Como projetar um inversor – Teoria e Tutorial »WikiUtil

A publicação explica as dicas e teorias fundamentais que podem ser úteis para os iniciantes ao projetar ou discutir os conceitos básicos dos investidores. Vamos aprender mais.

O que é um investidor?

É um dispositivo que converte ou inverte uma baixa tensão, um alto potencial CC em uma baixa tensão de alta corrente alternada, como uma fonte de bateria de carro de 12V em uma saída de 220V CA.

Princípio básico por trás da conversão anterior

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

Isso é basicamente realizado com o uso de um indutor, que é basicamente um transformador que possui dois conjuntos de enrolamento, principalmente primário (entrada) e secundário (saída).

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

O que é corrente ou tensão alternada?

Por tensão alternada, entendemos 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.

Em geral, essa frequência é de 50 Hz ou 60 Hz, dependendo das especificações de serviço público de um determinado país.

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

Os dispositivos de energia respondem aos pulsos fornecidos e controlam o enrolamento do transformador conectado com a frequência correspondente à corrente e voltagem da bateria fornecida.

A ação acima induz uma alta tensão equivalente no enrolamento secundário do transformador, o que gera, em última análise, a 220V ou 120V CA necessária.

Uma simulação manual simples

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

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

Em um inversor operado por circuito, a mesma operação é implementada, mas através de dispositivos de potência e um circuito oscilador que altera o enrolamento a uma taxa muito mais rápida, geralmente a uma velocidade de 50Hz ou 60Hz.

Portanto, em um inversor, a mesma ação devido à comutação rápida faria a carga sempre parecer LIGADA, embora a carga realmente fosse LIGADA / DESLIGADA a uma velocidade de 50Hz ou 60Hz.

simulação da operação do inversor com comutação manual

Como o transformador converte uma determinada entrada

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

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

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

No entanto, a entrada para o primário não pode ser uma corrente direta, o que significa que, embora a fonte possa ser uma CC, ela deve ser aplicada pulsada ou intermitentemente através do primário ou na forma de uma frequência no nível especificado, temos Eu discuti 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 liberando uma corrente equivalente ao sistema durante a ausência do pulso de entrada, também conhecido como fenômeno de retorno.

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

No entanto, como os terminais são desconectados, essa fem reversa é induzida no enrolamento secundário, constituindo a CA necessária nos terminais de saída secundários.

A explicação acima mostra, portanto, que um circuito gerador de pulsos ou, mais simplesmente, um circuito oscilador se torna imprescindível ao projetar um inversor.

Etapas fundamentais do circuito inversor

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

  • Transformador
  • Dispositivos de potência como MOSFETs de canal N ou transistores de potência biploares NPN
  • Bateria de ácido sólido

Diagrama de blocos

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

como projetar um inversor teoria e tutorial wikiutil

Como projetar um circuito oscilador para um inversor

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

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

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

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

Nos diagramas a seguir, vemos alguns projetos populares de circuitos de osciladores, as saídas são ondas quadradas que são realmente 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 ao IC, e a largura dos blocos quadrados indica o tempo em que essa tensão permanece ativa.

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O papel de um oscilador em um circuito inversor

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

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

Para elevar a corrente de oscilação aos níveis exigidos, normalmente é empregado um estágio intermediário, que pode consistir em um par de transistores de média potência de alto ganho ou até em algo mais complexo.

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

Isso ocorre porque os mosfets são dispositivos que dependem da tensão e não dependem das quantidades de corrente para funcionar.

Com a presença de um potencial maior que 5V através do seu portão e fonte, a maioria dos mosfets satura e dirige completamente através do seu dreno e fonte, mesmo que a corrente seja tão baixa quanto 1 mA

Isso torna as condições extremamente adequadas e fáceis de aplicar para aplicações de inversores.

Podemos ver que, nos circuitos do oscilador acima, a saída é uma única fonte; no entanto, em todas as topologias do inversor, são necessárias saídas de pulso polarizado alternadamente ou oposto de duas fontes. Isso pode ser feito simplesmente adicionando um estágio de inversor (para reverter a tensão) à saída existente dos osciladores, veja as figuras abaixo.

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Configuração do estágio do oscilador para projetar pequenos circuitos inversores

Agora vamos tentar entender os métodos fáceis pelos quais o explicado acima pode ser conectado aos estágios do oscilador com um estágio de potência para criar rapidamente projetos eficazes de inversores.

Projeto de um circuito inversor usando o oscilador NO Gate

A figura a seguir mostra como um pequeno inversor pode ser configurado usando um oscilador de porta NO, como o IC 4049.

circuito inversor simples com IC 4049

Aqui, basicamente, N1 / N2 forma o estágio do oscilador que cria os relógios ou oscilações de 50Hz ou 60Hz necessárias para a operação do inversor. O N3 é usado para inverter esses relógios porque precisamos aplicar relógios polarizados na direção oposta ao estágio do transformador de potência.

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

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

As 3 portas adicionais atuam como amortecedores e também garantem que essas portas não sejam desconectadas, o que de outro modo pode criar um efeito adverso no IC a longo prazo.

