معکوس کننده (اینورتر) مداری است که جریان مستقیم (DC) را به جریان متناوب (AC) تبدیل می‌کند. اینورتر PWM نوعی از این مدارهاست که برای شبیه‌سازی تاثیرات جریان متناوب (AC)، از موج مربعی اصلاح شده استفاده می‌کند. به این ترتیب برای تغذیه‌رسانی به بسیاری از لوازم الکترونیکی خانگی مناسب است. اینکه می‌گوییم بسیاری و نمی‌گوییم تمام آنها، به این علت است که ما در کل دو نوع اینورتر داریم، اولی همین موردی است که بیان کردیم و از موج مربعی اصلاح شده در خروجی استفاده می‌کند (و نه از موج سینسوسی خالص)؛ بنابراین اگر از آن برای تغذیه‌رسانی به تجهیزاتی مانند تریاک یا موتورهای AC که به موج سینوسی خالص نیاز دارند استفاده کنیم، ممکن است موجب ایجاد مشکلاتی شود. نوع دوم اینورترها آنهایی هستند که در خروجی موج سینوسی خالص دارند و می‌توانند با خیال راحت در انواع کاربردهای AC به کار گرفته شوند.
اگر نظر ما را بخواهید، بهتر است که مدارهای اینورتر را خودتان نسازید. اگر می‌پرسید چرا؟ تا انتهای این آموزش با ما همراه باشید تا به شما توضیح دهیم. کاری که قرار است انجام دهیم این است که با استفاده از تراشه‌ی TL494، یک مدار ساده‌ی اینورتر PWM بسازیم که از موج مربعی اصلاح شده استفاده می‌کند. سپس مزایا و معایب آن را شرح دهیم. در پایان خودتان خواهید فهمید که چرا به نظر ما بهتر است که مدارهای اینورتر موج مربعی را خودمان تولید نکنیم.
نکته مهم: مداری که در این آموزش با هم می‌سازیم، فقط و فقط برای مقاصد آموزشی است و اکیدا توصیه نمی‌کنیم که از آن در کاربردهای صنعتی یا تجاری استفاده شود.
هشدار: اگر قصد دارید این پروژه را همراه با ما انجام دهید، به شدت در مورد ولتاژ بالایی که قرار است با آن کار کنیم و اسپایک‌های ولتاژی که در موج غیرسینوسی وجود دارند، مراقب باشید.
اینورترها چگونه کار می‌کنند؟
در تصویر فوق، یک شماتیک خیلی ساده از مدار اینورتر نشان داده شده است. یک ولتاژ مثبت به عنوان ورودی مدار به پین وسطی ترانسفورماتور متصل شده است. دو پایه‌ی دیگر ترانسفورماتور به دو عدد ترانزیستور ماسفت متصل می‌شوند که به عنوان کلید عمل می‌کنند.
اگر ترانزیستور Q1 فعال شود (با اعمال یک ولتاژ به پایه‌ی گیت آن)، جریان در جهتی که در تصویر فوق نشان داده شده است، در مدار جاری می‌شود. با جاری شدن جریان، در سیم پیچ ترانسفورماتور یک شار مغناطیسی تولید می‌شود که جهت آن در شکل مشخص شده است. هسته‌ی ترانسفورماتور این شار را به سیم‌پیچ دوم نیز انتقال می‌دهد و در نتیجه در خروجی یک ولتاژ ۲۲۰ ولت خواهیم داشت.
حال اگر ترانزیستور Q1 را غیرفعال و ترانزیستور Q2 را فعال کنیم، جهت جریان و شار مغناطیسی تولید شده معکوس حالت قبل خواهند شد در نتیجه پلاریته ولتاژ نیز برعکس حالت اول خواهد شد.
همه‌ی ما می‌دانیم که ترانسفورماتورها با تغییرات شار مغناطیسی کار می‌کنند. بنابراین اگر ما دو کلید Q1 و Q2 را به طور متناوب و متوالی در هر ثانیه ۵۰ بار خاموش و روشن کنیم، یک شار مغناطیسی متناوب در هسته‌ی ترانسفورماتور خواهیم داشت. این شار متناوب بر اساس قانون فارادی در سیم‌پیچ دوم تولید یک ولتاژ خواهد کرد. این طرز کار یک مدار ساده‌ی اینورتر است.
