Μετατροπή ενός τετραγωνικού κυματοδηγού σε μετατροπέα ημιτονοειδούς κύματος

Η ανάρτηση εξηγεί μερικές έννοιες κυκλώματος που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μετατροπή ή την τροποποίηση οποιουδήποτε συνηθισμένου μετατροπέα τετραγωνικών κυμάτων σε έναν εξελιγμένο σχεδιασμό μετατροπέα ημιτονοειδών κυμάτων.

Πριν μελετήσετε τα διάφορα σχέδια που εξηγούνται σε αυτό το άρθρο, θα ήταν ενδιαφέρον να μάθετε τους παράγοντες που συνήθως κάνουν έναν μετατροπέα ημιτονοειδούς κύματος πιο επιθυμητό από ένα σχέδιο τετραγωνικών κυμάτων.

Πώς λειτουργεί η συχνότητα στους μετατροπείς

Οι μετατροπείς περιλαμβάνουν βασικά συχνότητα ή ταλαντώσεις για την εφαρμογή των ενεργειών ενίσχυσης και αντιστροφής. Η συχνότητα όπως γνωρίζουμε είναι η παραγωγή παλμών σε κάποιο ομοιόμορφο και υπολογισμένο μοτίβο, για παράδειγμα μια τυπική συχνότητα μετατροπέα μπορεί να βαθμολογείται στα 50Hz ή 50 θετικούς παλμούς ανά δευτερόλεπτο.

Η βασική κυματομορφή ενός μετατροπέα έχει τη μορφή παλμών τετραγωνικών κυμάτων.

Όπως όλοι γνωρίζουμε, ένα τετράγωνο κύμα δεν είναι ποτέ κατάλληλο για τη λειτουργία εξελιγμένου ηλεκτρονικού εξοπλισμού όπως τηλεόραση, συσκευές αναπαραγωγής μουσικής, υπολογιστές κ.λπ.

Το δίκτυο εναλλασσόμενου ρεύματος (εναλλασσόμενο ρεύμα) που αποκτάμε στην οικιακή πρίζα μας αποτελείται επίσης από συχνότητα παλλόμενου ρεύματος, αλλά αυτά έχουν τη μορφή ημιτονοειδών κυμάτων ή ημιτονοειδών κυμάτων.

Είναι κανονικά στα 50Hz ή 60Hz ανάλογα με τις συγκεκριμένες προδιαγραφές χρησιμότητας χώρας.

Η προαναφερόμενη ημιτονοειδής καμπύλη της οικιακής μας κυματομορφής αναφέρεται στις εκθετικά αυξανόμενες κορυφές τάσης που αποτελούν τους 50 κύκλους της συχνότητας.

Δεδομένου ότι το οικιακό μας AC παράγεται μέσω μαγνητικών στροβίλων, η κυματομορφή είναι εγγενώς ημιτονοειδές κύμα, επομένως δεν απαιτεί περαιτέρω επεξεργασία και γίνεται άμεσα χρησιμοποιήσιμο σε σπίτια για όλους τους τύπους συσκευών.

Αντιστρόφως σε μετατροπείς, η θεμελιώδης κυματομορφή είναι σε σχήμα τετραγωνικών κυμάτων που χρειάζεται διεξοδική επεξεργασία για να καταστεί η μονάδα συμβατή με όλους τους τύπους εξοπλισμού.

Διαφορά μεταξύ τετραγωνικού κύματος και ημιτονοειδούς κύματος

Όπως φαίνεται στο σχήμα, ένα τετράγωνο κύμα και ημιτονοειδές κύμα μπορεί να έχουν ίδια επίπεδα τάσης αιχμής, αλλά η τιμή RMS ή η μέση τετραγωνική τιμή ρίζας μπορεί να μην είναι ίδια. Αυτή η πτυχή είναι αυτό που κάνει ένα τετράγωνο κύμα ιδιαίτερα διαφορετικό από ένα ημιτονοειδές κύμα, παρόλο που η μέγιστη τιμή μπορεί να είναι η ίδια.

Επομένως, ένας τετραγωνικός μετατροπέας κυμάτων που λειτουργεί με 12V DC θα δημιουργούσε έξοδο ισοδύναμη με το 330V, όπως ένας μετατροπέας ημιτονοειδούς κύματος που λειτουργεί με την ίδια μπαταρία, αλλά αν μετρήσετε την έξοδο RMS και των δύο μετατροπέων, θα διαφέρει σημαντικά (330V και 220V).

