Comment concevoir un onduleur - Théorie et tutoriel

Cet article explique les conseils et théories fondamentaux qui peuvent être utiles aux nouveaux arrivants lors de la conception ou de la gestion des concepts de base des onduleurs. Apprenons plus.

Qu'est-ce qu'un onduleur

C'est un appareil qui convertit ou inverse un potentiel CC basse tension et élevé en une tension alternative élevée à faible courant, par exemple d'une source de batterie automobile 12V à une sortie CA 220V.

Principe de base de la conversion ci-dessus

Le principe de base de la conversion d'un courant continu basse tension en courant alternatif haute tension consiste à utiliser le courant élevé stocké à l'intérieur d'une source CC (normalement une batterie) et à le faire passer à un courant alternatif haute tension.

Ceci est essentiellement réalisé en utilisant une inductance, qui est principalement un transformateur ayant deux ensembles d'enroulements à savoir primaire (entrée) et secondaire (sortie).

L'enroulement primaire est destiné à recevoir l'entrée à courant élevé continu tandis que le secondaire sert à inverser cette entrée en la sortie alternative à courant faible à haute tension correspondante.

Qu'est-ce que la tension ou le courant alternatif

Par tension alternative, nous entendons une tension qui commute sa polarité du positif au négatif et vice versa plusieurs fois par seconde en fonction de la fréquence réglée à l'entrée du transformateur.

En général, cette fréquence est de 50 Hz ou 60 Hz en fonction des spécifications de service public du pays.

Une fréquence générée artificiellement est utilisée aux taux ci-dessus pour alimenter les étages de sortie qui peuvent être constitués de transistors de puissance ou de mosfets ou de GBT intégrés au transformateur de puissance.

Les dispositifs d'alimentation répondent aux impulsions alimentées et entraînent l'enroulement du transformateur connecté avec la fréquence correspondante au courant et à la tension de batterie donnés.

L'action ci-dessus induit une haute tension équivalente à travers l'enroulement secondaire du transformateur qui produit finalement le 220V ou 120V AC requis.

Une simulation manuelle simple

La simulation manuelle suivante montre le principe de fonctionnement de base d'un circuit inverseur push-pull basé sur un transformateur de prise centrale.

Lorsque l'enroulement primaire est commuté en alternance avec un courant de batterie, une quantité équivalente de tension et de courant est induite à travers l'enroulement secondaire à travers vol de retour mode, qui illumine l'ampoule connectée.

Dans un onduleur actionné par circuit, la même opération est mise en œuvre, mais à travers des dispositifs d'alimentation et un circuit oscillateur qui commute l'enroulement à un rythme beaucoup plus rapide, généralement à une fréquence de 50 Hz ou 60 Hz.

Ainsi, dans un onduleur, la même action due à une commutation rapide ferait apparaître la charge toujours allumée, bien qu'en réalité la charge soit allumée / éteinte à une fréquence de 50 Hz ou 60 Hz.

Comment le transformateur convertit une entrée donnée

Comme indiqué ci-dessus, le transformateur aura généralement deux enroulements, un primaire et l'autre secondaire.

Les deux enroulements réagissent de telle manière que lorsqu'un courant de commutation est appliqué à l'enroulement primaire, une puissance proportionnellement appropriée est transférée à travers l'enroulement secondaire par induction électromagnétique.

Supposons donc que si le primaire est évalué à 12 V et le secondaire à 220 V, une entrée de 12 V CC oscillante ou pulsée vers le côté primaire induirait et générerait un courant alternatif de 220 V sur les bornes secondaires.

Cependant, l'entrée du primaire ne peut pas être un courant continu, ce qui signifie que bien que la source puisse être un courant continu, elle doit être appliquée sous forme pulsée ou par intermittence à travers le primaire, ou sous la forme d'une fréquence au niveau spécifié, nous avons discuté de cela dans la section précédente.

Cela est nécessaire pour que les attributs inhérents d'un inducteur puissent être mis en œuvre, selon lesquels un inducteur restreint un courant fluctuant et tente de l'équilibrer en jetant un courant équivalent dans le système pendant l'absence de l'impulsion d'entrée, également connu sous le nom de phénomène de retour en vol. .

