كيفية تصميم العاكس - النظرية والبرنامج التعليمي

يشرح المنشور النصائح والنظريات الأساسية التي قد تكون مفيدة للقادمين الجدد أثناء تصميم أو التعامل مع مفاهيم العاكس الأساسية. دعنا نتعلم المزيد.

ما هو العاكس

إنه جهاز يحول أو يحول جهدًا منخفضًا وعاليًا للتيار المستمر إلى جهد متناوب مرتفع منخفض مثل من مصدر بطارية السيارة بجهد 12 فولت إلى خرج تيار متردد 220 فولت.

المبدأ الأساسي وراء التحويل أعلاه

المبدأ الأساسي وراء تحويل تيار مستمر منخفض الجهد إلى تيار متردد عالي الجهد هو استخدام التيار العالي المخزن داخل مصدر تيار مستمر (عادةً بطارية) وتصعيده إلى تيار متردد عالي الجهد.

يتم تحقيق ذلك بشكل أساسي باستخدام مغو ، وهو في المقام الأول محول به مجموعتان من الملفات وهما الأولي (المدخلات) والثانوية (الإخراج).

اللف الأساسي مخصص لاستقبال مدخلات التيار العالي المباشر بينما يكون الملف الثانوي لعكس هذا الإدخال إلى الناتج المقابل للتيار المتردد المنخفض الجهد العالي.

ما هو الجهد المتناوب أو التيار

نعني بالجهد المتناوب الجهد الذي يغير قطبيته من الموجب إلى السالب والعكس بالعكس عدة مرات في الثانية اعتمادًا على التردد المحدد عند دخل المحول.

بشكل عام ، هذا التردد هو 50 هرتز أو 60 هرتز اعتمادًا على مواصفات الأداة المساعدة للبلد المعين.

يتم استخدام التردد المتولد بشكل مصطنع بالمعدلات المذكورة أعلاه لتغذية مراحل الإخراج التي قد تتكون من ترانزستورات الطاقة أو mosfets أو GBTs المدمجة مع محول الطاقة.

تستجيب أجهزة الطاقة لنبضات التغذية وتدفع المحول المتصل المتعرج بالتردد المقابل عند تيار البطارية والجهد المحدد.

يستحث الإجراء أعلاه جهدًا عاليًا مكافئًا عبر الملف الثانوي للمحول الذي ينتج في النهاية التيار المتردد المطلوب 220 فولت أو 120 فولت.

محاكاة يدوية بسيطة

توضح المحاكاة اليدوية التالية مبدأ التشغيل الأساسي لدائرة عاكس دفع سحب تعتمد على محول الصنبور المركزي.

عندما يتم تبديل الملف الأساسي بالتناوب مع تيار بطارية ، يتم إحداث مقدار مكافئ من الجهد والتيار عبر الملف الثانوي من خلاله يعود الوضع الذي يضيء المصباح المتصل.

في محولات تعمل بالدارة ، يتم تنفيذ نفس العملية ولكن من خلال أجهزة الطاقة ودائرة مذبذب تقوم بتبديل الملف بوتيرة أسرع بكثير ، عادةً بمعدل 50 هرتز أو 60 هرتز.

وبالتالي ، في العاكس ، قد يتسبب نفس الإجراء بسبب التبديل السريع في ظهور الحمل دائمًا في وضع التشغيل ، على الرغم من أنه في الواقع سيتم تشغيل / إيقاف الحمل بمعدل 50 هرتز أو 60 هرتز.

كيف يحول المحول مدخلات معينة

كما نوقش أعلاه ، فإن محول عادةً ما يكون هناك ملفان ، أحدهما أساسي والآخر ثانوي.

يتفاعل الملفان بطريقة تجعل عندما يتم تطبيق تيار التبديل في الملف الأولي ، يتم نقل طاقة مناسبة نسبيًا عبر الملف الثانوي من خلال الحث الكهرومغناطيسي.

لذلك افترض ، إذا تم تصنيف المرحلة الأولية عند 12 فولت والثانوية عند 220 فولت ، فإن إدخال 12V DC المتذبذب أو النابض إلى الجانب الأساسي سيؤدي إلى توليد 220 فولت تيار متردد عبر المحطات الثانوية.

ومع ذلك ، لا يمكن أن يكون الإدخال إلى الأساسي تيارًا مباشرًا ، بمعنى أنه على الرغم من أن المصدر قد يكون تيار مستمر ، يجب تطبيقه في شكل نبضي أو بشكل متقطع عبر الأساسي ، أو في شكل تردد على المستوى المحدد ، لدينا ناقش هذا في القسم السابق.

