投稿では、基本的なインバータの概念を設計または処理する際に、初心者に役立つ可能性のある基本的なヒントと理論について説明しています。もっと学びましょう。
インバーターとは
これは、低電圧、高DC電位を、12Vの自動車用バッテリーソースから220VAC出力などの低電流の高交流電圧に変換または反転するデバイスです。
上記の変換の背後にある基本原則
低電圧DCを高電圧ACに変換する背後にある基本原理は、DC電源（通常はバッテリー）内に蓄積された高電流を使用し、それを高電圧ACにステップアップすることです。
これは基本的にインダクタを使用することで実現されます。インダクタは主に、一次（入力）と二次（出力）の2組の巻線を持つトランスです。
一次巻線は直接高電流入力を受け取るためのものであり、二次巻線はこの入力を対応する高電圧低電流交流出力に反転するためのものです。
“テーザーガンの作り方 ”
交流電圧または交流とは
交流電圧とは、変圧器の入力で設定された周波数に応じて、極性を正から負に、またはその逆に1秒間に何度も切り替える電圧を意味します。
一般に、この周波数は、特定の国のユーティリティ仕様に応じて50Hzまたは60Hzです。
人工的に生成された周波数は、出力段に給電するために上記のレートで使用されます。出力段は、電源トランスと統合されたパワートランジスタまたはMOSFETまたはGBTで構成されます。
パワーデバイスは、供給されたパルスに応答し、接続された変圧器の巻線を、指定されたバッテリ電流と電圧で対応する周波数で駆動します。
上記の動作により、トランスの2次巻線に同等の高電圧が誘導され、最終的に必要な220Vまたは120VACが出力されます。
簡単な手動シミュレーション
次の手動シミュレーションは、センタータップトランスベースのプッシュプルインバータ回路の基本的な動作原理を示しています。
一次巻線がバッテリー電流と交互に切り替わると、同量の電圧と電流が二次巻線の両端に誘導されます。 フライバック 接続された電球を照らすモード。
回路で動作するインバーターでも同じ動作が実行されますが、パワーデバイスと発振回路を介して、通常50Hzまたは60Hzの速度ではるかに速いペースで巻線を切り替えます。
したがって、インバータでは、高速スイッチングによる同じ動作により、負荷は常にオンになっているように見えますが、実際には、負荷は50Hzまたは60Hzのレートでオン/オフに切り替えられます。
Transformerが特定の入力を変換する方法
上で説明したように、 変成器 通常、1つは1次、もう1つは2次の2つの巻線があります。
2つの巻線は、一次巻線にスイッチング電流が印加されると、それに比例して関連する電力が電磁誘導によって二次巻線に伝達されるように反応します。
したがって、一次側の定格が12V、二次側の定格が220Vの場合、一次側への12V DC入力の発振または脈動により、二次端子間に220VACが誘導および生成されるとします。
ただし、一次側への入力を直流にすることはできません。つまり、ソースはDCであっても、パルス形式で、または一次側に断続的に、または指定されたレベルの周波数の形式で適用する必要があります。これについては前のセクションで説明しました。
これは、インダクタの固有の属性を実装できるようにするために必要です。これにより、インダクタは変動電流を制限し、フライバック現象としても知られる入力パルスがないときにシステムに同等の電流を投入することでバランスをとろうとします。 。
したがって、DCが印加されると、一次側はこの電流を蓄積し、DCが巻線から切断されると、巻線は蓄積された電流を端子間でキックバックすることができます。
ただし、端子が切断されているため、この逆起電力は2次巻線に誘導され、2次出力端子間に必要なACを構成します。
したがって、上記の説明は、パルサー回路、またはより簡単に言えば、インバーターを設計する際に発振回路が不可欠になることを示しています。
インバータの基本的な回路ステージ
適度に優れた性能を備えた基本的な機能インバーターを構築するには、次の基本的な要素が必要になります。
ブロック図
これは、上記の要素を簡単な構成（センタータッププッシュプル）で実装する方法を示すブロック図です。
インバータ用の発振器回路を設計する方法
発振回路は、Dcをトランスの一次巻線に切り替える役割を担うため、インバータの重要な回路ステージです。
発振器段は、おそらくインバータ回路の中で最も単純な部分です。これは基本的に、さまざまな方法で作成できる非安定マルチバイブレータ構成です。