Relógios com contra-polarização nas saídas N4 e N5 / N6 são aplicados às bases do estágio BJT de potência usando BJTs de potência TIP142, capazes de lidar com uma boa corrente de 10 amperes. O transformador pode ser visto configurado através dos coletores BJT.

Você descobrirá que nenhum amplificador intermediário ou estágio do controlador é usado no projeto acima, porque o próprio TIP142 possui um estágio interno BJT Darlington para a amplificação embutida necessária e, portanto, pode amplificar confortavelmente relógios de baixa corrente dos portões NÃO para altas flutuações de corrente através do enrolamento do transformador conectado.

Mais projetos de inversores IC 4049 podem ser encontrados abaixo:

Circuito de inversor de potência 2000VA caseiro

O circuito mais simples de fonte de alimentação ininterrupta (UPS)

Projeto de um circuito inversor usando o oscilador Schmidt Trigger NAND Gate

A figura a seguir mostra como um circuito oscilador usando o IC 4093 pode ser integrado a um amplificador de potência BJT semelhante para criar um projeto útil do inversor.

1590348581 278 7 circuitos inversores simples que voce pode construir em casa

A figura mostra um projeto pequeno do inversor usando portas NAND de gatilho IC 4093 Schmidt. Muito idêntico aqui também, o N4 poderia ter sido evitado e os soquetes BJT poderiam ter sido conectados diretamente através das entradas e saídas do N3. Porém, novamente, o N4 é incluído para acomodar uma porta adicional dentro do IC 4093 e para garantir que seu pino de entrada não esteja desconectado.

Projetos similares de inversores IC 4093 podem ser encontrados nos seguintes links:

Os melhores circuitos inversores modificados

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

1590348580 22 7 circuitos inversores simples que voce pode construir em casa

NOTA: Os pinos de alimentação Vcc e Vss do IC não são mostrados nos diagramas do inversor; eles devem estar corretamente conectados à fonte de bateria de 12V para inversores de 12V. Para inversores de alta tensão, essa fonte deve ser adequadamente reduzida para 12V para os pinos de alimentação de IC.

Projeto de um mini circuito inversor usando um 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 + a um estágio de oscilador.

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

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O circuito acima é auto-explicativo e pode não exigir mais explicações.

Mais deste circuito inversor IC 555 pode ser encontrado abaixo:

Circuito inversor IC 555 simples

Entendendo as topologias do inversor (Como configurar o estágio de saída)

Nas seções anteriores, aprendemos sobre os estágios do oscilador e também o fato de a tensão pulsada do oscilador ir diretamente para o estágio anterior de saída de potência.

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

Mediante o uso de:

  1. Estágio Push Pull (com transformador de derivação central), conforme explicado nos exemplos anteriores
  2. Estágio de tração de meia ponte
  3. Estágio Push Pull Full Bridge ou H-Bridge

O estágio de inserção e extração usando um transformador de derivação central é o design mais popular porque envolve implementações mais simples e produz resultados garantidos.

No entanto, requer transformadores mais volumosos e a produção é menor em eficiência.

Abaixo estão alguns projetos de inversores que empregam um transformador de desvio central:

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

Topologia de meia ponte

Um estágio de meia ponte não usa um transformador de desvio central.

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

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Um inversor de ponte completa ou ponte H é semelhante a uma rede de meia ponte, na medida em que também incorpora um transformador comum de duas derivações e não requer um transformador de derivação central.

A única diferença é a remoção dos capacitores e a inclusão de mais dois dispositivos de energia.

Topologia de ponte completa

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

Os quatro dispositivos podem ser do tipo N ou com dois canais N e dois canais P, dependendo do estágio do oscilador do controlador externo em uso.

Como uma meia ponte, uma ponte completa também requer saídas separadas, isoladas e oscilantes para ativar os dispositivos.

O resultado é o mesmo, o transformador primário conectado está sujeito a um tipo de comutação reversa da corrente da bateria através dele. Isso gera a tensão escalonada induzida necessária através do enrolamento secundário de saída do transformador. A eficiência é máxima com este design.

Detalhes da lógica do transistor de ponte H

O diagrama a seguir mostra uma configuração típica da ponte H, a alternância é feita da seguinte maneira:

  1. ALTO, D ALTO – avançar
  2. B HIGH, C HIGH – tração reversa
  3. A ALTO, B ALTO – perigoso (proibido)
  4. C ALTO, D ALTO – perigoso (proibido)

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A explicação acima fornece as informações básicas sobre como projetar um inversor e pode ser incorporada apenas para projetar um circuito inversor comum, geralmente tipos de onda quadrada.

No entanto, existem muitos conceitos adicionais que podem ser associados aos projetos de inversores, como a fabricação de um inversor de onda senoidal, um inversor baseado em PWM, um inversor controlado por saída; essas são apenas etapas adicionais que podem ser adicionadas nos projetos básicos explicados acima para implementar essas funções.

Vamos discuti-los em outro momento ou podemos fazê-lo através de seus valiosos comentários.



FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

Pode conter erros de tradução

Olá, se tiver algum erro de tradução (AUTO), falta de link para download etc…

Veja na FONTE até ser revisado o post.

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