Инвертор без транзисторов за 5 мин (с 12 на 220 в, плюс сирена как бонус). Теория и эксперимент (часть 1 из 2)

Новий СтандартЭлектроника / Блоки питанияДобавлено 42 комментария   Дождались наконец-то, именно так, вам не послышалось — инвертор без транзисторов, а еще без двойных, симметричных обмоток трансформатора!«Как же нам накормить весь народ, когда у нас только одна рыба и одна буханка?» — (библейская история)Каждую секунду в мире изготавливают 500 000 000 транзисторов (статистика)  Инверторы, как приборы трансформации постоянного напряжения, нет не вошли, а просто навалились в современную жизнь. Без них не обходится например, солнечная энергетика, автомобилисты без инверторов не смогут лишний раз посмотреть телевизор на 220 в и тд.  Напомню, инвертор — устройство, которое превращает низкое (или высокое) напряжение (преимущественно постоянное) в высокое (или низкое, преимущественно переменное), то есть это устройство трансформации именно постоянного напряжения в любуе другое, как правило, с минимальными потерями мощности.  Преобразователи только переменных напряжений называют — трансформаторами. Просматривая много схем инветоров можно заметить, что у всех есть транзисторы. Причем транзисторы преимущественно еще те, самие дорогие, полевые, которые боятся лишних разрядов, статического электричества, коротких замыканий, их еще надо мазать специальной теплопроводящей пастой (или клеем) и ставить на них не маленький радиатор, или вентилятор.  А та еще морока — разбирать и наматывать на трансформатор двойную симметрическую обмотку в противоположные стороны, тупо — напряжно.  Какой же принцип работы инвертора без транзистора и что я здесь придумал, а?Начнем с классики:  Вспомните, что повышает напряжение в инверторе, да — трансформатор. Но трансформатор может работать только с переменным током, так как только переменный ток трансформируется внутри инвертора.  А чтобы получить этот переменный ток — именно применяют транзисторные генераторы, преимущественно низкой частоты.  Здесь правда, с одним «но» — не обязательно использовать переменный ток, трансформировать можно и постоянный, но прерывистым ток (импульсный, ток типа: «есть — нету — есть»):  Чтобы понять как работает постоянный, но прерывистый ток с трансформатором, подключите первичную обмотку трансформатора (там где меньше витков) к аккумулятору (12 в), а вторичную (там где больше витков) к вольтметру. Теперь прерывая питания вручную одним проводом, наблюдаем появление высокого напряжения на вторичной обмотке (там где больше витков) ее фиксирует вольтметр.  Интересно, высокое напряжение на выходе вторичной обмотки трансформатора тоже будет постоянным (очень малое изменение полярности), но прерывистое («плюс» и «минус» на выходе не меняется, а идет постоянное напряжение с прерыванием, что задается частотой ручного прерывания контакта):  Конечно держать аккумулятор в руках и постоянно прерывать контакты, это не дело. Все должно быть автоматическим. Здесь наверное надо вернуться к транзисторам, а нет.   В качестве коммутатора у нас будет выступать реле, но реле не обычное, а очень обычное, хотя качество должно быть высоким. Реле бывают разные:  Дело в том, что каждое реле содержит железный стержень, обмотку на нем и контакты, которые замыкаются или размыкаются в зависимости от того есть ли напряжение на реле.  Если на реле нет напряжения, замыкается один контакт (например, «нет»), при включении напряжения контакт меняется (например, на «да»).  Скорость реакции контакта реле зависит от многих факторов:- величины тока на катушке (сопротивление катушки);- величины напряжения;- степень сжатия пружины;- величины зазора между железным сердечником реле и поверхностью подвижного контакта;- длины плеча контакта (чем короче плечо, тем больше скорость срабатывания реле);- скорости розмагничивания сердечника при пропадании напряжения;- плотности среды, в которой находится подвижная часть реле (например, в вакууме нет трения воздуха);- температуры и тд.    Сведения о факторах влияния на скорость срабатывания реле и регулирования его, необходимые для следующего шага.  А именно, разборки схемы работы реле в режиме «непрерывного переключения»: При таком подключении реле, буквально «срывается с катушек» это можно не только увидеть, но и услышать. Почему так происходит, частично описано выше.  Короче говоря, здесь дело в пружине реле, когда подается напряжение на реле, оно срабатывает, тем самым размыкает свою цепь, пружина возвращает контакт снова на свое место и цикл продолжается сначала. За 1 с в зависимости от добротности пружины (но не только пружины) может быть 100 и более замыканий и размыканий.  Такую особенность реле я заметил почти случайно во время своих экспериментов.  Соответственно, добавив в схему трансформатор, получаем генератор и инвертор напряжения:  Переносим схему в экспериментальную плоскость, для этого нужно: Инструменты и приборы:— мультиметр (меряем напряжение, лучше использовать стрелочный вольтметр, так как цифровые иногда не могут зафиксировать прерывистое напряжение);- аккумулятор (на 12 в);- паяльник;- реле (на 12 в);- трансформатор (с 12 на 220 в, 10 Вт);- лампа (220 в, 1 Вт);- головной телефон (на 50 Ом). Расходные материалы:— провода;- «крокодилы» (4 шт.);- припой;- канифоль.Этап 1.  Подключаем реле к аккумулятору по схеме, сразу услышим работу реле:Этап 2.  Присоединяем трансформатор к реле и фиксируем высокое напряжение а выходе (здесь иногда лучше использовать стрелочный вольтметр):Этап 3.  На выходе трансформатора устанавливаем лампу на 220 в, малой мощности, она светит (а при 12 в не светит):Этап 4.  Если вместо лампы подключить головной телефон (работает как с, так и без трансформатора), то оттуда будет выдаваться звук, чем-то похож на сирену:  Итак, схема работает, выдавая приятное жужжание. В отличие от инвертора на транзисторах, моя схема инвертора на реле содержит меньше деталей. КПД точно не мерил, ну приблизительно 65 % (с учетом КПД трансформатора).  В следующей статье — продолжение данной, я рассмотрю более практические, усовершенствованные и мощные схемы инвертора без транзисторов.Видео:Доставка новых самоделок на почту

