Circuito Inversor de Onda Senoidal em Cascata de 5 Etapas Multinível

Neste artigo, aprendemos como fazer um circuito inversor em cascata multinível (5 etapas) usando um conceito muito simples desenvolvido por mim. Vamos aprender mais sobre os detalhes.

O Conceito de Circuito

Neste site, até agora, desenvolvi, projetei e apresentei muitos circuitos inversores de onda senoidal usando conceitos simples e componentes comuns, como IC 555, que por acaso são mais orientados para os resultados em vez de serem complexos e cheios de misturas teóricas.

Eu expliquei como simplesmente um amplificador de áudio de alta potência pode ser convertido em um inversor de onda senoidal pura , e eu também cobri de forma abrangente sobre inveteres de onda senoidal usando conceitos SPWM

Também aprendemos através deste site sobre como converter qualquer inversor quadrado em um inversor de onda senoidal pura Projeto.

Avaliando os circuitos do inversor de onda senoidal acima usando PWMs equivalentes de seno, entendemos que a forma de onda dos SPWMs não correspondem ou coincidem diretamente com uma forma de onda senoidal real, em vez disso executam o efeito da onda senoidal ou os resultados interpretando o valor RMS da onda senoidal real AC

Embora o SPWM possa ser considerado uma maneira eficaz de replicar e implementar uma onda senoidal razoavelmente pura, o fato de não simular ou coincidir com uma onda senoidal real torna o conceito um pouco menos sofisticado, especialmente se comparado a um inversor de onda senoidal em cascata de 5 níveis. conceito.

Podemos comparar e analisar os dois tipos de conceitos de simulação de onda senoidal, referindo-se às seguintes imagens:

Imagem de forma de onda em cascata multinível

Podemos ver claramente que o conceito em cascata multinível de 5 etapas produz uma simulação mais óbvia e eficaz de uma onda senoidal real do que o conceito SPWM, que se baseia exclusivamente em combinar o valor RMS com a magnitude da onda senoidal original.

Projetar um inversor de onda senoidal em cascata de 5 níveis convencional pode ser bastante complexo, mas o conceito explicado aqui torna a implementação mais fácil e emprega componentes comuns.

Diagrama de circuito

NOTA: Por favor, adicione um capacitor de 1uF / 25 nas linhas dos pinos 15 e 16 dos ICs, caso contrário, o sequenciamento não será iniciado.
Referindo-se à imagem acima, podemos ver como o conceito de inversor em cascata de 5 níveis pode ser praticamente implementado usando apenas um transformador muti-tap, um par de 4017 ICs e 18 BJTs de potência, que podem ser facilmente substituídos por mosfets, se necessário.

Aqui, um par de 4017 ICs que são chips contadores divisores de 10 estágios de Johnson, são colocados em cascata para produzir uma execução sequencial ou perseguição de altos lógicos através das pinagens mostradas dos ICs.

Operação de Circuito

Essas lógicas de execução sequencial são usadas para disparar os BJTs de energia conectados na mesma sequência que, por sua vez, alternam o enrolamento do transformador em uma ordem que faz com que o transformador produza um tipo em cascata de forma de onda sinusoidal equivalente.

O transformador forma o coração do circuito e emprega um primário especialmente ferido com 11 derivações. Essas derivações são simplesmente extraídas uniformemente de um único enrolamento longo calculado.

Os BJTs associados a um dos ICs trocam uma das metades do transformador através de 5 taps permitindo a geração de 5 etapas de nível, constituindo um meio ciclo da forma de onda AC, enquanto os BJTs associados aos outros ICs têm a mesma função de modelar na metade inferior do ciclo AC na forma de onda em cascata de 5 níveis.

Os ICs são executados por sinais de relógio aplicados à posição indicada no circuito, que pode ser adquirido de qualquer circuito padrão 555 IC astável.

Os primeiros 5 conjuntos de BJTs criam os 5 níveis da forma de onda, os 4 BJTs restantes alternam o mesmo na ordem inversa para completar a forma de onda em cascata com um total de 9 arranha-céus.

Esses arranha-céus são formados pela produção de níveis de tensão ascendente e descendente pela comutação do enrolamento correspondente do transformador, que são classificados nos níveis de tensão relevantes

Por exemplo, o enrolamento # 1 poderia ser classificado em 150 V em relação à derivação central, o enrolamento # 2 em 200 V, o enrolamento # 3 em 230 V, o enrolamento # 4 em 270 V e o enrolamento # 5 em 330 V, então, quando estes são alternados sequencialmente por o conjunto dos 5 BJTs mostrados, obtemos os primeiros 5 níveis da forma de onda, em seguida, quando esses enrolamentos são invertidos pelos 4 BJTs seguintes, ele cria as formas de onda descendentes de 4 níveis, completando assim a metade superior do ciclo de 220 Vca.