هذا مطلوب حتى يمكن تنفيذ السمات المتأصلة للمحث ، والتي بموجبها يقيد المحث التيار المتذبذب ويحاول موازنته عن طريق رمي تيار مكافئ في النظام أثناء غياب نبض الإدخال ، والمعروف أيضًا باسم ظاهرة الارتداد .

لذلك ، عند تطبيق التيار المستمر ، يخزن الأساسي هذا التيار ، وعندما يتم فصل التيار المستمر عن الملف ، يسمح للملف بإعادة التيار المخزن عبر أطرافه.

ومع ذلك ، نظرًا لفصل المحطات الطرفية ، يتم إحداث هذا emf الخلفي في الملف الثانوي ، مما يشكل التيار المتردد المطلوب عبر محطات الإخراج الثانوية.

يوضح التفسير أعلاه أن دائرة النبض أو ببساطة أكثر ، تصبح دائرة المذبذب ضرورية أثناء تصميم العاكس.

مراحل الدائرة الأساسية للعاكس

لبناء عاكس وظيفي أساسي بأداء جيد بشكل معقول ، ستحتاج إلى العناصر الأساسية التالية:

• محول
• أجهزة الطاقة ، مثل قناة N الترانزستورات أو ترانزستورات الطاقة ثنائية الطوابق NPN
• بطارية الرصاص الحمضية

مخطط كتلة

إليك مخطط الكتلة الذي يوضح كيفية تنفيذ العناصر أعلاه بتكوين بسيط (ضغط وسحب وسحب مركزي).

كيفية تصميم دائرة مذبذب لعاكس

دائرة المذبذب هي مرحلة الدائرة الحاسمة في أي عاكس ، حيث تصبح هذه المرحلة مسؤولة عن تحويل التيار المستمر إلى الملف الأولي للمحول.

ربما تكون مرحلة المذبذب أبسط جزء في دائرة العاكس. إنه في الأساس تكوين متعدد الهزازات المستقرة والتي يمكن إجراؤها من خلال العديد من الطرق المختلفة.

يمكنك استخدام بوابات NAND أو بوابات NOR أو الأجهزة المزودة بمذبذبات مدمجة مثل IC 4060 أو IC LM567 أو 555 IC تمامًا. خيار آخر هو استخدام الترانزستورات والمكثفات في الوضع الثابت القياسي.

تُظهر الصور التالية تكوينات المذبذب المختلفة التي يمكن استخدامها بفعالية لتحقيق التذبذبات الأساسية لأي تصميم عاكس مقترح.

في المخططات التالية ، نرى عددًا قليلاً من تصميمات دوائر المذبذب الشائعة ، والمخرجات عبارة عن موجة مربعة وهي في الواقع نبضات موجبة ، وتشير الكتل المربعة العالية إلى إمكانات موجبة ، ويشير ارتفاع الكتل المربعة إلى مستوى الجهد ، والذي يساوي عادةً المستوى المطبق إمداد الجهد إلى IC ، ويشير عرض الكتل المربعة إلى الفترة الزمنية التي يظل فيها هذا الجهد على قيد الحياة.

دور المذبذب في دائرة العاكس

كما تمت مناقشته في القسم السابق ، يلزم وجود مرحلة مذبذب لتوليد نبضات الجهد الأساسية لتغذية مراحل الطاقة اللاحقة.

ومع ذلك ، يمكن أن تكون النبضات من هذه المراحل منخفضة للغاية مع نواتجها الحالية ، وبالتالي لا يمكن تغذيتها مباشرة إلى المحول أو إلى ترانزستورات الطاقة في مرحلة الإخراج.

من أجل دفع تيار التذبذب إلى المستويات المطلوبة ، يتم عادةً استخدام مرحلة محرك وسيطة ، والتي قد تتكون من زوج من ترانزستورات الطاقة المتوسطة عالية الكسب أو حتى شيء أكثر تعقيدًا.

ولكن اليوم مع ظهور mosfets المتطورة ، قد يتم القضاء على مرحلة السائق تمامًا.

وذلك لأن mosfets هي أجهزة تعتمد على الجهد ولا تعتمد على المقادير الحالية للتشغيل.

مع وجود جهد أعلى من 5 فولت عبر بوابتها ومصدرها ، فإن معظم أجهزة mosfets سوف تشبع وتجري بالكامل عبر مصرفها ومصدرها ، حتى لو كان التيار منخفضًا مثل 1mA

هذا يجعل الظروف مناسبة بشكل كبير ، ويسهل تطبيقها لتطبيقات العاكس.

يمكننا أن نرى أنه في دارات المذبذب أعلاه ، يكون الناتج مصدرًا واحدًا ، ولكن في جميع طبولوجيا العاكس ، نحتاج إلى مخرجات نابضة مستقطبة بالتناوب أو العكس من مصدرين. يمكن تحقيق ذلك ببساطة عن طريق إضافة مرحلة بوابة العاكس (لعكس الجهد) إلى الناتج الحالي من المذبذبات ، انظر الأشكال أدناه.