آی‌سی TL494
قبل از اینکه به سراغ ساخت مدار PWM اینورتر برویم، ابتدا به آی‌سی TL494 که یک کنترلر PWM است برویم و با طرز کار آن آشنا شویم.
این آی‌سی دارای ۸ بلوک مختلف است که در ادامه آنها را نمایش داده و توضیح می‌دهیم.
۱ـ بلوک اول: روگولاتور مرجع ۵ ولت
خروجی این بلوک پین REF است که پین شماره‌ی ۱۴ آی‌سی محسوب می‌شود. وظیفه‌ی این بلوک این است که برای سایر بلوک‌های داخلی تراشه یک ولتاژ ورودی پایدار تولید کند. همچنین وظیفه‌ی درایو کردن آمپلیفایرهای خطا را نیز بر عهده دارد. این آمپلی‌فایرها خروجی‌های تراشه را کنترل می‌کنند.
نکته: دقت این بلوک به صورت پیش‌فرض بر روی %5± تنظیم شده است و برای ورودی‌های از ۷ ولت تا ۴۰ ولت خروجی پایداری تولید می‌کند. برای ولتاژهای کمتر از ۵ ولت هم رگولاتور اشباع شده و ورودی را دنبال می‌کند.
۲ـ بلوک دوم: اسیلاتور
کار اسیلاتور این است که برای کنترلر زمان مرده و مقایسه‌گر PWM یک ورودی هموار فراهم کند.
فرکانس اسیلاتور را می‌توان از طریق RT و CT تنظیم کرد. این فرکانس به کمک رابطه‌ی زیر محاسبه می‌شود.
Fosc = 1/(RT * CT )
برای راحتی، ما در اینجا یک spreadsheet ایجاد کرده‌ایم که می‌توانید مقدار مقاومت و خازن را در آن وارد کنید تا فرکانس به طور خودکار برای شما محاسبه شود.
نکته: در کاربردهایی که خروجی را به صورت غیرتفاضلی از آی‌سی می‌گیریم، فرکانس اسیلاتور برابر با همان فرکانس خروجی است . اما در خروجی‌های تفاضلی، فرکانس خروجی برابر با نصف فرکانس اسیلاتور است.
۳ـ بلوک سوم: مقایسه‌گر کنترل زمان مرده
کنترلر زمان مرده، واحدی است که کمک می‌کند زمان مرده یا زمان خاموش در حداقل مقدار ممکن باشد. خروجی این مقایسه‌گر، در زمانی که ولتاژ ورودی از ولتاژ رمپ اسیلاتور بیشتر باشد، عمل سوییچینگ در کلیدهای آی‌سی را متوقف می‌کند. مثلا اگر به پین DTC یک ولتاژ اعمال کنیم، زمان مرده بیشتر خواهد شد. با تغییر ورودی از صفر ولت به ۳ ولت، زمان مرده نیز از ۳ درصد تا ۱۰۰ درصد افزایش پیدا می‌کند. به زبان ساده، ما می‌توانیم بدون تغییر دادن آمپلیفایرهای خطا، Duty cycle ولتاژ خروجی را تغییر دهیم.
نکته: حتی زمان که ورودی این بلوک به زمین متصل باشد، یک ولتاژ داخلی آفست ۱۰ میلی‌ولتی درون آی‌سی تعبیه شده است که باعث می‌شود وجود حداقل ۳ درصد زمان مرده تضمین شود.
۴ـ بلوک چهارم: آمپلیفایرهای خطا
هر دوی این آمپلی‌فایرها از نوع بهره‌بالا هستند و ورودی خود را از ریل ولتاژ ورودی دریافت می‌کنند. بنابراین در حالت مود مشترک استفاده می‌شود و ورودی آنها بین ۰.۳ ولت تا ۲ ولت کمتر از ولتاژ ورودی است. خروجی هر دو نیز به صورت غیرتفاضلی و active high است.