O mesmo é repetido pelos outros 9 BJTs associados ao outro 4017 IC, dando origem à metade inferior da CA em cascata de 5 níveis, que completa uma forma de onda CA completa da saída 220 V CA necessária.

Detalhes do enrolamento do transformador:

Como pode ser observado no diagrama acima, o transformador é um tipo de núcleo de ferro comum, feito enrolando o primário e o secundário com espiras correspondentes às tomadas de tensão indicadas.

Quando conectado com os BJTs correspondentes, pode-se esperar que esse enrolamento induza um nível de 5 ou um total de 9 níveis de forma de onda em cascata, em que o primeiro enrolamento de 36V corresponderia e induziria a 150 V, o 27V induziria um equivalente a 200 V, enquanto o 20 V, 27V, 36V seriam responsáveis ​​pela produção de 230V, 270V e 330V através do enrolamento secundário no formato em cascata proposto.

O conjunto de taps no lado inferior do primário realizaria a comutação para completar 4 níveis ascendentes da forma de onda.

Um procedimento idêntico seria repetido pelos 9 BJTs associados ao IC complementar 4017 para construir o semiciclo negativo do AC ... o negativo é processado devido à orientação oposta do enrolamento do transformador em relação à derivação central.

Atualizar:

Diagrama de circuito completo do circuito inversor de onda sinusoidal multinível discutido

NOTA: Por favor, adicione um capacitor de 1uF / 25 nas linhas dos pinos 15 e 16 dos ICs, caso contrário, o sequenciamento não será iniciado.
O potenciômetro de 1M associado ao circuito 555 precisará ser ajustado para configurar uma frequência de 50 Hz ou 60 Hz para o inversor de acordo com as especificações do país do usuário.

Lista de Peças

Todos os resistores não especificados são 10k, 1/4 watt
Todos os diodos são 1N4148
Todos os BJTs são TIP142
ICs são 4017

Observações para o circuito inversor de onda senoidal em cascata multinível de 5 etapas:

O teste e a verificação do design acima foram conduzidos com sucesso pelo Sr. Sherwin Baptista, que é um dos seguidores fervorosos do site.

1. Nós decidimos a alimentação de entrada para o inversor --- 24V @ 18Ah @ 432Wh

2. Haverá um problema de RUÍDO gerado em todo o processo de construção deste inversor. Para resolver a questão do ruído gerado e amplificado com muita facilidade

A. Decidimos filtrar o sinal de saída do IC555 no momento em que ele é produzido no pino 3, fazendo isso uma onda quadrada mais limpa pode ser obtida.

B. Decidimos usar FERRITE BEADS nas respectivas saídas do IC4017 para melhorar a filtragem antes que o sinal seja enviado para os transistores do amplificador.

C. Decidimos usar DOIS TRANSFORMADORES e melhorar a filtragem entre os dois no circuito.

3. Os dados do estágio do oscilador:

Esta etapa proposta é a etapa principal do circuito inversor. Ele produz os pulsos necessários em uma determinada frequência para o transformador operar. Ele consiste em IC555, IC4017 e Transistores de potência do amplificador.

A. IC555:

Este é um chip temporizador de baixa potência fácil de usar e tem uma grande variedade de projetos que podem ser feitos com ele. Neste projeto de inversor, nós o configuramos no modo astável para gerar ondas quadradas. Aqui, definimos a frequência em 450 Hz ajustando o potenciômetro de 1 megaohm e confirmando a saída com um medidor de frequência.

B. IC4017:

Este é um chip lógico divisor de contador de 10 estágios da Jhonson que é muito famoso em circuitos de pisca-pisca / perseguidor de LED sequencial / em execução. Aqui, ele é configurado de forma inteligente para ser usado em uma aplicação de inversor. Fornecemos esse 450 Hz gerado pelo IC555 para as entradas do IC4017. Este IC faz o trabalho de quebrar a frequência de entrada em 9 partes, cada uma resultando em uma saída de 50Hz.
Agora, os pinos de saída de ambos os 4017s estão tendo um sinal de clock de 50 Hz continuamente avançando e retrocedendo.