تكوين مرحلة المذبذب لتصميم دوائر عاكس صغيرة

الآن دعنا نحاول فهم الطرق السهلة التي من خلالها يمكن ربط ما سبق شرحه بمراحل مذبذب بمرحلة طاقة لإنشاء تصميمات عاكس فعالة بسرعة.

تصميم دائرة عاكس باستخدام NOT Gate Oscillator

يوضح الشكل التالي كيف يمكن تكوين عاكس صغير باستخدام مذبذب بوابة NOT مثل من IC 4049.

هنا يشكل N1 / N2 أساسًا مرحلة المذبذب التي تنشئ الساعات أو التذبذبات المطلوبة 50 هرتز أو 60 هرتز المطلوبة لتشغيل العاكس. يتم استخدام N3 لعكس هذه الساعات لأننا نحتاج إلى تطبيق ساعات مستقطبة بشكل معاكس لمرحلة محول الطاقة.

ومع ذلك يمكننا أيضًا رؤية بوابات N4 و N5 N6 ، والتي تم تكوينها عبر خط الإدخال وخط الإخراج لـ N3.

في الواقع ، يتم تضمين N4 و N5 و N6 ببساطة لاستيعاب البوابات الإضافية الثلاثة المتوفرة داخل IC 4049 ، وإلا يمكن استخدام أول N1 و N2 و N3 فقط للعمليات دون أي مشاكل.

3 اضافية تعمل البوابات مثل المخازن المؤقتة وتأكد أيضًا من عدم ترك هذه البوابات بدون اتصال ، مما قد يؤدي إلى إحداث تأثير سلبي على IC على المدى الطويل.

يتم تطبيق الساعات المستقطبة بشكل معاكس عبر مخرجات N4 و N5 / N6 على قواعد مرحلة BJT للطاقة باستخدام TIP142 power BJT ، والتي تكون قادرة على التعامل مع تيار 10 أمبير جيد. يمكن رؤية المحول مكونًا عبر مجمعات BJTs.

ستجد أنه لا يتم استخدام مضخم صوت وسيط أو مراحل تشغيل في التصميم أعلاه لأن TIP142 نفسه يحتوي على مرحلة BJT دارلينجتون الداخلية للتضخيم الداخلي المطلوب وبالتالي فهو قادر على تضخيم الساعات الحالية المنخفضة بشكل مريح من بوابات NOT إلى عالية التذبذبات الحالية عبر لف المحولات المتصلة.

يمكن العثور على المزيد من تصاميم العاكس IC 4049 أدناه:

2000 VA السلطة العاكس الدائرة محلية الصنع

أبسط دائرة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS)

تصميم دائرة عاكس باستخدام مذبذب بوابة Schmidt Trigger NAND

يوضح الشكل التالي كيف يمكن دمج دائرة مذبذب باستخدام IC 4093 مع مرحلة طاقة BJT مماثلة لإنشاء تصميم عاكس مفيد .

يوضح الشكل تصميمًا صغيرًا للعاكس باستخدام بوابات IC 4093 Schmidt الزناد NAND. بشكل مماثل تمامًا هنا أيضًا ، كان من الممكن تجنب N4 وكان من الممكن توصيل قواعد BJT مباشرة عبر المدخلات والمخرجات N3. ولكن مرة أخرى ، يتم تضمين N4 لاستيعاب البوابة الإضافية داخل IC 4093 وللتأكد من عدم ترك دبوس الإدخال الخاص بها غير متصل.

يمكن الرجوع إلى تصميمات IC 4093 العاكس الأكثر تشابهًا من الروابط التالية:

أفضل دارات العاكس المعدلة

كيف تصنع دائرة عاكس للطاقة الشمسية

كيفية بناء دائرة عاكس عالية الطاقة 400 وات مع شاحن مدمج

كيفية تصميم دائرة UPS - تعليمي

مخططات Pinout لـ IC 4093 و IC 4049

ملاحظة: لا يتم عرض دبابيس تزويد Vcc و Vss الخاصة بـ IC في الرسوم البيانية للعاكس ، ويجب توصيلها بشكل مناسب بمصدر بطارية 12 فولت ، لمحولات 12 فولت. بالنسبة لمحولات الجهد العالي ، يجب تخفيض هذا العرض بشكل مناسب إلى 12 فولت لدبابيس إمداد الدائرة المتكاملة.

تصميم دارة انفرتر صغيرة باستخدام IC 555 Oscillator

من الأمثلة المذكورة أعلاه ، يصبح من الواضح تمامًا أنه يمكن تصميم أكثر الأشكال الأساسية للعاكسات ببساطة عن طريق اقتران مرحلة طاقة المحول BJT + بمرحلة مذبذب.

