Circuito inversor de núcleo de ferrita 5kva - Diagrama de trabalho completo com detalhes de cálculo

Neste artigo, discutimos a construção de um circuito inversor de 5000 watts que incorpora um transformador de núcleo de ferrite e, portanto, é extremamente compacto do que as contrapartes de núcleo de ferro convencionais.

Diagrama de bloco

Observe que você pode converter este inversor de núcleo de ferrite para qualquer potência desejada, desde 100 watts a 5 kva ou de acordo com sua preferência.

Compreender o diagrama de blocos acima é bastante simples:

A entrada DC que poderia ser através de uma bateria de 12V, 24V ou 48V ou painel solar é aplicada a um inversor à base de ferrite, que a converte em uma saída de 220V AC de alta frequência, em torno de 50 kHz.

Mas, como a frequência de 50 kHz pode não ser adequada para nossos eletrodomésticos, precisamos converter essa CA de alta frequência nos 50 Hz / 220 V ou 120 V CA / 60 Hz necessários.

Isso é implementado por meio de um estágio inversor em ponte H, que converte essa alta frequência em saída para os 220 VCA desejados.

No entanto, para isso, o estágio H-bridge precisaria de um valor de pico de 220 V RMS, que é cerca de 310 V CC.

Isso é obtido usando um estágio retificador de ponte, que converte a alta frequência de 220 V em 310 V CC.

Finalmente, esta tensão de barramento de 310 V CC é convertida de volta em 220 V 50 Hz usando a ponte H.

Também podemos ver um estágio oscilador de 50 Hz alimentado pela mesma fonte CC. Na verdade, esse oscilador é opcional e pode ser necessário para circuitos de ponte H que não têm seu próprio oscilador. Por exemplo, se usarmos uma ponte H baseada em transistor, podemos precisar desse estágio do oscilador para operar os mosfets de lado alto e baixo de acordo.

ATUALIZAR: Você pode querer pular diretamente para o novo ' DESIGN SIMPLIFICADO ', próximo ao final deste artigo, que explica uma técnica de uma etapa para obter uma saída de onda senoidal de 5 kva sem transformador em vez de passar por um processo complexo de duas etapas, conforme discutido nos conceitos abaixo:

Um Design Simples de Inversor de Ferrite Cote

Antes de aprendermos a versão 5kva, aqui está um projeto de circuito mais simples para os recém-chegados. Este circuito não emprega nenhum driver IC especializado, em vez disso, funciona apenas com MOSFETS de canal n, e um estágio de bootstrapping.

O diagrama de circuito completo pode ser testemunhado abaixo:

Especificações do MOSFET IRF740 de 400 V, 10 A

No circuito inversor de ferrite simples de 12 V a 220 V CA acima, podemos ver um módulo conversor de 12 V a 310 V CC pronto a ser usado. Isso significa que você não precisa fazer um transformador complexo baseado em núcleo de ferrite. Para os novos usuários, este design pode ser muito benéfico, pois eles podem construir rapidamente este inversor sem depender de cálculos complexos, e seleções de núcleo de ferrite.

Pré-requisitos de design de 5 kva

Primeiro você precisa encontrar uma fonte de alimentação de 60 Vcc para alimentar o circuito inversor de 5kVA proposto. A intenção é projetar um inversor de chaveamento que irá converter a tensão DC de 60V para um 310V superior em uma corrente reduzida.

A topologia seguida neste cenário é a topologia push-pull que usa o transformador na proporção de 5:18. Para a regulação de tensão que você pode precisar, e o limite de corrente - todos são alimentados por uma fonte de tensão de entrada. Também no mesmo ritmo, o inversor agiliza a corrente permitida.

Quando se trata de uma fonte de entrada de 20A, é possível obter 2 - 5A. No entanto, o pico de tensão de saída deste inversor de 5kva é de cerca de 310V.

Especificações do transformador de ferrite e Mosfet

Em relação à arquitetura, o transformador Tr1 possui 5 + 5 espiras primárias e 18 para as secundárias. Para comutação, é possível usar 4 + 4 MOSFET (tipo IXFH50N20 (50A, 200V, 45mR, Cg = 4400pF). Você também está livre para usar MOSFET de qualquer tensão com Uds 200V (150V) junto com a menor resistência condutiva. a resistência da porta usada e sua eficiência em velocidade e capacidade devem ser excelentes.

A seção de ferrita Tr1 é construída em torno de ferrita 15x15 mm c. O indutor L1 é projetado com cinco anéis de pó de ferro que podem ser enrolados como fios. Para o núcleo do indutor e outras peças associadas, você sempre pode obtê-lo de inversores antigos (56v / 5V) e dentro de seus estágios de amortecimento.