C. Os Transistores de Potência do Amplificador:

Estes são os transistores de alta potência que puxam a energia da bateria para os enrolamentos do transformador de acordo com o sinal que os alimenta. Como as correntes de saída do 4017s são muito baixas, não podemos alimentá-las diretamente no transformador. Portanto, precisamos de algum tipo de amplificador que converta os sinais de baixa corrente do 4017s em sinais de alta corrente que podem então ser passados ​​para o transformador para operação posterior.

Esses transistores esquentariam durante a operação e necessariamente precisariam ser aquecidos.
Pode-se usar dissipadores de calor separados para cada transistor, portanto, deve-se garantir que o
dissipadores de calor não se tocam.

OU

Alguém poderia usar um único pedaço longo de dissipador de calor para encaixar todos os transistores nele. Então deve-se
isolar térmica e eletricamente a aba central de cada transistor de tocar o dissipador de calor

a fim de evitar que entrem em curto. Isso pode ser feito usando o kit de isolamento de mica.

4. Em seguida, vem o transformador de primeiro estágio:

A. Aqui nós empregamos o transformador primário multitap para um transformador secundário de dois fios. Em seguida, encontramos os volts por tap para preparar a tensão primária.

---PASSO 1---

Levamos em consideração a tensão DC de entrada que é 24V. Dividimos isso com 1,4142 e encontramos seu equivalente AC RMS que é 16,97V ~
Nós arredondamos o valor RMS acima, o que resulta em 17V ~

---PASSO 2---

Em seguida, dividimos RMS 17V ~ por 5 (já que precisamos de cinco tensões de derivação) e obtemos RMS 3,4V ~
Pegamos o valor RMS final por 3,5 V ~ e multiplicando por 5 nos dá 17,5 V ~ como um número redondo.
No final, encontramos o Volts Per Tap que é RMS 3,5V ~

B. Decidimos manter a tensão secundária em RMS 12V ~ ou seja, 0-12V é porque podemos obter uma saída de amperagem mais alta em 12V ~

C. Portanto, temos a classificação do transformador conforme abaixo:
Multi-tapped Primary: 17,5 --- 14 --- 10,5 --- 7 --- 3,5 --- 0 --- 3,5 --- 7 --- 10,5 --- 14 --- 17,5V @ 600W / 1000VA
Secundário: 0 --- 12 V @ 600 W / 1000 VA.
Temos este transformador enrolado por um revendedor local de transformadores.

5. Agora segue o circuito LC principal:

Um circuito LC conhecido como dispositivo de filtro tem aplicações robustas em circuitos conversores de energia.
Sendo usado em uma aplicação de inversor, geralmente é necessário para quebrar os picos agudos

de qualquer forma de onda gerada e ajuda a convertê-la em uma forma de onda mais suave.

Aqui na seção secundária do transformador acima sendo 0-12V, esperamos um multinível
forma de onda quadrada em cascata na saída. Portanto, empregamos um circuito LC de 5 estágios para obter uma forma de onda equivalente ao SINEWAVE.

Os dados para o circuito LC são os seguintes:

A) Todos os indutores devem ser de 500uH (microhenry) 50A e IRON CORE EI LAMINADO.
B) Todos os capacitores devem ser do tipo 1uF 250V NONPOLAR.

Observe que enfatizamos o circuito LC de 5 estágios e não apenas um ou dois estágios, de modo que podemos obter uma forma de onda muito mais limpa na saída com menos distorção harmônica.

6. Agora vem o segundo e último estágio do transformador:

Este transformador é responsável por converter a saída da rede LC, ou seja, RMS 12V ~ para 230V ~
Este transformador seria classificado como abaixo:
Primário: 0 --- 12V @ 600W / 1000VA
Secundário: 230V @ 600W / 1000VA.

Aqui, NENHUMA rede LC adicional seria necessária na saída 230 V final para mais filtragem, uma vez que já filtramos cada estágio de cada saída processada no início.
O OUTPUT agora será uma SINEWAVE.

Uma coisa BOA é que NÃO HÁ NENHUM RUÍDO na saída final deste inversor e
dispositivos sofisticados podem ser operados.

Mas uma coisa que deve ser mantida em mente pela pessoa que opera o inversor é NÃO SOBRECARREGAR O INVERSOR e manter a carga de energia de dispositivos sofisticados operando dentro de limites.

Algumas correções a serem feitas no diagrama de circuito são fornecidas como em:

1. O regulador IC7812 deve ter capacitores de bypass conectados. Deve ser montado em um
HEATSINK porque aquece durante o funcionamento.

