Um inversor de onda senoidal usando funções de amplificador de classe D convertendo uma pequena frequência de entrada de onda senoidal em PWMs senoidal equivalente, que é finalmente processado por um driver BJT de ponte H para gerar a saída CA de onda senoidal da rede elétrica de uma fonte de bateria CC.
O que é Amplificador Classe-D
O princípio de funcionamento de um amplificador classe D é realmente simples, mas extremamente eficaz. Um sinal analógico de entrada, como um sinal de áudio ou uma forma de onda senoidal de um oscilador, é dividido em PWMs equivalentes, também chamados de SPWM.
Esses PWMs ou SPWMs equivalentes senoidais são alimentados a um estágio BJT de potência, onde são amplificados com alta corrente e aplicados ao primário de um transformador elevador.
O transformador finalmente transforma o SPWM senoidal equivalente em 220V ou 120V de onda senoidal AC, cuja forma de onda está exatamente de acordo com o sinal de onda senoidal de entrada do oscilador.
Vantagens do Inversor Classe-D
A principal vantagem de um inversor classe D é sua alta eficiência (quase 100%) a um custo razoavelmente baixo.
Os amplificadores de classe D são fáceis de construir e configurar, o que permite ao usuário produzir inversores de onda senoidal eficientes e de alta potência rapidamente, sem muitos aborrecimentos técnicos.
Como os BJTs precisam trabalhar com PWMs, isso permite que eles sejam mais frios e eficientes, e isso, por sua vez, permite que trabalhem com dissipadores de calor menores.
Um projeto prático
Um projeto prático de circuito inversor classe-D pode ser visto no diagrama a seguir:
O funcionamento do inversor pwm classe D é bastante simples. O sinal de onda senoidal é amplificado pelo estágio do amplificador operacional A1 para níveis adequados para acionar os interruptores eletrônicos ES1—ES4.
As chaves eletrônicas ES1—ES4 abrem e fecham fazendo com que pulsos retangulares sejam gerados através das bases da ponte dos transistores T1—T4 alternadamente.
O PWM ou a largura dos pulsos é modulado pelo sinal senoidal de entrada, resultando em PWMs equivalente senoidal alimentados aos transistores de potência e ao transformador, produzindo em última análise a rede senoidal CA pretendida de 220V ou 120V na saída do secundário do transformador .
O fator de serviço de um sinal retangular produzido a partir das saídas ES1—ES4 é modulado pela amplitude do sinal de onda senoidal de entrada amplificado, o que causa um sinal SPWM de comutação de saída proporcional à onda senoidal RMS. Assim, o tempo de ativação do pulso de saída está de acordo com a amplitude instantânea do sinal senoidal de entrada.
O intervalo do período de comutação do tempo ligado e do tempo desligado juntos determina a frequência que será constante.
Consequentemente, um sinal retangular de tamanho uniforme (onda quadrada) é criado na ausência de um sinal de entrada.
Como forma de obter uma onda senoidal razoavelmente boa na saída do transformador, a frequência da onda retangular de ES1 deve ser pelo menos duas vezes maior que a frequência mais alta no sinal senoidal de entrada.
Interruptores eletrônicos como amplificadores
O funcionamento padrão do amplificador PWM é implementado pelos 4 interruptores eletrônicos feitos em torno de ES1—ES4. Supondo que a entrada do amplificador operacional no nível zero, faça com que o capacitor C7 seja carregado via R8, até que a tensão em C7 atinja o nível suficiente para ligar ES1.
ES1 agora fecha e começa a descarregar C7 até que seu nível caia abaixo do nível de ES1. ES1 agora desliga iniciando o carregamento C7 novamente, e o ciclo liga/desliga rapidamente a uma taxa de 50 kHz, conforme determinado pelos valores de C7 e R8.
Agora, se considerarmos a presença de uma onda senoidal na entrada do amplificador operacional, ela efetivamente causa uma variação forçada no ciclo de carga de C7, fazendo com que a comutação PWM de saída ES1 seja modulada conforme a sequência de subida e descida do sinal de onda senoidal.
As ondas retangulares de saída do ES1 agora produzem SPWM cujo fator de serviço agora varia de acordo com o sinal senoidal de entrada.
Isso resulta em um SPWM equivalente de onda senoidal a ser alternadamente comutado pela ponte T1—T4, que por sua vez comuta o primário do transformador para gerar a rede CA necessária dos fios secundários do transformador.
Como a tensão CA secundária é criada de acordo com a comutação SPWM primária, a CA resultante é uma onda senoidal CA perfeitamente equivalente do sinal senoidal de entrada.
Oscilador de onda senoidal
Conforme discutido acima, o amplificador inversor classe D precisará de uma entrada de sinal de onda senoidal de um circuito gerador de onda senoidal.
A imagem a seguir mostra um circuito gerador de onda senoidal de transistor único muito simples que pode ser efetivamente integrado ao inversor PWM.
A frequência do gerador de onda senoidal acima é em torno de 250 Hz, mas precisaremos que seja em torno de 50 Hz, o que pode ser alterado alterando os valores de C1—C3 e R3, R4 adequadamente.
Uma vez definida a frequência, a saída deste circuito pode ser vinculada à entrada C1, C2 da placa do inversor.
Projeto de PCB e fiação do transformador
Lista de peças
Transformador: corrente de 0-9V/220V, dependerá da potência dos transistores e da classificação Ah da bateria
Especificações:
O inversor PWM classe D proposto é um pequeno protótipo de amostra de teste de 10 watts. A saída baixa de 10 watts é devido ao uso de transistor de baixa potência para T1—T4.
A potência de saída pode ser facilmente atualizada para 100 watts, substituindo os transistores por pares complementares TIP147/TIP142.
Ele pode ser aumentado para níveis ainda mais altos usando uma linha BUS DC mais alta para os transistores, em qualquer lugar entre 12V e 24V
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