Usando um IC Full Bridge

Para circuito integrado, o IC IR2153 pode ser implantado. As saídas dos ICs podem ser vistas em buffer com estágios BJT. Além disso, devido à grande capacitância de porta envolvida, é importante usar os buffers na forma de pares complementares de amplificadores de potência, alguns transistores BD139 e BD140 NPN / PNP fazem bem o trabalho.

IC alternativo pode ser SG3525

Você também pode tentar usar outros circuitos de controle como SG3525 . Além disso, você pode alterar a tensão de entrada e trabalhar em conexão direta com a rede para fins de teste.

A topologia utilizada neste circuito possui a facilidade de isolamento galvânico e a freqüência de operação é em torno de 40 kHz. No caso de você ter planejado usar o inversor para uma pequena operação, você não resfria, mas para uma operação mais longa, certifique-se de adicionar um agente de resfriamento usando ventiladores ou grandes dissipadores de calor. A maior parte da energia é perdida nos diodos de saída e a tensão Schottky cai em torno de 0,5V.

A entrada de 60 V pode ser adquirida colocando 5 nos de baterias de 12 V em série, a classificação Ah de cada bateria deve ser avaliada em 100 Ah.

FOLHA DE DADOS IR2153

Não use BD139 / BD140, em vez disso use BC547 / BC557, para o estágio de driver acima.

Estágio 330V de alta frequência

Os 220 V obtidos na saída de TR1 no circuito inversor de 5 kva acima ainda não podem ser usados ​​para operar aparelhos normais, uma vez que o conteúdo de CA estaria oscilando na frequência de entrada de 40 kHz. Para converter os acima de 40 kHz 220 V CA em 220 V 50 Hz ou 120 V 60 Hz CA, outros estágios seriam necessários conforme declarado abaixo:

Primeiro, os 220 V 40 kHz precisarão ser retificados / filtrados por meio de uma ponte retificadora composta de diodos de recuperação rápida classificados em cerca de 25 A 300 V e capacitores de 10 uF / 400 V.

Converter 330 V DC em 50 Hz 220 V AC

Em seguida, essa tensão retificada, que agora seria montada em cerca de 310 V, precisaria ser pulsada nos 50 ou 60 Hz necessários por meio de outro circuito inversor de ponte completa, conforme mostrado abaixo:

Os terminais marcados com 'carga' agora podem ser usados ​​diretamente como a saída final para operar a carga desejada.

Aqui, os mosfets podem ser IRF840 ou qualquer tipo equivalente.

Como enrolar o transformador de ferrite TR1

O transformador TR1 é o principal dispositivo responsável por aumentar a tensão para 220 V a 5kva, sendo o núcleo de ferrite construído sobre alguns núcleos de ferrite EE conforme detalhado abaixo:

Uma vez que a potência envolvida é enorme em cerca de 5kvs, os núcleos E precisam ser formidáveis ​​em tamanho, um núcleo E de ferrite do tipo E80 pode ser testado.

Lembre-se de que você pode ter que incorporar mais de 1 núcleo E, pode ser 2 ou 3 núcleos E juntos, colocados lado a lado para realizar a enorme saída de energia de 5KVA do conjunto.

Use o maior que estiver disponível e enrole 5 + 5 voltas usando 10 números de fio de cobre superesmaltado 20 SWG, em paralelo.

Após 5 voltas, pare o enrolamento primário, isole a camada com uma fita isolante e comece as 18 voltas secundárias sobre estas 5 voltas primárias. Use 5 fios de cobre superesmaltado 25 SWG em paralelo para enrolar as espiras secundárias.

Assim que as 18 voltas forem concluídas, termine-as nas pontas de saída da bobina, isole com fita e enrole as 5 voltas primárias restantes para completar a construção TR1 com núcleo de ferrite . Não se esqueça de juntar o final das 5 primeiras voltas com o início do enrolamento primário das 5 voltas principais.

Método de montagem E-Core

O diagrama a seguir dá uma ideia sobre como mais de 1 E-core pode ser usado para implementar o projeto do transformador inversor de ferrite de 5 KVA discutido acima:

E80 Ferrite core

Feedback do Sr. Sherwin Baptista

Prezados,

No projeto acima para o transformador, não usei nenhum espaçador entre as peças do núcleo, o circuito funcionou bem com o trafo frio durante a operação. Sempre preferi um núcleo EI.

Sempre rebobinei os trafos de acordo com meus dados calculados e depois os usei.

Além do mais, sendo o trafo um núcleo EI, separar as peças de ferrite foi bastante fácil do que eliminar um núcleo EE.

