Cómo diseñar un inversor: teoría y tutorial

Cómo diseñar un inversor: teoría y tutorial

La publicación explica los consejos y teorías fundamentales que pueden ser útiles para los recién llegados mientras diseñan o tratan con conceptos básicos de inversores. Aprendamos más.

¿Qué es un inversor?

Es un dispositivo que convierte o invierte un potencial de CC alto y bajo en un voltaje alterno alto de corriente baja, como el de una fuente de batería de automóvil de 12V a una salida de CA de 220V.



Principio básico detrás de la conversión anterior



El principio básico detrás de la conversión de una CC de bajo voltaje en una CA de alto voltaje es utilizar la alta corriente almacenada dentro de una fuente de CC (normalmente una batería) y aumentarla a una CA de alto voltaje.

Esto se logra básicamente mediante el uso de un inductor, que es principalmente un transformador que tiene dos conjuntos de devanados, a saber, primario (entrada) y secundario (salida).



El devanado primario está destinado a recibir la entrada directa de alta corriente mientras que el secundario está destinado a invertir esta entrada en la correspondiente salida alterna de alta tensión y baja corriente.

¿Qué es voltaje o corriente alterna?

Por voltaje alterno nos referimos a un voltaje que cambia su polaridad de positivo a negativo y viceversa muchas veces por segundo dependiendo de la frecuencia establecida en la entrada del transformador.

Generalmente, esta frecuencia es de 50 Hz o 60 Hz, dependiendo de las especificaciones de servicios públicos del país en particular.



Se utiliza una frecuencia generada artificialmente a las tasas anteriores para alimentar las etapas de salida que pueden consistir en transistores de potencia o mosfets o GBT integrados con el transformador de potencia.

Los dispositivos de potencia responden a los pulsos alimentados y accionan el devanado del transformador conectado con la frecuencia correspondiente a la corriente y voltaje de la batería dados.

La acción anterior induce un alto voltaje equivalente a través del devanado secundario del transformador que finalmente genera los 220 V o 120 V CA requeridos.

Una simulación manual simple

La siguiente simulación manual muestra el principio de funcionamiento básico de un circuito inversor push-pull basado en transformador de toma central.

Cuando el devanado primario se conmuta alternativamente con una corriente de batería, se induce una cantidad equivalente de voltaje y corriente a través del devanado secundario a través de volar de vuelta modo, que ilumina la bombilla conectada.

En un inversor operado por circuito se implementa la misma operación pero a través de dispositivos de potencia y un circuito oscilador que cambia el devanado a un ritmo mucho más rápido, generalmente a una tasa de 50 Hz o 60 Hz.

Así, en un inversor la misma acción debida a la conmutación rápida haría que la carga apareciera siempre ENCENDIDA, aunque en realidad la carga se ENCENDERÍA / APAGARÍA a una frecuencia de 50 Hz o 60 Hz.

simulación de funcionamiento del inversor con conmutación manual

Cómo el transformador convierte una entrada determinada

Como se discutió anteriormente, el transformador normalmente tendrá dos devanados, uno primario y otro secundario.

Los dos devanados reaccionan de tal manera que cuando se aplica una corriente de conmutación en el devanado primario, una potencia proporcionalmente relevante se transfiere a través del devanado secundario a través de inducción electromagnética.

Por lo tanto, suponga que si el primario tiene una potencia de 12 V y el secundario a 220 V, una entrada de 12 V CC oscilante o pulsante en el lado primario induciría y generaría 220 V CA a través de los terminales secundarios.

Sin embargo, la entrada al primario no puede ser una corriente continua, lo que significa que aunque la fuente puede ser una CC, debe aplicarse en forma pulsada o intermitentemente a través del primario, o en forma de una frecuencia en el nivel especificado, tenemos discutido esto en la sección anterior.

Esto es necesario para que se puedan implementar los atributos inherentes de un inductor, según los cuales un inductor restringe una corriente fluctuante e intenta equilibrarla lanzando una corriente equivalente al sistema durante la ausencia del pulso de entrada, también conocido como fenómeno de retorno. .

Por lo tanto, cuando se aplica CC, el primario almacena esta corriente, y cuando se desconecta la CC del devanado, permite que el devanado devuelva la corriente almacenada a través de sus terminales.

Sin embargo, dado que los terminales están desconectados, esta fuerza contraelectromotriz se induce en el devanado secundario, constituyendo la CA requerida a través de los terminales de salida secundarios.

Por tanto, la explicación anterior muestra que un circuito de impulsos o, más simplemente, un circuito de oscilador se vuelve imperativo al diseñar un inversor.

Etapas del circuito fundamental de un inversor

Para construir un inversor funcional básico con un rendimiento razonablemente bueno, necesitará los siguientes elementos básicos:

Diagrama de bloques

Aquí está el diagrama de bloques que ilustra cómo implementar los elementos anteriores con una configuración simple (toque central push-pull).

Cómo diseñar un circuito de oscilador para un inversor

Un circuito de oscilador es la etapa del circuito crucial en cualquier inversor, ya que esta etapa se convierte en responsable de cambiar la CC al devanado primario del transformador.

