Bài đăng giải thích các mẹo và lý thuyết cơ bản có thể hữu ích cho người mới trong khi thiết kế hoặc xử lý các khái niệm biến tần cơ bản. Hãy cùng tìm hiểu thêm.
Biến tần là gì
Đó là một thiết bị chuyển đổi hoặc đảo chiều điện áp thấp, điện thế một chiều cao thành điện áp xoay chiều cao hiện tại thấp, chẳng hạn như từ nguồn pin ô tô 12V sang đầu ra AC 220V.
Nguyên tắc cơ bản đằng sau Chuyển đổi trên
Nguyên tắc cơ bản đằng sau việc chuyển đổi điện áp thấp một chiều thành xoay chiều điện áp cao là sử dụng dòng điện cao được lưu trữ bên trong nguồn điện một chiều (thường là pin) và chuyển nó lên điện áp cao AC.
Điều này về cơ bản đạt được bằng cách sử dụng cuộn cảm, chủ yếu là một máy biến áp có hai bộ cuộn dây là sơ cấp (đầu vào) và thứ cấp (đầu ra).
Cuộn sơ cấp dùng để nhận đầu vào dòng điện cao trực tiếp trong khi cuộn thứ cấp dùng để đảo đầu vào này thành đầu ra xoay chiều dòng điện thấp điện áp cao tương ứng.
Điện áp xoay chiều hoặc dòng điện là gì
Theo điện áp xoay chiều, chúng ta có nghĩa là một điện áp chuyển đổi cực của nó từ dương sang âm và ngược lại nhiều lần trong một giây tùy thuộc vào tần số đặt ở đầu vào của máy biến áp.
Nói chung tần số này là 50Hz hoặc 60 Hz tùy thuộc vào thông số kỹ thuật tiện ích của quốc gia cụ thể.
Tần số được tạo nhân tạo được sử dụng ở các tỷ lệ trên để cấp cho các giai đoạn đầu ra có thể bao gồm các bóng bán dẫn điện hoặc mosfet hoặc GBT được tích hợp với máy biến áp nguồn.
Các thiết bị nguồn phản ứng với các xung được cấp và điều khiển cuộn dây máy biến áp được kết nối với tần số tương ứng ở dòng điện và điện áp pin đã cho.
Hành động trên tạo ra một điện áp cao tương đương trên cuộn thứ cấp của máy biến áp, cuối cùng tạo ra điện xoay chiều 220V hoặc 120V yêu cầu.
Mô phỏng thủ công đơn giản
Mô phỏng thủ công sau đây cho thấy nguyên tắc hoạt động cơ bản của mạch biến tần đẩy kéo dựa trên máy biến áp trung tâm.
Khi cuộn sơ cấp được chuyển đổi luân phiên với dòng điện của acquy, một lượng điện áp và dòng điện tương đương được tạo ra trên cuộn thứ cấp qua bay về chế độ chiếu sáng bóng đèn được kết nối.
Trong mạch hoạt động, các bộ biến tần cũng thực hiện thao tác tương tự nhưng thông qua các thiết bị nguồn và mạch dao động để chuyển đổi cuộn dây với tốc độ nhanh hơn nhiều, thường ở tốc độ 50Hz hoặc 60Hz.
Do đó, trong một biến tần, hành động tương tự do chuyển mạch nhanh sẽ làm cho tải xuất hiện luôn BẬT, mặc dù trong thực tế, tải sẽ được BẬT / TẮT ở tốc độ 50Hz hoặc 60Hz.
Cách máy biến áp chuyển đổi một đầu vào nhất định
Như đã thảo luận ở trên, máy biến áp thường sẽ có hai cuộn dây, một cuộn sơ cấp và một cuộn dây thứ cấp.
Hai cuộn dây phản ứng theo cách mà khi đặt dòng điện chuyển mạch vào cuộn sơ cấp sẽ làm cho công suất tương ứng được chuyển qua cuộn thứ cấp thông qua cảm ứng điện từ.
Do đó, giả sử, nếu cuộn sơ cấp được đánh giá ở mức 12V và thứ cấp là 220V, thì một đầu vào DC 12V dao động hoặc tạo xung vào phía sơ cấp sẽ cảm ứng và tạo ra dòng điện xoay chiều 220V qua các đầu nối thứ cấp.
Tuy nhiên, đầu vào cho sơ cấp không thể là dòng điện một chiều, có nghĩa là mặc dù nguồn có thể là một chiều, nhưng nó phải được đặt ở dạng xung hoặc không liên tục trên sơ cấp, hoặc ở dạng tần số ở mức xác định, chúng ta có đã thảo luận điều này trong phần trước.
