O artigo explica um circuito estabilizador de tensão de rede de modo de comutação de estado sólido sem relés, usando um conversor de reforço de núcleo de ferrite e um par de circuitos de driver de mosfet de meia ponte. A ideia foi solicitada pelo Sr. McAnthony Bernard.
Especificações técnicas
Ultimamente, comecei a olhar para o uso de estabilizadores de tensão em casa para regular o fornecimento de serviços públicos, aumentando a tensão quando o serviço está baixo e diminuindo quando o serviço está alto.
Ele é construído em torno do transformador de rede (núcleo de ferro) enrolado no estilo do transformador automático com muitas torneiras de 180v, 200v, 220v, 240v 260v etc.
o circuito de controle com a ajuda de relés seleciona a derivação certa para a saída. eu acho que você está familiarizado com este dispositivo.
Comecei a pensar em implementar a função deste dispositivo com SMPS. Que terá o benefício de fornecer 220vac constante e frequência estável de 50hz sem usar relés.
Anexei neste e-mail o diagrama de blocos do conceito.
Por favor, deixe-me saber o que você pensa, se faz algum sentido seguir esse caminho.
Será que realmente funcionará e servirá ao mesmo propósito? .
Também vou precisar de sua ajuda na seção de conversores DC para DC de alta tensão.
Cumprimentos
McAnthony Bernard
O design
O circuito estabilizador de tensão de rede baseado em núcleo de ferrite de estado sólido proposto sem relés pode ser entendido consultando o diagrama a seguir e a explicação subsequente.
RVCC = 1K,1watt, CVCC = 0,1uF/400V, CBOOT = 1uF/400V
A figura acima mostra a configuração real para implementar uma saída estabilizada de 220 V ou 120 V, independentemente das flutuações de entrada ou sobrecarga, usando alguns estágios do processador do conversor boost não isolados.
Aqui, dois ICs mosfet de driver de meia ponte tornam-se os elementos cruciais de todo o design. Os CIs envolvidos são os versáteis IRS2153 que foram projetados especificamente para acionar mosfets em modo meia ponte sem a necessidade de circuitos externos complexos.
Podemos ver dois estágios de driver de meia ponte idênticos incorporados, onde o driver do lado esquerdo é usado como o estágio do driver de reforço, enquanto o lado direito é configurado para processar a tensão de reforço em uma saída de onda senoidal de 50Hz ou 60Hz em conjunto com um controle de tensão externo o circuito.
Os CIs são programados internamente para produzir um ciclo de trabalho fixo de 50% nas pinagens de saída por meio de uma topologia de totem. Essas pinagens são conectadas aos mosfets de energia para implementar as conversões pretendidas. Os CIs também são caracterizados com um oscilador interno para habilitar a frequência necessária na saída, a taxa da frequência é determinada por uma rede Rt/Ct conectada externamente.
Usando o recurso de desligamento
O IC também possui um recurso de desligamento que pode ser usado para interromper a saída em caso de sobrecorrente, sobretensão ou qualquer situação catastrófica repentina.
Para mais informações sobre thé ICs de driver de meia ponte, você pode consultar para este artigo: Driver Mosfet de meia ponte IC IRS2153(1)D – Pinagem, Notas de Aplicação Explicadas
As saídas destes CIs são extremamente balanceadas devido a um bootstrapping interno altamente sofisticado e processamento de tempo morto que garantem uma operação perfeita e segura dos dispositivos conectados.
No circuito estabilizador de tensão de rede SMPS discutido, o estágio do lado esquerdo é usado para gerar cerca de 400 V de uma entrada de 310 V derivada da retificação da entrada de 220 V da rede.
Para uma entrada de 120V, o estágio pode ser configurado para gerar cerca de 200V através do indutor mostrado.
O indutor pode ser enrolado em qualquer conjunto de bobina/núcleo EE padrão usando 3 fios paralelos (bifilares) de fio de cobre superesmaltado de 0,3 mm e aproximadamente 400 voltas.
Selecionando a Frequência
A frequência deve ser ajustada selecionando corretamente os valores de Rt/Ct de forma que uma alta frequência de cerca de 70kHz seja alcançada para o estágio do conversor boost esquerdo, através do indutor mostrado.
O driver IC do lado direito está posicionado para trabalhar com os 400V DC acima do conversor boost após a retificação e filtragem apropriadas, como pode ser visto no diagrama.
Aqui os valores de Rt e Ct são selecionados para adquirir aproximadamente 50Hz ou 60Hz (conforme as especificações do país) através da saída de mosfets conectada
No entanto, a saída do estágio do driver do lado direito pode ser tão alta quanto 550V, e isso precisa ser regulado para os níveis seguros desejados, em torno de 220V ou 120V
Para isso, é incluída uma configuração simples do amplificador de erro do amplificador operacional, conforme ilustrado no diagrama a seguir.
Circuito de Correção de Sobretensão
Conforme mostrado no diagrama acima, o estágio de correção de tensão utiliza um simples comparador de opamp para a detecção da condição de sobretensão.
O circuito precisa ser ajustado apenas uma vez para desfrutar de uma tensão estabilizada permanente no nível definido, independentemente das flutuações de entrada ou sobrecarga, no entanto, elas não podem ser excedidas além de um limite tolerável especificado do projeto.