Una etapa de oscilador es quizás la parte más simple de un circuito inversor. Es básicamente una configuración multivibrador estable que se puede realizar de muchas formas diferentes.

Puede usar puertas NAND, puertas NOR, dispositivos con osciladores incorporados como IC 4060, IC LM567 o simplemente un 555 IC. Otra opción es el uso de transistores y condensadores en modo astable estándar.

Las siguientes imágenes muestran las diferentes configuraciones de oscilador que se pueden emplear eficazmente para lograr las oscilaciones básicas para cualquier diseño de inversor propuesto.

En los siguientes diagramas, vemos algunos diseños de circuitos osciladores populares, las salidas son ondas cuadradas que en realidad son pulsos positivos, los bloques cuadrados altos indican potenciales positivos, la altura de los bloques cuadrados indica el nivel de voltaje, que normalmente es igual al aplicado suministro de voltaje al IC, y el ancho de los bloques cuadrados indica el lapso de tiempo durante el cual este voltaje permanece vivo.

El papel de un oscilador en un circuito inversor

Como se discutió en la sección anterior, se requiere una etapa de oscilador para generar pulsos de voltaje básico para alimentar las etapas de potencia posteriores.

Sin embargo, los pulsos de estas etapas pueden ser demasiado bajos con sus salidas de corriente y, por lo tanto, no se pueden alimentar directamente al transformador ni a los transistores de potencia en la etapa de salida.

Para impulsar la corriente de oscilación a los niveles requeridos, normalmente se emplea una etapa de excitación intermedia, que puede consistir en un par de transistores de potencia media de alta ganancia o incluso algo más complejo.

Sin embargo, hoy en día, con la llegada de sofisticados mosfets, una etapa de conductor puede eliminarse por completo.

Esto se debe a que los mosfets son dispositivos dependientes del voltaje y no dependen de las magnitudes de corriente para funcionar.

Con la presencia de un potencial superior a 5 V a través de su puerta y fuente, la mayoría de los mosfets se saturarían y conducirían completamente a través de su drenaje y fuente, incluso si la corriente es tan baja como 1 mA.

Esto hace que las condiciones sean enormemente adecuadas y fáciles de aplicar para aplicaciones de inversores.

Podemos ver que en los circuitos de oscilador anteriores, la salida es una sola fuente, sin embargo, en todas las topologías de inversor, requerimos salidas pulsantes polarizadas de forma alterna u opuesta de dos fuentes. Esto se puede lograr simplemente agregando una etapa de puerta del inversor (para invertir el voltaje) a la salida existente de los osciladores, vea las figuras a continuación.

Configuración de la etapa del oscilador para diseñar circuitos inversores pequeños

Ahora intentemos entender los métodos sencillos a través de los cuales lo explicado anteriormente con etapas de oscilador se puede conectar con una etapa de potencia para crear diseños de inversor efectivos rápidamente.

Diseño de un circuito inversor utilizando un oscilador de compuerta NOT

La siguiente figura muestra cómo se puede configurar un pequeño inversor utilizando un oscilador de puerta NOT como el del IC 4049.

circuito inversor simple usando IC 4049

Aquí básicamente N1 / N2 forma la etapa del oscilador que crea los relojes u oscilaciones de 50Hz o 60Hz requeridos para la operación del inversor. N3 se usa para invertir estos relojes porque necesitamos aplicar relojes con polarización opuesta para la etapa del transformador de potencia.

Sin embargo, también podemos ver puertas N4, N5 N6, que están configuradas a través de la línea de entrada y la línea de salida de N3.

En realidad, N4, N5, N6 simplemente se incluyen para acomodar las 3 puertas adicionales disponibles dentro del IC 4049; de lo contrario, solo el primer N1, N2, N3 podría usarse solo para las operaciones, sin ningún problema.

Los 3 extra las puertas actúan como amortiguadores y también asegúrese de que estas puertas no queden desconectadas, lo que de otro modo puede crear un efecto adverso en el CI a largo plazo.

Los relojes con polarización opuesta en las salidas de N4 y N5 / N6 se aplican a las bases de la etapa BJT de potencia utilizando BJT de potencia TIP142, que son capaces de manejar una buena corriente de 10 amperios. El transformador se puede ver configurado a través de los colectores de los BJT.

Encontrará que no se utilizan etapas intermedias de amplificador o controlador en el diseño anterior porque el TIP142 en sí tiene una etapa BJT Darlington interna para la amplificación incorporada requerida y, por lo tanto, puede amplificar cómodamente los relojes de baja corriente desde las puertas NOT hasta las altas oscilaciones de corriente a través del devanado del transformador conectado.

Más diseños de inversores IC 4049 se pueden encontrar a continuación:

Circuito inversor de energía casero de 2000 VA

El circuito de fuente de alimentación ininterrumpida más simple (UPS)

Diseño de un circuito inversor utilizando el oscilador de compuerta NAND Schmidt Trigger

La siguiente figura muestra cómo un circuito oscilador que usa IC 4093 puede integrarse con una etapa de potencia BJT similar para crear un útil diseño de inversor .

