Como projetar um inversor - teoria e tutorial

Como projetar um inversor - teoria e tutorial

A postagem explica as dicas e teorias fundamentais que podem ser úteis para os novatos ao projetar ou lidar com os conceitos básicos do inversor. Vamos aprender mais.



O que é um inversor

É um dispositivo que converte ou inverte uma baixa tensão, alto potencial DC em uma baixa tensão alta tensão alternada, como de uma fonte de bateria automotiva de 12 V para uma saída de 220 Vca.

Princípio básico por trás da conversão acima





O princípio básico por trás da conversão de uma CC de baixa tensão em uma CA de alta tensão é usar a alta corrente armazenada dentro de uma fonte CC (normalmente uma bateria) e aumentá-la para uma CA de alta tensão.

Isso é basicamente obtido usando um indutor, que é basicamente um transformador com dois conjuntos de enrolamentos, a saber, primário (entrada) e secundário (saída).



O enrolamento primário destina-se a receber a entrada de alta corrente contínua, enquanto o secundário é para inverter esta entrada na saída alternada de corrente baixa de alta tensão correspondente.

O que é tensão ou corrente alternada

Por tensão alternada, queremos dizer uma tensão que muda sua polaridade de positiva para negativa e vice-versa muitas vezes por segundo, dependendo da frequência definida na entrada do transformador.

Geralmente essa frequência é de 50 Hz ou 60 Hz, dependendo das especificações de utilidade do país em particular.

Uma frequência gerada artificialmente é usada nas taxas acima para alimentar os estágios de saída, que podem consistir em transistores de potência ou mosfets ou GBTs integrados com o transformador de potência.

Os dispositivos de energia respondem aos pulsos alimentados e acionam o enrolamento do transformador conectado com a frequência correspondente na corrente e tensão da bateria fornecidas.

A ação acima induz uma alta tensão equivalente através do enrolamento secundário do transformador que, em última análise, fornece os 220 V ou 120 V CA necessários.

Uma Simulação Manual Simples

A simulação manual a seguir mostra o princípio operacional básico de um circuito inversor push pull baseado em transformador de derivação central.

Quando o enrolamento primário é alternado com uma corrente de bateria, uma quantidade equivalente de tensão e corrente é induzida através do enrolamento secundário através voar de volta modo, que ilumina a lâmpada conectada.

Em inversores operados por circuito, a mesma operação é implementada, mas por meio de dispositivos de energia e um circuito oscilador que alterna o enrolamento em um ritmo muito mais rápido, geralmente na taxa de 50 Hz ou 60 Hz.

Assim, em um inversor a mesma ação devido a uma comutação rápida faria com que a carga aparecesse sempre LIGADA, embora na realidade a carga fosse LIGADA / DESLIGADA na taxa de 50 Hz ou 60 Hz.

simulação de operação do inversor com comutação manual

Como o transformador converte uma determinada entrada

Como discutido acima, o transformador geralmente terá dois enrolamentos, um primário e outro secundário.

Os dois enrolamentos reagem de tal forma que, quando uma corrente de comutação é aplicada ao enrolamento primário, faria com que uma energia proporcionalmente relevante fosse transferida através do enrolamento secundário por meio de indução eletromagnética.

Portanto, suponha que se o primário for classificado em 12 V e o secundário em 220 V, uma entrada oscilante ou pulsante de 12 V CC para o lado primário induziria e geraria um 220 V CA através dos terminais secundários.

No entanto, a entrada para o primário não pode ser uma corrente contínua, o que significa que embora a fonte possa ser uma CC, ela deve ser aplicada de forma pulsada ou intermitentemente através do primário, ou na forma de uma frequência no nível especificado, temos discutimos isso na seção anterior.

Isso é necessário para que os atributos inerentes de um indutor possam ser implementados, segundo os quais um indutor restringe uma corrente flutuante e tenta equilibrá-la lançando uma corrente equivalente no sistema durante a ausência do pulso de entrada, também conhecido como fenômeno de flyback. .

Portanto, quando a CC é aplicada, o primário armazena essa corrente e, quando a CC é desconectada do enrolamento, permite que o enrolamento retroceda a corrente armazenada em seus terminais.

No entanto, como os terminais estão desconectados, essa fem de retorno é induzida no enrolamento secundário, constituindo a CA necessária através dos terminais de saída secundários.

A explicação acima mostra, portanto, que um circuito pulsador ou, mais simplesmente, um circuito oscilador torna-se imperativo ao projetar um inversor.

Estágios fundamentais do circuito de um inversor

Para construir um inversor funcional básico com desempenho razoavelmente bom, você precisará dos seguintes elementos básicos:

Diagrama de bloco

Aqui está o diagrama de blocos que ilustra como implementar os elementos acima com uma configuração simples (torneira central push-pull).

Como projetar um circuito oscilador para um inversor

Um circuito oscilador é o estágio crucial do circuito em qualquer inversor, pois esse estágio se torna responsável por comutar o CC para o enrolamento primário do transformador.