Par conséquent, lorsque le courant continu est appliqué, le primaire stocke ce courant et, lorsque le courant continu est déconnecté de l'enroulement, permet à l'enroulement de renvoyer le courant stocké sur ses bornes.

Cependant, puisque les bornes sont déconnectées, cette force contre-électromotrice est induite dans l'enroulement secondaire, constituant le courant alternatif requis aux bornes de sortie secondaires.

L'explication ci-dessus montre donc qu'un circuit pulseur ou plus simplement un circuit oscillateur devient impératif lors de la conception d'un onduleur.

Étapes fondamentales du circuit d'un onduleur

Pour construire un onduleur fonctionnel de base avec des performances raisonnablement bonnes, vous aurez besoin des éléments de base suivants:

• Transformateur
• Dispositifs d'alimentation, tels que le canal N MOSFET ou Transistors de puissance NPN Biploar
• Batterie au plomb

Diagramme

Voici le schéma fonctionnel qui illustre comment implémenter les éléments ci-dessus avec une configuration simple (robinet central push-pull).

Comment concevoir un circuit oscillateur pour un onduleur

Un circuit oscillateur est l'étage de circuit crucial dans tout onduleur, car cet étage devient responsable de la commutation du courant continu dans l'enroulement primaire du transformateur.

Un étage oscillateur est peut-être la partie la plus simple d'un circuit onduleur. Il s'agit essentiellement d'une configuration multivibrateur astable qui peut être réalisée de différentes manières.

Vous pouvez utiliser des portes NAND, des portes NOR, des appareils avec des oscillateurs intégrés tels que IC 4060, IC LM567 ou tout simplement un IC 555. Une autre option est l'utilisation de transistors et de condensateurs en mode astable standard.

Les images suivantes montrent les différentes configurations d'oscillateur qui peuvent être utilisées efficacement pour réaliser les oscillations de base pour toute conception d'onduleur proposée.

Dans les schémas suivants, nous voyons quelques conceptions de circuits d'oscillateur populaires, les sorties sont des ondes carrées qui sont en fait des impulsions positives, les blocs carrés hauts indiquent des potentiels positifs, la hauteur des blocs carrés indique le niveau de tension, qui est normalement égal à celui appliqué. la tension d'alimentation du circuit intégré et la largeur des blocs carrés indiquent la durée pendant laquelle cette tension reste active.

Le rôle d'un oscillateur dans un circuit onduleur

Comme discuté dans la section précédente, un étage oscillateur est nécessaire pour générer des impulsions de tension de base pour alimenter les étages de puissance suivants.

Cependant, les impulsions de ces étages peuvent être trop faibles avec leurs sorties de courant, et par conséquent, elles ne peuvent pas être envoyées directement au transformateur ou aux transistors de puissance de l'étage de sortie.

Afin de pousser le courant d'oscillation aux niveaux requis, un étage de commande intermédiaire est normalement utilisé, qui peut consister en un couple de transistors de moyenne puissance à gain élevé ou même quelque chose de plus complexe.

Cependant, aujourd'hui, avec l'avènement des mosfets sophistiqués, un étage pilote peut être complètement éliminé.

Cela est dû au fait que les mosfets sont des appareils dépendants de la tension et ne dépendent pas des amplitudes de courant pour fonctionner.

Avec la présence d'un potentiel supérieur à 5 V sur leur grille et leur source, la plupart des mosfets satureraient et conduiraient entièrement à travers leur drain et leur source, même si le courant est aussi bas que 1 mA

Cela rend les conditions extrêmement adaptées et faciles à appliquer pour les applications d'onduleurs.

Nous pouvons voir que dans les circuits oscillateurs ci-dessus, la sortie est une source unique, mais dans toutes les topologies d'onduleur, nous avons besoin de sorties pulsées à polarisation alternative ou opposée à partir de deux sources. Ceci peut être simplement réalisé en ajoutant un étage de grille inverseur (pour inverser la tension) à la sortie existante des oscillateurs, voir les figures ci-dessous.