۵ـ بلوک پنجم: کنترل خروجی
این بلوک مشخص کننده‌ی این است که ترانزیستورهای خروجی در مود push-pull عمل کنند یا در مود parallel. اگر خروجی این بلوک را که پین شماره‌ی ۱۳ آی‌سی است به زمین متصل کنیم، ترانزیستورهای خروجی در مود parallel عمل می‌کنند و اگر آن را به پین ۵ ولتی مرجع متصل کنیم، در مود push-pull.
۶ـ بلوک ششم: ترانزیستورهای خروجی
این آی‌سی دارای دو ترانزیستور خروجی است که دارای آرایش کلکتور-باز و امیتر-باز هستند. با کمک این ترانزیستورها، آی‌سی می‌تواند جریان تا ۲۰۰ میلی‌آمپر را تولید یا دریافت کند.
نکته: در آرایش امیتر مشترک، ولتاژ اشباع این ترانزیستورها کمتر از ۱.۳ ولت و در آرایش کلکتور مشترک کمتر از ۲.۵ ولت است.
ویژگی‌ها
- مدار کامل برای PWM Power-Control
- خروجی تضمین نشده برای جریان منبع یا خروجی ۲۰۰ میلی‌آمپری
- کنترلر خروجی می‌تواند مود عملکردی push-pull و یا غیرتفاضلی را انتخاب کند.
- طراحی مدار داخلی به گونه‌ای است که از رخدادن پالس دوگانه بر روی هر یک از خروجی‌ها جلوگیری می‌شود.
- قابلیت کنترل زمان مرده به عنوان یک ویژگی تنظیم‌کننده
- تامین ولتاژ ۵ ولتی توسط رگولاتور داخلی
- ولتاژ مرجع با تلرانس ۵ درصدی
- معماری مدار به گونه‌ای طراحی شده است که به راحتی قابلیت سینک شدن دارد.
نکته: تمام شماتیک‌ها و توضیحات عملکردی را از شماتیک آی‌سی استخراج کرده‌ایم و تنها به منظور قابل فهم شدن بعضی از آنها را کمی تغییر داده‌ایم.
قطعات مورد نیاز برای انجام پروژه
- تراشه‌ی TL494 – یک عدد
- ترانزیستور ماسفت IRFZ44N – دو عدد
- Screw Terminal 5mmx2 – یک عدد
- Screw Terminal 5mmx3 – یک عدد
- خازن 0.1uF – یک عدد
- مقاومت 50K، یک درصد – دو عدد
- مقاومت 560R – دو عدد
- مقاومت 10K، یک درصد – دو عدد
- مقاومت 150K، یک درصد – یک عدد
- برد سوراخ‌دار 50*50 میلی‌متر - یک عدد
- هیت سینک PSU – یک عدد
شماتیک اینورتر TL494
راه‌اندازی مدار اینورتر TL494
این مدار را با روش ساخت خانگی PCB (بورد سوراخ‌دار و لحیم کردن قطعات مدار بر روی آن) راه‌اندازی می‌کنیم. توجه داشته باشید که اگر بار زیادی به خروجی ترانسفورماتور وصل شود، جریانی که در مدار جاری می‌شود بسیار بالا رفته و حتی این احتمال وجود دارد که سیم‌کشی‌های مدار بسوزند. برای اجتناب از این حالت، از چند سیم جامپر در کنار سیم‌کشی‌های اصلی مدار کمک می‌گیریم.
محاسبات مدار
البته این مدار محسابات تئوری چندانی ندارد اما بهرحال چند مورد وجود دارد. تعدادی محاسبه‌ی عملی نیز داریم که در بخش تست و ارزیابی مدار به آنها خواهیم پرداخت.
همان طور که در بخش‌های قبلی هم گفتیم، برای محاسبه‌ی فرکانس اسیلاتور از فرمول زیر کمک می‌گیریم.
Fosc = 1/(RT * CT )
تست مدار PWM اینورتر مبتنی بر TL494
برای تست کردن مداری که ساخته‌ایم، از این ست آپ استفاده می‌کنیم.
