Как сделать инвертор сигнала
Усиление и инвертирование выходного сигнала
Я долго думал куда отнести данный материал- в Ардуино или в Радио так как в практике сборки поделок на Ардуино частенько приходится инвертировать сигнал для более корректной и правильной работы. Данная ситуация уже встречалась ТУТ на страницах моего сайта. Чтобы немного разобраться в данной теме я и решил написать данную статью. Она может пригодиться вам в дальнейшем построении поделок на Ардуино. Вы спросите где? Да вот например у меня на сайте есть самоделка Отпугиватель мышей, так вот там желательно бы использовать усилитель для открытия затвора полевого транзистора. Но если включить схему с общим эммитером то получится что в паузах полевой транзистор будет открываться и динамическая головка просто сгорит. Как раз на этих двух поделках мы и разберем схемотехнику построения усилителей и инверторов. Давайте сначала объясню немного принципы построения усилителей и инверторов.
На данном рисунке представлены 3 классические схемы включения усилителя на 1 транзисторе структуры N-P-N. Разберем первую схему. Это усилитель с общим эммитером (эммитер подключен напрямую к проводу Gnd).
С чем это можно сравнить. Например кран с водой. Вода в трубах это эммитер (вывод со стрелкой), кран- база, а сам выход смесителя- коллектор (вывод противоположный эммитеру). Если мы немного приоткроем кран- вода потечет несильно. Чем сильнее открываем- тем сильнее течет. Такой же принцип работа и у транзистора. При поступлении напряжения на базу (на схеме подписан Iб- ток базы, так вот этот провод и есть База, т.е. вывод, который управляет транзистором). При поступлении ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО напряжения, пускай даже небольшой величины, транзистор начинает открываться. И открывается он тем больше чем больше напряжение на базе. Это грубое объяснение но приблизительно это выглядит так. Единственное замечание- сигнал при таком включении инвертируется. Т.е. если мы подали положительное напряжение на вход (отрицательным n-p-n транзистор не откроется) то на выходе (коллекторе) получим отрицательный сигнал противоположный по фазе. Назначение деталей в таком усилителе следующее. Конденсатор на входе как и на выходе не позволяет проходить постоянной составляющей вместе с сигналом, т.е. проходит только частотные колебания. Если убрать оба конденсатора то схема становится зависимой от подаваемого на базу напряжения. Т.е. можем управлять транзистором как ключом! Резистор на базе- смещающий. Он вводит базу в режим близкий к открытию, вследствие чего даже небольшой по амплитуде сигнал уже может открыть транзистор. Резистор на коллекторе играет роль нагрузки и с него снимается собственно сигнал.
Вторая схема- общий коллектор (коллектор подключен напрямую к шине питания). Принцип работы абсолютно такой же только сигнал не инвертируется а просто усиливается. Назначение деталей абсолютно такое же.
И, наконец, третья схема- общая база. Здесь деталей побольше, схема посложнее но используется и встречается довольно редко и обычно такую схему применяют во входных каскадах различных микшеров и т.д. Назначение деталей. Резистор на входе определяет входное сопротивление усилителя. R2 и R3 задают жестко фиксированное смещение, которое всегда держит транзистор приоткрытым (такое включение резисторов и базы называют также термокомпенсацией т.к. при длительной работе транзистор, пусть и незначительно, нагревается. Из за чего возникает процесс «уплывания» характеристик транзистора. В таком включении на базу подается всегда одно и тоже напряжение и транзистор принудительно вводится в требуемый режим.). Резистор на выходе- нагрузка. Такие схемы обычно применяют для согласования каскадов по входному/ выходному сопротивлению. Сигнал в данной схеме не инвертируется. В Ардуино не используется вообще.
Можно конечно поставить и p-n-p транзистор вместо n-p-n. Для этого надо просто поменять коллекторы и эммитеры местами в схеме включения (я привожу пример для работы с Ардуино).