Điều này là cần thiết để các thuộc tính vốn có của cuộn cảm có thể được thực hiện, theo đó cuộn cảm hạn chế dòng dao động và cố gắng cân bằng nó bằng cách ném một dòng điện tương đương vào hệ thống trong trường hợp không có xung đầu vào, còn được gọi là hiện tượng quay ngược .
Do đó, khi đặt DC, cuộn sơ cấp lưu trữ dòng điện này và khi ngắt DC khỏi cuộn dây, cho phép cuộn dây khởi động lại dòng điện đã lưu qua các đầu nối của nó.
Tuy nhiên, vì các đầu cuối bị ngắt kết nối, nên emf trở lại này được cảm ứng vào cuộn dây thứ cấp, tạo thành AC yêu cầu trên các đầu cuối đầu ra thứ cấp.
Do đó, giải thích trên cho thấy rằng một mạch tạo xung hay nói một cách đơn giản hơn, một mạch dao động trở nên bắt buộc trong khi thiết kế một biến tần.
Các giai đoạn mạch cơ bản của một biến tần
Để xây dựng một biến tần chức năng cơ bản với hiệu suất hợp lý, bạn sẽ cần các yếu tố cơ bản sau:
Sơ đồ khối
Đây là sơ đồ khối minh họa cách triển khai các phần tử trên với một cấu hình đơn giản (nhấn kéo ở giữa).
Cách thiết kế mạch dao động cho biến tần
Mạch dao động là giai đoạn mạch quan trọng trong bất kỳ bộ nghịch lưu nào, vì giai đoạn này có nhiệm vụ chuyển đổi Dc thành cuộn sơ cấp của máy biến áp.
Giai đoạn dao động có lẽ là phần đơn giản nhất trong mạch biến tần. Về cơ bản, nó là một cấu hình multivibrator đáng kinh ngạc có thể được thực hiện thông qua nhiều cách khác nhau.
Bạn có thể sử dụng cổng NAND, cổng NOR, các thiết bị có bộ dao động tích hợp như IC 4060, IC LM567 hoặc hoàn toàn là IC 555. Một lựa chọn khác là sử dụng các bóng bán dẫn và tụ điện ở chế độ ổn định tiêu chuẩn.
Các hình ảnh sau đây cho thấy các cấu hình bộ dao động khác nhau có thể được sử dụng hiệu quả để đạt được các dao động cơ bản cho bất kỳ thiết kế biến tần được đề xuất nào.
Trong các sơ đồ dưới đây, chúng ta thấy một vài thiết kế mạch dao động phổ biến, đầu ra là sóng vuông thực sự là xung dương, các khối vuông cao biểu thị điện thế dương, chiều cao của khối vuông biểu thị mức điện áp, thông thường bằng với áp dụng. cung cấp điện áp cho IC, và chiều rộng của các khối vuông chỉ ra khoảng thời gian mà điện áp này tồn tại.
Vai trò của bộ tạo dao động trong mạch biến tần
Như đã thảo luận trong phần trước, một giai đoạn dao động được yêu cầu để tạo ra các xung điện áp cơ bản để cung cấp cho các giai đoạn nguồn tiếp theo.
Tuy nhiên, các xung từ các giai đoạn này có thể quá thấp với các đầu ra hiện tại của chúng, và do đó nó không thể được cấp trực tiếp cho máy biến áp hoặc tới các bóng bán dẫn công suất trong giai đoạn đầu ra.
Để đẩy dòng dao động đến mức cần thiết, một giai đoạn trình điều khiển trung gian thường được sử dụng, có thể bao gồm một vài bóng bán dẫn công suất trung bình có độ lợi cao hoặc thậm chí một cái gì đó phức tạp hơn.
Tuy nhiên ngày nay với sự ra đời của các loại mosfet tinh vi, giai đoạn điều khiển có thể bị loại bỏ hoàn toàn.
Điều này là do mosfet là thiết bị phụ thuộc vào điện áp và không dựa vào cường độ dòng điện để hoạt động.
Với sự hiện diện của điện thế trên 5V qua cổng và nguồn của chúng, hầu hết các mosfet sẽ bão hòa và dẫn hoàn toàn qua cống và nguồn của chúng, ngay cả khi dòng điện thấp đến 1mA
Điều này làm cho các điều kiện cực kỳ phù hợp và dễ dàng áp dụng chúng cho các ứng dụng biến tần.
Chúng ta có thể thấy rằng trong các mạch dao động ở trên, đầu ra là một nguồn duy nhất, tuy nhiên trong tất cả các cấu trúc liên kết biến tần, chúng ta yêu cầu một đầu ra xung phân cực luân phiên hoặc đối lập từ hai nguồn. Điều này có thể đạt được đơn giản bằng cách thêm một tầng cổng biến tần (để đảo ngược điện áp) vào đầu ra hiện có từ các bộ dao động, xem các hình bên dưới.
