeven accustroom en -spanning.
De bovenstaande actie wekt een gelijkwaardige hoge spanning op over de secundaire wikkeling van de transformator die uiteindelijk de vereiste 220V of 120V AC levert.
Een eenvoudige handmatige simulatie
De volgende handmatige simulatie toont het basisprincipe van een op een middenaftakkingstransformator gebaseerd push-pull-omvormercircuit.
Wanneer de primaire wikkeling afwisselend wordt geschakeld met een batterijstroom, wordt een equivalente hoeveelheid spanning en stroom geïnduceerd over de secundaire wikkeling door flyback modus, die de aangesloten lamp verlicht.
In een circuitgestuurde omvormers wordt dezelfde werking geïmplementeerd, maar door middel van stroomtoestellen en een oscillatorcircuit dat de wikkeling veel sneller schakelt, meestal met een snelheid van 50Hz of 60Hz.
Dus in een omvormer zou dezelfde actie als gevolg van snel schakelen ervoor zorgen dat de belasting altijd AAN lijkt, hoewel de belasting in werkelijkheid AAN / UIT zou worden geschakeld met een snelheid van 50Hz of 60Hz.
Hoe de transformator een bepaalde invoer omzet
Zoals hierboven besproken, is het transformator meestal twee wikkelingen, een primaire en de andere secundair.
De twee wikkelingen reageren zodanig dat a wanneer een schakelstroom wordt aangelegd op de primaire wikkeling, een proportioneel relevant vermogen over de secundaire wikkeling wordt overgedragen via elektromagnetische inductie.
Stel daarom dat als de primaire een nominale spanning heeft van 12 V en de secundaire voor 220 V, een oscillerende of pulserende 12 V DC-ingang naar de primaire zijde een 220 V wisselstroom zou opwekken en genereren over de secundaire aansluitingen.
De ingang naar de primaire kan echter geen gelijkstroom zijn, wat betekent dat, hoewel de bron een gelijkstroom kan zijn, deze in een gepulseerde vorm of met tussenpozen over de primaire stroom moet worden aangelegd, of in de vorm van een frequentie op het gespecificeerde niveau. besprak dit in de vorige paragraaf.
Dit is nodig zodat de inherente eigenschappen van een inductor kunnen worden geïmplementeerd, volgens welke een inductor een fluctuerende stroom beperkt en probeert deze te balanceren door een gelijkwaardige stroom in het systeem te gooien tijdens de afwezigheid van de ingangspuls, ook wel bekend als flyback-fenomeen .
Daarom, wanneer de DC wordt toegepast, slaat de primaire deze stroom op, en wanneer de DC wordt losgekoppeld van de wikkeling, kan de wikkeling de opgeslagen stroom terugslaan over zijn aansluitingen.
Omdat de terminals echter zijn losgekoppeld, wordt deze back-emf in de secundaire wikkeling geïnduceerd, waardoor de vereiste AC over de secundaire uitgangsaansluitingen wordt gevormd.
De bovenstaande uitleg laat dus zien dat een pulscircuit of, eenvoudiger gezegd, een oscillatorcircuit noodzakelijk wordt tijdens het ontwerpen van een inverter.
Fundamentele circuitstadia van een omvormer
Om een functionele basisomvormer met redelijk goede prestaties te bouwen, heeft u de volgende basiselementen nodig:
- Transformator
- Voedingsapparaten, zoals N-channel MOSFET's of NPN biploar vermogenstransistors
- Lood zuur batterij
Blokdiagram
Hier is het blokschema dat illustreert hoe de bovenstaande elementen geïmplementeerd kunnen worden met een eenvoudige configuratie (middenkraan push-pull).
Hoe een oscillatorcircuit voor een omvormer te ontwerpen
Een oscillatorcircuit is de cruciale circuitfase in elke omvormer, aangezien deze fase verantwoordelijk wordt voor het schakelen van de DC naar de primaire wikkeling van de transformator.