Данные схемы включения транзисторов являются электронными ключами. Принцип работы такой же как и у работы в режиме усилителя. Разница в отсутствии конденсаторов на входе/выходе схемы позволяет управлять транзистором уже ПОСТОЯННЫМ током. Т.е. если на базу транзистора подать напряжение то транзистор откроется и будет открытым до тех пор пока будет присутствовать напряжение на базе. Кроме того мощность выходного каскада значительно возрастает! Действительно, максимальный выходной ток Ардуино- 25мА, этого на самом деле мало. Но этим током можно открыть небольшой транзистор который позволит оперировать током уже в 250-300мА. А если следующий каскад на более мощном транзисторе то нагрузка уже может достигать нескольких ампер. Сразу мощный каскад подключить нельзя т.к. тока 25мА обычно не хватает на открытие мощных транзисторов (если эти транзисторы не составные). Принцип работы такой- же. Подаешь напряжение на базу- на выходе получаем напряжение. Пробегусь еще по схеме. В цифровой технике смещение на базу уже не так необходимо как в усилительной технике. Поэтому обычно резистор на базу не ставят вообще. Но, чтобы ограничить ток и исключить пульсации, ставят резистор между базой и общим проводом, т.е. принудительно закрывают транзистор небольшим сопротивлением в 1-10кОм. При появлении напряжения просадка напряжения незначительная и оставшегося напряжения вполне хватает на открытие транзистора.
Как же определить без запоминания какая схема инвертирует и какая неинвертирует сигнал. Давайте разбираться. Возьмем схему с общим эммитером. В закрытом состоянии (напряжение на базе отсутствует) транзистор не пропускает напряжение (по аналогии с водопроводным краном кран закрыт), значит можно грубо представить что транзистор вообще отсутствует. На выходе появляется напряжение проходящее с плюсового провода через резистор R2. Т.е. при отсутствии сигнала на входе- на выходе логическая 1. Теперь подадим напряжение на базу. Транзистор открылся и через него потек ток с общего провода на резистор R2. Т.е. резистор R2 является нагрузкой для транзистора. Теперь можно представить что появилась как бы перемычка между общим проводом и нижним концом резистора R2. На этом резисторе тоже происходит небольшое падение напряжения но все равно на выходе будет напряжение близкое к нулю (часть напряжения будет теряться на кристалле транзистора). Т.е. на выходе получили логический ноль. Теперь понятно что при подаче напряжения на вход (логическая 1) на выходе получим логический 0. Делаем вывод что схема включения транзистора с общим эммитером инвертирует сигнал или проще говоря меняет полярность. Для чего нужна такая схема спросите вы. Отвечаю. Все для того же усиления выходного сигнала. Т.е. если вы поставите два транзистора последовательно по схеме с общим эммитером то на выходе получите уже нормальный, неинвертированный сигнал. При этом ток коммутации нагрузки будет равен току коллектора второго транзистора! Ну а если ток не будет превышать 100-200мА то следует учитывать в скетче что сигнал после обработки и усилением одним транзистором будет проинвертирован. Если же вы не хотите инвертировать сигнал то можно воспользоваться схемой с общим коллектором. В данной схеме при поступлении напряжения на базу открывается транзистор и ток проходит на резистор R2 (представьте что появилась перемычка). Часть напряжения гасится на резисторе но основная часть напряжение поступает на выход. Т.е. подали на базу логическую 1- на выходе тоже логическая 1. Такая же ситуация и с нолем на базе. Транзистор закрыт и выход оказывается подключен через резистор на землю. Выходит что данное включение не инвертирует сигнал.
Для чего я постарался все это разжевать. Довольно часто приходится усиливать выходные сигналы напрямую с выводов. Можно конечно использовать оптроны и потом уже с выхода коммутировать нагрузку, особенно это актуально в высоковольтных схемах, дабы предотвратить попадание высокого напряжение в низковольтную часть. Но иногда нужно быстренько усилить амплитуду сигнала, например подключить 12В реле. Для этого смотрим какой ток потребляет реле. Выбираем транзистор. Собираем нужную схемы с учетом инвертирования сигнала. Подаем 12В на схему с транзистором, при этом Ардуино будет питаться от 5В. Все. Скоммутировали реле на 12В! Так же можно поступать и с любым другим напряжением но, как и написано выше, при высоких напряжениях лучше использовать оптроны для безопасности.
