Multilevel 5-staps trapsgewijs sinusomvormercircuit

In dit artikel leren we hoe we een multilevel (5-staps) trapsgewijs omvormercircuit kunnen maken met behulp van een heel eenvoudig concept dat door mij is ontwikkeld. Laten we meer leren over de details.

Het circuitconcept

Op deze website heb ik tot nu toe veel sinusomvormercircuits ontwikkeld, ontworpen en geïntroduceerd met behulp van eenvoudige concepten en gewone componenten zoals IC 555, die toevallig meer resultaatgericht zijn in plaats van complex en vol theoretische chaos.

Ik heb uitgelegd hoe eenvoudig een een krachtige audioversterker kan worden omgezet in een zuivere sinusomvormer , en ik heb ook uitvoerig behandeld over sinusgolf-inveters met behulp van SPWM-concepten

We hebben ook via deze website geleerd over hoe u elke vierkante omvormer omzet in een zuivere sinusomvormer ontwerp.

Bij het beoordelen van de bovenstaande sinusgolfinvertercircuits met behulp van sinus-equivalente PWM's, begrijpen we dat de golfvorm van SPWM's niet direct overeenkomt met of samenvalt met een werkelijke sinusvormige golfvorm, maar dat deze het sinusgolfeffect of de resultaten uitvoeren door de RMS-waarde van de werkelijke sinusgolf te interpreteren. AC.

Hoewel SPWM kan worden beschouwd als een effectieve manier om een ​​redelijk zuivere sinusgolf te repliceren en te implementeren, maakt het feit dat het niet simuleert of samenvalt met een echte sinusgolf het concept een beetje ongekunsteld, vooral in vergelijking met een 5-niveau cascade-sinusomvormer concept.

We kunnen de twee soorten sinusgolfsimulatieconcepten vergelijken en analyseren door te verwijzen naar de volgende afbeeldingen:

Cascade-golfvormbeeld op meerdere niveaus

We kunnen duidelijk zien dat het multilevel 5-staps cascade-concept een meer voor de hand liggende en effectievere simulatie van een echte sinusgolf oplevert dan het SPWM-concept dat uitsluitend vertrouwt op het matchen van de RMS-waarde met de oorspronkelijke sinusgolfgrootte.

Het ontwerpen van een conventionele sinusomvormer met 5 niveaus in cascade kan behoorlijk complex zijn, maar het concept dat hier wordt uitgelegd, maakt de implementatie eenvoudiger en maakt gebruik van gewone componenten.

Schakelschema

OPMERKING: Voeg een condensator van 1uF / 25 toe over pin # 15 en pin # 16 lijnen van de IC's, anders wordt de sequentiebepaling niet gestart.
Verwijzend naar de bovenstaande afbeelding, kunnen we zien hoe eenvoudig het cascade-omvormerconcept met 5 niveaus praktisch kan worden geïmplementeerd met slechts een muti-tap-transformator, een paar 4017 IC's en 18 power BJT's, die indien nodig gemakkelijk kunnen worden vervangen door mosfets.

Hier worden een paar van de 4017 IC's, die Johnson's 10-traps tellerdelerchips zijn, in cascade geschakeld om een ​​opeenvolgend lopende of jagende logische hoge tonen te produceren over de getoonde pinouts van de IC's.

Circuit werking

Deze sequentieel lopende logica wordt gebruikt voor het activeren van de aangesloten vermogens-BJT's in dezelfde volgorde, die op hun beurt de transformatorwikkeling schakelen in een volgorde die ervoor zorgt dat de transformator een gecascadeerde soort sinus-equivalente golfvorm produceert.

De transformator vormt het hart van het circuit en maakt gebruik van een speciaal gewonde primaire met 11 tikken. Deze kranen worden eenvoudigweg gelijkmatig onttrokken uit een enkele lange berekende wikkeling.

De BJT's die zijn gekoppeld aan een van de IC's schakelen een van de helften van de transformator door middel van 5 aftakkingen, waardoor 5 niveaustappen kunnen worden gegenereerd, die een halve cyclus van de AC-golfvorm vormen, terwijl de BJT's die zijn gekoppeld aan de andere IC's dezelfde functie hebben om vorm te geven de onderste halve wisselstroomcyclus op in de vorm van een gecascadeerde golfvorm met 5 niveaus.

