Converter um inversor de onda quadrada em um inversor de onda senoidal

A postagem explica alguns conceitos de circuito que podem ser empregados para converter ou modificar qualquer inversor de onda quadrada comum em um design sofisticado de inversor de onda senoidal.

Antes de estudar os vários projetos explicados neste artigo, seria interessante saber os fatores que normalmente tornam um inversor de onda senoidal mais desejável do que um projeto de onda quadrada.

Como a frequência funciona em inversores

Os inversores basicamente envolvem frequência ou oscilações para implementar as ações de aumento e inversão. A frequência, como sabemos, é a geração de pulsos em algum padrão uniforme e calculado, por exemplo, uma frequência de inversor típica pode ser classificada em 50 Hz ou 50 pulsos positivos por segundo.

A forma de onda da frequência fundamental de um inversor está na forma de pulsos de onda quadrada.

Como todos sabemos, uma onda quadrada nunca é adequada para operar equipamentos eletrônicos sofisticados, como TV, tocadores de música, computadores, etc.

A rede elétrica AC (corrente alternada) que adquirimos em nossa tomada elétrica doméstica também consiste em frequência de corrente pulsante, mas estas estão na forma de ondas sinusoidais ou ondas senoidais.

É normalmente em 50 Hz ou 60 Hz, dependendo das especificações de utilidade do país em particular.

A curva sinusoidal acima mencionada da nossa forma de onda CA doméstica refere-se aos picos de tensão em ascensão exponencial que constituem os 50 ciclos da frequência.

Uma vez que nosso AC doméstico é gerado por turbinas magnéticas, a forma de onda é inerentemente uma onda senoidal, portanto, não requer nenhum processamento adicional e torna-se utilizável diretamente em residências para todos os tipos de aparelhos.

Por outro lado, nos inversores, a forma de onda fundamental tem a forma de ondas quadradas que precisam de um processamento completo para tornar a unidade compatível com todos os tipos de equipamento.

Diferença entre onda quadrada e onda senoidal

Conforme mostrado na figura, uma onda quadrada e uma onda senoidal podem ter níveis de tensão de pico idênticos, mas o valor RMS ou o valor médio quadrático podem não ser idênticos. Esse aspecto é o que torna uma onda quadrada particularmente diferente de uma onda senoidal, embora o valor de pico seja o mesmo.

Portanto, um inversor de onda quadrada trabalhando com 12 V DC geraria uma saída equivalente a digamos 330 V, assim como um inversor de onda senoidal operando com a mesma bateria, mas se você medir a saída RMS de ambos os inversores, ela seria significativamente diferente (330 V e 220 V).

A imagem mostra incorretamente 220V como o pico, na verdade, deveria ser 330V

No diagrama acima, a forma de onda de cor verde é a forma de onda senoidal, enquanto a laranja representa a forma de onda quadrada. A parte sombreada é o RMS em excesso que precisa ser nivelado para tornar os valores RMS os mais próximos possíveis.

Converter um inversor de onda quadrada em um equivalente de onda senoidal, portanto, basicamente significa permitir que o inversor de onda quadrada produza o valor de pico necessário de, digamos, 330 V, ainda tendo um RMS quase igual ao seu equivalente de onda senoidal.

Como converter / modificar uma forma de onda quadrada em uma forma de onda senoidal equivalente

Isso pode ser feito esculpindo uma amostra de onda quadrada em uma forma de onda senoidal ou simplesmente dividindo uma amostra de forma de onda quadrada em pedaços menores bem calculados de modo que seu RMS se torne muito próximo de um valor AC RMS padrão da rede elétrica.

Para transformar uma onda quadrada em uma onda senoidal perfeita, podemos empregar um oscilador de ponte wien ou mais precisamente um 'oscilador bubba' e alimentá-lo para um estágio de processador de onda senoidal. Este método seria muito complexo e, portanto, não é uma ideia recomendada para implementar um inversor de onda quadrada existente em um inversor de onda senoidal.

A ideia mais viável seria cortar a onda quadrada associada na base dos dispositivos de saída ao grau RMS necessário.

