Simple Output Stage Inverter for Arduino UNO

โครงงานนี้เป็นการออกแบบในส่วนของวงจรขับกำลังเอาต์พุตอินเวอร์เตอร์แรงดันสูง (70VDC) และสามารถเชื่อมต่อกับบอร์ดควบคุมไมโครคอรโทรลเลอร์ได้โดยเฉพาะบอร์ด Arduino UNO ทั้งนี้เพื่อเป็นการปรับระดับสัญญาณของเชื่อมต่อระหว่างบอร์ดควบคุมที่แรงดันต่ำให้สามารถควบคุมแรงดันเอาต์พุตที่แรงดันสูงได้ง่าย ใช้อุปกรณ์ทั่วไปที่หาซื้อได้ง่ายและราคาถูก โดยโครงงานนี้เราสามารถปรับขนาดของสัญญาณเอาต์พุตได้ด้วยตัวต้านทานปรับค่า และผู้อ่านสามารถนำตัวอย่างโปรแกรมไปพัฒนาให้วงจรควบคุมแรงดันเอาต์พุตให้คงที่ ด้วยการควบคุมแบบระบบปิด (Close Loop Control) ในรูปแบบต่างๆ ต่อไปครับ.

รูปที่ 1 วงจรเอาต์พุตอินเวอร์เตอร์ที่ประกอบเสร็จแล้ว และใช้สำหรับทดลองโดยเป็นวงจรต้นแบบบนแผ่นเบรดบอร์ด เพื่อให้ง่ายต่อการแก้ไขและปรับแต่งวงจร

รูปที่ 2 แสดงการต่อแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงให้กับวงจรอินเวอร์เตอร์และบอร์ดควบคุม Arduino UNO รวมทั้งการวัดสัญญาณควบคุมเบื้องต้นจากบอร์ดควบคุม

รูปที่ 3 แสดงลักษณะของการเชื่อมต่อระหว่างบอร์ดควบคุม Ardiono UNO และบอร์ดอินเวอร์เตอร์ โดยใช้สายแพขนาดเล็กในการทดลอง

รูปที่ 4 แสดงตัวตัวต้านทานขนาด 10 โอห์ม 20 วัตต์ จำนวน 2 ตัว (ตัวสีขาวและมีปากคีบ) ส่วนอีกตัวหนี่งจะเป็นตัวต้านทานปรับค่า โดยในการทดลองนี้จะทำหน้าที่ปรับขนาดของสัญญาณเอาต์พุตอินเวอร์เตอร์

รุปที่ 5 เป็นแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงในการทดลองสำหรับวงจรอินเวอร์เตอร์ และเป็นไฟเลี้ยงสำหรับการขับที่ขาเกต (G) ของเพาเวอร์มอสเฟตทั้งหมด ทั้งนี้เพื่อเป็นการทดลองเบื้องต้นและสังเกตลักษณะการทำงานของวงจรที่ออกแบบ

/*
  Code Program for test output stage Inverter by Arduino UNO   
  MCU : Arduino UNO
  Adj PWM : POT = 2K
  Frequency output : 50Hz
  Dev by : Nattapon
  Date : 6/7/2021, V.0  
*/

 int TonDelayuS = 0;
 int ToffDelayuS = 0;  
 int sensorValue = 0;
 int Value = 0;

 void setup() {
 Serial.begin(9600);
 pinMode(13, OUTPUT);
 pinMode(3, OUTPUT);
 digitalWrite(13, LOW);   
 digitalWrite(3, LOW); 
 delay(300);     
 }

void loop() {
sensorValue = analogRead(A0);  // Read ADC CH0
Value = (sensorValue*9);       // multiply Value X9
Serial.println(Value);         // Monitor Value

TonDelayuS = Value;            // Set Ton Signal
ToffDelayuS = (10000-Value);   // Set Toff Signal

digitalWrite(13,HIGH);         // Set Ton  Phase A
delayMicroseconds(TonDelayuS); 
digitalWrite(13,LOW);          // Set Toff Phase A  
delayMicroseconds(ToffDelayuS);

digitalWrite(3,HIGH);          // Set Ton  Phase B  
delayMicroseconds(TonDelayuS); 
digitalWrite(3,LOW);           // Set Toff Phase B 
delayMicroseconds(ToffDelayuS);              
 }

โปรแกรมการทำงานของโครงงานนี้เป็นตัวอย่างแบบง่ายเพื่อให้เราสามารถสร้างสัญญาณควบคุมให้กับวงจรอินเวอร์เตอร์ และการปรับขนาดของสัญญาณตามที่เราต้องการ โดยจากตัวโปรแกรมจะใช้ขาสร้างสัญญาณไปยังเอาต์พุต 2 ขา คือขา D3 และ D13 จากนั้นโปรแกรมจะรับค่าสัญญาณเข้ามาควบคุมจากขา A0 แบบอะนาลอก ซึ่งจะเปลี่ยนเป็นค่าสำหรับหน่วงเวลา 2 ส่วนคือ TonDelayuS = Value; และ ToffDelayuS = (10000-Value); จากนั้นนำค่าที่ได้ไปกำหนดการ ON และ OFF ที่ขา D3 และ D13 ตามลำดับต่อเนื่องกัน