Добавить комментарий Отменить ответ
Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.
Преобразователь с 12 на 220 своими руками
Решил посветить отдельную статью изготовлению DC AC повышающего преобразователя напряжения на 220В. Это конечно отдалённо относится к теме светодиодных прожекторов и ламп, но такой мобильный источник питания широко применяется дома и в автомобиле
Бюджетные модели автомобильных инверторов 12 в 220 Вольт имеют не особо качественную синусоиду на выходе. Модели помощней на 2000вт, 3000вт, 5000вт с чистой синусоидой стоят уже слишком дорого, хотя отличаются только на 6 транзисторами на выходе. Делать преобразователь с 12 на 220 своими руками на 300-500вт не особо рационально, а делать мощный выгодно, стоимость в магазине будет от 5000 руб.
Для получения постоянного тока на выходе смотрите повышающие преобразователи напряжение DC DC.
Варианты сборки
Существует 3 оптимальных способы изготовления инвертора 12 в 220 своими руками:
У китайцев можно найти хорошие радиоконструкторы и готовые блоки для сборки преобразователей постоянной тока в переменный 220В. По цене этот способ будет самый затратный, но требуется минимум времени.
Второй способ, это апгрейд источника бесперебойного питания (ИБП), который без аккумулятора в больших количествах продаются на Авито и стоят от 100 до 300руб.
Самый сложный вариант это сборка с ноля, без радиолюбительского опыта никак не обойтись. Придется изготавливать печатные платы, подбирать компоненты, работы очень много.
Конструкция преобразователя напряжения
Рассмотрим конструкцию обычного повышающего преобразователя напряжения с 12 на 220. Принцип работы для всех современных инверторов будет одинаковым. Высокочастотный ШИМ контроллер задаёт режим работы, частоту и амплитуду. Силовая часть выполнена на мощных транзисторах, тепло с которых отводится на корпус устройства.
На входе преобразователя с 12 на 220 установлен предохранитель, защищающий от короткого замыкания автомобильный аккумулятор. Рядом с транзисторами крепится термодатчик, который следит за их нагревом. В случае перегрева инвертора 12в 220в включается система активного охлаждения состоящая из одного или нескольких вентиляторов. В бюджетных моделях вентилятор может работать постоянно, а не только при высокой нагрузке.
Силовые транзисторы на выходе
Синусоида
Форма сигнала на выходе автомобильного инвертора формируется за счёт высокочастотного генератора. Синусоида может быть быть двух видов:
Не каждый электрический прибор может работать с модифицированной синусоидой, которая имеет прямоугольную форму. У некоторых компонентов в меняется режим работы, они могут нагреваться и начать шабарчать. Похожее можно получить,если диммировать светодиодную лампу, у которой яркость не регулируется. Начинается треск и мигание.
Дорогие DC AC повышающие преобразователи напряжения 12в 220в имеют на выходе чистый синус. Стоят гораздо дороже, но электрические приборы отлично с ним работают.
Пример начинки преобразователя
Сборка из ИБП
Чтобы ничего не изобретать и не покупать готовые модули, можно попробовать компьютерный источник бесперебойного питания, сокращенно ИПБ. Они рассчитаны на 300-600вт. У меня Ippon на 6 розеток, подключено 2 монитора, 1 системник, 1телевизор, 3 камеры наблюдения, система управления видеонаблюдением. Периодически перевожу в рабочий режим отключением от сети 220, чтобы батарейка разряжалась, иначе срок службы сильно сократиться.
Коллеги электрики подключали обычный автомобильный кислотный аккумулятор к бесперебойнику, отлично работал непрерывно 6 часов, смотрели футбол на даче. В ИБП обычно встроена система диагностики гелевого аккумулятора, которая определяет его низкую емкость. Как она отнесется к автомобильному неизвестно, хотя основное отличие, это гель вместо кислоты.
