Kako oblikovati pretvornik - teorija in vaje

V prispevku so razloženi temeljni nasveti in teorije, ki bi lahko bili koristni za prišleke pri načrtovanju ali obravnavi osnovnih konceptov pretvornika. Naučimo se več.

Kaj je pretvornik

To je naprava, ki pretvori ali pretvori nizkonapetostni in visokonapetostni potencial v nizkotokovno visoko izmenično napetost, na primer iz 12V avtomobilskega akumulatorja v 220V AC izhod.

Osnovno načelo za zgornjo pretvorbo

Osnovno načelo pretvorbe nizkonapetostnega enosmernega v visokonapetostni izmenični tok je uporaba shranjenega visokega toka znotraj enosmernega vira (običajno baterija) in njegovo povečanje do visokonapetostnega izmeničnega toka.

To v bistvu dosežemo z uporabo induktorja, ki je predvsem transformator, ki ima dva sklopa navitij, in sicer primarni (vhodni) in sekundarni (izhodni).

Primarno navitje je namenjeno sprejemanju enosmernega enosmernega vhoda, sekundarno pa za pretvorbo tega vhoda v ustrezen visokonapetostni izmenični izhod nizkega toka.

Kaj je izmenična napetost ali tok

Z izmenično napetostjo mislimo na napetost, ki svojo polarnost preklopi s pozitivne na negativno in obratno večkrat v sekundi, odvisno od nastavljene frekvence na vhodu transformatorja.

Na splošno je ta frekvenca 50 Hz ali 60 Hz, odvisno od uporabnostnih specifikacij posamezne države.

Umetno ustvarjena frekvenca se uporablja pri zgornjih stopnjah za napajanje izhodnih stopenj, ki so lahko sestavljeni iz močnostnih tranzistorjev ali MOSFET-ov ali GBT-jev, integriranih v močnostni transformator.

Napajalne naprave se odzivajo na napajane impulze in poganjajo priključeno navitje transformatorja z ustrezno frekvenco pri danem baterijskem toku in napetosti.

Zgornji učinek povzroči enakovredno visoko napetost na sekundarnem navitju transformatorja, ki na koncu odda potrebnih 220V ali 120V AC.

Preprosta ročna simulacija

Naslednja ročna simulacija prikazuje osnovno načelo vezja pretvornika, ki temelji na transformatorju s sredinsko pipo.

Ko se primarno navitje izmenično preklopi s tokom akumulatorja, se v sekundarnem navitju inducira enakovredna količina napetosti in toka skozi povratni letenje način, ki osvetli priključeno žarnico.

V pretvornikih, ki delujejo na vezje, se izvede enaka operacija, vendar prek napajalnih naprav in oscilatorja, ki preklopi navitje veliko hitreje, običajno s hitrostjo 50 Hz ali 60 Hz.

Tako bi v pretvorniku enako dejanje zaradi hitrega preklopa povzročilo, da je obremenitev vedno vklopljena, čeprav bi bila obremenitev v resnici vklopljena / izklopljena s hitrostjo 50 Hz ali 60 Hz.

Kako transformator pretvori dani vhod

Kot je bilo omenjeno zgoraj, transformator ponavadi imata dva navitja, enega primarnega in drugega sekundarnega.

Oba navitja reagirata tako, da bi pri uporabi preklopnega toka na primarnem navitju sorazmerno ustrezna moč prešla prek sekundarnega navitja z elektromagnetno indukcijo.

Predpostavimo torej, da če je primarni ocenjen na 12V, sekundarni pa na 220V, bi nihajni ali pulzirajoči 12V enosmerni vhod na primarno stran povzročil in ustvaril 220V AC na sekundarnih terminalih.

Vendar vhod v primarni tok ne more biti enosmerni tok, kar pomeni, da je vir lahko enosmerni tok, vendar ga je treba uporabljati v impulzni obliki ali s prekinitvami prek primarnega ali v obliki frekvence na določeni ravni, vendar imamo o tem razpravljali v prejšnjem poglavju.

To je potrebno, da se lahko izvedejo značilni atributi induktorja, v skladu s katerimi induktor omeji nihajoči tok in ga poskuša uravnotežiti tako, da v sistem vrže enakovreden tok med odsotnostjo vhodnega impulza, znan tudi kot pojav povratnega toka .