รูปที่ 6 แสดงลักษณะสัญญาณเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์เมื่อปรับค่า Ton และ Toff ใกล้เคียงกันเป็นค่าเริ่มต้น และค่าแรงดันเเอาต์พุตที่ได้ประมาณ 9.93Vrms โดยในการทดลองจะใช้แรงดันสำหรับวงจรอินเวอร์เตอร์ประมาณ 15VDC

รูปที่ 7 แสดงลักษณะสัญญาณที่เอาต์พุตอินเวอร์เตอร์เมื่อปรับค่า Ton น้อยลงและ Toff เพิ่มขึ้น ซึ่งผลที่ได้ทำให้ค่าแรงดันเอาต์พุตลดลงมาที่ 5.81Vrms

รูปที่ 8 แสดงลักษณะสัญญาณที่เอาต์พุตอินเวอร์เตอร์เมื่อปรับค่า Ton เพิ่มขึ้นและ Toff ลดลง ซึ่งผลที่ได้ทำให้ค่าแรงดันเอาต์พุตเพิ่มขึ้นมาที่ 12.4Vrms

รูปที่่ 9 แสดงลักษณะของการทดลองโครงงานอินเวอร์เตอร์ เครื่องมือและอุปกรณ์ต่างๆ

รูปที่ 10 การทำงานของวงจรนั้นจะเริ่มจาก Q1 และ Q2 จะถูกกำหนดให้ทำงานทำงานสลับกัน คือที่ตำแหน่งออปโต้คัปเปิ้ล U5 ที่ขา C จะต่อเข้ากับ R7 (1K) ทำหน้าที่พูลอัพ (Pull-up) กับแหล่งจ่ายไฟเลี้ยง 15V โดยถ้าขา A ของออปโต้คัปเปิ้ล U5 ได้รับลอจิก 1 จะเป็นผลให้ Q2 หยุดการทำงาน (ไบอัสกลับ) และจะเป็นผลให้ Q7 ได้รับไบอัสกลับเช่นกัน ซึ่งการได้รับไบอัสกลับของ Q7 จะทำให้แรงดันจากตัวเก็บประจุ C2 จ่ายมายังมอสเฟต Q1 ผ่าน R10 มายังขา G และ S เกิดการนำกระแส Q1 นั้นเอง

ทั้งนี้การทำงานจะเป็นในลักษณะเช่นเดียวกันกับ Q3 และ Q4 สัญญาณควบคุมจะได้รับจากบอร์ด Arduino UNO ที่ขา D3 และ D13 มายังออปโต้คัปเปิ้ล U5 และ U6 นั้นเอง นอกจากนี้เราสามารถปรับขนาดการจ่ายกำลังไฟฟ้าที่เอาต์พุตได้ที่ตัวต้านทาน RP1 และในส่วนของไฟเลี้ยงวงจรจะมี 2 ส่วนคือ 15V สำหรับวงจรขับขาเกต (Vgs) ให้กับเพาเวอร์มอสเฟตทั้ง 4 ตัว และส่วนของแรงดันสูงรับไฟเลี้ยงได้ในช่วง 12V-70VDC ที่ตำแหน่ง +VBUS และ GND

สำหรับโครงงานนี้เป็นการออกแบบในส่วนขับกำลังของอินเวอร์เตอร์ที่สามารถรับแรงดันได้สูง และสามารถเชื่อมต่อกับบอร์ดควบคุมต่างๆ ได้ทั้งอะนาลอกและดิจิตอล โดยเฉพาะไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino UNO ซึ่งจะมีส่วนของวงจรปรับระดับสัญญาณไว้เรียบร้อยแล้ว รวมทั้งใช้ออปโต้คัปเปิ้ลทำหน้าที่แยกกันทางไฟฟ้าสำหรับป้องกันการรบกวนระหว่างบอร์ดควบคุมและขับกำลังอินเวอร์เตอร์ ทั้งนี้อุปกรณ์ทั้งหมดสามารถหาซื้อได้ทั่วไปในราคาไม่แพงครับ.

Reference

1. https://www.circuitsdiy.com/h-bridge-inverter-power-stage-with-passives/
2. https://www.homemade-circuits.com/sg3525-full-bridge-inverter-circuit/
3. https://verifiedschematics.com/high-power-mosfet-h-bridge-using-irfz44-irf630-updated/
4. https://makingcircuits.com/blog/easy-150-w-full-bridge-inverter-circuit-tested/