Een oscillatortrap is misschien wel het eenvoudigste onderdeel in een invertercircuit. Het is eigenlijk een stabiele multivibratorconfiguratie die op veel verschillende manieren kan worden gemaakt.
U kunt NAND-poorten, NOR-poorten, apparaten met ingebouwde oscillatoren zoals IC 4060, IC LM567 of gewoon een 555 IC gebruiken. Een andere mogelijkheid is het gebruik van transistors en condensatoren in standaard astabiele modus.
De volgende afbeeldingen tonen de verschillende oscillatorconfiguraties die effectief kunnen worden gebruikt voor het bereiken van de basisoscillaties voor elk voorgesteld omvormerontwerp.
In de volgende diagrammen zien we een paar populaire oscillatorcircuitontwerpen, de uitgangen zijn blokgolven die in feite positieve pulsen zijn, de hoge vierkante blokken geven positieve potentialen aan, de hoogte van de vierkante blokken geven het spanningsniveau aan, dat normaal gelijk is aan het toegepaste voedingsspanning naar de IC, en de breedte van de vierkante blokjes geven de tijdsduur aan dat deze spanning actief blijft.
De rol van een oscillator in een omvormercircuit
Zoals besproken in de vorige sectie, is een oscillatortrap vereist voor het genereren van basisspanningspulsen voor het voeden van de volgende vermogenstrappen.
De pulsen van deze trappen kunnen echter te laag zijn met hun stroomuitgangen, en daarom kunnen ze niet rechtstreeks naar de transformator of naar de vermogenstransistors in de eindtrap worden gevoerd.
Om de oscillatiestroom naar het vereiste niveau te duwen, wordt normaal gesproken een tussenliggende drivertrap gebruikt, die kan bestaan uit een paar transistors met hoge versterking met gemiddeld vermogen of zelfs iets complexers.
Maar vandaag de dag met de komst van geavanceerde mosfets, kan een driverfase volledig worden geëlimineerd.
Dit komt omdat mosfets spanningsafhankelijke apparaten zijn en niet afhankelijk zijn van de stroomsterkte om te werken.
Met de aanwezigheid van een potentiaal van meer dan 5V over hun gate en source, zouden de meeste mosfets verzadigen en volledig geleiden over hun drain en source, zelfs als de stroom zo laag is als 1mA
Dit maakt de omstandigheden uitermate geschikt en eenvoudig toe te passen voor invertertoepassingen.
We kunnen zien dat in de bovenstaande oscillatorcircuits de output een enkele bron is, maar in alle inverter-topologieën hebben we een afwisselend of tegengesteld gepolariseerde pulserende output van twee bronnen nodig. Dit kan eenvoudig worden bereikt door een invertergate-trap (voor het omkeren van de spanning) toe te voegen aan de bestaande output van de oscillatoren, zie de onderstaande afbeeldingen.
Oscillatortrap configureren om kleine omvormercircuits te ontwerpen
Laten we nu proberen de eenvoudige methoden te begrijpen waarmee het bovenstaande uitgelegd met oscillatortrappen kan worden bevestigd aan een eindtrap om snel effectieve inverterontwerpen te maken.
Een omvormercircuit ontwerpen met NOT Gate Oscillator
De volgende afbeelding laat zien hoe een kleine omvormer kan worden geconfigureerd met behulp van een NOT-poortoscillator, zoals van de IC 4049.
Hier vormt in wezen N1 / N2 de oscillatortrap die de vereiste klokken of oscillaties van 50 Hz of 60 Hz creëert die nodig zijn voor de werking van de omvormer. N3 wordt gebruikt voor het inverteren van deze klokken omdat we tegengesteld gepolariseerde klokken moeten toepassen voor de transformatortrap.
We kunnen echter ook N4, N5 N6-poorten zien, die zijn geconfigureerd over de invoerlijn en uitvoerlijn van N3.