Получайте на почту подборку новых самоделок. Никакого спама, только полезные идеи!

*Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

Инвертор на транзисторе – прародитель цифровых микросхем. Именно в те далекие времена, благодаря транзистору, цифровая электроника стала развиваться быстрыми темпами.

Схема инвертора на простом ключе

Рассмотрим вот такую простенькую схемку:

Что мы здесь видим? Видим ключ, резистор и источник питания. Резистор R мы повесили для того, чтобы не было короткого замыкания в источнике питания, когда замыкается ключ S. На клемму +U мы подаем плюс питания, а на землю, соответственно, минус. В схеме возможны два варианта развития событий: ключ замкнут и ключ разомкнут. Давайте рассмотрим каждый из этих двух вариантов:

1) Ключ замкнут

В результате в цепи +U——-> R——-> S ——-> земля побежит электрический ток.

Будет ли в этом случае напряжение между клеммой “А” и землей?

Чешем свою репу и думаем… Так как ключ у нас замкнут, следовательно, в идеале его сопротивление 0 Ом. Вспоминаем закон Ома для участка цепи: I=U/R, отсюда U=IR. Получается, что падение напряжения на сопротивлении 0 Ом будет равно U=IR= I х 0 = 0 Вольт. Значит, напряжение между землей и клеммой “А” будет 0 Вольт. Получается, что напряжения на клемме “А” не будет.

2) Ключ разомкнут

Что  в результате у нас будет на клемме “А”? Давайте также посчитаем по закону Ома. Мы знаем, что электрический ток бежит от плюса к минусу. Но так как у нас минус вообще не при делах, так как цепь разорвана ключом, следовательно, сила тока в цепи +U——->R——->клемма “А” будет равняться 0 Ампер. Значит, падение напряжения на резисторе R будет равняться U=IR=0 х R = 0 Вольт. Получается, что все полноценные +U Вольт доходят до клеммы “A”. Поэтому, на клемме “А” будет напряжение +U.