Eu também tentei abrir os trafos do core EE, mas infelizmente acabei quebrando o core enquanto o separava.

Nunca consegui abrir um núcleo EE sem quebrar o núcleo.

De acordo com minhas descobertas, algumas coisas que eu diria para concluir:

--- Essas fontes de alimentação com tráfego de núcleo sem gap funcionaram melhor. (estou descrevendo o trafo de uma fonte de alimentação atx pc antiga, já que usei apenas essas. As fontes de alimentação pc não falham tão facilmente, a menos que seja um capacitor queimado ou outra coisa.) ---

--- Aquelas fontes que tinham trafos com espaçadores finos frequentemente ficavam descoloridas e falhavam silenciosamente no início. (Isso eu aprendi por experiência, pois até agora comprei muitas fontes de alimentação de segunda mão apenas para estudá-las) ---

--- As fontes de alimentação muito mais baratas com marcas como CC 12v 5a, 12v 3a ACC12v 3a RPQ 12v 5a todas

Esses tipos de trafos de ferrite tinham pedaços de papel mais grossos entre os núcleos e todos falharam mal !!! ---

No FINAL, o trafo de núcleo EI35 funcionou melhor (sem manter o entreferro) no projeto acima.

Detalhes de preparação do circuito do inversor de núcleo de ferrite 5kva:

Passo 1:

• Usando 5 baterias de ácido-chumbo seladas de 12v 10Ah
• Tensão total = 60v Tensão real
• = Tensão de carga total de 66v (13,2v cada bateria)
• = 69v Tensão de carga do nível de gotejamento.

Passo 2:

Após o cálculo da tensão da bateria, temos 66 volts a 10 amperes quando totalmente carregada.

• Em seguida, vem a fonte de alimentação para ic2153.
• O 2153 tem um grampo ZENER de 15,6 V entre Vcc e Gnd.
• Portanto, usamos o famoso LM317 para fornecer energia regulada de 13 V ao ic.

Etapa 3:

O regulador lm317 tem os seguintes pacotes

1. LM317LZ --- 1,2-37v 100ma a-92
2. LM317T --- 1,2-37v 1,5amp a-218
3. LM317AHV --- 1,2-57v 1,5 ampères a-220

Usamos o lm317ahv em que 'A' é o código do sufixo e 'HV' é o pacote de alta voltagem,

uma vez que o regulador acima pode suportar tensão de entrada de até 60v e votação de saída de 57 volts.

Passo 4:

• Não podemos fornecer 66v diretamente para o pacote lm317ahv, visto que sua entrada é de no máximo 60v.
• Portanto, usamos DIODOS para diminuir a tensão da bateria para uma tensão segura para alimentar o regulador.
• Precisamos diminuir cerca de 10v com segurança da entrada máxima do regulador que é 60v.
• Portanto, 60v-10v = 50v
• Agora, a entrada máxima segura dos diodos para o regulador deve ser de 50 volts.

Etapa 5:

• Usamos o diodo regular 1n4007 para diminuir a tensão da bateria para 50v,
• Por ser um diodo de silício, a queda de tensão de cada um é de cerca de 0,7 volts.
• Agora calculamos o número necessário de diodos de que precisamos, o que aumentaria a tensão da bateria para 50 volts.
• tensão da bateria = 66v
• Tensão de entrada calc.max para o chip regulador = 50v
• Então, 66-50 = 16v
• Agora, 0,7 *? = 16v
• Dividimos 16 por 0,7, que é 22,8, ou seja, 23.
• Portanto, precisamos incorporar cerca de 23 diodos, uma vez que a queda total desses é de 16,1v
• Agora, a tensão de entrada segura calculada para o regulador é de 66 V - 16,1 V, que é 49,9 V aprox. 50v

Etapa 6:

• Fornecemos 50 V para o chip regulador e ajustamos a saída para 13 V.
• Para obter mais proteção, usamos contas de ferrite para cancelar qualquer ruído indesejado na tensão de saída.
• O regulador deve ser montado em um dissipador de calor de tamanho apropriado para mantê-lo resfriado.
• O capacitor de tântalo conectado ao 2153 é um capacitor importante que garante que o ic obtenha uma corrente contínua uniforme do regulador.
• Seu valor pode ser reduzido de 47uf para 1uf 25v com segurança.

Etapa 7:

• O resto do circuito obtém 66 volts e os pontos de transporte de alta corrente no circuito devem ser ligados com fios de bitola pesada.
• Para o transformador, seu primário deve ser de 5 + 5 voltas e o secundário de 20 voltas.
• A frequência do 2153 deve ser ajustada em 60KHz.