Η εικόνα δείχνει λανθασμένα 220V ως την κορυφή, στην πραγματικότητα θα πρέπει να είναι 330V

Στο παραπάνω διάγραμμα, η πράσινη κυματομορφή είναι η ημιτονοειδής κυματομορφή, ενώ το πορτοκαλί απεικονίζει την τετραγωνική κυματομορφή. Το σκιασμένο τμήμα είναι το πλεόνασμα RMS, το οποίο πρέπει να ισοπεδωθεί, ώστε οι δύο τιμές RMS να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά.

Η μετατροπή ενός μετατροπέα τετραγωνικών κυμάτων σε ισοδύναμο ημιτονοειδούς κύματος συνεπώς ουσιαστικά σημαίνει ότι επιτρέπεται στον αντιστροφέα τετραγωνικού κύματος να παράγει την απαιτούμενη τιμή αιχμής του εν λόγω 330V, αλλά έχει ένα RMS σχεδόν ίσο με το αντίστοιχο του ημιτονοειδούς κύματος.

Πώς να μετατρέψετε / να τροποποιήσετε μια τετραγωνική κυματομορφή σε ισοδύναμη κυματομορφή

Αυτό μπορεί να γίνει είτε χαράζοντας ένα δείγμα τετραγωνικού κύματος σε μορφή ημιτονοειδούς κύματος, είτε απλά κόβοντας ένα τετράγωνο κυματομορφή δείγματος σε καλά υπολογισμένα μικρότερα κομμάτια έτσι ώστε το RMS του να πλησιάσει πολύ μια τυπική τιμή AC RMS δικτύου.

Για να χαράξουμε ένα τετραγωνικό κύμα σε ένα τέλειο ημιτονοειδές κύμα, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε έναν ταλαντωτή γέφυρας wien ή πιο συγκεκριμένα έναν «ταλαντωτή bubba» και να τον τροφοδοτήσουμε σε ένα στάδιο επεξεργαστή ημιτονοειδούς κύματος. Αυτή η μέθοδος θα ήταν πολύ περίπλοκη και επομένως δεν συνιστάται ιδέα για την εφαρμογή ενός υπάρχοντος μετατροπέα τετραγωνικών κυμάτων σε έναν μετατροπέα ημιτονοειδών κυμάτων.

Η πιο εφικτή ιδέα θα ήταν να κόψουμε το σχετικό τετραγωνικό κύμα στη βάση των συσκευών εξόδου στον απαιτούμενο βαθμό RMS.

Ένα κλασικό παράδειγμα φαίνεται παρακάτω:

Το πρώτο διάγραμμα δείχνει ένα κύκλωμα μετατροπέα τετραγωνικών κυμάτων. Προσθέτοντας ένα απλό ελικόπτερο AMV μπορούμε να σπάσουμε τους παλμούς στη βάση των σχετικών mosfets στον απαιτούμενο βαθμό.

Τροποποιημένη έκδοση αντιστροφέα τετραγωνικού κύματος σε ημιτονοειδές κύμα του παραπάνω κυκλώματος.

Εδώ ο χαμηλότερος AMV παράγει παλμούς σε υψηλή συχνότητα των οποίων ο λόγος σήματος / χώρου μπορεί να αλλάξει κατάλληλα με τη βοήθεια του προκαθορισμένου VR1. Αυτή η ελεγχόμενη έξοδος PWM εφαρμόζεται στις πύλες των mosfets για να προσαρμόσει την αγωγιμότητά τους στην καθορισμένη τιμή RMS.

Αναμενόμενο τυπικό μοτίβο κυματομορφής από την παραπάνω τροποποίηση:

Κυματομορφή στις πύλες mosfet:

Κυματομορφή στην έξοδο του μετασχηματιστή:

Κυματομορφή μετά από σωστή διήθηση χρησιμοποιώντας επαγωγείς και πυκνωτές στην έξοδο του μετασχηματιστή:

Λίστα ανταλλακτικών

R1, R2, = 27K,
R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10 = 1K Ohms,
C1, C2 = 0,47uF / 100V επιμεταλλωμένο
C3, C4 = 0.1uF
T1, T2, T5, T6 = BC547,
T3, T4 = οποιοδήποτε 30V, 10amp mosfet, N-channel.
D1, D2 = 1N4148
VR1 = 47K προκαθορισμένη
Μετασχηματιστής = 9-0-9V, 8 amp ( Οι προδιαγραφές πρέπει να επιλέγονται σύμφωνα με το φορτίο εξόδου για σωστή βελτιστοποίηση ισχύος )
Μπαταρία = 12V, 10AH

Λήψη καλύτερου ποσοστού απόδοσης

Η παραπάνω μετατροπή ή τροποποίηση θα παρέχει περίπου το 70% της αποδοτικότητας με την επίτευξη RMS που ταιριάζει. Εάν σας ενδιαφέρει να έχετε καλύτερη και ακριβή αντιστοίχιση, τότε ίσως απαιτείται ένας επεξεργαστής κυματομορφής IC 556 PWM.