Cấu hình giai đoạn dao động để thiết kế mạch biến tần nhỏ
Bây giờ chúng ta hãy cố gắng tìm hiểu các phương pháp dễ dàng mà thông qua giải thích ở trên với các giai đoạn dao động có thể được gắn với một giai đoạn nguồn để tạo ra các thiết kế biến tần hiệu quả một cách nhanh chóng.
Thiết kế mạch biến tần sử dụng bộ dao động cổng NOT
Hình dưới đây cho thấy cách cấu hình một biến tần nhỏ bằng cách sử dụng bộ dao động cổng NOT như từ IC 4049.
Ở đây về cơ bản N1 / N2 tạo thành giai đoạn dao động tạo ra xung nhịp hoặc dao động 50Hz hoặc 60Hz cần thiết cho hoạt động của biến tần. N3 được sử dụng để đảo ngược các đồng hồ này vì chúng ta cần áp dụng đồng hồ phân cực đối lập cho giai đoạn biến áp nguồn.
Tuy nhiên, chúng ta cũng có thể thấy các cổng N4, N5 N6, được cấu hình trên dòng đầu vào và dòng đầu ra của N3.
Trên thực tế, N4, N5, N6 chỉ được bao gồm để chứa 3 cổng phụ có sẵn bên trong IC 4049, nếu không chỉ có N1, N2, N3 đầu tiên có thể được sử dụng cho các hoạt động mà không có bất kỳ vấn đề nào.
Thêm 3 cổng hoạt động như bộ đệm và cũng phải đảm bảo rằng các cổng này không được kết nối với nhau, nếu không có thể tạo ra ảnh hưởng xấu đến vi mạch về lâu dài.
Các đồng hồ phân cực đối lập trên các đầu ra của N4 và N5 / N6 được áp dụng cho các cơ sở của giai đoạn BJT công suất sử dụng BJT công suất TIP142, có khả năng xử lý dòng điện 10 amp tốt. Máy biến áp có thể được cấu hình trên các bộ thu của BJT.
Bạn sẽ thấy rằng không có bộ khuếch đại trung gian hoặc tầng trình điều khiển nào được sử dụng trong thiết kế trên vì bản thân TIP142 có tầng BJT Darlington bên trong cho bộ khuếch đại tích hợp cần thiết và do đó có thể thoải mái khuếch đại đồng hồ dòng điện thấp từ cổng NOT thành cao. dòng điện dao động trên cuộn dây máy biến áp được nối.
Có thể tìm thấy thêm thiết kế biến tần IC 4049 bên dưới:
Mạch biến tần nguồn 2000 VA tự chế
Mạch cấp nguồn không gián đoạn (UPS) đơn giản nhất
Thiết kế mạch biến tần sử dụng Bộ dao động cổng NAND kích hoạt Schmidt
Hình dưới đây cho thấy cách một mạch dao động sử dụng IC 4093 có thể được tích hợp với một tầng công suất BJT tương tự để tạo ra thiết kế biến tần hữu ích .
Hình minh họa một thiết kế biến tần nhỏ sử dụng cổng NAND kích hoạt IC 4093 Schmidt. Ở đây khá giống nhau, N4 có thể đã được tránh và các cơ sở BJT có thể được kết nối trực tiếp qua các đầu vào và đầu ra N3. Nhưng một lần nữa, N4 được bao gồm để chứa một cổng phụ bên trong IC 4093 và để đảm bảo rằng chân đầu vào của nó không bị ngắt kết nối.
Có thể tham khảo thêm các thiết kế biến tần IC 4093 tương tự từ các liên kết sau:
Mạch Biến tần Sửa đổi Tốt nhất
Cách tạo mạch biến tần năng lượng mặt trời
Cách xây dựng mạch biến tần công suất cao 400 Watt với bộ sạc tích hợp
Cách thiết kế mạch UPS - Hướng dẫn
Sơ đồ sơ đồ chân cho IC 4093 và IC 4049
LƯU Ý: Các chân cấp Vcc và Vss của IC không được hiển thị trong sơ đồ biến tần, chúng phải được kết nối thích hợp với nguồn cung cấp ắc quy 12V đối với bộ biến tần 12V. Đối với bộ biến tần điện áp cao hơn, nguồn cung cấp này phải được giảm xuống mức 12V thích hợp cho các chân cấp nguồn của IC.
Thiết kế mạch biến tần mini sử dụng bộ tạo dao động IC 555
Từ các ví dụ trên, có thể thấy khá rõ rằng các dạng biến tần cơ bản nhất có thể được thiết kế bằng cách ghép nối một tầng công suất biến áp BJT + với một tầng dao động.