De IC's worden aangestuurd door kloksignalen die worden toegevoerd aan de aangegeven positie in het circuit, die kunnen worden verkregen van elk standaard 555 IC-stationair circuit.

De eerste 5 sets van de BJT's vormen de 5 niveaus van de golfvorm, de resterende 4 BJT's schakelen hetzelfde in omgekeerde volgorde om de gecascadeerde golfvorm te voltooien met in totaal 9 wolkenkrabbers.

Deze wolkenkrabbers worden gevormd door het produceren van stijgende en dalende spanningsniveaus door het schakelen van de corresponderende wikkeling van de transformator die wordt beoordeeld op de relevante spanningsniveaus

Bijvoorbeeld, wikkeling # 1 kan worden beoordeeld op 150V met betrekking tot de middelste kraan, wikkeling # 2 op 200V, wikkeling # 3 op 230V, wikkeling # 4 op 270V en wikkeling # 5 op 330V, dus wanneer deze opeenvolgend worden geschakeld door de set van de getoonde 5 BJT's, krijgen we de eerste 5 niveaus van de golfvorm, vervolgens wanneer deze wikkelingen in omgekeerde richting worden geschakeld door de volgende 4 BJT's, worden de aflopende golfvormen van 4 niveaus gecreëerd, waarmee de bovenste halve cyclus van de 220V AC wordt voltooid.

Hetzelfde wordt herhaald door de andere 9 BJT's die zijn gekoppeld aan de andere 4017 IC, wat aanleiding geeft tot de onderste helft van de gecascadeerde AC met 5 niveaus, die een volledige AC-golfvorm van de vereiste 220V AC-uitgang voltooit.

Transformatorwikkeling Details:

Zoals te zien is in het bovenstaande diagram, is de transformator een gewoon type ijzeren kern, gemaakt door de primaire en secundaire te wikkelen met windingen die overeenkomen met de aangegeven spanningsaftakkingen.

Indien verbonden met de overeenkomstige BJT's, kan van deze wikkeling worden verwacht dat ze een cascade-golfvorm van 5 of in totaal 9 niveaus induceren, waarbij de eerste 36V-wikkeling overeenkomt en een 150V induceert, de 27V zou een equivalent van 200V opwekken, terwijl de 20V, 27V, 36V zou verantwoordelijk zijn voor het produceren van 230V, 270V en 330V over de secundaire wikkeling in het voorgestelde gecascadeerde formaat.

De set tikken aan de onderkant van de primaire zou de omschakeling uitvoeren om 4 oplopende niveaus van de golfvorm te voltooien.

Een identieke procedure zou worden herhaald door de 9 BJT's die zijn gekoppeld aan de complementaire 4017 IC voor het bouwen van de negatieve halve cyclus van de AC ... het negatieve wordt weergegeven vanwege de tegenovergestelde oriëntatie van de transformatorwikkeling ten opzichte van de middenaftakking.

Bijwerken:

Compleet schakelschema van het besproken sinusomvormercircuit met meerdere niveaus

OPMERKING: Voeg een condensator van 1uF / 25 toe over pin # 15 en pin # 16 lijnen van de IC's, anders wordt de sequentiebepaling niet gestart.
De 1M-pot die aan het 555-circuit is gekoppeld, moet worden aangepast voor het instellen van een 50Hz- of 60Hz-frequentie voor de omvormer volgens de landspecifieke specificaties van de gebruiker.

Onderdelen lijst

Alle niet-gespecificeerde weerstanden zijn 10k, 1/4 watt
Alle diodes zijn 1N4148
Alle BJT's zijn TIP142
IC's zijn 4017

Opmerkingen voor het multilevel 5-staps trapsgewijze sinusomvormercircuit:

Het testen en verifiëren van het bovenstaande ontwerp werd met succes uitgevoerd door de heer Sherwin Baptista, een van de fervente volgers van de website.