Torej, ko je enosmerni tok pritrjen, primarni shrani ta tok in ko je enosmerni tok odklopljen od navitja, omogoča navitju, da vrne shranjeni tok skozi svoje sponke.

Ker pa so sponke odklopljene, se ta zadnja emf inducira v sekundarno navitje in tvori zahtevano izmenično napetost na sekundarnih izhodnih sponkah.

Zgornja razlaga tako kaže, da impulzno vezje ali bolj preprosto rečeno, oscilatorjsko vezje postane nujno med načrtovanjem pretvornika.

Temeljne faze vezja pretvornika

Če želite zgraditi osnovni funkcionalni pretvornik z razmeroma dobrimi zmogljivostmi, boste potrebovali naslednje osnovne elemente:

• Transformator
• Napajalne naprave, kot je N-kanal MOSFET-ji ali NPN Biploar močnostni tranzistorji
• Svinčena kislina

Blok diagram

Tu je blokovni diagram, ki ponazarja, kako zgoraj navedene elemente uporabiti s preprosto konfiguracijo (potisni-povleci sredinski dotik).

Kako oblikovati oscilatorno vezje za pretvornik

Oscilatorno vezje je ključna stopnja vezja v katerem koli pretvorniku, saj ta stopnja postane odgovorna za preklop Dc v primarni navit transformatorja.

Oscilator je verjetno najpreprostejši del pretvorniškega vezja. V bistvu gre za nestabilno konfiguracijo multivibratorja, ki jo lahko naredimo na več različnih načinov.

Uporabite lahko vrata NAND, vrata NOR, naprave z vgrajenimi oscilatorji, kot so IC 4060, IC LM567 ali povsem 555 IC. Druga možnost je uporaba tranzistorjev in kondenzatorjev v običajnem nestabilnem načinu.

Naslednje slike prikazujejo različne konfiguracije oscilatorjev, ki jih je mogoče učinkovito uporabiti za doseganje osnovnih nihanj za katero koli predlagano zasnovo pretvornika.

V naslednjih diagramih vidimo nekaj priljubljenih zasnov oscilatorjev, izhodi so kvadratni valovi, ki so dejansko pozitivni impulzi, visoki kvadratni bloki kažejo pozitivne potenciale, višina kvadratnih blokov pa označuje raven napetosti, ki je običajno enaka uporabljeni napajalna napetost na IC, širina kvadratnih blokov pa kaže na časovno obdobje, v katerem ta napetost ostane živa.

Vloga oscilatorja v pretvorniškem vezju

Kot je bilo razloženo v prejšnjem poglavju, je za generiranje osnovnih napetostnih impulzov za napajanje naslednjih stopenj moči potrebna stopnja oscilatorja.

Vendar pa so impulzi na teh stopnjah lahko prenizki s svojimi trenutnimi izhodi, zato jih ni mogoče napajati neposredno na transformator ali na močnostne tranzistorje v izhodni fazi.

Za potiskanje nihajnega toka na zahtevane ravni se običajno uporablja vmesna stopnja gonilnika, ki je lahko sestavljena iz nekaj visokotlačnih tranzistorjev srednje moči ali celo kaj bolj zapletenega.

Vendar pa je danes s prihodom prefinjenih MOSFET-ov vozniška stopnja morda popolnoma odpravljena.

To je zato, ker so mosfet-ovi napetostno odvisne naprave in se pri delovanju ne zanašajo na trenutne velikosti.

Ob prisotnosti potenciala nad 5V preko njihovih vrat in vira bi se večina MOSFET-ov nasičila in vodila v celotnem odtoku in viru, tudi če je tok le 1mA

Zaradi tega so pogoji izjemno primerni in enostavni za uporabo v pretvornikih.

Vidimo lahko, da je v zgornjih oscilatorjskih vezjih izhod en vir, vendar v vseh pretvorniških topologijah potrebujemo izmenično ali nasprotno polarizirane pulzirajoče izhode iz dveh virov. To je mogoče preprosto doseči z dodajanjem stopnje pretvornika pretvornika (za obračanje napetosti) obstoječemu izhodu oscilatorjev, glejte spodnje slike.