Um estágio oscilador é talvez a parte mais simples de um circuito inversor. É basicamente uma configuração multivibrador astável que pode ser feita de muitas maneiras diferentes.

Você pode usar portas NAND, portas NOR, dispositivos com osciladores embutidos, como IC 4060, IC LM567 ou simplesmente um 555 IC. Outra opção é o uso de transistores e capacitores no modo astável padrão.

As imagens a seguir mostram as diferentes configurações do oscilador que podem ser efetivamente empregadas para obter as oscilações básicas para qualquer projeto de inversor proposto.

Nos diagramas a seguir, vemos alguns projetos de circuito oscilador populares, as saídas são ondas quadradas, que na verdade são pulsos positivos, os blocos quadrados altos indicam potenciais positivos, a altura dos blocos quadrados indica o nível de tensão, que normalmente é igual ao aplicado tensão de alimentação para o IC, e a largura dos blocos quadrados indicam o intervalo de tempo durante o qual essa tensão permanece viva.

O papel de um oscilador em um circuito inversor

Conforme discutido na seção anterior, um estágio de oscilador é necessário para gerar pulsos de tensão básicos para alimentar os estágios de energia subsequentes.

No entanto, os pulsos desses estágios podem ser muito baixos com suas saídas de corrente e, portanto, não podem ser alimentados diretamente para o transformador ou para os transistores de potência no estágio de saída.

A fim de empurrar a corrente de oscilação para os níveis necessários, um estágio de driver intermediário é normalmente empregado, que pode consistir de um par de transistores de potência média de alto ganho ou até mesmo algo mais complexo.

No entanto, hoje com o advento de mosfets sofisticados, um estágio de driver pode ser completamente eliminado.

Isso ocorre porque mosfets são dispositivos dependentes de voltagem e não dependem de magnitudes de corrente para operar.

Com a presença de um potencial acima de 5 V em sua porta e fonte, a maioria dos mosfets saturaria e conduziria totalmente em seu dreno e fonte, mesmo se a corrente fosse tão baixa quanto 1 mA

Isso torna as condições extremamente adequadas e fáceis de aplicá-las em aplicações de inversores.

Podemos ver que nos circuitos do oscilador acima, a saída é uma única fonte, no entanto, em todas as topologias de inversores, exigimos saídas de pulsos com polarização alternada ou oposta de duas fontes. Isso pode ser alcançado simplesmente adicionando um estágio de porta do inversor (para inverter a tensão) à saída existente dos osciladores, veja as figuras abaixo.

Configurando Estágio do Oscilador para Projetar Pequenos Circuitos Inversores

Agora, vamos tentar entender os métodos fáceis através dos quais o acima explicado com estágios de oscilador pode ser anexado a um estágio de energia para criar designs de inversor eficazes rapidamente.

Projetando um circuito inversor usando NOT Gate Oscillator

A figura a seguir mostra como um pequeno inversor pode ser configurado usando um oscilador de porta NOT, como do IC 4049.

circuito inversor simples usando IC 4049

Aqui, basicamente, N1 / N2 forma o estágio do oscilador que cria os clocks ou oscilações de 50 Hz ou 60 Hz necessários para a operação do inversor. N3 é usado para inverter esses relógios porque precisamos aplicar relógios com polarização oposta para o estágio do transformador de potência.

No entanto, também podemos ver as portas N4, N5 N6, que são configuradas na linha de entrada e na linha de saída de N3.

Na verdade, N4, N5, N6 são simplesmente incluídos para acomodar as 3 portas extras disponíveis dentro do IC 4049, caso contrário, apenas o primeiro N1, N2, N3 poderia ser usado sozinho para as operações, sem problemas.

Os 3 extras portões agem como amortecedores e também certifique-se de que essas portas não sejam deixadas desconectadas, o que pode criar um efeito adverso no IC a longo prazo.

Os relógios de polarização oposta nas saídas de N4 e N5 / N6 são aplicados às bases do estágio BJT de potência usando os BJTs de potência TIP142, que são capazes de lidar com uma boa corrente de 10 amperes. O transformador pode ser visto configurado nos coletores dos BJTs.

Você vai descobrir que nenhum amplificador intermediário ou estágios de driver são usados ​​no projeto acima porque o próprio TIP142 tem um estágio BJT Darlington interno para a amplificação embutida necessária e, portanto, é capaz de amplificar confortavelmente os relógios de baixa corrente dos portões NOT para alto oscilações de corrente através do enrolamento do transformador conectado.

Mais projetos de inversores IC 4049 podem ser encontrados abaixo:

Circuito Inversor de Energia Caseiro 2000 VA

Circuito mais simples de fonte de alimentação ininterrupta (UPS)

Projetando um Circuito Inversor usando Schmidt Trigger NAND Gate Oscillator

A figura a seguir mostra como um circuito oscilador usando IC 4093 pode ser integrado com um estágio de energia BJT semelhante para criar um design de inversor útil .