Configuration de l'étage d'oscillateur pour concevoir de petits circuits d'onduleur

Essayons maintenant de comprendre les méthodes simples par lesquelles les éléments expliqués ci-dessus avec les étages d'oscillateur peuvent être associés à un étage de puissance pour créer rapidement des conceptions d'onduleurs efficaces.

Conception d'un circuit onduleur à l'aide de l'oscillateur NOT Gate

La figure suivante montre comment un petit onduleur peut être configuré à l'aide d'un oscillateur de porte NOT tel que celui de l'IC 4049.

Ici, essentiellement N1 / N2 forme l'étage d'oscillateur qui crée les horloges ou oscillations de 50 Hz ou 60 Hz requises pour le fonctionnement de l'onduleur. N3 est utilisé pour inverser ces horloges car nous devons appliquer des horloges polarisées de manière opposée pour l'étage du transformateur de puissance.

Cependant, nous pouvons également voir des portes N4, N5 N6, qui sont configurées sur la ligne d'entrée et la ligne de sortie de N3.

En fait, N4, N5, N6 sont simplement inclus pour accueillir les 3 portes supplémentaires disponibles à l'intérieur de l'IC 4049, sinon seuls les premiers N1, N2, N3 pourraient être utilisés seuls pour les opérations, sans aucun problème.

Les 3 extra les portes agissent comme des tampons et assurez-vous également que ces portes ne sont pas laissées sans connexion, ce qui pourrait autrement créer un effet négatif sur le circuit intégré à long terme.

Les horloges polarisées de manière opposée sur les sorties de N4 et N5 / N6 sont appliquées aux bases de l'étage de puissance BJT à l'aide de BJT de puissance TIP142, capables de gérer un bon courant de 10 ampères. Le transformateur peut être vu configuré à travers les collecteurs des BJT.

Vous constaterez qu'aucun amplificateur intermédiaire ou étage de pilote n'est utilisé dans la conception ci-dessus car le TIP142 lui-même a un étage BJT Darlington interne pour l'amplification intégrée requise et est donc capable d'amplifier confortablement les horloges à faible courant des portes NOT en haut oscillations de courant à travers l'enroulement du transformateur connecté.

Vous trouverez ci-dessous d'autres conceptions d'onduleurs IC 4049:

Circuit onduleur fait maison de 2000 VA

Circuit d'alimentation sans interruption (UPS) le plus simple

Conception d'un circuit onduleur à l'aide de l'oscillateur de porte NAND Trigger Schmidt

La figure suivante montre comment un circuit oscillateur utilisant IC 4093 peut être intégré à un étage de puissance BJT similaire pour créer un conception d'onduleur utile .

La figure montre une petite conception d'onduleur utilisant des portes IC 4093 Schmidt à déclenchement NAND. De manière tout à fait identique, ici aussi, le N4 aurait pu être évité et les bases BJT auraient pu être directement connectées aux entrées et aux sorties N3. Mais encore une fois, N4 est inclus pour accueillir la seule porte supplémentaire à l'intérieur de l'IC 4093 et ​​pour garantir que sa broche d'entrée n'est pas laissée sans connexion.

D'autres conceptions d'onduleurs IC 4093 similaires peuvent être référencées à partir des liens suivants:

Meilleurs circuits d'onduleurs modifiés

Comment faire un circuit d'onduleur solaire

Comment construire un circuit onduleur haute puissance de 400 watts avec chargeur intégré

Comment concevoir un circuit UPS - Tutoriel

Schémas de brochage pour IC 4093 et ​​IC 4049

REMARQUE: Les broches d'alimentation Vcc et Vss du circuit intégré ne sont pas représentées dans les schémas de l'onduleur, elles doivent être correctement connectées à l'alimentation par batterie 12 V, pour les onduleurs 12 V. Pour les onduleurs à tension plus élevée, cette alimentation doit être réduite de manière appropriée à 12 V pour les broches d'alimentation du circuit intégré.

Conception d'un circuit mini-onduleur à l'aide de l'oscillateur IC 555

D'après les exemples ci-dessus, il devient tout à fait évident que les formes les plus élémentaires d'onduleurs pourraient être conçues en couplant simplement un étage de puissance de transformateur BJT + avec un étage d'oscillateur.