Konfiguriranje stopnje oscilatorja za načrtovanje majhnih pretvorniških vezij

Zdaj pa poskusimo razumeti enostavne metode, s katerimi je mogoče zgoraj razloženo s stopnjami oscilatorja pritrditi z močjo za hitro ustvarjanje učinkovitih zasnov pretvornika.

Oblikovanje pretvorniškega vezja z uporabo oscilatorja NOT Gate

Naslednja slika prikazuje, kako je mogoče majhen pretvornik konfigurirati z oscilatorjem NOT gate, kot je IC 4049.

Tu v bistvu N1 / N2 tvori stopnjo oscilatorja, ki ustvarja zahtevane ure 50Hz ali 60Hz ali nihanja, potrebna za delovanje pretvornika. N3 se uporablja za obračanje teh ur, ker moramo za stopnjo močnostnega transformatorja uporabiti nasprotno polarizirane ure.

Lahko pa vidimo tudi vrata N4, N5 N6, ki so konfigurirana čez vhodno in izhodno črto N3.

Pravzaprav so N4, N5, N6 preprosto vključeni za namestitev 3 dodatnih vrat, ki so na voljo znotraj IC 4049, sicer bi lahko bili samo prvi N1, N2, N3 sami uporabljeni za operacije, brez kakršnih koli težav.

Trije dodatki vrata delujejo kot odbojniki in tudi poskrbite, da ta vrata ne ostanejo nepovezana, kar lahko sicer dolgoročno negativno vpliva na IC.

Nasprotno polarizirane ure na izhodih N4 in N5 / N6 se nanesejo na osnove moči BJT stopnje z uporabo moči BJT TIP142, ki so sposobne obvladovati dober tok 10 amp. Transformator je mogoče videti konfiguriran na kolektorjih BJT.

Ugotovili boste, da v zgornji zasnovi niso uporabljeni nobeni vmesni ojačevalniki ali stopnje gonilnika, ker ima sam TIP142 notranjo stopnjo BJT Darlington za zahtevano vgrajeno ojačitev in zato lahko udobno ojačijo nizkotočne ure iz vrat NOT v visoke nihanja toka na priključenem navitju transformatorja.

Več izvedb pretvornikov IC 4049 najdete spodaj:

Domače vezje pretvornika moči 2000 VA

Najenostavnejše vezje neprekinjenega napajanja (UPS)

Oblikovanje pretvorniškega vezja z uporabo Schmidtovega sprožilca NAND gate oscilator

Naslednja slika prikazuje, kako je mogoče oscilatorjsko vezje z uporabo IC 4093 integrirati s podobno stopnjo moči BJT za ustvarjanje a uporabna zasnova pretvornika .

Slika prikazuje majhno zasnovo pretvornika z uporabo NAND vrat ICG 4093 Schmidt. Povsem enako bi se tudi tu lahko izognili N4 in BJT baze lahko neposredno povezali preko vhodov in izhodov N3. Toda spet je vključen N4 za namestitev enega dodatnega vrata znotraj IC 4093 in za zagotovitev, da njegov vhodni zatič ne ostane nepovezan.

Bolj podobne zasnove pretvornika IC 4093 lahko najdete na teh povezavah:

Najbolje spremenjeni pretvorniški tokokrogi

Kako narediti vezje sončnega pretvornika

Kako zgraditi 400-vatno pretvornik velike moči z vgrajenim polnilnikom

Kako oblikovati vezje UPS - Vadnica

Diagrami pinout za IC 4093 in IC 4049

OPOMBA: Napajalni zatiči Vcc in Vss IC niso prikazani na diagramih pretvornika, ti morajo biti za 12V pretvornike ustrezno povezani z napajalnikom 12V. Pri pretvornikih z višjo napetostjo je treba to napajanje ustrezno znižati na 12 V za napajalne zatiče IC.

Oblikovanje mini inverterskega vezja z uporabo oscilatorja IC 555

Iz zgornjih primerov postane povsem očitno, da bi lahko bile najosnovnejše oblike pretvornikov zasnovane tako, da bi enoto stopnje transformatorja BJT + preprosto povezali s stopnjo oscilatorja.