NANDゲート、NORゲート、IC 4060、IC LM567、または完全に555ICなどのオシレータを内蔵したデバイスを使用できます。別のオプションは、標準の非安定モードでトランジスタとコンデンサを使用することです。
次の画像は、提案されたインバータ設計の基本的な発振を実現するために効果的に使用できるさまざまな発振器構成を示しています。
次の図では、いくつかの一般的な発振回路設計を示しています。出力は実際には正のパルスである方形波であり、高い四角いブロックは正の電位を示し、四角いブロックの高さは電圧レベルを示します。これは通常、印加された電圧と同じです。 ICに電圧を供給し、方形ブロックの幅は、この電圧が存続する期間を示します。
インバータ回路における発振器の役割
前のセクションで説明したように、後続の電力段に給電するための基本的な電圧パルスを生成するには、発振器段が必要です。
ただし、これらのステージからのパルスは、電流出力では低すぎる可能性があるため、トランスまたは出力ステージのパワートランジスタに直接供給することはできません。
発振電流を必要なレベルに押し上げるために、通常、中間ドライバステージが使用されます。これは、2つの高ゲイン中出力トランジスタまたはさらに複雑なもので構成されている場合があります。
しかし、今日、洗練されたMOSFETの出現により、ドライバーステージは完全に排除される可能性があります。
これは、MOSFETが電圧に依存するデバイスであり、動作するために電流の大きさに依存しないためです。
ゲートとソースの両端に5Vを超える電位が存在すると、ほとんどのMOSFETは飽和し、電流が1mAと低くても、ドレインとソースの両端で完全に導通します。
これにより、条件が非常に適切になり、インバーターアプリケーションに簡単に適用できます。
上記の発振回路では、出力は単一のソースであることがわかりますが、すべてのインバータトポロジでは、2つのソースからの交互または反対に分極されたパルス出力が必要です。これは、発振器からの既存の出力にインバータゲートステージ（電圧を反転するため）を追加することで簡単に実現できます。下の図を参照してください。
小型インバータ回路を設計するための発振器ステージの構成
ここで、上記で説明したオシレータステージをパワーステージに取り付けて、効果的なインバータ設計をすばやく作成する簡単な方法を理解してみましょう。
NOTゲート発振器を使用したインバータ回路の設計
次の図は、IC4049などのNOTゲート発振器を使用して小型インバータを構成する方法を示しています。
ここで基本的にN1 / N2は、インバーター動作に必要な50Hzまたは60Hzのクロックまたは発振を生成する発振器ステージを形成します。 N3は、これらのクロックを反転するために使用されます。これは、電源トランスステージに反対の極性のクロックを適用する必要があるためです。
ただし、N3の入力ラインと出力ラインの両端に構成されているN4、N5N6ゲートも確認できます。
実際には、N4、N5、N6は、IC 4049内で使用可能な3つの追加ゲートを収容するために含まれているだけです。それ以外の場合は、最初のN1、N2、N3のみを単独で操作に使用できます。問題はありません。
3つの余分な ゲートはバッファのように機能します また、これらのゲートが未接続のままになっていないことを確認してください。接続されていない場合、長期的にはICに悪影響を与える可能性があります。
N4とN5 / N6の出力間の逆偏波クロックは、良好な10アンペア電流を処理できるTIP142パワーBJTを使用してパワーBJTステージのベースに適用されます。変圧器は、BJTのコレクター全体に構成されているのがわかります。
TIP142自体に必要な内蔵増幅用の内部BJTダーリントンステージがあり、NOTゲートから高電流クロックに快適に増幅できるため、上記の設計では中間アンプまたはドライバステージが使用されていないことがわかります。接続されたトランス巻線の両端の電流振動。
その他のIC4049インバーターの設計は以下にあります。
シュミットトリガーNANDゲート発振器を使用したインバータ回路の設計
次の図は、IC 4093を使用する発振回路を同様のBJTパワーステージと統合して、 便利なインバーター設計 。
この図は、IC4093シュミットトリガーNANDゲートを使用した小型インバーターの設計を示しています。ここでもまったく同じように、N4を回避し、BJTベースを入力と出力N3の間に直接接続することができます。ただし、ここでも、IC 4093内に1つの追加ゲートを収容し、その入力ピンが未接続のままにならないようにするために、N4が含まれています。