Eigenlijk zijn N4, N5, N6 gewoon inbegrepen voor het huisvesten van de 3 extra poorten die beschikbaar zijn in de IC 4049, anders zou alleen de eerste N1, N2, N3 alleen kunnen worden gebruikt voor de operaties, zonder problemen.
De 3 extra poorten werken als buffers en zorg er ook voor dat deze poorten niet onverbonden blijven, wat anders op de lange termijn een negatief effect op de IC kan hebben.
De tegengesteld gepolariseerde klokken over de uitgangen van N4 en N5 / N6 worden toegevoerd aan de bases van de power BJT-trap met behulp van TIP142 power BJT's, die een goede stroom van 10 ampère kunnen verwerken. De transformator is te zien geconfigureerd over de collectoren van de BJT's.
U zult zien dat er geen tussenversterker- of drivertrappen worden gebruikt in het bovenstaande ontwerp, omdat de TIP142 zelf een interne BJT Darlington-trap heeft voor de vereiste ingebouwde versterking en daarom in staat zijn om op comfortabele wijze de lage stroomklokken van de NOT-poorten naar de hoge huidige oscillaties over de aangesloten transformatorwikkeling.
Meer IC 4049-omvormerontwerpen vindt u hieronder:
Zelfgemaakt 2000 VA omvormercircuit
Eenvoudigste UPS-circuit (Uninterrupted Power Supply)
Een omvormercircuit ontwerpen met behulp van Schmidt Trigger NAND-poortoscillator
De volgende afbeelding laat zien hoe een oscillatorcircuit met IC 4093 kan worden geïntegreerd met een vergelijkbare BJT-eindtrap om een handig omvormerontwerp
De afbeelding toont een klein omvormerontwerp met IC 4093 Schmidt-trigger NAND-poorten. Ook hier had de N4 vrij identiek kunnen worden vermeden en hadden de BJT-bases rechtstreeks over de ingangen en de uitgangen N3 kunnen worden aangesloten. Maar nogmaals, N4 is inbegrepen om de ene extra poort in de IC 4093 te huisvesten en om ervoor te zorgen dat de invoerpin niet onaangesloten blijft.
Meer vergelijkbare IC 4093-omvormerontwerpen kunnen worden verwezen via de volgende links:
Best gemodificeerde omvormercircuits
Hoe maak je een omvormercircuit voor zonne-energie?
Hoe bouw je een 400 Watt hoogvermogen omvormercircuit met ingebouwde oplader
Een UPS-circuit ontwerpen - Zelfstudie
Pinout-diagrammen voor de IC 4093 en IC 4049
OPMERKING: De Vcc- en Vss-voedingspinnen van de IC worden niet weergegeven in de omvormerdiagrammen, deze moeten correct worden aangesloten op de 12V-batterijvoeding, voor 12V-omvormers. Voor omvormers met een hogere spanning moet deze voeding op de juiste manier worden verlaagd naar 12V voor de IC-voedingspinnen.
Een mini-omvormercircuit ontwerpen met behulp van de IC 555-oscillator
Uit de bovenstaande voorbeelden wordt duidelijk dat de meest basale vormen van omvormers kunnen worden ontworpen door simpelweg een BJT + transformatorvermogenstrap te koppelen aan een oscillatortrap.
Volgens hetzelfde principe kan een IC 555-oscillator ook worden gebruikt voor het ontwerpen van een kleine omvormer, zoals hieronder weergegeven:
De bovenstaande schakeling spreekt voor zich en behoeft wellicht geen verdere uitleg.
Meer van dergelijke IC 555-invertercircuits vindt u hieronder:
Eenvoudig IC 555-omvormercircuit
Topologieën van omvormers begrijpen (hoe de eindtrap te configureren)
In de bovenstaande secties hebben we geleerd over de oscillatortrappen, en ook het feit dat de gepulseerde spanning van de oscillator rechtstreeks naar de voorgaande vermogensuitgangstrap gaat.