1. We beslissen de ingangsspanning naar de omvormer --- 24V @ 18Ah @ 432Wh

2. Tijdens het hele proces van het bouwen van deze omvormer zal er GELUID worden gegenereerd. Om het probleem van gegenereerde en versterkte ruis heel gemakkelijk op te lossen

A. We besluiten om het uitgangssignaal van IC555 te filteren op het moment dat het geproduceerd wordt op pin 3, hierdoor kan een schonere blokgolf worden verkregen.

B. We besluiten om FERRITE BEADS te gebruiken op de respectievelijke uitgangen van IC4017 om de filtering te verbeteren voordat het signaal naar de versterkertransistors wordt gestuurd.

C. We besluiten om TWEE TRANSFORMATOREN te gebruiken en de filtering tussen beide in het circuit te verbeteren.

3. De oscillatortrapgegevens:

Deze voorgestelde fase is de hoofdfase van het invertercircuit. Het produceert de vereiste pulsen met een bepaalde frequentie om de transformator te laten werken. Het bestaat uit IC555, IC4017 en Amplifier Power Transistors.

EEN.IC555:

Dit is een eenvoudig te gebruiken timerchip met laag vermogen en heeft een groot aantal verschillende projecten die ermee kunnen worden gedaan. In dit omvormerproject configureren we het in een stabiele modus om blokgolven te genereren. Hier stellen we de frequentie in op 450Hz door de 1 megaohm potentiometer aan te passen en de output te bevestigen met een frequentiemeter.

B.IC4017:

Dit is een Jhonson's 10-traps tellerdeler-logica-chip die erg beroemd is in sequentiële / lopende LED-knipper- / chaser-circuits. Hier is het slim geconfigureerd om te worden gebruikt in een omvormertoepassing. Deze door IC555 gegenereerde 450Hz leveren we aan de ingangen van IC4017. Dit IC zorgt ervoor dat de ingangsfrequentie in 9 delen wordt opgesplitst, elk resulterend in een uitgang van 50 Hz.
Nu hebben de uitgangspennen van beide 4017's een kloksignaal van 50Hz dat continu vooruit en achteruit loopt.

C. De versterkermachtstransistors:

Dit zijn de High Power Transistors die de batterijvoeding naar de transformatorwikkelingen trekken in overeenstemming met het signaal dat erin wordt ingevoerd. Omdat de uitgangsstromen van de 4017s te laag zijn, kunnen we ze niet rechtstreeks in de transformator voeren. Daarom hebben we een soort versterker nodig die de lage stroomsignalen van de 4017s omzet in hoge stroomsignalen die vervolgens kunnen worden doorgegeven aan de transformator voor verder gebruik.

Deze transistors zouden tijdens bedrijf heet worden en zouden noodzakelijkerwijs warmteafvoer nodig hebben.
Men zou voor elke transistor een aparte heatsinks kunnen gebruiken, daarom moet ervoor worden gezorgd dat de
heatsinks raken elkaar niet.

OF

Je zou een enkel lang stuk heatsink kunnen gebruiken om alle transistors erop te passen. Dan zou je moeten
isoleer het middelste lipje van elke transistor thermisch en elektrisch zodat deze het koellichaam niet raakt

om te voorkomen dat ze worden kortgesloten. Dit kan gedaan worden door Mica Isolation Kit te gebruiken.

4. Vervolgens komt de First Stage Transformer:

A. Hier gebruiken we de multi-tapped primaire transformator naar een tweedraads secundaire transformator. Vervolgens vinden we de volt per tik om de primaire spanning voor te bereiden.

---STAP 1---

We houden rekening met de DC-ingangsspanning die 24 V is. We delen dit door 1,4142 en vinden het AC RMS-equivalent dat 16,97V ~ is
We ronden het bovenstaande RMS-cijfer af, wat resulteert in 17V ~

---STAP 2---

Vervolgens delen we RMS 17V ~ door 5 (aangezien we vijf aftakspanningen nodig hebben) en we krijgen RMS 3.4V ~
We nemen het uiteindelijke RMS-cijfer met 3,5V ~ en vermenigvuldigen dit met 5 geeft ons 17,5V ~ als een rond cijfer.
Ten slotte vonden we de Volt Per Tap die RMS 3.5V ~ is

B. We besluiten om de secundaire spanning op RMS 12V ~ te houden, d.w.z. 0-12V is omdat we een hogere stroomsterkte kunnen verkrijgen bij 12V ~

C. Dus we hebben de transformatorclassificatie zoals hieronder:
Multi-tapped primair: 17,5 --- 14 --- 10,5 --- 7 --- 3,5 --- 0 --- 3,5 --- 7 --- 10,5 --- 14 --- 17,5V @ 600W / 1000VA
Secundair: 0 --- 12V @ 600W / 1000VA.
We hebben deze transformator laten opwinden door een lokale transformatordealer.