Θα θέλατε να ανατρέξετε σε αυτό το άρθρο που δείχνει την αρχή πίσω τροποποίηση μιας τετραγωνικής κυματομορφής σε ημιτονοειδής κυματομορφή χρησιμοποιώντας ένα ζευγάρι IC555.

Η έξοδος από το προαναφερθέν κύκλωμα μπορεί παρομοίως να τροφοδοτηθεί στην πύλη ή στη βάση των σχετικών συσκευών ισχύος που υπάρχουν στην υπάρχουσα μονάδα τετραγωνικού μετατροπέα.

Μια πιο περιεκτική προσέγγιση μπορεί να παρατηρηθεί σε αυτό το άρθρο όπου ένα Το IC 556 χρησιμοποιείται για την εξαγωγή ακριβούς τροποποιημένου ημιτονοειδούς κύματος με βάση το PWM ισοδύναμα από μια πηγή δείγματος τετραγωνικών κυμάτων.

Αυτή η κυματομορφή είναι ενσωματωμένη με τις υπάρχουσες συσκευές εξόδου για την εφαρμογή των προβλεπόμενων τροποποιήσεων.

Τα παραπάνω παραδείγματα μάς διδάσκουν τις απλούστερες μεθόδους μέσω των οποίων οποιοσδήποτε υφιστάμενος μετατροπέας τετραγωνικών κυμάτων μπορεί να τροποποιηθεί σε σχέδια μετατροπέα ημιτονοειδούς κύματος.

Μετατροπή σε SPWM

Στο παραπάνω άρθρο μάθαμε πώς η κυματομορφή ενός μετατροπέα τετραγωνικών κυμάτων θα μπορούσε να βελτιστοποιηθεί για να πάρει ένα είδος κυματομορφής ημιτονοειδούς κύματος κόβοντας το τετραγωνικό κύμα σε μικρότερα τμήματα.

Ωστόσο, μια βαθύτερη ανάλυση δείχνει ότι, εκτός εάν η τεμαχισμένη κυματομορφή δεν έχει διαστάσεις με τη μορφή SPWM, η επίτευξη ενός κατάλληλου ισοδύναμου κυματοειδούς κύματος μπορεί να μην είναι δυνατή.

Για να ικανοποιηθεί αυτή η προϋπόθεση, ένα κύκλωμα μετατροπέα SPWM καθίσταται απαραίτητο για τη χάραξη της πιο ιδανικής μορφής κύματος από τον μετατροπέα.

Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει πώς αυτό θα μπορούσε να εφαρμοστεί αποτελεσματικά με τα σχέδια που συζητήθηκαν παραπάνω.

Μέσα από ένα από τα προηγούμενα άρθρα μου καταλάβαμε πώς θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ένα opamp για τη δημιουργία SPWM , η ίδια θεωρία θα μπορούσε να φανεί εφαρμοσμένη στην παραπάνω έννοια. Εδώ χρησιμοποιούνται δύο γεννήτριες κυμάτων τριγώνου, η μία δέχεται το γρήγορο τετραγωνικό κύμα από το κάτω αστάρι, ενώ η άλλη δέχεται αργά τετράγωνα κύματα από το άνω ασήμαντο και τα επεξεργάζεται σε αντίστοιχες εξόδους γρήγορου και αργού τριγώνου κύματος, αντίστοιχα.

Αυτά τα επεξεργασμένα τριγωνικά κύματα τροφοδοτούνται στις δύο εισόδους ενός opamp, το οποίο τελικά τα μετατρέπει σε SPWM ή πλάτος παλμού ημιτονοειδούς κύματος.

Αυτά τα SPWMs χρησιμοποιούνται για τον τεμαχισμό των σημάτων στην πύλη των mosfets, τα οποία τελικά αλλάζουν την κυματομορφή πάνω από την περιέλιξη του συνδεδεμένου μετασχηματιστή για τη δημιουργία ενός ακριβούς αντιγράφου μιας καθαρής ημιτονοειδούς μορφής στη δευτερεύουσα πλευρά του μετασχηματιστή μέσω μαγνητικής επαγωγής.