Транзистор вместо ключа

А почему бы нам не заменить ключ S транзисторным ключом? Вводя транзистор в режим насыщения или отсечки, мы можем управлять сопротивлением между коллектором и эмиттером.

Следовательно, в режиме отсечки схема примет вот такой вид:

а в режиме насыщения вот такой:

Хотя, если честно, падение напряжения в этом случае на коллекторе-эмиттере будет составлять доли Вольт, что на самом деле не критично.

Как мы видим, ключ на транзисторе у нас имеет Вход и Выход:

Допустим, мы на Вход не подаем никакого сигнала. Что будет на Выходе? Не подавая никакого сигнала на базу транзистора через резистор R1, в данном случае на Вход, у нас транзистор НЕ откроется и ключ будет разомкнут (как вы помните, для открытия мы должны подать на базу более 0,6-0,7 Вольт), поэтому на Выходе  (клемма “А” ) у нас будет +U Вольт

Но если правильно рассчитать резистор R1 и подать сигнал, значение напряжения которого будет больше, чем 0,6-0,7 Вольт, то у нас транзистор войдет в режим насыщения и ключ будет замкнут

В этом случае на Выходе (на клемме “А”) у нас будет напряжение близкое к нулю.

Итак, что получаем? Подаем сигнал и имеем на выходе 0 Вольт, если НЕ подаем сигнал – имеем +U.

Такая схема в народе называется инвертором.

Если за входной сигнал и +U взять напряжение, допустим, в 5 Вольт, и договориться, что значение напряжения близкое к 5 Вольтам принять за логическую единичку, а напряжение близкое к нулю принять за логический ноль, то можно вывести самую простую закономерность:

– подаем логическую единичку на вход, получаем логический ноль на выходе

– подаем логический ноль на вход, получаем логическую единичку на выходе

На осциллограмме все это будет выглядеть вот так:

Также в цифровой электронике есть такое понятие, как таблица истинности, которая показывает значение Выходов каких-либо логических элементов со всеми возможными комбинациями на Входе. Для нашего инвертора таблица истинности примет вот такой вид:

Рассчитываем инвертор на практике

Давайте построим инвертор на транзисторе КТ815Б, рассчитаем его и испытаем. +U возьмем 5 Вольт. На Вход также будем подавать управляющий сигнал в 5 Вольт.  Вся схема  у нас будет вот такая:

Как мы уже сказали, резистор R2 будет ограничивать силу тока в цепи +5 Вольт ——-> R2——-> коллектор——-> эмиттер——-> земля, когда транзистор будет полностью открыт, то есть будет находиться в режиме насыщения.  Также R2 будет задавать силу тока через нагрузку в режиме отсечки, которую мы цепанем на Выход схемы. В принципе, резистора Ом на 500 вполне хватит, чтобы в цепи +U——->R2——->коллектор——->эмиттер——->земля в режиме насыщения протекал ток силой в 10 миллиАмпер (I=U/R= 5 В / 500 Ом = 10 мА)

Дело за малым. Надо рассчитать резистор R1. Для этого щелкаем на статью работа транзистора в режиме ключа, и берем из этой статьи формулы для расчета резистора R1.

Для начала рассчитываем базовый ток по формуле:

где

I_Б – это базовый ток, в Амперах

k_нас  – коэффициент насыщения. В основном берут в диапазоне от 2-5. Он уже зависит от того, насколько глубоко вы хотите вогнать ваш транзистор в насыщение. Чем больше коэффициент, тем больше режим насыщения.

I_K  – коллекторный ток, в Амперах

β – коэффициент усиления тока транзистора, для расчетов берут минимальное значение в даташите или замеряют на практике

С помощью своего китайского транзистор-тестера я без труда замеряю β . Здесь он обозначается как hFE.