Suivant le même principe, un oscillateur IC 555 peut également être utilisé pour concevoir un petit onduleur comme indiqué ci-dessous:

Le circuit ci-dessus est explicite et ne nécessite peut-être aucune explication supplémentaire.

Vous trouverez ci-dessous d'autres circuits d'onduleur IC 555:

Circuit d'inverseur simple IC 555

Présentation des topologies d'onduleur (comment configurer l'étage de sortie)

Dans les sections ci-dessus, nous avons découvert les étages de l'oscillateur, ainsi que le fait que la tension pulsée de l'oscillateur va directement à l'étage de sortie de puissance précédent.

Il existe principalement trois manières de concevoir un étage de sortie d'un onduleur.

En utilisant un:

1. Push Pull Stage (avec Center Tap Transformer) comme expliqué dans les exemples ci-dessus
2. Scène de demi-pont push-pull
3. Scène Push Pull Full-Bridge ou H-Bridge

L'étage push-pull utilisant un transformateur de prise centrale est la conception la plus populaire car elle implique des implémentations plus simples et produit des résultats garantis.

Cependant, il nécessite des transformateurs plus volumineux et le rendement est moins efficace.

Vous pouvez voir ci-dessous quelques modèles d'onduleurs qui utilisent un transformateur de prise centrale:

Dans cette configuration, un transformateur de prise centrale est utilisé avec ses prises extérieures connectées aux extrémités chaudes des périphériques de sortie (transistors ou mosfets) tandis que la prise centrale va soit au négatif de la batterie, soit au positif de la batterie en fonction selon le type d'appareils utilisés (type N ou type P).

Topologie en demi-pont

Un étage en demi-pont n'utilise pas de transformateur de prise centrale.

À demi-pont La configuration est meilleure qu'un circuit de type push pull à prise centrale en termes de compacité et d'efficacité, mais elle nécessite des condensateurs de grande valeur pour mettre en œuvre les fonctions ci-dessus.

À pont complet ou onduleur à pont en H est similaire à un réseau en demi-pont car il intègre également un transformateur ordinaire à deux prises et ne nécessite pas de transformateur de prise centrale.

La seule différence étant l'élimination des condensateurs et l'inclusion de deux autres dispositifs d'alimentation.

Topologie en pont complet

Un circuit inverseur à pont complet se compose de quatre transistors ou mosfets disposés dans une configuration ressemblant à la lettre «H».

Les quatre périphériques peuvent être de type N canal ou avec deux canaux N et deux canaux P en fonction de l'étage d'oscillateur de pilote externe utilisé.

Tout comme un demi-pont, un pont complet nécessite également des sorties séparées et isolées à oscillation alternée pour déclencher les appareils.

Le résultat est le même, le primaire du transformateur connecté est soumis à une sorte de commutation directe inverse du courant de batterie à travers lui. Cela génère la tension augmentée induite requise aux bornes de l'enroulement secondaire de sortie du transformateur. L'efficacité est la plus élevée avec cette conception.

Détails de la logique du transistor en pont en H

Le schéma suivant montre une configuration typique de pont en H, la commutation se fait comme ci-dessous:

1. A HIGH, D HIGH - poussée vers l'avant
2. B HIGH, C HIGH - tirage inversé
3. A HIGH, B HIGH - dangereux (interdit)
4. C HIGH, D HIGH - dangereux (interdit)

L'explication ci-dessus fournit les informations de base concernant la manière de concevoir un onduleur, et peut être incorporée uniquement pour la conception d'un circuit onduleur ordinaire, typiquement les types d'onde carrée.

Cependant, il existe de nombreux autres concepts qui peuvent être associés aux conceptions d'onduleurs comme la fabrication d'un onduleur à onde sinusoïdale, d'un onduleur basé sur PWM, d'un onduleur commandé en sortie, ce ne sont que des étapes supplémentaires qui peuvent être ajoutées dans les conceptions de base expliquées ci-dessus pour mettre en œuvre lesdites fonctions.

Nous en discuterons une autre fois ou peut-être à travers vos précieux commentaires.