باتباع نفس المبدأ ، يمكن أيضًا استخدام مذبذب IC 555 لتصميم عاكس صغير كما هو موضح أدناه:

الدائرة المذكورة أعلاه تشرح نفسها بنفسها ، وربما لا تتطلب أي شرح إضافي.

يمكن العثور على المزيد من دارة العاكس IC 555 أدناه:

دائرة العاكس IC 555 البسيطة

فهم طبولوجيا العاكس (كيفية تكوين مرحلة الإخراج)

في الأقسام المذكورة أعلاه ، تعلمنا عن مراحل المذبذب ، وكذلك حقيقة أن الجهد النبضي من المذبذب ينتقل مباشرة إلى مرحلة خرج الطاقة السابقة.

هناك ثلاث طرق أساسية يمكن من خلالها تصميم مرحلة إخراج العاكس.

باستخدام:

1. Push Pull Stage (مع Center Tap Transformer) كما هو موضح في الأمثلة أعلاه
2. دفع سحب نصف جسر المرحلة
3. دفع سحب الجسر الكامل أو H- جسر المرحلة

تعد مرحلة الدفع بالسحب باستخدام محول الحنفية المركزية هي التصميم الأكثر شيوعًا لأنها تتضمن تطبيقات أبسط وتنتج نتائج مضمونة.

ومع ذلك ، فهي تتطلب محولات أكبر والإخراج أقل كفاءة.

يمكن رؤية اثنين من تصميمات العاكس أدناه والتي تستخدم محول الصنبور المركزي:

في هذا التكوين ، يتم استخدام محول الصنبور المركزي بشكل أساسي مع حنفياته الخارجية المتصلة بالأطراف الساخنة لأجهزة الإخراج (الترانزستورات أو mosfets) بينما ينتقل الصنبور المركزي إما إلى السالب للبطارية أو إلى الموجب للبطارية حسب على نوع الأجهزة المستخدمة (نوع N أو نوع P).

طوبولوجيا نصف الجسر

لا تستفيد مرحلة نصف الجسر من محول الصنبور المركزي.

إلى نصف الجسر التكوين أفضل من نوع الدائرة من حيث الضغط والكفاءة ، إلا أنه يتطلب مكثفات ذات قيمة كبيرة لتنفيذ الوظائف المذكورة أعلاه.

إلى الجسر الكامل أو العاكس H- جسر يشبه شبكة نصف الجسر لأنه يشتمل أيضًا على محولين عاديين ولا يتطلب محولًا مركزيًا.

الاختلاف الوحيد هو التخلص من المكثفات وإدراج جهازي طاقة آخرين.

طوبولوجيا الجسر الكامل

تتكون دائرة عاكس الجسر الكامل من أربعة ترانزستورات أو موزفيت مرتبة في تكوين يشبه الحرف 'H'.

قد تكون جميع الأجهزة الأربعة من نوع القناة N أو بقناتين N وقناتين P اعتمادًا على مرحلة مذبذب المحرك الخارجي التي يتم استخدامها.

تمامًا مثل نصف الجسر ، يتطلب الجسر الكامل أيضًا مخرجات متذبذبة منفصلة ومعزولة بالتناوب لتشغيل الأجهزة.

والنتيجة هي نفسها ، يخضع المحول الأساسي المتصل لنوع أمامي عكسي من تبديل تيار البطارية من خلاله. هذا يولد الجهد المتصاعد المستحث المطلوب عبر الملف الثانوي الناتج للمحول. الكفاءة هي الأعلى مع هذا التصميم.

تفاصيل منطق الترانزستور H- جسر

يوضح الرسم البياني التالي تكوين نموذجي لجسر H ، ويتم التبديل على النحو التالي:

1. A HIGH، D HIGH - دفعة للأمام
2. B HIGH ، C HIGH - سحب عكسي
3. A HIGH، B HIGH - خطير (محظور)
4. C HIGH ، D HIGH - خطير (محظور)

يوفر التفسير أعلاه المعلومات الأساسية المتعلقة بكيفية تصميم العاكس ، ويمكن دمجها فقط لتصميم دوائر عاكس عادية ، عادةً أنواع الموجات المربعة.

ومع ذلك ، هناك العديد من المفاهيم الأخرى التي قد ترتبط بتصميمات العاكس مثل صنع عاكس موجة جيبية ، عاكس يعتمد على PWM ، عاكس للتحكم في الإخراج ، هذه مجرد مراحل إضافية يمكن إضافتها في التصاميم الأساسية الموضحة أعلاه لتنفيذ الوظائف المذكورة.

سنناقشها في وقت آخر أو قد نناقشها من خلال تعليقاتك القيمة.