A figura demonstra um pequeno projeto de inversor usando portas NAND de gatilho IC 4093 Schmidt. De forma bastante idêntica aqui também o N4 poderia ter sido evitado e as bases BJT poderiam ter sido conectadas diretamente nas entradas e saídas N3. Mas, novamente, o N4 é incluído para acomodar uma porta extra dentro do IC 4093 e para garantir que seu pino de entrada não fique desconectado.

Projetos de inversores IC 4093 mais semelhantes podem ser consultados nos seguintes links:

Melhor Circuito Inversor Modificado

Como fazer um circuito inversor solar

Como construir um circuito inversor de alta potência de 400 watts com carregador embutido

Como projetar um circuito UPS - Tutorial

Diagramas de pinagem para IC 4093 e IC 4049

NOTA: Os pinos de alimentação Vcc e Vss do IC não são mostrados nos diagramas do inversor, eles devem ser conectados adequadamente com a alimentação da bateria de 12 V, para inversores de 12 V. Para inversores de tensão mais alta, esta alimentação deve ser reduzida adequadamente para 12 V para os pinos de alimentação do IC.

Projetando um Mini Circuito Inversor usando Oscilador IC 555

A partir dos exemplos acima, torna-se bastante evidente que as formas mais básicas de inversores poderiam ser projetadas simplesmente acoplando um estágio de potência do transformador BJT + com um estágio do oscilador.

Seguindo o mesmo princípio, um oscilador IC 555 também pode ser usado para projetar um pequeno inversor, conforme mostrado abaixo:

O circuito acima é autoexplicativo e talvez não exija nenhuma explicação adicional.

Outros circuitos do inversor IC 555 podem ser encontrados abaixo:

Circuito Inversor IC 555 Simples

Compreendendo as topologias do inversor (como configurar o estágio de saída)

Nas seções acima, aprendemos sobre os estágios do oscilador e também o fato de que a tensão pulsada do oscilador vai direto para o estágio de saída de potência anterior.

Existem basicamente três maneiras pelas quais um estágio de saída de um inversor pode ser projetado.

Usando um:

  1. Push Pull Stage (com Center Tap Transformer) conforme explicado nos exemplos acima
  2. Estágio Push Pull Half-Bridge
  3. Estágio Push Pull Full-Bridge ou H-Bridge

O estágio push pull usando um transformador de tap central é o projeto mais popular porque envolve implementações mais simples e produz resultados garantidos.

No entanto, requer transformadores mais volumosos e a saída é mais baixa em eficiência.

Alguns projetos de inversores podem ser vistos abaixo, os quais empregam um transformador de derivação central:

Nesta configuração, basicamente um transformador de derivação central é usado com suas derivações externas conectadas às pontas quentes dos dispositivos de saída (transistores ou mosfets) enquanto a derivação central vai para o negativo da bateria ou para o positivo da bateria, dependendo dependendo do tipo de dispositivos usados ​​(tipo N ou tipo P).

Topologia de meia ponte

Um estágio de meia ponte não faz uso de um transformador de tap central.

PARA meia ponte configuração é melhor do que um tipo de circuito de push pull de torneira central em termos de compactação e eficiência, no entanto, requer capacitores de grande valor para implementar as funções acima.

PARA ponte completa ou um inversor H-bridge é semelhante a uma rede de meia ponte, pois também incorpora um transformador de dois tap comum e não requer um transformador de tap central.

A única diferença é a eliminação dos capacitores e a inclusão de mais dois dispositivos de potência.

Topologia Full-Bridge

Um circuito inversor de ponte completa consiste em quatro transistores ou mosfets dispostos em uma configuração semelhante à letra 'H'.

Todos os quatro dispositivos podem ser do tipo N canal ou com dois canais N e dois canais P, dependendo do estágio do oscilador do driver externo que está sendo usado.

Assim como uma meia ponte, uma ponte completa também requer saídas separadas, isoladas e alternadamente oscilantes para acionar os dispositivos.

O resultado é o mesmo, o primário do transformador conectado é submetido a um tipo de chaveamento reverso para a frente da corrente da bateria através dele. Isso gera a tensão aumentada induzida necessária através do enrolamento secundário de saída do transformador. A eficiência é maior com este design.

Detalhes da lógica do transistor H-Bridge

O diagrama a seguir mostra uma configuração típica de ponte H, a comutação é feita conforme abaixo:

  1. A HIGH, D HIGH - impulso para frente
  2. B HIGH, C HIGH - tração reversa
  3. A HIGH, B HIGH - perigoso (proibido)
  4. C HIGH, D HIGH - perigoso (proibido)

A explicação acima fornece as informações básicas sobre como projetar um inversor e pode ser incorporada apenas para projetar circuitos de inversor comuns, normalmente os tipos de onda quadrada.

No entanto, existem muitos outros conceitos que podem ser associados a projetos de inversores, como fazer um inversor de onda senoidal, inversor baseado em PWM, inversor controlado de saída, estes são apenas estágios adicionais que podem ser adicionados nos projetos básicos explicados acima para implementar as referidas funções.

Iremos discuti-los em outra ocasião ou talvez por meio de seus valiosos comentários.




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