Kako dizajnirati pretvarač - teorija i vodič

Post objašnjava osnovne savjete i teorije koji bi mogli biti korisni za pridošlice tijekom dizajniranja ili bavljenja osnovnim konceptima pretvarača. Naučimo više.

Što je to pretvarač

Uređaj je koji pretvara ili pretvara niskonaponski potencijal visokog istosmjernog napona u niskonaponski izmjenični napon, na primjer iz 12V izvora automobilske baterije u 220V AC izlaz.

Osnovni princip iza gornje pretvorbe

Osnovni princip pretvaranja niskonaponskog istosmjernog napona u visokonaponski izmjenični je korištenje pohranjene jake struje unutar istosmjernog izvora (obično baterije) i njegovo pojačavanje na visokonaponski izmjenični napon.

To se u osnovi postiže uporabom prigušnice, koja je prvenstveno transformator koji ima dva seta namota i to primarni (ulazni) i sekundarni (izlazni).

Primarni namot namijenjen je za primanje ulaza istosmjerne velike struje, dok je sekundarni za invertiranje tog ulaza u odgovarajući izmjenični izlaz niskonaponske visokonaponske struje.

Što je izmjenični napon ili struja

Pod izmjeničnim naponom podrazumijevamo napon koji mijenja svoj polaritet s pozitivnog na negativni i obrnuto mnogo puta u sekundi, ovisno o podešenoj frekvenciji na ulazu transformatora.

Općenito je ova frekvencija 50Hz ili 60 Hz, ovisno o korisnim specifikacijama određene zemlje.

Umjetno generirana frekvencija koristi se prema gore navedenim brzinama za napajanje izlaznih stupnjeva koji se mogu sastojati od energetskih tranzistora ili MOSFET-a ili GBT-a integriranih u energetski transformator.

Napajalni uređaji reagiraju na napajane impulse i pokreću povezani namot transformatora s odgovarajućom frekvencijom pri zadanoj struji i naponu akumulatora.

Gore navedeno djelovanje inducira ekvivalentni visoki napon na sekundarnom namotu transformatora koji u konačnici daje potrebnih 220 V ili 120 V AC.

Jednostavna ručna simulacija

Sljedeća ručna simulacija prikazuje osnovni princip rada pretvarača s potisnim povlačenjem na osnovi središnjeg slavine.

Kada se primarni namot izmjenjuje naizmjenično strujom akumulatora, ekvivalentna količina napona i struje inducira se preko sekundarnog namota kroz povratni let način rada, koji osvjetljava priključenu žarulju.

U pretvaračima s kružnim upravljanjem izvršava se ista operacija, ali preko napajajućih uređaja i oscilatornog kruga koji namotavanje prebacuje mnogo bržim tempom, obično brzinom od 50 Hz ili 60 Hz.

Stoga bi u pretvaraču isto djelovanje zbog brzog prebacivanja uzrokovalo da se opterećenje uvijek čini UKLJUČENO, iako bi se u stvarnosti opterećenje UKLJUČILO / ISKLJUČILO brzinom od 50 Hz ili 60 Hz.

Kako transformator pretvara zadani ulaz

Kao što je gore spomenuto, transformator obično će imati dva namota, jedan primarni i drugi sekundarni.

Dva namota reagiraju na takav način da bi, kada se na primarni namot primijeni preklopna struja, elektromagnetskom indukcijom prijenos proporcionalno relevantne snage preko sekundarnog namota.

Stoga pretpostavimo, ako je primarni napon od 12V, a sekundarni na 220V, oscilirajući ili pulsirajući 12V istosmjerni ulaz na primarnu stranu inducirat će i generirati 220V izmjenični na sekundarnim stezaljkama.

Međutim, ulaz u primar ne može biti istosmjerna struja, što znači da iako izvor može biti istosmjerna struja, on se mora primijeniti u impulsnom obliku ili s prekidima preko primarnog, ili u obliku frekvencije na navedenoj razini, imamo o čemu smo raspravljali u prethodnom odjeljku.