2. O temporizador IC555 deve seguir uma resistência em série antes que seu sinal passe para os diodos.
O valor da resistência deve ser 100E. O IC fica quente se o resistor não estiver conectado.

Em conclusão, temos 3 estágios de filtro propostos:

1. O sinal gerado pelo IC555 no pino 3 é filtrado para o aterramento e então passado para o resistor
e depois para os diodos.

2. Conforme os sinais de execução saem dos pinos relevantes do IC4017, conectamos os grânulos de ferrite antes
passando sinal para resistor.
3. O estágio final do filtro é empregado entre os dois transformadores

Como calculei o enrolamento do transformador

Eu gostaria de compartilhar algo com você hoje.

Quando se tratava de bobinar núcleo de ferro, eu não sabia nada sobre especificações de rebobinagem, pois descobri que muitos parâmetros e cálculos são usados ​​nelas.

Então, para o artigo acima, dei as especificações básicas para o enrolador de trafo e ele apenas me perguntou:

a) A derivação de tensão de entrada e saída, se necessário,
b) A corrente de entrada e saída,
c) O poder total,
d) Necessita de dispositivo de fixação externo aparafusado ao trafo?
e) Você quer um fusível conectado internamente no lado 220V do transformador?
f) Você deseja que os fios sejam conectados ao trafo OU simplesmente mantenha o fio esmaltado do lado de fora com o material do dissipador adicionado?
g) Você deseja que o núcleo seja aterrado com um fio externo conectado?
h) Deseja que o FERRO CORE seja protegido, envernizado e pintado com óxido preto?

Finalmente, ele me garantiu um teste completo de segurança para o transformador ser do tipo feito sob encomenda, uma vez pronto e levará 5 dias para ser concluído até que o pagamento parcial seja fornecido.
O pagamento parcial foi (em aproximadamente) um quarto do custo total proposto ditado pelo enrolador.

Minhas respostas às perguntas acima são:

NOTA: Para evitar confusões na fiação, suponho que o trafo seja feito para um propósito: TRANSFORMADOR DESCIDA, onde o primário é o lado da alta tensão e o secundário é o lado da baixa tensão.

a) Entrada primária 0-220 V, 2 fios.
17,5 --- 14 --- 10,5 --- 7 --- 3,5 --- 0 --- 3,5 --- 7 --- 10,5 --- 14 --- Saída secundária multi-derivada de 17,5 V, 11- fios.

b) A corrente de entrada primária: 4,55 A a 220 V A corrente de saída: 28,6 Amps no secundário multitapado @ tensão de ponta a ponta de 35 V ... onde o cálculo está em causa.

Eu disse a ele que preciso de 5 amperes a 220 V (230. Máx.), Ou seja, entrada primária e 32 amperes a 35 V, ou seja, saída secundária multitapping.

c) Eu inicialmente disse a ele 1000VA, mas com base no cálculo de volt vezes ampere e arredondando os números decimais, a potência foi para 1120VA +/- 10%. Ele me forneceu um valor de tolerância de segurança para o lado de 220V.

d) Sim. Eu preciso de uma fácil fixação no gabinete de metal.

e) Não. Eu disse a ele que colocarei um externamente para facilitar o acesso quando ele explodir acidentalmente.

f) Eu disse a ele para manter o fio esmaltado do lado de fora para o lado secundário multi-derivado sendo adequadamente dissipado por segurança e no lado primário eu solicitei que os fios fossem conectados.

g) Sim. Preciso que o núcleo seja aterrado por razões de segurança. Portanto, conecte um fio externo.

h) Sim. Solicitei a ele que fornecesse a proteção necessária para as peças estampadas.

Essas foram as interações entre mim e ele para o transformador do tipo feito sob encomenda proposto.

ATUALIZAR:

No projeto em cascata de 5 etapas acima, implementamos o corte de 5 etapas no lado CC do transformador, que parece ser um pouco ineficiente. É porque a comutação pode resultar em uma quantidade significativa de energia perdida através do EMF de volta do transformador, e isso exigirá que o transformador seja extremamente grande.

Uma ideia melhor poderia ser oscilar o lado CC com um inversor de ponte completa de 50 Hz ou 60 Hz e alternar o lado CA secundário com nossas saídas IC 4017 sequenciais de 9 etapas usando triacs, como mostrado abaixo. Essa ideia reduziria picos e transientes e permitiria ao inversor uma execução mais suave e eficiente da forma de onda senoidal de 5 etapas. Os triacs serão menos vulneráveis ​​à comutação, em comparação com os transistores no lado CC.