- باتری سرب-اسیدی ۱۲ ولتی
- ترانسفورماتوری با تپ ۶-۰-۶ و ۱۲-۰-۱۲
- یک عدد لامپ رشته‌ای ۱۰۰ وات به عنوان لود مدار
- مولتی‌متر Meco 108B+TRMS
- مولتی‌متر Meco 450B+TRMS
- اوسیلوسکوپ Hantek 6022BE
- و‌یک Test-PCB که پروب‌های اسکوپ را به آن متصل کنیم.
ورودی ترانزیستورهای ماسفت
اگر پس از برقرار کردن مدار و اتصال آی‌سی TL494، سیگنال PWM ورودی به ترمینال گیت آن را اندازه‌گیری کنیم چیزی شبیه تصویر زیر خواهد بود.
شکل موج خروجی ترانسفورماتور در حالت بدون بار (برای اندازه‌گیری خروجی کافیست یک ترانسفورماتور دوم را به خروجی آن متصل کنیم)
همان طور که در تصاویر فوق می‌بینید، سیستم بدون هیچ بارگیری در حول و حوش ۱۲.۹۷ وات است.
با توجه به دو تصویر بالا، می‌توان به راحتی بهره‌وری اینورتر را محاسبه کرد که در حدود ۶۵ درصد است. ۶۵ درصد بهره‌وری بدی نیست اما خوب هم نیست.
معنای این میزان بهره‌وری این است که ولتاژ AC خروجی ما، چیزی در حدود نصف مقدار مورد نیاز در کاربردهای تجاری است.
همان طور که گفتیم، ترانسفورماتور ما در کنار تپ ۱۲-۰-۱۲، تپ ۶-۰-۶ هم دارد. می‌توانیم از این تپ استفاده کنیم شاید خروجی بهتری بگیریم.
در تصاویر فوق می‌بینیم که مصرف توان در حدود ۱۲.۵۳۶ وات است.
در این حالت ولتاژ خروجی ترانسفورماتور در مرر بحران قرار می‌گیرد.
هشدار: در هنگام کار کردن با این ولتاژهای بالا بسیار دقت داشته باشید. کوچک‌ترین بی‌دقتی یا سهل انگاری می‌تواند شما را به کام مرگ قطعی بکشاند.
حالا مصرف توان ورودی را در حالت اتصال لامپ ۱۰۰ واتی اندازه‌گیری می‌کنیم.
در این مرحله، پروب‌های مولتی ما به اندازه‌ی کافی برای عبور دادن جریان ۱۰.۲۳ آمپری قدرتمند نبودند، لذا تصمیم گرفتیم سیم‌های 1.5sqmm را مستقیما به ترمینال مولتی‌متر متصل کنیم.
در این حالت مصرف توان در ورودی، ۱۲۱.۹۴ وات می‌شود.
و پس از اتصال بار ۱۰۰ واتی:
توانی که توسط لود مصرف می‌شود ۸۰.۷۰ وات است. در این حالت شدت نور لامپ بسیار بالاست.
بسیار خب، این بار هم اگر بهره‌وری را اندازه‌گیری کنیم، ۶۷ درصد خواهد شد.
و این همان لحظه‌ای است که پاسخ سوال اول جلسه را می‌گیریم که چرا نباید از مدارهای اینورتر با موج مربعی به صورت دست‌ساز استفاده کرد.
اما اگر هنوز دارید به این فکر می‌کنید که اشکال این مدار کجاست، اجازه بدهید کمی فراتر هم برویم چون این تمام ماجرا نیست.
اولا که باید بدانید این میزان بهره‌وری واقعا اندازه‌ی مناسبی نیست. از آنجایی که هیچ فیدبکی برای جبران‌سازی فرکانس در مدار تعبیه نشده است و در خروجی نیز فیلتر LC نداریم، بنابراین بر اساس اینکه بار خروجی چه چیزی باشد، ولتاژ و فرکانس و شکل موج خروجی متفاوت می‌شود.