Единственная проблема, бесперебойнику могут не понравится скачки в автомобильной сети при заведённом двигателе. Для настоящего радиолюбителя эта проблема решается. Можно использовать только при заглушенном двигателе.
Преимущественно ИБП предназначены для кратковременной работы, когда пропадает 220В в розетке. При длительной постоянной работе очень желательно поставить активное охлаждение. Вентиляция пригодится для стационарного варианта и для автомобильного инвертора.
Как и все приборы, он непредсказуемо себя поведёт при запуске двигателя с подключённой нагрузкой. Стартёр машины сильно просаживает Вольты, в лучшем случае уйдёт в защиту как при выходе батареи из строя. В худшем будут скачки на выходе 220V, синусоида исказится.
Сборка из готовых блоков
Повышатель на 150 Ватт
Для сборки стационарного или автомобильного инвертора 12в 220в своими руками можно использовать готовые блоки, которые продаются на Ебее или у китайцев. Это сэкономит время на изготовление платы, пайку и окончательную настройку. Достаточно добавить к ним корпус и провода с крокодилами.
Приобрести можно и радиоконструктор, который укомплектован всеми радиодеталями, остаётся только спаять.
Примерная цена на осень 2016:
Для поиска на Aliexpress укажите запрос в поисковой строке «inverter 220 diy». Сокращение «DIY» обозначает для «сборки своими руками».
Плата на 500W, выход на 160, 220, 380 вольт
Автоинвертор 300вт
Радиоконструкторы
Радиоконструктор стоит дешевле, чем готовая плата. Самые сложные элементы могут быть уже находится на плате. После сборки практически не требует настройки, для которой необходим осциллограф. Разброс параметров радиокомпонентов и номиналы неплохо подобраны. Иногда в пакетик кладут запасные детали, вдруг по неопытности ножку оторвёте.
Радиоконструктор на 1000вт
Радиоконструктор на 2000 вт
Схемы мощных преобразователей
Мощный инвертор в основном используют для подключения строительных электроинструментов при строительстве дачи или фазенды. Маломощный преобразователь напряжения на 500вт от мощного на 5000 — 10000 Ватт отличается количеством трансформаторов и силовых транзисторов на выходе. Поэтому сложность изготовления и цена практически одинаковые, транзисторы стоят недорого. По мощности оптимально 3000вт, можно подключить дрель, болгарку и другой инструмент.
Покажу несколько схем инверторов с 12, 24, 36 на 220В. Такие ставить в легковой автомобиль не рекомендуется, можно случайно электрику подпортить. Схемотехника DC AC преобразователей 12 на 220 простая, задающий генератор и силовая часть. Генератор делают на популярной TL494 или аналогах.
Большое количество схем повышателей с 12v на 220v для изготовления своими руками можно найти по ссылке
http://cxema.my1.ru/publ/istochniki_pitanija/preobrazovateli_naprjazhenija/101-4
Всего там около 140 схем, половина из них повышающие преобразователи с 12, 24 на 220В. Мощности от 50 до 5000вт.
После сборки потребуется наладка всей схемы при помощи осциллографа, желательно иметь опыт работы с высоковольтными схемами.
Для сборки мощного инвертора на 2500 Ватт потребуется 16 транзисторов и 4 подходящих трансформатора. Стоимость изделия будет немалая, сопоставимая со стоимостью похожего радиоконструктора. Плюсом таких затрат будет чистый синус на выходе.
Сергей, здравствуйте!
У меня вопросик: есть DC12->AC220 конвертер на 300W, питаю им комп. Всё работает прекрасно около 1-2 часов (потребление примерно 120W). Но когда конвертеру нехватает энергии, он делает дикий писк и сразу резко отрубает выход. При этом в батарее остаётся примерно 11.5 вольт. Конвертер — китайский, но по внеш.виду вполне добротный.
Сам вопрос: почему так происходит если в батарее всё ещё дофига энергии и как это дело улучшить, чтобы конвертер высасывал энергию хотя бы до половины. В идеале — ещё и попищал немного перед тем, как сдохнуть. 🙂 Огромное спасибо за любую помощь!