より類似したIC4093インバーターの設計は、次のリンクから参照できます。
充電器を内蔵した400ワットの高出力インバータ回路を構築する方法
IC4093およびIC4049のピン配置図
注：ICのVccおよびVss電源ピンはインバーター図には示されていません。12Vインバーターの場合、これらは12Vバッテリー電源に適切に接続する必要があります。高電圧インバーターの場合、この電源はIC電源ピン用に12Vに適切に降圧する必要があります。
IC555発振器を使用したミニインバータ回路の設計
上記の例から、インバータの最も基本的な形式は、BJT +トランスの電力段を発振器段と結合するだけで設計できることが非常に明白になります。
同じ原理に従って、以下に示すように、IC555発振器を使用して小型インバータを設計することもできます。
上記の回路は自明であり、おそらくそれ以上の説明は必要ありません。
より多くのそのようなIC555インバーター回路は以下にあります：
インバータートポロジーを理解する（出力ステージを構成する方法）
上記のセクションでは、発振器のステージについて学びました。また、発振器からのパルス電圧が前の電力出力ステージに直接送られるという事実も学びました。
インバータの出力段を設計する方法は主に3つあります。
を使用して：
- 上記の例で説明されているプッシュプルステージ（センタータップトランスを使用）
- プッシュプルハーフブリッジステージ
- プッシュプルフルブリッジまたはHブリッジステージ
センタータップトランスを使用したプッシュプルステージは、実装が簡単で結果が保証されるため、最も人気のある設計です。
ただし、より大きなトランスが必要であり、出力の効率は低くなります。
センタータップトランスを採用したインバーターの設計を以下に示します。
この構成では、基本的にセンタータップトランスが使用され、その外側のタップは出力デバイス（トランジスタまたはMOSFET）のホットエンドに接続され、センタータップはバッテリーのマイナスまたはプラスに接続されます。使用するデバイスのタイプ（NタイプまたはPタイプ）に応じて。
ハーフブリッジトポロジ
ハーフブリッジステージは、センタータップトランスを使用していません。
に ハーフブリッジ コンパクトさと効率の点でセンタータッププッシュプルタイプの回路よりも構成は優れていますが、上記の機能を実装するには大きな値のコンデンサが必要です。
に フルブリッジまたはHブリッジインバーター また、通常の2タップ変圧器が組み込まれており、センタータップ変圧器を必要としないため、ハーフブリッジネットワークに似ています。
唯一の違いは、コンデンサが不要で、さらに2つのパワーデバイスが含まれていることです。
フルブリッジトポロジ
フルブリッジインバータ回路は、文字「H」に似た構成で配置された4つのトランジスタまたはMOSFETで構成されています。
使用されている外部ドライバオシレータステージに応じて、4つのデバイスすべてがNチャネルタイプまたは2つのNチャネルと2つのPチャネルを備えている場合があります。
ハーフブリッジと同様に、フルブリッジでも、デバイスをトリガーするために、個別の分離された交互に発振する出力が必要です。
結果は同じで、接続された変圧器の一次側は、それを通るバッテリー電流の逆順方向の種類のスイッチングにさらされます。これにより、トランスの出力二次巻線に必要な誘導昇圧電圧が生成されます。この設計で効率が最も高くなります。
Hブリッジトランジスタロジックの詳細
次の図は、一般的なHブリッジ構成を示しています。切り替えは、次のように行われます。
- HIGH、DHIGH-フォワードプッシュ
- B HIGH、CHIGH-リバースプル
- A HIGH、B HIGH-危険（禁止）
- C HIGH、D HIGH-危険（禁止）
上記の説明は、インバータの設計方法に関する基本的な情報を提供し、通常のインバータ回路、通常は方形波タイプの設計にのみ組み込むことができます。
ただし、正弦波インバーター、PWMベースのインバーター、出力制御インバーターの作成など、インバーター設計に関連する可能性のある概念は他にもたくさんあります。これらは、上記の機能を実装するための上記の基本設計に追加できる追加のステージです。
私たちはそれらについて改めて話し合うか、あなたの貴重なコメントを通してかもしれません。
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