5. Nu volgt het hoofd LC-circuit:

Een LC-circuit dat bekend staat als een filterapparaat, heeft robuuste toepassingen in stroomomvormercircuits.
Wordt gebruikt in een invertertoepassing, is het over het algemeen vereist voor het afbreken van de scherpe pieken

van elke gegenereerde golfvorm en helpt deze om te zetten in een vloeiendere golfvorm.

Hier bij het secundaire gedeelte van de bovenstaande transformator, zijnde 0 --- 12V, verwachten we een multilevel
vierkante cascade golfvorm aan de uitgang. Daarom gebruiken we een 5-traps LC-circuit om een ​​SINEWAVE-equivalente golfvorm te krijgen.

De gegevens voor het LC-circuit zijn als volgt:

A) Alle smoorspoelen moeten een 500uH (microhenry) 50A beoordeeld IRON CORE EI GELAMINEERD zijn.
B) Alle condensatoren moeten van het type 1uF 250V NON-POLAR zijn.

Merk op dat we de nadruk leggen op het 5-traps LC-circuit en niet slechts op één of twee trappen, zodat we een veel schonere golfvorm aan de uitgang kunnen krijgen met minder harmonische vervorming.

6. Nu komt de transformator van de tweede en laatste fase:

Deze transformator is verantwoordelijk voor het omzetten van de output van het LC-netwerk, d.w.z. RMS 12V ~ naar 230V ~
Deze transformator zou als volgt worden beoordeeld:
Primair: 0 --- 12V @ 600W / 1000VA
Secundair: 230V @ 600W / 1000VA.

Hier zou GEEN extra LC-netwerk nodig zijn bij de laatste 230V-uitgang voor meer filtering, aangezien we in het begin al elke fase van elke verwerkte uitgang hebben gefilterd.
De OUTPUT zal nu een SINEWAVE zijn.

EEN GOEDE is dat er absoluut GEEN GELUID is aan de uiteindelijke output van deze omvormer en
geavanceerde gadgets kunnen worden bediend.

Maar een ding dat de persoon die de omvormer bedient, in gedachten moet houden, is: DE OMVORMER NIET OVERBELADEN en de stroombelastingen van geavanceerde apparaten die worden gebruikt beperkt houden.

Enkele correcties die in het schakelschema moeten worden aangebracht, worden gegeven zoals onder:

1. Op de IC7812-regelaar moeten bypass-condensatoren zijn aangesloten. Het moet worden gemonteerd op een
HEATSINK omdat deze tijdens het gebruik warm zou worden.

2. De IC555-timer moet een serieweerstand volgen voordat het signaal doorgaat naar de diodes.
De waarde van weerstand moet 100E zijn. IC wordt heet als de weerstand niet is aangesloten.

Tot slot hebben we 3 voorgestelde filterfasen:

1. Het signaal dat door IC555 op pin 3 wordt gegenereerd, wordt naar aarde gefilterd en vervolgens doorgestuurd naar de weerstand
en dan naar de diodes.

2. Omdat de loopsignalen de relevante pinnen van IC4017 verlaten, hebben we eerder ferrietkralen verbonden
signaal doorgeven aan weerstand.
3. De laatste filtertrap wordt tussen beide transformatoren gebruikt

Hoe ik de transformatorwikkeling heb berekend

Ik zou vandaag iets met je willen delen.

Als het ging om het opwinden van ijzeren kern, wist ik niets van het terugspoelen van specificaties, omdat ik ontdekte dat er veel parameters en berekeningen in zitten.