Теперь k_нас берем 3, так как у нас будет типа переключающая схема. I_к у нас 10 миллиампер, это значение мы высчитывали выше. Считаем базовый ток:

I_б = (3 х 0,01) / 78 = 3,84 х 10^-4 А

Так как управляющее напряжение у нас будет 5 Вольт, применяем закон Ома:

I_б = U/R1

R1 = U/I_б = 5 / 3,84 х 10^-4 =1,3 х 10⁴ Ом. Берем ближайший из ряда на 12 Килоом.

Следовательно, схема будет с такими параметрами:

Вот так она выглядит на макетной плате:

Давайте вместо нагрузки подцепим светодиод. Когда я НЕ подаю 5 Вольт на Вход, светодиод светится:

Когда беру 5 Вольт с другого блока питания и подаю на Вход схемы, то светодиод тухнет:

Как мы видим, схема работает.

Осциллограммы инвертора на транзисторе

Ну а теперь момент истины, смотрим осциллограммы.  Желтый – входной сигнал амплитудой в 5 Вольт с китайского генератора частоты, а красный  – выходной сигнал:

Подали прямоугольный сигнал в 5 Вольт и с частотой в 7 Килогерц, вышел прямоугольный сигнал в 5 Вольт 7 Килогерц. Выйти-то он вышел, но обратите внимание на то, что его фаза абсолютно противоположна фазе входного сигнала. Если взять 5 Вольт за логическую единичку, а 0 Вольт за логический ноль, то у нас получается, что загоняя единичку на вход, получаем ноль на выходе, и наоборот, загоняя ноль на вход, получаем единичку на выходе. Инвертор во всей своей красе 😉

Все, конечно, замечательно, но и здесь есть свои подводные камни. Дело все в том, что транзистор не может сразу быстро выключаться. Проблема заключается в физическом строении самого биполярного транзистора. Для выключения ему требуется некоторое время. В медленно переключающих схемах это не имеет значения, а вот схемы, которые работают на высоких частотах, уже будут иметь искажения. Вот осциллограмма выходного красного сигнала на частоте в 50 Килогерц :

А вот на частоте в 100 Килогерц:

Как видите, сигнал очень сильно искажается. Как же с этим бороться? Можно спроектировать ключ так, чтобы он переключался чуть выше границы насыщения. В этом случае коэффициент насыщения должен быть равен хотя бы единице. Но в этом случае у нас будет падать бОльшее напряжение между коллектором и эмиттером, что приведет к нагреву транзистора и лишним энергозатратам.

Второй вариант, использовать полевые транзисторы. Их еще называют МОП-транзисторы. Характеристики у МОПов намного лучше  и энергозатраты на переключение даже меньше, чем у биполярных транзисторов. Поэтому в основном сейчас везде применяются МОП-транзисторы в роли ключей. Ну и самый пик моды – это IGBT-транзисторы. Может быть мы когда-нибудь дойдем и до них…

С развитием альтернативных источников энергии, в частности с массовым внедрением солнечных панелей, инвертор напряжения находит все более широкое применение. Поскольку применяется как постоянный, так и переменный ток, то часто возникает необходимость в преобразовании энергии одного рода в другой. Устройства, преобразующие переменный ток в постоянный называются выпрямителями. В качестве выпрямителя чаще всего применяют диодный мост. А устройство, преобразующее постоянный ток в переменный называют инвертором.

По ряду положительный свойств большую популярность завоевал инвертор напряжения. Особенно широко он используется с целью преобразования электрической энергии постоянного тока аккумуляторной, солнечной батареи или суперконденсатор в переменное напряжение 230 В, 50 Гц для питания большинства промышленных устройств.

Принцип работы инвертора напряжения

Представим, что у нас имеется источник электрической энергии постоянного тока такой, как аккумулятор или гальванический элемент и потребитель (нагрузка), который работает только от переменного напряжения. Как преобразовать один вид энергии в другой? Решение было найдено довольно просто. Достаточно подключить аккумулятор к потребителю сначала одной полярностью, а затем через короткий промежуток отключить аккумулятор, а потом снова подключить, но уже обратной полярностью. И такие переключения повторять все время через равные промежутки времени. Если выполнять таких переключений 50 раз за секунду, то на потребитель будет подаваться переменное напряжение частотой 50 Гц. Роль переключателей чаще всего выполняют транзисторы или тиристоры, работающие в ключевом режиме.