To je potrebno kako bi se mogli implementirati svojstveni atributi prigušnice, prema kojima prigušnica ograničava fluktuirajuću struju i pokušava je uravnotežiti bacajući ekvivalentnu struju u sustav tijekom odsutnosti ulaznog impulsa, također poznatog kao povratni fenomen .

Stoga, kada se primijeni istosmjerna struja, primarno pohranjuje ovu struju, a kada se istosmjerni strujni spoj odvoji od namota, omogućuje namotavanje da spremi uskladištenu struju na svoje stezaljke.

Međutim, budući da su terminali odspojeni, taj stražnji emf dolazi u sekundarni namot, čineći potrebnu izmjeničnu struju na sekundarnim izlaznim stezaljkama.

Gornje objašnjenje tako pokazuje da impulsni krug ili jednostavnije rečeno, oscilatorni krug postaje imperativ tijekom projektiranja pretvarača.

Osnovne faze kruga pretvarača

Za izgradnju osnovnog funkcionalnog pretvarača s relativno dobrom izvedbom trebat će vam sljedeći osnovni elementi:

• Transformator
• Uređaji za napajanje, poput N-kanala MOSFET-ovi ili NPN biploar tranzistori snage
• Olovna kiselina

Blok dijagram

Evo blok dijagrama koji ilustrira kako implementirati gore navedene elemente jednostavnom konfiguracijom (središnji slavina push-pull).

Kako dizajnirati oscilatorni krug za pretvarač

Oscilatorni krug presudan je stupanj kruga u bilo kojem pretvaraču, jer ovaj stupanj postaje odgovoran za prebacivanje istosmjerne struje u primarni namot transformatora.

Stupanj oscilatora je možda najjednostavniji dio u krugu pretvarača. To je u osnovi nestabilna konfiguracija multivibratora koja se može napraviti na mnogo različitih načina.

Možete koristiti NAND vrata, NI vrata, uređaje s ugrađenim oscilatorima kao što su IC 4060, IC LM567 ili potpuno 555 IC. Druga mogućnost je upotreba tranzistora i kondenzatora u standardnom nestabilnom načinu rada.

Sljedeće slike prikazuju različite konfiguracije oscilatora koje se mogu učinkovito koristiti za postizanje osnovnih oscilacija za bilo koji predloženi dizajn pretvarača.

U sljedećim dijagramima vidimo nekoliko popularnih dizajna oscilatornih krugova, izlazi su kvadratni val koji su zapravo pozitivni impulsi, visoki kvadratni blokovi označavaju pozitivne potencijale, visina kvadratnih blokova označava razinu napona, koja je obično jednaka primijenjenom opskrbni napon na IC, a širina kvadratnih blokova označava vremenski raspon tijekom kojeg taj napon ostaje živ.

Uloga oscilatora u krugu pretvarača

Kao što je raspravljeno u prethodnom odjeljku, stupanj oscilatora potreban je za generiranje osnovnih impulsa napona za napajanje sljedećih stupnjeva snage.

Međutim, impulsi iz ovih stupnjeva mogu biti preniski sa svojim trenutnim izlazima, pa se stoga ne mogu napajati izravno na transformator ili na tranzistore snage u izlaznom stupnju.

Da bi se oscilacijska struja potisnula na potrebne razine, obično se koristi srednji stupanj pokretača, koji se može sastojati od nekoliko tranzistora srednje snage s velikim pojačanjem ili čak nešto složenijeg.

Međutim, danas pojavom sofisticiranih MOSFET-a, stupanj vozača može biti potpuno eliminiran.

To je zato što su mosfet-ovi uređaji koji ovise o naponu i ne oslanjaju se na trenutne veličine za rad.

Uz prisutnost potencijala iznad 5V preko njihovih vrata i izvora, većina MOSFET-a bi se zasitila i provela u cijelosti preko svog odvoda i izvora, čak i ako je struja niska od 1mA

To uvjete čini izuzetno pogodnim i jednostavnim za primjenu u pretvaračima.

Možemo vidjeti da je u gornjim oscilatornim krugovima izlaz jedan izvor, međutim u svim topologijama pretvarača potrebni su naizmjenično ili suprotno polarizirani pulsirajući izlazi iz dva izvora. To se jednostavno može postići dodavanjem stupnja pretvarača pretvarača (za invertiranje napona) postojećem izlazu oscilatora, pogledajte donje slike.

