In diesem Beitrag werden die grundlegenden Tipps und Theorien erläutert, die für Neueinsteiger beim Entwerfen oder Behandeln grundlegender Wechselrichterkonzepte hilfreich sein können. Lass uns mehr lernen.
Was ist ein Wechselrichter?
Es ist ein Gerät, das ein niedriges Gleichspannungspotential mit niedriger Spannung in eine hohe Wechselspannung mit niedrigem Strom umwandelt oder invertiert, z. B. von einer 12-V-Autobatteriequelle in einen 220-V-Wechselstromausgang.
Grundprinzip hinter der obigen Konvertierung
Das Grundprinzip bei der Umwandlung eines Niederspannungs-Gleichstroms in einen Hochspannungs-Wechselstrom besteht darin, den in einer Gleichstromquelle (normalerweise einer Batterie) gespeicherten Hochstrom in einen Hochspannungs-Wechselstrom umzuwandeln.
Dies wird im Wesentlichen durch die Verwendung eines Induktors erreicht, bei dem es sich in erster Linie um einen Transformator mit zwei Wicklungssätzen handelt, nämlich Primär (Eingang) und Sekundär (Ausgang).
Die Primärwicklung dient zum Empfang des Gleichstrom-Gleichstromeingangs, während die Sekundärwicklung diesen Eingang in den entsprechenden Hochspannungs-Niederspannungs-Wechselausgang invertiert.
Was ist Wechselspannung oder Wechselstrom?
Mit Wechselspannung ist eine Spannung gemeint, die ihre Polarität abhängig von der eingestellten Frequenz am Eingang des Transformators mehrmals pro Sekunde von positiv nach negativ und umgekehrt umschaltet.
Im Allgemeinen beträgt diese Frequenz 50 Hz oder 60 Hz, abhängig von den Versorgungsspezifikationen des jeweiligen Landes.
Eine künstlich erzeugte Frequenz wird mit den obigen Raten zum Speisen der Ausgangsstufen verwendet, die aus Leistungstransistoren oder Mosfets oder GBTs bestehen können, die in den Leistungstransformator integriert sind.
Die Leistungsgeräte reagieren auf die eingespeisten Impulse und treiben die angeschlossene Transformatorwicklung mit der entsprechenden Frequenz bei dem angegebenen Batteriestrom und der angegebenen Batteriespannung an.
Die obige Aktion induziert eine äquivalente Hochspannung über der Sekundärwicklung des Transformators, die letztendlich die erforderlichen 220 V oder 120 V AC ausgibt.
Eine einfache manuelle Simulation
Die folgende manuelle Simulation zeigt das grundlegende Funktionsprinzip einer Push-Pull-Wechselrichterschaltung auf Basis eines Mittelabgriffstransformators.
Wenn die Primärwicklung abwechselnd mit einem Batteriestrom geschaltet wird, wird eine äquivalente Menge an Spannung und Strom über die Sekundärwicklung durch induziert Flyback Modus, der die angeschlossene Glühbirne beleuchtet.
In einem schaltungsbetriebenen Wechselrichter wird der gleiche Betrieb ausgeführt, jedoch durch Leistungsvorrichtungen und eine Oszillatorschaltung, die die Wicklung mit einem viel schnelleren Tempo schaltet, üblicherweise mit einer Rate von 50 Hz oder 60 Hz.
Somit würde in einem Wechselrichter die gleiche Aktion aufgrund des schnellen Schaltens dazu führen, dass die Last immer eingeschaltet erscheint, obwohl in Wirklichkeit die Last mit einer Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz ein- und ausgeschaltet würde.
Wie der Transformator einen bestimmten Eingang umwandelt
Wie oben diskutiert, ist die Transformator Normalerweise hat es zwei Wicklungen, eine primäre und eine sekundäre.
Die beiden Wicklungen reagieren so, dass bei Anlegen eines Schaltstroms an die Primärwicklung eine proportional relevante Leistung durch elektromagnetische Induktion über die Sekundärwicklung übertragen wird.
Nehmen wir daher an, wenn die Primärseite für 12 V und die Sekundärseite für 220 V ausgelegt ist, würde ein oszillierender oder pulsierender 12-V-Gleichstromeingang auf der Primärseite einen Wechselstrom von 220 V über den Sekundäranschlüssen induzieren und erzeugen.
Der Eingang zur Primärwicklung kann jedoch kein Gleichstrom sein, was bedeutet, dass die Quelle zwar ein Gleichstrom sein kann, jedoch in gepulster Form oder intermittierend über die Primärwicklung oder in Form einer Frequenz auf dem angegebenen Pegel angelegt werden muss haben dies im vorherigen Abschnitt besprochen.