Um exemplo clássico é mostrado abaixo:

O primeiro diagrama mostra um circuito inversor de onda quadrada. Adicionando um simples chopper AMV, podemos quebrar os pulsos na base dos mosfets relevantes no grau necessário.

Onda quadrada modificada para versão do inversor equivalente de onda senoidal do circuito acima.

Aqui, o AMV inferior gera pulsos em alta frequência, cuja relação marca / espaço pode ser alterada de forma adequada com a ajuda do VR1 predefinido. Esta saída controlada por PWM é aplicada às portas dos mosfets para adaptar sua condução ao valor RMS estipulado.

Padrão de forma de onda típico esperado da modificação acima:

Forma de onda nas portas do mosfet:

Forma de onda na saída do transformador:

Forma de onda após filtração adequada usando indutores e capacitores na saída do transformador:

Lista de Peças

R1, R2, = 27K,
R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10 = 1K Ohms,
C1, C2 = 0,47uF / 100V metalizado
C3, C4 = 0,1uF
T1, T2, T5, T6 = BC547,
T3, T4 = qualquer 30 V, 10 amp mosfet, canal N.
D1, D2 = 1N4148
VR1 = 47K predefinido
Transformador = 9-0-9V, 8 amp ( as especificações devem ser selecionadas de acordo com a carga de saída para a otimização de potência correta )
Bateria = 12V, 10AH

Obtendo melhor taxa de eficiência

A conversão ou modificação acima fornecerá cerca de 70% de eficiência com a correspondência RMS alcançada. Se você estiver interessado em obter uma correspondência melhor e precisa, provavelmente será necessário um processador de forma de onda IC 556 PWM.

Você gostaria de consultar este artigo que mostra o princípio por trás modificar uma forma de onda quadrada em uma forma de onda senoidal usando um par de IC555.

A saída do circuito mencionado acima pode ser alimentada de forma semelhante ao portão ou à base dos dispositivos de energia relevantes que estão presentes na unidade inversora quadrada existente.

Uma abordagem mais abrangente pode ser testemunhada neste artigo, onde um IC 556 é usado para extrair onda senoidal modificada com base em PWM precisa equivalentes de uma fonte de amostra de onda quadrada.

Esta forma de onda é integrada aos dispositivos de saída existentes para implementar as modificações pretendidas.

Os exemplos acima nos ensinam os métodos mais simples através dos quais qualquer inversor de onda quadrada comum existente pode ser modificado em projetos de inversor de onda senoidal.

Convertendo em um SPWM

No artigo acima, aprendemos como a forma de onda de um inversor de onda quadrada pode ser otimizada para obter um tipo de onda senoidal dividindo a onda quadrada em seções menores.

No entanto, uma análise mais profunda mostra que, a menos que a forma de onda cortada não seja dimensionada na forma de SPWMs, pode não ser possível alcançar um equivalente de onda senoidal adequado.

Para satisfazer esta condição, um circuito conversor SPWM torna-se essencial para extrair a forma de onda senoidal mais ideal do inversor.

O diagrama a seguir mostra como isso pode ser implementado de forma eficaz com os projetos discutidos acima.

Por meio de um de meus artigos anteriores, entendemos como um OP pode ser usado para criar SPWMs , a mesma teoria pode ser vista aplicada no conceito acima. Dois geradores de ondas triangulares são usados ​​aqui, um aceitando a onda quadrada rápida da astável inferior, enquanto o outro aceitando ondas quadradas lentas da astável superior e as processando nas saídas de onda triangular rápida e lenta correspondentes, respectivamente.

Essas ondas triangulares processadas são alimentadas pelas duas entradas de um opamp, que finalmente as converte em SPWMs ou larguras de pulso de onda senoidal.

Esses SPWMs são usados ​​para cortar os sinais na porta dos mosfets que, em última análise, alternam a forma de onda sobre o enrolamento do transformador conectado para criar uma réplica exata de uma forma de onda senoidal pura no lado secundário do transformador por meio de indução magnética.