На схеме, приведенной ниже, изображен источника питания U_ип с клеммами 1-2 и потребитель R_нL_н, обладающий активно-индуктивным характером, с клеммами 3-4. В один момент времени потребитель клеммами 3-4 подключается к клеммам 1-2 U_ип, при этом I от U_ип протекает в направлении L_нR_н, а в следующий момент клеммы 3-4 изменяют свое положение и I протекает в противоположном направлении относительно потребителя электрической энергии.

Схема инвертора напряжения

Наиболее распространённая схема инвертора напряжения состоит из четырех IGBT транзисторов VT₁…VT₄, включенных по схеме моста, и четырех обратных диодов, обозначенных VD₁…VD₄, параллельно соединенных с управляемыми полупроводниковыми ключами во встречном направлении. Преобразователь питает активно-индуктивную нагрузку. Именно она является самой распространенной, поэтому была взята за основу.

Входные клеммы инвертора подключаются к U_ип. Если таким источником служит диодный выпрямитель, то выход его обязательно шунтируется конденсаторомC.

В силовой электронике наибольшее применение нашли транзисторы с изолированным затвором IGBT (именно они показаны на схеме) и GTO, IGCT тиристоры. При оперировании меньшими мощностями вне конкуренции полевые транзисторы MOSFET.

В момент времени t₁ открываются VT₁ и VT₄, а VT₂ и VT₃ – закрыты. Образуется единственный путь для протекания тока через нагрузку: «+» U_ип – VT₁ – нагрузка R_нL_н – VT₄ – «-» U_ип. Таким образом, на интервале времени t₁ ‑ t₂ создается замкнутая цепь для протекания i_н в соответствующем направлении.

Режим работы схемы

Для изменения направления i_н снимаются управляющие импульсы с баз VT₁ и VT₄ и подаются сигналы на открытие второго и третьего VT_2,3. В точке t₂ на оси времени t, первый и четвертый VT_1,4 закрыты, а второй и третий – открыты. Однако, поскольку нагрузка активно-индуктивная, то i_н не может мгновенно изменить направление на противоположное. Этому будет препятствовать энергия, запасенная на индуктивности L_н. Поэтому он будет сохранять прежнее направление до тех пор, пока не рассеется все энергия, запасенная на индуктивности в виде магнитного поля, равная W_м = (L_н∙i²)/2.

В связи с этим, на отрезке времени t₂ – t₃ ток будет протекать через диоды VD₂ и VD₃, сохраняя прежнее направление на R_нL_н, но пройдет в обратном направлении через U_ипили конденсатор C, если источником энергии является диодный выпрямитель. Поэтому следует обязательно установить конденсатор C, если преобразователь подключен к диодному выпрямителю. Иначе прервется путь протекания i_н, в результате чего возникнут сильное перенапряжение, которое может повредить изоляцию потребителя и выведет из строя полупроводниковые приборы.

В момент времени t₃ вся запасенная на индуктивности энергия снизится до нуля. Начиная с момента t₃ до момента t₄ под действием приложенного U_ип через открытые полупроводниковые ключи VT₂ и VT₃ будет протекать i_н через L_нR_н уже в другую сторону.

В точке t₄, расположенной на оси времени t, снимается управляющий сигнал с VT_1,3, а VT₁ и VT₄ открываются. Однако i_н продолжает протекать в ту же сторону, пока не расходуется энергия, запасенная в индуктивности. Это будет происходить на интервале времени t₄ – t₅.

Работа схемы

Начиная с момента t₅ i_н изменить направление и потечет от U_ип через L_нR_н по пути через VT₁ и VT₄. Далее все процессы, протекающие в электрической цепи, будут повторяться. На L_нR_н форма напряжения будет прямоугольной, но ток на активно-индуктивной нагрузке будет иметь пилообразную форму за счет наличия индуктивности, которая не позволяет ему мгновенно вырасти и снизиться. Если потребитель имеет чисто активный характер (индуктивность и емкость практически равны нулю), то формы i_н и u_н будет в виде прямоугольников.