Er zijn hoofdzakelijk drie manieren waarop een eindtrap van een omvormer kan worden ontworpen.
Door een:
- Push Pull Stage (met Center Tap Transformer) zoals uitgelegd in de bovenstaande voorbeelden
- Push Pull Half-Bridge Stage
- Push Pull Full-Bridge of H-Bridge Stage
De push-pull-trap met een middenkraantransformator is het meest populaire ontwerp omdat het eenvoudiger implementaties omvat en gegarandeerde resultaten oplevert.
Het vereist echter grotere transformatoren en de output is lager in efficiëntie.
Hieronder ziet u een aantal omvormerontwerpen die een middenkraantransformator gebruiken:
In deze configuratie wordt in feite een transformator met middenaftakking gebruikt waarvan de buitenste kranen zijn aangesloten op de hete uiteinden van de uitvoerapparaten (transistors of mosfets), terwijl de middenaftakking ofwel naar de negatieve kant van de batterij of naar de positieve van de batterij gaat, afhankelijk van afhankelijk van het type apparaten dat wordt gebruikt (type N of type P).
Half-bridge-topologie
Een halfbrugtrap maakt geen gebruik van een middenkraantrafo.
NAAR halve brug configuratie is beter dan een circuit van het middenaftakkingstype in termen van compactheid en efficiëntie, maar het vereist condensatoren met een grote waarde voor het implementeren van de bovenstaande functies.
NAAR volledige brug of een H-brug omvormer is vergelijkbaar met een half-bridge-netwerk, omdat het ook een gewone transformator met twee aftakkingen bevat en geen transformator in het midden nodig heeft.
Het enige verschil is de eliminatie van de condensatoren en de opname van nog twee stroomapparaten.
Full-bridge-topologie
Een volledig brug-invertercircuit bestaat uit vier transistors of mosfets die zijn gerangschikt in een configuratie die lijkt op de letter 'H'.
Alle vier de apparaten kunnen van het N-kanaaltype zijn of met twee N-kanalen en twee P-kanalen, afhankelijk van de externe driveroscillatortrap die wordt gebruikt.
Net als een halve brug heeft een volledige brug ook afzonderlijke, geïsoleerde afwisselend oscillerende uitgangen nodig om de apparaten te activeren.
Het resultaat is hetzelfde, de aangesloten transformator primair wordt onderworpen aan een omgekeerde voorwaartse soort omschakeling van de batterijstroom erdoorheen. Dit genereert de vereiste geïnduceerde verhoogde spanning over de secundaire uitgangswikkeling van de transformator. De efficiëntie is het hoogst bij dit ontwerp.
H-Bridge Transistor Logic Details
Het volgende diagram toont een typische H-brugconfiguratie, het schakelen gebeurt zoals hieronder:
- EEN HOOG, D HOOG - voorwaarts duwen
- B HOOG, C HOOG - achteruit trekken
- A HOOG, B HOOG - gevaarlijk (verboden)
- C HOOG, D HOOG - gevaarlijk (verboden)
De bovenstaande uitleg geeft de basisinformatie over het ontwerpen van een inverter, en kan alleen worden gebruikt voor het ontwerpen van gewone invertercircuits, meestal de blokgolftypen.
Er zijn echter veel andere concepten die kunnen worden geassocieerd met omvormerontwerpen, zoals het maken van een sinusomvormer, op PWM gebaseerde omvormer, uitgangsgestuurde omvormer, dit zijn slechts extra fasen die kunnen worden toegevoegd in de hierboven toegelichte basisontwerpen voor het implementeren van de genoemde functies.
We zullen ze een andere keer bespreken of misschien via uw waardevolle opmerkingen.
Een paar: Hoe 12V DC naar 220V AC te converteren Volgende: 3 interessante DRL-circuits (Day Time Running Light) voor uw auto