Konfiguriranje oscilatorne faze za projektiranje malih pretvaračkih krugova

Pokušajmo sada razumjeti jednostavne metode pomoću kojih se gore objašnjeno s stupnjevima oscilatora može povezati stupnjem snage za brzo stvaranje učinkovitih dizajna pretvarača.

Projektiranje kruga pretvarača pomoću oscilatora NOT Gate

Sljedeća slika prikazuje kako se mali pretvarač može konfigurirati pomoću oscilatora NOT gate, poput IC 4049.

Ovdje u osnovi N1 / N2 čine stupanj oscilatora koji stvara potrebne satove od 50 Hz ili 60 Hz ili oscilacije potrebne za rad pretvarača. N3 se koristi za invertiranje ovih satova jer za stupanj energetskog transformatora moramo primijeniti suprotno polarizirane satove.

Međutim, možemo vidjeti i vrata N4, N5 N6, koja su konfigurirana preko ulazne i izlazne linije N3.

Zapravo su N4, N5, N6 jednostavno uključeni za smještaj 3 dodatna ulaza dostupna unutar IC 4049, inače bi se samo prvi N1, N2, N3 mogli samostalno koristiti za rad, bez ikakvih problema.

3 dodatna vrata djeluju poput odbojnika a također osigurajte da ta vrata ne ostanu nepovezana, što inače može dugoročno stvoriti štetan učinak na IC.

Suprotno polarizirani satovi na izlazima N4 i N5 / N6 primjenjuju se na osnovice snage BJT stupnja pomoću TIP142 snage BJT-a, koji su sposobni nositi se s dobrom strujom od 10 amp. Transformator se može vidjeti konfiguriran preko kolektora BJT-a.

Otkrit ćete da se u gore navedenom dizajnu ne koriste nikakva međupojačala ili pogonski stupnjevi, jer sam TIP142 ima unutarnju BJT Darlingtonovu fazu za potrebno ugrađeno pojačanje, pa su stoga u stanju udobno pojačati satove slabe struje s NOT ulaza u visoke oscilacije struje na povezanom namotu transformatora.

Više izvedbi pretvarača IC 4049 možete pronaći u nastavku:

Domaći strujni krug pretvarača snage 2000 VA

Najjednostavniji krug neprekidnog napajanja (UPS)

Projektiranje inverterskog kruga pomoću Schmidt-ovog okidača NAND oscilator vrata

Sljedeća slika prikazuje kako se oscilatorni krug koji koristi IC 4093 može integrirati sa sličnim BJT stupnjem snage za stvaranje a korisni dizajn pretvarača .

Slika prikazuje mali dizajn pretvarača koji koristi NAND vrata IC okidača IC 4093 Schmidt. Potpuno identično i ovdje se mogao izbjeći N4, a baze BJT mogle su biti izravno povezane preko ulaza i izlaza N3. Ali opet, N4 je uključen kako bi se smjestio jedan dodatni ulaz unutar IC 4093 i kako bi se osiguralo da njegov ulazni pin ne ostane nepovezan.

Sličnije izvedbe pretvarača IC 4093 mogu se uputiti sa sljedećih poveznica:

Najbolje modificirani krugovi pretvarača

Kako napraviti krug solarnog pretvarača

Kako izraditi pretvarač velike snage 400 W s ugrađenim punjačem

Kako dizajnirati UPS krug - Vodič

Dijagrami pinouta za IC 4093 i IC 4049

NAPOMENA: Vcc i Vss opskrbni pinovi IC-a nisu prikazani na dijagramima pretvarača, oni moraju biti odgovarajuće povezani s napajanjem baterije od 12 V za pretvarače od 12 V. Za pretvarače višeg napona ova se opskrba mora prikladno spustiti na 12V za IC opskrbne pinove.

Dizajniranje mini inverterskog kruga pomoću IC 555 oscilatora

Iz gornjih primjera postaje sasvim očito da bi se najosnovniji oblici pretvarača mogli projektirati jednostavnim spajanjem stupnja snage BJT + transformatora s stupnjem oscilatora.