Поскольку VT₁…VT₄ попарно открывались на всей протяженности соответствующих полупериодов, то на выходе преобразователя формировалось максимально возможное u_н, поэтому через L_нR_н протекал i_н максимальной величины. Однако часто требуется обеспечить плавное нарастание мощности на потребителе, например для постепенного увеличения яркости освещения или частоты вращения вала двигателя.

Следует пояснить, что сигналы, поступающие из системы управления СУ, подаются не сразу на базы полупроводниковых ключей, а посредством драйвера. Так как современные СУ построены на безе микроконтроллеров, которые выдают маломощные сигналы, не способные открыть IGBT, то для увеличения мощности открывающего импульса применяется промежуточное звено – драйвер. Кроме того на часто драйвер выполняет множество дополнительных функций – защищает транзистор от короткого замыкания, перегрева и т.п.

Инвертор напряжения с регулированием выходных параметров

Самый простой способ изменить величину uн заключается в регулировании величины подводимого U_ип, если такая возможность имеется. Например, для регулируемого выпрямителя это не проблема. Но такие источники электрической энергии как аккумуляторная батарея, суперконденсатор или солнечная батарея не имеют данной возможности. Поэтому регулировка частоты и величины выходного u_н полностью возлагается на инвертор.

Для регулирования величины u_н одну пару диагонально противоположных транзисторов следует открыть несколько ранее, чем в рассмотренном выше случае. Поэтому алгоритмом системы управления следует предусмотреть сдвигу управляющих сигналов. Например, подаваемых на открытие VT₁ и VT₄ относительно импульсов управления, подаваемых на базы VT₂ и VT₃, на некоторый угол, называемый углом управления α.

Обратите внимание, что амплитудное значение u_н остается неизменной величины и приблизительно равно значению U_ип, но действующее значение u_н будет снижаться по мере увеличения угла управления α. Рассмотрим, как это работает.

На интервале времени от t₁ до t₂ открыта пара транзисторов VT₁ и VT₄; iн протекает справа налево, как показано на схеме. В момент t₂ закрывается первый транзистор и открывается второй. Ток сохраняет прежнее направление, а нагрузка оказывается замкнутой, в результате чего напряжение на ней падает практически до нуля, соответственно снижается и i_н.

Далее из системы управления поступает команда и VT₂ открывается, а VT₄ закрывается. Однако накопленная в индуктивности энергия не позволяет току i_н изменить свое направление, и он протекает по прежней цепи, только уже через диоды VD₂ и VD₃ встречно источнику питания. Длительность этого процесса продолжается до точки времени t₄. В точке t₄ под действием приложенного U_ип i_н изменяет знак на противоположный.

Широтно-импульсная модуляция

Такой алгоритм работы полупроводниковых ключей в отличие от предыдущего алгоритма формирует паузу определенной длительности, которая в конечном итоге приводит к снижению действующего значения u_н. Для формирования i_н синусоидальной формы применяется широтно-импульсная модуляция ШИМ. Преобразователь с ШИМ, а точнее алгоритм его работы, предусматривающий ШИМ, мы рассмотрим отдельно.

Также следует заметить, что рассмотренный алгоритм управления полупроводниковыми ключами называется широтно-импульсным регулированием ШИР, который часто путают с ШИМ, хотя разница огромная.

В преобразовательной технике ШИМ практически вытеснила ШИР, поскольку обладает рядом положительных свойств, благодаря которым повышается КПД всего устройства и снижается уровень электромагнитных помех. Поэтому в дальнейшем мы рассмотрим инвертор напряжения с ШИМ.

Используемые источники:

• https://usamodelkina.ru/10553-invertor-bez-tranzistorov-za-5-min-s-12-na-220-v-plyus-sirena-kak-bonus-teoriya-i-eksperiment-chast-1-iz-2.html
• https://www.ruselectronic.com/invertor-na-tranzistore/
• https://diodov.net/invertor-napryazheniya/