Etapa 8:

O circuito do conversor CA de alta frequência para CA de baixa frequência usando o chip irs2453d deve ser cabeado apropriadamente conforme mostrado no diagrama.

Finalmente completado .

Fazendo uma versão PWM

A postagem a seguir discute outra versão de um circuito inversor de onda senoidal PWM 5kva usando um transformador de núcleo de ferrite compacto. A ideia foi solicitada pelo Sr. Javeed.

Especificações técnicas

Caro senhor, poderia modificar sua saída com a fonte PWM e facilitar o uso de um design tão barato e econômico para pessoas carentes no mundo inteiro como nós? Espero que você considere meu pedido. Obrigado. Seu carinhoso leitor.

O design

No post anterior eu apresentei um circuito inversor de 5kva baseado em núcleo de ferrite, mas como é um inversor de onda quadrada, ele não pode ser usado com os vários equipamentos eletrônicos e, portanto, sua aplicação pode ser restrita apenas às cargas resistivas.

No entanto, o mesmo projeto pode ser convertido em um inversor de onda sinusoidal equivalente PWM, injetando uma alimentação PWM nos mosfets do lado inferior, conforme mostrado no diagrama a seguir:

O pino SD do IC IRS2153 é mostrado por engano conectado com Ct, certifique-se de conectá-lo com o fio terra.

Sugestão: o estágio IRS2153 pode ser facilmente substituído por Estágio IC 4047 , caso o IRS2153 pareça difícil de obter.

Como podemos ver no circuito inversor de 5kva baseado em PWM acima, o projeto é exatamente semelhante ao nosso circuito inversor original de 5kva, exceto o estágio de alimentação do buffer PWM indicado com os mosfets do lado inferior do estágio de driver H-bridge.

A inserção de alimentação PWM pode ser adquirida através de qualquer padrão Circuito gerador PWM usando IC 555 ou usando multivibrador astável transistorizado.

Para uma replicação PWM mais precisa, também se pode optar por um Gerador oscilador PWM Bubba para fornecer o PWM com o design de inversor de onda senoidal de 5kva mostrado acima.

Os procedimentos de construção para o projeto acima não são diferentes do projeto original, a única diferença sendo a integração dos estágios do buffer BC547 / BC557 BJT com os mosfets do lado inferior do estágio IC da ponte completa e o PWM alimentado nele.

Outro Design Compacto

Uma pequena inspeção prova que, na verdade, o estágio superior não precisa ser tão complexo.

O circuito gerador de 310 Vcc pode ser construído usando qualquer outro circuito alternativo baseado em oscilador. Um projeto de exemplo é mostrado abaixo, onde uma meia ponte IC IR2155 é empregada como o oscilador em uma maneira push pull.

Novamente, não há um projeto específico que possa ser necessário para o estágio do gerador de 310 V, você pode tentar qualquer outra alternativa de acordo com sua preferência, alguns exemplos comuns sendo IC 4047, IC 555, TL494, LM567 etc.

Detalhes do indutor para o transformador de ferrite 310V a 220V acima

Design Simplificado

Nos projetos acima, até agora, discutimos um inversor sem transformador bastante complexo que envolveu duas etapas elaboradas para obter a saída final da rede elétrica CA. Nessas etapas, a bateria CC é primeiro necessária para ser transformada em 310 V CC por meio de um inversor de núcleo de ferrite e, em seguida, 310 V CC deve ser comutado de volta para 220 V RMS por meio de uma rede de ponte completa de 50 Hz.

Conforme sugerido por um dos leitores ávidos na seção de comentários (Sr. Ankur), o processo de duas etapas é um exagero e simplesmente não é necessário. Em vez disso, a seção do núcleo de ferrite pode ser modificada adequadamente para obter a onda senoidal de 220 V CA necessária e a seção MOSFET da ponte completa pode ser eliminada.

A imagem a seguir mostra uma configuração simples para executar a técnica explicada acima:

NOTA: O transformador é um transformador de núcleo de ferrite que deve ser calcular apropriadamente d

No projeto acima, o IC 555 do lado direito é conectado para gerar sinais oscilatórios básicos de 50 Hz para a comutação MOSFET. Também podemos ver um estágio de amplificador operacional, no qual este sinal é extraído da rede de temporização ICs RC na forma de ondas triangulares de 50 Hz e alimentado a uma de suas entradas para comparar o sinal com sinais de onda triangulares rápidos de outro IC 555 circuito astável. Essas ondas triangulares rápidas podem ter uma frequência de qualquer lugar entre 50 kHz a 100 kHz.