Po istem principu lahko oscilator IC 555 uporabimo tudi za načrtovanje majhnega pretvornika, kot je prikazano spodaj:

Zgornje vezje je samo po sebi razumljivo in morda ne zahteva nobene nadaljnje razlage.

Več takšnih pretvorniških vezij IC 555 najdete spodaj:

Preprosto vezje pretvornika IC 555

Razumevanje topologij pretvornika (Kako konfigurirati izhodno stopnjo)

V zgornjih odsekih smo izvedeli o stopnjah oscilatorja in tudi o tem, da impulzna napetost iz oscilatorja gre naravnost v predhodno stopnjo izhodne moči.

Obstajajo predvsem trije načini načrtovanja izhodne stopnje pretvornika.

Z uporabo:

1. Push Pull Stage (s centralnim transformatorjem), kot je razloženo v zgornjih primerih
2. Potisni vlečni odrski most
3. Potisni vlečni oder Full-Bridge ali H-Bridge

Potisni oder s pomočjo centralnega transformatorja je najbolj priljubljena oblika, saj vključuje preprostejše izvedbe in daje zajamčene rezultate.

Vendar pa zahteva obsežnejše transformatorje in izhod je manj učinkovit.

Spodaj je razvidno nekaj izvedb pretvornika, ki uporablja sredinski transformator:

V tej konfiguraciji se v bistvu uporablja transformator z osrednjo pipo z zunanjimi pipami, povezanimi z vročimi konci izhodnih naprav (tranzistorji ali MOSFET-i), medtem ko gre osrednja pipa na minus baterije ali na pozitivni del baterije. glede na vrsto uporabljenih naprav (tip N ali tip P).

Topologija pol mostov

Pri stopnji pol mosta se ne uporablja sredinski transformator pipe.

TO pol most Glede na kompaktnost in učinkovitost je konfiguracija boljša od tipa vezja z vlečnim središčem, vendar za izvajanje zgoraj navedenih funkcij potrebuje kondenzatorje velike vrednosti.

TO polni most ali pretvornik mostu H je podoben omrežju s pol mostom, saj vključuje tudi navadni transformator z dvema pipama in ne potrebuje centralnega transformatorja.

Edina razlika je odprava kondenzatorjev in vključitev še dveh napajalnih naprav.

Topologija celotnega mostu

Celotno vezje pretvornika mostu je sestavljeno iz štirih tranzistorjev ali MOSFET-ov, razporejenih v konfiguraciji, ki spominja na črko 'H'.

Vse štiri naprave so lahko N-tipa ali z dvema N-kanalnima in dvema P-kanalnima, odvisno od stopnje zunanjega oscilatorja gonilnika, ki se uporablja.

Tako kot pol most tudi polni most potrebuje ločene, izolirane izmenično nihajoče izhode za sprožitev naprav.

Rezultat je enak, priključeni primarni transformator je podvržen vzvratnemu preklopu akumulatorskega toka skozi njega. To ustvarja zahtevano inducirano stopnjevano napetost na izhodnem sekundarnem navitju transformatorja. S to zasnovo je učinkovitost največja.

Podrobnosti logike tranzistorja H-Bridge

Naslednji diagram prikazuje tipično konfiguracijo mostu H, preklapljanje je izvedeno kot spodaj:

1. VISOKO, D VISOKO - potisk naprej
2. B VISOKO, C VISOKO - povratno vlečenje
3. A HIGH, B HIGH - nevarno (prepovedano)
4. C HIGH, D HIGH - nevarno (prepovedano)

Zgornja razlaga vsebuje osnovne informacije o načrtovanju pretvornika in je lahko vključena samo za načrtovanje običajnih pretvorniških vezij, običajno kvadratnih valov.

Obstajajo pa številni nadaljnji koncepti, ki so lahko povezani z zasnovo pretvornika, kot je izdelava pretvornika s sinusnim valom, pretvornika s PWM, pretvornika z izhodno krmiljenjem, to so le dodatne stopnje, ki jih lahko dodamo v zgoraj razložene osnovne zasnove za izvajanje omenjenih funkcij.

O njih bomo razpravljali kdaj drugič ali pa bomo prejeli vaše dragocene komentarje.