Dies ist erforderlich, damit die inhärenten Eigenschaften eines Induktors implementiert werden können, wonach ein Induktor einen schwankenden Strom begrenzt und versucht, ihn auszugleichen, indem er während des Fehlens des Eingangsimpulses, auch als Rücklaufphänomen bekannt, einen äquivalenten Strom in das System wirft .
Wenn der Gleichstrom angelegt wird, speichert der Primärstrom diesen Strom, und wenn der Gleichstrom von der Wicklung getrennt wird, kann die Wicklung den gespeicherten Strom über ihre Klemmen zurückwerfen.
Da jedoch die Klemmen getrennt sind, wird diese Gegen-EMK in die Sekundärwicklung induziert und bildet den erforderlichen Wechselstrom über die Sekundärausgangsklemmen.
Die obige Erklärung zeigt somit, dass eine Impulsgeberschaltung oder einfacher gesagt eine Oszillatorschaltung beim Entwerfen eines Wechselrichters zwingend erforderlich wird.
Grundlegende Schaltungsstufen eines Wechselrichters
Um einen grundlegenden Funktionswechselrichter mit relativ guter Leistung zu bauen, benötigen Sie die folgenden grundlegenden Elemente:
- Transformator
- Leistungsgeräte wie N-Kanal MOSFETs oder NPN Biploar Leistungstransistoren
- Blei-Säure-Batterie
Blockdiagramm
Hier ist das Blockdiagramm, das zeigt, wie die oben genannten Elemente mit einer einfachen Konfiguration implementiert werden (Push-Pull in der Mitte).
So entwerfen Sie eine Oszillatorschaltung für einen Wechselrichter
Eine Oszillatorschaltung ist die entscheidende Schaltungsstufe in jedem Wechselrichter, da diese Stufe für das Umschalten des Gleichstroms in die Primärwicklung des Transformators verantwortlich ist.
Eine Oszillatorstufe ist vielleicht der einfachste Teil in einer Wechselrichterschaltung. Es handelt sich im Grunde genommen um eine erstaunliche Multivibrator-Konfiguration, die auf viele verschiedene Arten hergestellt werden kann.
Sie können NAND-Gatter, NOR-Gatter, Geräte mit eingebauten Oszillatoren wie IC 4060, IC LM567 oder ganz einfach einen 555-IC verwenden. Eine weitere Option ist die Verwendung von Transistoren und Kondensatoren im Standard-Astable-Modus.
Die folgenden Bilder zeigen die verschiedenen Oszillatorkonfigurationen, die effektiv zum Erreichen der Grundschwingungen für jedes vorgeschlagene Wechselrichterdesign verwendet werden können.
In den folgenden Diagrammen sehen wir einige gängige Oszillatorschaltungskonstruktionen. Die Ausgänge sind Rechteckwellen, die tatsächlich positive Impulse sind. Die hohen Rechteckblöcke zeigen positive Potentiale an. Die Höhe der Rechteckblöcke gibt den Spannungspegel an, der normalerweise dem angelegten entspricht Die Versorgungsspannung für den IC und die Breite der quadratischen Blöcke geben die Zeitspanne an, für die diese Spannung am Leben bleibt.
Die Rolle eines Oszillators in einer Wechselrichterschaltung
Wie im vorherigen Abschnitt erläutert, ist eine Oszillatorstufe erforderlich, um grundlegende Spannungsimpulse zum Speisen der nachfolgenden Leistungsstufen zu erzeugen.
Die Impulse dieser Stufen können jedoch mit ihren Stromausgängen zu niedrig sein und können daher nicht direkt dem Transformator oder den Leistungstransistoren in der Ausgangsstufe zugeführt werden.
Um den Oszillationsstrom auf die erforderlichen Pegel zu bringen, wird normalerweise eine Zwischentreiberstufe verwendet, die aus ein paar Transistoren mittlerer Leistung mit hoher Verstärkung oder sogar etwas Komplexerem bestehen kann.
Mit dem Aufkommen hochentwickelter Mosfets kann heute jedoch eine Fahrerstufe vollständig beseitigt werden.
Dies liegt daran, dass Mosfets spannungsabhängige Geräte sind und für den Betrieb nicht auf Stromstärken angewiesen sind.
Bei einem Potential über 5 V an Gate und Source würden die meisten Mosfets sättigen und vollständig über Drain und Source leiten, selbst wenn der Strom nur 1 mA beträgt
Dies macht die Bedingungen sehr gut geeignet und erleichtert die Anwendung für Wechselrichteranwendungen.
Wir können sehen, dass in den obigen Oszillatorschaltungen der Ausgang eine einzige Quelle ist, jedoch benötigen wir in allen Wechselrichtertopologien abwechselnd oder entgegengesetzt polarisierte pulsierende Ausgänge von zwei Quellen. Dies kann einfach erreicht werden, indem dem vorhandenen Ausgang der Oszillatoren eine Inverter-Gate-Stufe (zum Invertieren der Spannung) hinzugefügt wird (siehe Abbildungen unten).