При напряжении 11,5 вольт аккумулятор разряжен и конвертеру не хватает энергии для работы, вот он и отключается.
Здравствуйте. Скажите пожалуйста, можно ли аккумулятор подключить к преобразователю на выходе подключить БП, и подключить обратно аккумулятор. Создать так называемую замкнутый контур. Будет ли система работать?
Лучше попробуйте, так будет надежней.
Здравствуйте Сергей, схем инверторов очень много, у всех свои недостатки, но один из важдейших критериев отбора ( по моему мнению) является потребление инвертора без нагрузки, к примеру у меня инвертор чистый синус 1000w, работает отлично, запускает любой инструмент и быт. технику, но ток потребления без нагрузки 8 А. Заряжаются аккумуляторы от солнечных панелей, за сутки он может посадить что угодно, хотелось что бы Вы посоветовали самый экономичный вариант инвертора, в линейке 12/220 от 1000 до 3000кВт. Спасибо!
Это вам на форум по источникам альтернативного питания. Не встречал тестов и обзоров на ток холостого режима. Для работы с солнечными батареями вы выбрали неудачное напряжение на 12 вольт. Лучше всего минимум 24V или 36V, КПД инвертора вырастет.
Доброго дня! Сергей подскажите пожалуйста такой вопрос. Если с бытовой сети через выпрямитель взять 12 В (к примеру мощностью 300 Вт) и запитать инвертор, который потребляет 12 В и производит 3000 Вт, можно экономить электроэнергию и платить в 10 раз меньше? Так ли это? За ответ буду благодарен!
Так не получится. Он будет потреблять 4000вт и отдавать 3000вт.
Хорошо что вам понравилось содержание.
Я просто ржу. Модифицированная синусоида, это как? Синусоида она и в «африке» синусоида как она может быть модифицированной? ну Вы меня рассмешили. Можно даже какую-нибудь шутку придумать или анегдот.
Бывает прямоугольная синусоида, бывает китайская синусоида, разновидностей стало много.
Эта схема выполнена на отечественных комплектующих и достаточно стара, но это не делает ее менее эффективной. Главное ее достоинство – это получение на выходе полноценного переменного тока с напряжением 220 вольт и частотой 50 Гц.
Схемы разные бывают.
Здравствуйте, Сергей! У Вас все так здорово, ловко и убедительно! Но с моими без малого 70 непросто во все это вникать. А надо… Не поможете мне со схемой преобразователя с 54 или 100 В DC на 220 АС мощность- 200 Вт. Оплату гарантирую. Спасибо.
Не помогу, такими мелочани не занимаюсь. Такой блок проще купить, модель называется с B900W, 3 недели назад себе такой заказал, стоит 1200 руб.
«В ИБП обычно встроена система диагностики гелевого аккумулятора, которая определяет его низкую емкость. Как она отнесется к автомобильному неизвестно, хотя основное отличие, это гель вместо кислоты.»
— До чего же стойко в народе невежественное заблуждение про «гелевые аккумуляторы» в ИБП. Нет там гелевых АКБ! В них применяются аккумуляторы AGM, в которых обычный электролит находится «впитанным» в стеклотряпке между пластин (Гугл в помощь). «Система диагностики аккумулятора» в ИБП относится к автомобильному АКБ как к родному.
«Как и все приборы, он непредсказуемо себя поведёт при запуске двигателя с подключённой нагрузкой. Стартёр машины сильно просаживает Вольты, в лучшем случае уйдёт в защиту как при выходе батареи из строя. В худшем будут скачки на выходе 220V, синусоида исказится.»
— ИБП при запуске стартером просто сразу отрубается, так что ни каких скачков дальше уже просто не будет.
«Единственная проблема, бесперебойнику могут не понравится скачки в автомобильной сети при заведённом двигателе. Для настоящего радиолюбителя эта проблема решается. Можно использовать только при заглушенном двигателе.»
— Такой ИБП как на картинке (Ippon) отлично работает при заведённом двигателе.
Бесперебойники бывают разные, старые и новые.
где можно приобрести радиоконструктор, который укомплектован всеми радиодеталями