Slijedeći isti princip, IC 555 oscilator može se koristiti i za projektiranje malog pretvarača kao što je prikazano dolje:

Gornji sklop je samoobjašnjiv i možda ne zahtijeva daljnje objašnjenje.

Još takvih krugova pretvarača IC 555 možete pronaći u nastavku:

Jednostavni krug pretvarača IC 555

Razumijevanje topologija pretvarača (Kako konfigurirati izlaznu fazu)

U gornjim odjeljcima saznali smo o stupnjevima oscilatora, kao i činjenici da impulsni napon oscilatora ide ravno u prethodni stupanj izlazne snage.

Postoje prvenstveno tri načina na koja se može projektirati izlazni stupanj pretvarača.

Korištenjem:

1. Potisna pozornica (s središnjim transformatorom za slavinu) kako je objašnjeno u gornjim primjerima
2. Push-Pull polu-most pozornice
3. Potisni pull ili H-Bridge pozornica

Stupanj potiskivanja pomoću središnjeg transformatora slavine najpopularniji je dizajn jer uključuje jednostavnije izvedbe i daje zajamčene rezultate.

Međutim, potrebni su glomazniji transformatori, a učinkovitost je niža.

Ispod se može vidjeti nekoliko izvedbi pretvarača koji koriste središnji transformator slavine:

U ovoj se konfiguraciji u osnovi koristi transformator sa središnjim slavinom s vanjskim slavinama povezanim s vrućim krajevima izlaznih uređaja (tranzistori ili MOSFET-ovi), dok središnja slavina ide na minus baterije ili na pozitiv baterije, ovisno o tome prema vrsti korištenih uređaja (tip N ili P).

Topologija polumosta

Stup na pola mosta ne koristi središnji transformator slavine.

DO polu most Konfiguracija je bolja od tipa sklopnog pulsa sa središnjim slavinom u smislu kompaktnosti i učinkovitosti, no za implementaciju gore navedenih funkcija potrebni su kondenzatori velike vrijednosti.

DO puni most ili pretvarač H-mosta sličan je mreži s pola mostova, jer također uključuje uobičajeni transformator s dvije slavine i ne zahtijeva središnji transformator slavine.

Jedina razlika je uklanjanje kondenzatora i uključivanje još dva uređaja za napajanje.

Topologija punog mosta

Puni krug pretvarača mosta sastoji se od četiri tranzistora ili MOSFET-a raspoređenih u konfiguraciji nalik na slovo 'H'.

Sva četiri uređaja mogu biti tipa N kanala ili s dva N kanala i dva P kanala, ovisno o stupnju oscilatora vanjskog upravljačkog programa koji se koristi.

Baš kao i polu most, i puni most zahtijeva odvojene, izolirane naizmjenično oscilirajuće izlaze za aktiviranje uređaja.

Rezultat je isti, priključeni primarni transformator podvrgnut je obrnutom naprijed prebacivanju struje akumulatora kroz njega. To generira potrebni inducirani pojačani napon na izlaznom sekundarnom namotu transformatora. Učinkovitost je najveća kod ovog dizajna.

Pojedinosti logike tranzistora H-mosta

Sljedeći dijagram prikazuje tipičnu konfiguraciju H-mosta, prebacivanje se vrši prema dolje:

1. VISOKO, D VISOKO - guranje prema naprijed
2. B VISOKO, C VISOKO - povlačenje unazad
3. A HIGH, B HIGH - opasno (zabranjeno)
4. C HIGH, D HIGH - opasno (zabranjeno)

Gornje objašnjenje daje osnovne informacije o načinu projektiranja pretvarača i može se uključiti samo za projektiranje običnih krugova pretvarača, obično tipova kvadratnih valova.

Međutim, postoje mnogi daljnji koncepti koji se mogu povezati s dizajnom pretvarača, poput izrade pretvarača sinusnog vala, pretvarača temeljenog na PWM-u, pretvarača s izlaznim upravljanjem, to su samo dodatni stupnjevi koji se mogu dodati u gore objašnjene osnovne nacrte za provedbu navedenih funkcija.

Razgovarat ćemo o njima neki drugi put ili možda putem vaših vrijednih komentara.