نکته‌ی دیگری که وجود دارد مسئله‌ی اسپایک‌ها هستند. در اینجا ما این قابلیت را نداریم که اسپایک‌های بزرگ ولتاژی که در این مدار وجود دارند را اندازه‌گیری کنیم، چرا که این کار به طور قطع اسیلوسکوپ و لپ‌تاپ متصل به مدار را کاملا نابود خواهد کرد. به عبارت دیگر، گرفتن خروجی اینورتر از ترمینال ۶-۰-۶، مدار را در لحظاتی به ولتاژ peak to peak) p2p) در حدود ۱۰۰۰ ولت می‌رساند که جان هر کسی را خواهد گرفت.
حالا فرض کنید بخواهیم به چنین مداری یک لامپ CFL، و یا یک شارژر موبایل ساده، لامپ حبابی ۱۰ واتی یا چیزهای متداولی از این قبیل وصل کنیم، به طور قطع در اولین اسپایک منفجر خواهد شد.
بسیاری از طراحی‌های موجود برای این مدار در اینترنت، برای کاهش اسپایک‌های خروجی از یک خازن ولتاژ بالا به عنوان بار خروجی استفاده می‌کنند. اما این هم راه حل جامعی نیست و همیشه جواب نخواهد داد. به عنوان مثال همین اسپایک ۱۰۰۰ ولتی که در مدار خودمان محاسبه کردیم، هیچ خازنی قادر به مقاومت در برابر آن نخواهد بود. حتی اگر با وجود این خازن هم این مدار را به یک SMPS یا شارژر لپ‌تاپ وصل کنیم، به محض اتصال وریستور داخل آنها منفجر خواهد شد.
اگر به همین ترتیب بخواهیم ادامه دهیم، تا ساعت‌ها می‌توانیم از معایب این مدار مثال بزنیم. بنابراین امیدواریم که تا همین نقطه به قدر کافی قانع شده باشید که چرا توصیه می‌کنیم بهتر است از این مدارها به صورت طراحی و ساخت خانگی که غیرمطمئن، غیرپایدار و غیر ایمن است و به راحتی قادر است به وسایل یا حتی خود شما آسیب برساند، استفاده نکنید. و نه فقط این اینورتر بخصوص، بلکه بسیاری از مدارهای اینورتر نیز همین معایب را دارند. بنابراین در مجموع به شما توصیه می‌کنیم که به جای پذیرفتن این خطرات، قدری بیشتر هزینه کنید و از اینورتر‌هایی که به صورت صنعتی تولید می‌شوند و تکنیک‌های ایمن‌سازی متعددی در آنها به کار گرفته شده است، استفاده کنید.
ارتقا دادن مدار
اگر در این فکر هستید که این مدار را به طور کامل کنار نگذارید و به نحوی آن را اصلاح کنید و ارتقا دهید که معایب گفته شده را نداشته باشد، خب باید بگوییم که مواردی که باید اعمال کنید شامل اینها هستند، اصلاح طراحی مدار با تکنیک Sine Pulse Width Modulation) SPWM)، اضافه کردن فیدبک جبران‌سازی فرکانس، اضافه کردن ایمنی اتصال کوتاه و چند مورد دیگر.
که با این اوصاف به نظر می‌رسد بهتر است مدار فعلی را دور انداخته و به جای این همه اصلاحات بر روی آن، از نوع مدار دیگری با ویژگی‌های بهتر طراحی استفاده کنیم.
این کار را در آینده و در آموزش یک پروژه‌ی جداگانه انجام خواهیم داد.
کاربردهای مدار اینورتر TL494
حالا که به انتهای این آموزش رسیدیم، ممکن است بپرسید که اینورتر PWM اصلا چه کاربردهای عملی‌ای دارد؟ خب یکی از ساده‌ترین کاربردهای آنها در شارژرهای لپ‌تاپ‌ها و موبایل‌ها است.
امیدواریم که از این آموزش لذت برده و مطالب خوبی را آموخته باشید. حتما در جلسات و پروژه‌های بعدی نیز همراه ما باشید.
منبع: میکرودیزاینرالکترونیک