La figura muestra un pequeño diseño de inversor que utiliza puertas NAND de activación IC 4093 Schmidt. De manera bastante idéntica, también aquí el N4 podría haberse evitado y las bases BJT podrían haberse conectado directamente a través de las entradas y salidas N3. Pero nuevamente, se incluye N4 para acomodar una puerta adicional dentro del IC 4093 y para asegurar que su pin de entrada no quede desconectado.

Puede consultar más diseños de inversores IC 4093 similares en los siguientes enlaces:

Los mejores circuitos inversores modificados

Cómo hacer un circuito inversor solar

Cómo construir un circuito inversor de alta potencia de 400 vatios con cargador incorporado

Cómo diseñar un circuito UPS - Tutorial

Diagramas de pines para IC 4093 e IC 4049

NOTA: Los pines de suministro Vcc y Vss del IC no se muestran en los diagramas del inversor, estos deben estar conectados adecuadamente con el suministro de batería de 12V, para inversores de 12V. Para inversores de voltaje más alto, este suministro debe reducirse adecuadamente a 12V para los pines de suministro de IC.

Diseño de un circuito mini inversor usando el oscilador IC 555

A partir de los ejemplos anteriores, resulta bastante evidente que las formas más básicas de inversores podrían diseñarse simplemente acoplando una etapa de potencia de transformador BJT + con una etapa de oscilador.

Siguiendo el mismo principio, también se puede utilizar un oscilador IC 555 para diseñar un pequeño inversor como se muestra a continuación:

El circuito anterior se explica por sí mismo y quizás no requiera ninguna explicación adicional.

Más de este circuito inversor IC 555 se puede encontrar a continuación:

Circuito inversor IC 555 simple

Comprensión de las topologías de inversores (cómo configurar la etapa de salida)

En las secciones anteriores aprendimos sobre las etapas del oscilador y también el hecho de que el voltaje pulsado del oscilador va directamente a la etapa de salida de potencia anterior.

Hay principalmente tres formas a través de las cuales se puede diseñar una etapa de salida de un inversor.

Usando un:

  1. Etapa Push Pull (con transformador de derivación central) como se explica en los ejemplos anteriores
  2. Etapa Push Pull Half-Bridge
  3. Etapa Push Pull Full-Bridge o H-Bridge

La etapa push pull que utiliza un transformador de derivación central es el diseño más popular porque implica implementaciones más simples y produce resultados garantizados.

Sin embargo, requiere transformadores más voluminosos y la salida es de menor eficiencia.

A continuación se pueden ver un par de diseños de inversores que emplean un transformador de toma central:

En esta configuración, básicamente se usa un transformador de toma central con sus tomas externas conectadas a los extremos calientes de los dispositivos de salida (transistores o mosfets) mientras que la toma central va al negativo de la batería o al positivo de la batería dependiendo según el tipo de dispositivos utilizados (tipo N o tipo P).

Topología de medio puente

Una etapa de medio puente no utiliza un transformador de derivación central.

A medio puente La configuración es mejor que un circuito de tipo push-pull de derivación central en términos de compacidad y eficiencia, sin embargo, requiere condensadores de gran valor para implementar las funciones anteriores.

A puente completo o un inversor de puente H es similar a una red de medio puente ya que también incorpora un transformador ordinario de dos tomas y no requiere un transformador de toma central.

La única diferencia es la eliminación de los condensadores y la inclusión de dos dispositivos de potencia más.

Topología de puente completo

Un circuito inversor de puente completo consta de cuatro transistores o mosfets dispuestos en una configuración que se asemeja a la letra 'H'.

Los cuatro dispositivos pueden ser del tipo de canal N o con dos canales N y dos canales P dependiendo de la etapa del oscilador del controlador externo que se esté utilizando.

Al igual que un medio puente, un puente completo también requiere salidas independientes, aisladas y oscilantes alternativamente para activar los dispositivos.

El resultado es el mismo, el primario del transformador conectado se somete a un tipo de conmutación inversa hacia adelante de la corriente de la batería a través de él. Esto genera el voltaje aumentado inducido requerido a través del devanado secundario de salida del transformador. La eficiencia es máxima con este diseño.

Detalles de la lógica del transistor del puente H

El siguiente diagrama muestra una configuración típica de puente H, la conmutación se realiza de la siguiente manera:

  1. A HIGH, D HIGH - empuje hacia adelante
  2. B HIGH, C HIGH - tirar hacia atrás
  3. A ALTO, B ALTO - peligroso (prohibido)
  4. C ALTO, D ALTO - peligroso (prohibido)

La explicación anterior proporciona la información básica sobre cómo diseñar un inversor, y puede incorporarse solo para diseñar circuitos inversores ordinarios, normalmente los tipos de onda cuadrada.

Sin embargo, hay muchos conceptos adicionales que pueden asociarse con los diseños de inversores, como hacer un inversor de onda sinusoidal, un inversor basado en PWM, un inversor controlado por salida, estas son solo etapas adicionales que se pueden agregar en los diseños básicos explicados anteriormente para implementar dichas funciones.

Los discutiremos en otro momento o puede ser a través de sus valiosos comentarios.




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