Konfigurieren der Oszillatorstufe zum Entwerfen kleiner Wechselrichterschaltungen
Versuchen wir nun, die einfachen Methoden zu verstehen, mit denen die oben mit Oszillatorstufen erläuterten Methoden mit einer Leistungsstufe verbunden werden können, um schnell effektive Wechselrichterkonstruktionen zu erstellen.
Entwerfen einer Wechselrichterschaltung mit NOT Gate Oscillator
Die folgende Abbildung zeigt, wie ein kleiner Wechselrichter mit einem NOT-Gate-Oszillator wie dem IC 4049 konfiguriert werden kann.
Hier bildet im Grunde N1 / N2 die Oszillatorstufe, die die erforderlichen 50-Hz- oder 60-Hz-Takte oder Schwingungen erzeugt, die für den Wechselrichterbetrieb erforderlich sind. N3 wird zum Invertieren dieser Takte verwendet, da für die Leistungstransformatorstufe entgegengesetzt polarisierte Takte verwendet werden müssen.
Wir können jedoch auch N4-, N5- und N6-Gatter sehen, die über die Eingangs- und Ausgangsleitung von N3 konfiguriert sind.
Tatsächlich sind N4, N5, N6 einfach enthalten, um die 3 zusätzlichen Gates aufzunehmen, die im IC 4049 verfügbar sind, andernfalls könnten nur die ersten N1, N2, N3 ohne Probleme allein für die Operationen verwendet werden.
Die 3 extra Tore wirken wie Puffer und stellen Sie außerdem sicher, dass diese Gates nicht unverbunden bleiben, da dies sonst auf lange Sicht negative Auswirkungen auf den IC haben kann.
Die entgegengesetzt polarisierten Takte über die Ausgänge von N4 und N5 / N6 werden unter Verwendung von TIP142-Leistungs-BJTs, die einen guten Strom von 10 Ampere verarbeiten können, an die Basen der Leistungs-BJT-Stufe angelegt. Der Transformator ist über die Kollektoren der BJTs konfiguriert.
Sie werden feststellen, dass im obigen Design keine Zwischenverstärker- oder Treiberstufen verwendet werden, da der TIP142 selbst über eine interne BJT-Darlington-Stufe für die erforderliche eingebaute Verstärkung verfügt und daher in der Lage ist, die Niedrigstromtakte von den NOT-Gattern bequem auf Hoch zu verstärken Stromschwingungen über die angeschlossene Transformatorwicklung.
Weitere IC 4049-Wechselrichterkonstruktionen finden Sie unten:
Selbstgemachte 2000 VA Wechselrichterschaltung
Einfachste unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)
Entwerfen einer Wechselrichterschaltung mit dem Schmidt-Trigger-NAND-Gate-Oszillator
Die folgende Abbildung zeigt, wie eine Oszillatorschaltung mit IC 4093 in eine ähnliche BJT-Leistungsstufe zum Erstellen eines integriert werden kann nützliches Wechselrichterdesign .
Die Abbildung zeigt ein kleines Wechselrichterdesign unter Verwendung von IC 4093 Schmidt-Trigger-NAND-Gattern. Ganz identisch hätte auch hier der N4 vermieden und die BJT-Basen direkt über die Ein- und Ausgänge N3 angeschlossen werden können. Aber auch hier ist N4 enthalten, um das eine zusätzliche Gate im IC 4093 aufzunehmen und um sicherzustellen, dass sein Eingangspin nicht unverbunden bleibt.
Weitere ähnliche IC 4093-Wechselrichterkonstruktionen können über die folgenden Links abgerufen werden:
Beste modifizierte Wechselrichterschaltungen
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So bauen Sie eine 400-Watt-Hochleistungs-Wechselrichterschaltung mit eingebautem Ladegerät
So entwerfen Sie eine USV-Schaltung - Lernprogramm
Pinbelegungsdiagramme für den IC 4093 und den IC 4049
HINWEIS: Die Vcc- und Vss-Versorgungsstifte des IC sind in den Wechselrichterdiagrammen nicht dargestellt. Diese müssen für 12-V-Wechselrichter ordnungsgemäß an die 12-V-Batterieversorgung angeschlossen werden. Bei Wechselrichtern mit höherer Spannung muss diese Versorgung für die IC-Versorgungsstifte angemessen auf 12 V herabgesetzt werden.
Entwerfen einer Mini-Wechselrichterschaltung mit dem Oszillator IC 555
Aus den obigen Beispielen wird ziemlich deutlich, dass die grundlegendsten Formen von Wechselrichtern durch einfaches Koppeln einer BJT + -Transformator-Leistungsstufe mit einer Oszillatorstufe entworfen werden könnten.