Theo nguyên tắc tương tự, một bộ dao động IC 555 cũng có thể được sử dụng để thiết kế một biến tần nhỏ như hình dưới đây:
Mạch trên là tự giải thích, và có lẽ không cần giải thích thêm.
Bạn có thể tìm thêm mạch biến tần IC 555 như vậy bên dưới:
Hiểu cấu trúc liên kết biến tần (Cách cấu hình giai đoạn đầu ra)
Trong các phần trên, chúng ta đã học về các giai đoạn của bộ dao động, và thực tế là điện áp xung từ bộ dao động đi thẳng đến giai đoạn đầu ra công suất trước đó.
Chủ yếu có ba cách để thiết kế giai đoạn đầu ra của biến tần.
Bằng cách sử dụng:
- Giai đoạn kéo đẩy (với Biến áp chạm giữa) như được giải thích trong các ví dụ trên
- Giai đoạn nửa cầu đẩy kéo
- Đẩy kéo toàn cầu hoặc giai đoạn cầu H
Giai đoạn kéo đẩy sử dụng máy biến áp trung tâm là thiết kế phổ biến nhất vì nó liên quan đến việc thực hiện đơn giản hơn và tạo ra kết quả đảm bảo.
Tuy nhiên, nó đòi hỏi máy biến áp cồng kềnh hơn và đầu ra có hiệu suất thấp hơn.
Có thể thấy một số thiết kế biến tần dưới đây sử dụng biến áp trung tâm:
Trong cấu hình này, về cơ bản một máy biến áp trung tâm được sử dụng với các vòi bên ngoài của nó được kết nối với các đầu nóng của thiết bị đầu ra (bóng bán dẫn hoặc mosfet) trong khi vòi trung tâm đi vào cực âm của pin hoặc cực dương của pin tùy thuộc dựa trên loại thiết bị được sử dụng (loại N hoặc loại P).
Cấu trúc liên kết nửa cầu
Giai đoạn nửa cầu không sử dụng máy biến áp trung tâm.
ĐẾN Cầu nửa chừng cấu hình tốt hơn loại mạch kéo đẩy trung tâm về độ nhỏ gọn và hiệu quả, tuy nhiên nó yêu cầu tụ điện có giá trị lớn để thực hiện các chức năng trên.
ĐẾN cầu đầy đủ hoặc biến tần cầu H tương tự như mạng nửa cầu vì nó cũng kết hợp một máy biến áp hai vòi thông thường và không yêu cầu máy biến áp trung tâm.
Sự khác biệt duy nhất là loại bỏ các tụ điện và bao gồm hai thiết bị điện.
Cấu trúc liên kết toàn cầu
Một mạch biến tần cầu đầy đủ bao gồm bốn bóng bán dẫn hoặc mosfet được sắp xếp theo cấu hình giống như chữ 'H'.
Tất cả bốn thiết bị có thể là loại kênh N hoặc với hai kênh N và hai kênh P tùy thuộc vào giai đoạn dao động trình điều khiển bên ngoài đang được sử dụng.
Cũng giống như một nửa cầu, một cầu đầy đủ cũng yêu cầu các đầu ra dao động luân phiên riêng biệt, cô lập để kích hoạt các thiết bị.
Kết quả là giống nhau, sơ cấp của máy biến áp được kết nối phải chịu kiểu chuyển mạch ngược chiều của dòng pin qua nó. Điều này tạo ra điện áp tăng theo yêu cầu trên cuộn thứ cấp đầu ra của máy biến áp. Hiệu quả là cao nhất với thiết kế này.
Chi tiết logic bóng bán dẫn H-Bridge
Sơ đồ sau đây cho thấy một cấu hình cầu H điển hình, việc chuyển đổi được thực hiện như sau:
- A CAO, D CAO - đẩy về phía trước
- B CAO, C CAO - kéo ngược lại
- A CAO, B CAO - nguy hiểm (bị cấm)
- C CAO, D CAO - nguy hiểm (bị cấm)
Phần giải thích ở trên cung cấp thông tin cơ bản về cách thiết kế bộ biến tần và có thể chỉ được kết hợp để thiết kế mạch biến tần thông thường, điển hình là loại sóng vuông.
Tuy nhiên, có nhiều khái niệm khác có thể liên quan đến thiết kế biến tần như chế tạo biến tần sóng sin, biến tần dựa trên PWM, biến tần điều khiển đầu ra, đây chỉ là các giai đoạn bổ sung có thể được thêm vào trong thiết kế cơ bản đã giải thích ở trên để thực hiện các chức năng nói trên.
Chúng tôi sẽ thảo luận về chúng vào lúc khác hoặc có thể thông qua các ý kiến quý giá của bạn.
Trước: Cách chuyển đổi 12V DC thành 220V AC Tiếp theo: 3 mạch DRL (Đèn chạy ban ngày) thú vị cho ô tô của bạn