Dus voor het bovenstaande artikel gaf ik de basisspecificaties aan de trafo-winder-persoon en hij vroeg me gewoon:

a) Het aftappen van de ingangs- en uitgangsspanning, indien nodig,
b) De ingangs- en uitgangsstroom,
c) Het totale vermogen,
d) Heeft u een externe klembevestiging nodig die met bouten aan de trafo is bevestigd?
e) Wilt u een interne zekering in de transformator 220V-zijde aansluiten?
f) Wilt u draden aangesloten op de trafo OF houdt u de geëmailleerde draad gewoon aan de buitenkant met toegevoegd koellichaammateriaal?
g) Wilt u dat de kern wordt geaard met een aangesloten externe draad?
h) Wilt u dat de IRON CORE wordt beschermd, gelakt en geverfd met zwart oxide?

Ten slotte verzekerde hij me van een volledige veiligheidstest voor het feit dat de transformator een op bestelling gemaakt type is zodra hij klaar is en het zal een tijdspanne van 5 dagen duren voordat een deelbetaling is ontvangen.
De gedeeltelijke betaling was (ongeveer) een vierde van de totale voorgestelde kosten gedicteerd door de persoon van de haspel.

Mijn antwoorden op bovenstaande vragen zijn:

OPMERKING: Om bedradingsverwarring te voorkomen, neem ik aan dat de trafo voor één doel is gemaakt: STAP DOWN TRANSFORMATOR waarbij primair de hoogspanningszijde is en secundair de laagspanningszijde.

a) 0-220V primaire ingang, 2-draads.
17,5 --- 14 --- 10,5 --- 7 --- 3,5 --- 0 --- 3,5 --- 7 --- 10,5 --- 14 --- 17,5 V secundaire multi-tapped uitgang, 11- draden.

b) De primaire ingangsstroom: 4,55A bij 220V De uitgangsstroom: 28,6 Ampère op multi-tapped secundair @ end-to-end spanning 35V… ..waar het om berekening gaat.

Ik vertelde hem dat ik 5 ampère nodig heb bij 220 V (230. Max), d.w.z. primaire ingang en 32 ampère bij 35 V, d.w.z. multi-tapped secundaire uitgang.

c) Ik vertelde hem aanvankelijk 1000VA, maar op basis van volt maal amp-berekening en decimale cijfers afronden, ging het vermogen naar 1120VA +/- 10%. Hij gaf me een veiligheidstolerantiewaarde voor de 220V-zijde.

d) Ja. Ik heb een gemakkelijke bevestiging op een metalen kast nodig.

e) Nee. Ik heb hem gezegd dat ik er een extern zal plaatsen zodat ik er gemakkelijk bij kan als hij er per ongeluk afblaast.

f) Ik zei hem dat hij de geëmailleerde draad aan de buitenkant moest houden, zodat de secundaire zijde met meerdere aftakkingen op de juiste manier zou worden gekoeld voor de veiligheid en aan de primaire kant vroeg ik om de aansluiting van de draden.

g) Ja. Om veiligheidsredenen moet de kern worden geaard. Sluit daarom een ​​externe draad aan.

h) Ja. Ik vroeg hem om de nodige bescherming te bieden voor de kernstempels.

Dit was de interactie tussen mij en hem voor de voorgestelde transformator van het op bestelling gemaakte type.

BIJWERKEN:

In het bovenstaande 5-staps cascade-ontwerp hebben we het 5-staps hakken over de DC-zijde van de transformator geïmplementeerd, wat een beetje inefficiënt lijkt. Het is omdat het schakelen kan resulteren in een aanzienlijke hoeveelheid stroomverlies door tegen-EMF van de transformator, en hiervoor moet de transformator enorm groot zijn.

Een beter idee zou kunnen zijn om de DC-zijde te oscilleren met een 50 Hz of 60 Hz volledige brugomvormer en de secundaire AC-zijde te schakelen met onze 9-staps sequentiële IC 4017-uitgangen met behulp van triacs, zoals hieronder weergegeven. Dit idee zou pieken en transiënten verminderen en de inverter in staat stellen om de 5-staps sinusgolfvorm soepeler en efficiënter uit te voeren. De triacs zullen minder kwetsbaar zijn voor het schakelen, vergeleken met de transistors aan de DC-zijde.