Nach dem gleichen Prinzip kann ein IC 555-Oszillator auch zum Entwerfen eines kleinen Wechselrichters verwendet werden, wie unten gezeigt:
Die obige Schaltung ist selbsterklärend und bedarf möglicherweise keiner weiteren Erklärung.
Weitere solche IC 555-Wechselrichterschaltungen finden Sie unten:
Einfache IC 555 Wechselrichterschaltung
Grundlegendes zu Wechselrichtertopologien (Konfigurieren der Ausgangsstufe)
In den obigen Abschnitten haben wir etwas über die Oszillatorstufen und die Tatsache gelernt, dass die gepulste Spannung vom Oszillator direkt zur vorhergehenden Leistungsendstufe geht.
Es gibt hauptsächlich drei Möglichkeiten, wie eine Ausgangsstufe eines Wechselrichters ausgelegt werden kann.
Mit einem:
- Push-Pull-Bühne (mit Center Tap Transformer) wie in den obigen Beispielen erläutert
- Push Pull Half-Bridge Stage
- Push Pull Full-Bridge oder H-Bridge Stage
Die Push-Pull-Stufe mit einem Mittelabgriffstransformator ist das beliebteste Design, da sie einfachere Implementierungen umfasst und garantierte Ergebnisse liefert.
Es erfordert jedoch sperrigere Transformatoren und die Leistung ist weniger effizient.
Im Folgenden sind einige Wechselrichterkonstruktionen zu sehen, bei denen ein Mittelabgriffstransformator verwendet wird:
In dieser Konfiguration wird grundsätzlich ein Mittelabgriffstransformator verwendet, dessen äußere Abgriffe mit den heißen Enden der Ausgabegeräte (Transistoren oder Mosfets) verbunden sind, während der Mittelabgriff je nach Batterie entweder zum Minuspol der Batterie oder zum Pluspunkt der Batterie geht nach Art der verwendeten Geräte (Typ N oder Typ P).
Halbbrückentopologie
Bei einer Halbbrückenstufe wird kein Mittelabgriffstransformator verwendet.
ZU Halbbrücke Die Konfiguration ist in Bezug auf Kompaktheit und Effizienz besser als eine Schaltung vom Typ Push-Pull mit mittlerem Abgriff, erfordert jedoch Kondensatoren mit großem Wert zur Implementierung der obigen Funktionen.
ZU Vollbrücke oder ein H-Brücken-Wechselrichter ähnelt einem Halbbrückennetzwerk, da es auch einen gewöhnlichen Zwei-Stufen-Transformator enthält und keinen Mittel-Stufen-Transformator benötigt.
Der einzige Unterschied besteht in der Eliminierung der Kondensatoren und der Einbeziehung von zwei weiteren Leistungsgeräten.
Vollbrückentopologie
Eine Vollbrücken-Wechselrichterschaltung besteht aus vier Transistoren oder Mosfets, die in einer Konfiguration angeordnet sind, die dem Buchstaben 'H' ähnelt.
Alle vier Geräte können vom N-Kanaltyp oder mit zwei N-Kanälen und zwei P-Kanälen sein, abhängig von der verwendeten externen Treiberoszillatorstufe.
Genau wie eine Halbbrücke benötigt auch eine Vollbrücke separate, isolierte, abwechselnd oszillierende Ausgänge zum Auslösen der Geräte.
Das Ergebnis ist das gleiche, der angeschlossene Primärtransformator wird einer Rückwärtsumschaltung des Batteriestroms durch ihn unterzogen. Dies erzeugt die erforderliche induzierte erhöhte Spannung über der Ausgangssekundärwicklung des Transformators. Bei diesem Design ist die Effizienz am höchsten.
Details zur H-Brückentransistorlogik
Das folgende Diagramm zeigt eine typische H-Brückenkonfiguration, die Umschaltung erfolgt wie folgt:
- A HIGH, D HIGH - Vorwärtsschub
- B HOCH, C HOCH - Rückwärtszug
- A HIGH, B HIGH - gefährlich (verboten)
- C HIGH, D HIGH - gefährlich (verboten)
Die obige Erklärung liefert die grundlegenden Informationen bezüglich des Entwurfs eines Wechselrichters und kann nur zum Entwurf eines gewöhnlichen Wechselrichterschaltkreises, typischerweise der Rechteckwellentypen, enthalten sein.
Es gibt jedoch viele weitere Konzepte, die mit Wechselrichterkonstruktionen verbunden sein können, wie die Herstellung eines Sinuswechselrichters, eines PWM-basierten Wechselrichters und eines ausgangsgesteuerten Wechselrichters. Dies sind nur zusätzliche Stufen, die in den oben erläuterten Grundkonstruktionen zur Implementierung der genannten Funktionen hinzugefügt werden können.
Wir werden sie ein andermal besprechen oder möglicherweise durch Ihre wertvollen Kommentare.
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