Conforme ilustrado, a alimentação do amplificador de erro é derivada da saída após a retificação apropriada da CA em uma corrente limpa de baixa corrente estabilizada de 12 V CC para o circuito.
o pino 2 é designado como a entrada do sensor para o IC enquanto o pino 3 não inversor é referenciado a 4,7 V fixos por meio de uma rede de diodo zener de fixação.
A entrada de detecção é extraída de um ponto não estabilizado no circuito e a saída do IC é conectada ao pino Ct do IC do driver do lado direito.
Este pino funciona como o pino de desligamento para o IC e assim que experimenta um baixo abaixo de 1/6 de seu Vcc, ele instantaneamente apaga os feeds de saída para os mosfets, desligando os procedimentos para um estado de repouso.
A predefinição associada ao pino 2 do opamp é ajustada adequadamente, de modo que a alimentação CA de saída se estabeleça para 220V da saída disponível de 450V ou 500V, ou para 120V de uma saída de 250V.
Enquanto o pino 2 experimenta uma tensão mais alta em relação ao pino 3, ele continua a manter sua saída baixa, o que, por sua vez, comanda o desligamento do IC do driver, no entanto, o “desligamento” corrige instantaneamente a entrada do opamp, forçando-a para retirar seu sinal baixo de saída, e o ciclo continua corrigindo a saída para os níveis precisos, conforme determinado pela configuração predefinida do pino 2.
O circuito do amplificador de erro continua estabilizando esta saída e como o circuito tem a vantagem de uma margem significativa de 100% entre a tensão da fonte de entrada e os valores de tensão regulados, mesmo sob condições de tensão extremamente baixas as saídas conseguem fornecer a tensão estabilizada fixa à carga independentemente da tensão, o mesmo acontece no caso em que uma carga incompatível ou uma sobrecarga é conectada na saída.
Melhorando o projeto acima:
Uma investigação cuidadosa mostra que o design acima pode ser modificado e melhorado muito para aumentar sua eficiência e qualidade de saída:
- O indutor não é realmente necessário e pode ser removido
- A saída deve ser atualizada para um circuito de ponte completa para que a potência seja ideal para a carga
- A saída deve ser uma onda senoidal pura e não modificada, como pode ser esperado no projeto acima
Todos esses recursos foram considerados e atendidos na seguinte versão atualizada do circuito estabilizador de estado sólido:
Operação do Circuito
- IC1 funciona como um circuito oscilador multivibrador astável normal, cuja frequência pode ser ajustada alterando o valor de R1 adequadamente. Isso decide o número de “pilares” ou “cortar” para a saída SPWM.
- A frequência do IC 1 em seu pino 3 é alimentada ao pino 2 do IC2, que é conectado como um gerador PWM.
- Esta frequência é convertida em ondas triangulares no pino 6 do IC2, que é comparada por uma tensão de amostra no pino 5 do IC2
- O pino 5 do IC2 é aplicado com amostra de onda senoidal na frequência de 100 Hz adquirida do retificador da ponte, depois de reduzir adequadamente a rede para 12V.
- Essas amostras de onda senoidal são comparadas com as ondas triangulares do pino 7 do IC2, o que resulta em um SPWM proporcionalmente dimensionado no pino 3 do IC2.
- Agora, a largura de pulso deste SPWM depende da amplitude das ondas senoidais da amostra do retificador de ponte. Em outras palavras, quando a tensão da rede CA é maior produz SPWMs mais amplos e quando a tensão da rede CA é menor, reduz a largura do SPWM e o torna proporcionalmente mais estreito.
- O SPWM acima é invertido por um transistor BC547 e aplicado às portas dos mosfets do lado baixo de uma rede de driver de ponte completa.
- Isso implica que, quando o nível da rede CA cair, a resposta nos portões mosfet será na forma de SPWMs proporcionalmente mais amplos, e quando a tensão da rede CA aumentar, os portões experimentarão um SPWM proporcionalmente deteriorado.
- A aplicação acima resultará em um aumento de tensão proporcional na carga conectada entre a rede da ponte H sempre que a rede CA de entrada cair e, inversamente, a carga passará por uma queda de tensão proporcional se a CA tender a subir acima do nível de perigo.
Como configurar o circuito
Determine o ponto de transição central aproximado onde a resposta SPWM pode ser idêntica ao nível de CA da rede elétrica.
Suponha que você o selecione para 220V e, em seguida, ajuste a predefinição de 1K de modo que a carga conectada à ponte H receba aproximadamente 220V.
Isso é tudo, a configuração está completa agora, e o resto será feito automaticamente.
Alternativamente, você pode corrigir a configuração acima para o nível de limite de tensão mais baixo da mesma maneira.
Suponha que o limite inferior seja 170V, nesse caso alimente um circuito de 170V e ajuste a predefinição de 1K até encontrar aproximadamente 210V na carga ou entre os braços da ponte H.
Essas etapas concluem o procedimento de configuração e o restante será ajustado automaticamente de acordo com as alterações do nível AC de entrada.
Importante: Por favor, conecte um capacitor de alto valor na ordem de 500uF/400V através da linha retificada CA alimentada à rede da ponte H, para que a CC retificada seja capaz de atingir até 310V CC nas linhas BUS da ponte H.
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FONTE
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