O op amp compara os dois sinais para gerar uma frequência SPWM modulada equivalente de onda senoidal. Este SPWM modulado é alimentado nas bases dos BJTs do driver para comutação dos MOSFETs na taxa SPWM de 50 kHz, modulada em 50 Hz.

Os MOSFEts, por sua vez, alternam o transformador de núcleo de ferrite conectado com a mesma frequência modulada SPWM para gerar a saída de onda senoidal pura pretendida no secundário do transformador.

Devido à comutação de alta frequência, esta onda senoidal pode estar cheia de harmônicos indesejados, que são filtrados e suavizados através de um capacitor de 3 uF / 400 V para obter uma saída de onda senoidal CA razoavelmente limpa com a potência desejada, dependendo do transformador e do especificações de energia da bateria.

O IC 555 do lado direito que gera os sinais de portadora de 50 Hz pode ser substituído por qualquer outro IC oscilador favorável, como IC 4047 etc.

Projeto do inversor de núcleo de ferrite usando circuito astável de transistor

O conceito a seguir mostra como um inversor simples com núcleo de ferrite poderia ser construído usando um par de transistores comuns com base em circuito astável e um transformador de ferrite.

Esta ideia foi solicitada por alguns dos seguidores dedicados deste blog, nomeadamente o Sr. Rashid, o Sr. Sandeep e também por mais alguns leitores.

Conceito de Circuito

Inicialmente, não consegui descobrir a teoria por trás desses inversores compactos que eliminavam completamente os volumosos transformadores com núcleo de ferro.

No entanto, depois de pensar um pouco, parece que consegui descobrir o princípio muito simples associado ao funcionamento de tais inversores.

Ultimamente, os inversores do tipo compacto chinês se tornaram muito famosos apenas por causa de seus tamanhos compactos e elegantes, que os tornam incrivelmente leves e ainda extremamente eficientes com suas especificações de potência de saída.

Inicialmente achei o conceito inviável, pois na minha opinião o uso de minúsculos transformadores de ferrite para aplicação de inversores de baixa frequência parecia altamente impossível.

Os inversores para uso doméstico requerem 50/60 Hz e para a implementação do transformador de ferrite precisaríamos de frequências muito altas, então a ideia parecia muito complicada.

Depois de pensar um pouco, fiquei surpreso e feliz ao descobrir uma ideia simples para implementar o design. É tudo sobre a conversão da tensão da bateria para 220 ou 120 tensão de rede em uma frequência muito alta, e mudar a saída para 50/60 HZ usando um estágio mosfet push-pull.

Como funciona

Olhando para a figura, podemos simplesmente testemunhar e imaginar toda a ideia. Aqui, a tensão da bateria é primeiro convertida em pulsos PWM de alta frequência.

Esses pulsos são despejados em um transformador elevador de ferrite com a classificação apropriada necessária. Os pulsos são aplicados usando um mosfet para que a corrente da bateria possa ser utilizada de forma otimizada.

O transformador de ferrite aumenta a tensão para 220 V em sua saída. No entanto, como esta tensão tem uma frequência de cerca de 60 a 100 kHz, não pode ser usada diretamente para operar os aparelhos domésticos e, portanto, precisa de processamento adicional.

Na próxima etapa, essa tensão é retificada, filtrada e convertida para 220 Vcc. Esta CC de alta tensão é finalmente comutada para a frequência de 50 Hz para que possa ser usada para operar eletrodomésticos.

Observe que, embora o circuito tenha sido projetado exclusivamente por mim, ele não foi testado na prática, faça-o por sua própria conta e risco e somente se você tiver confiança suficiente sobre as explicações fornecidas.

Diagrama de circuito

Lista de peças para circuito inversor de núcleo de ferrite compacto de 12 Vcc a 220 Vca.

• R3 --- R6 = 470 Ohms
• R9, R10 = 10K,
• R1, R2, C1, C2 = calcule para gerar 100 kHz freq.
• R7, R8 = 27K
• C3, C4 = 0,47uF
• T1 ---- T4 = BC547,
• T5 = qualquer mosfet de canal N de 30V 20Amp,
• T6, T7 = qualquer, 400 V, mosfet de 3 amp.
• Diodos = recuperação rápida, tipo de alta velocidade.
• TR1 = primário, 13 V, 10 amperes, secundário = 250-0-250, 3 amperes. Transformador de ferrita E-core .... peça ajuda a um bobinador especializado e projetista de transformador.

Uma versão aprimorada do design acima é mostrada abaixo. O estágio de saída aqui é otimizado para melhor resposta e mais potência.

Versão melhorada