O post 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 conhecer os fatores que normalmente tornam um inversor de onda senoidal mais desejável do que um projeto de onda quadrada.
Como funciona a frequência em inversores
Os inversores basicamente envolvem frequência ou oscilações para implementar as ações de boost 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 50Hz ou 50 pulsos positivos por segundo.
A forma de onda de 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 CA (corrente alternada) que adquirimos em nossa tomada de rede doméstica também consiste em frequência de corrente pulsante, mas estas são na forma de ondas senoidais ou ondas senoidais.
É normalmente a 50Hz ou 60Hz, dependendo das especificações do utilitário do país específico.
A curva senoidal acima mencionada de nossa forma de onda CA doméstica refere-se aos picos de tensão exponencialmente crescentes que constituem os 50 ciclos da frequência.
Como nossa CA doméstica é gerada por meio de turbinas magnéticas, a forma de onda é inerentemente uma onda senoidal, portanto, não requer nenhum processamento adicional e se torna diretamente utilizável 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 minucioso para tornar a unidade compatível com todos os tipos de equipamentos.
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 da raiz quadrada média podem não ser idênticos. Este aspecto é o que torna uma onda quadrada particularmente diferente de uma onda senoidal, mesmo que o valor de pico possa ser o mesmo.
Portanto, um inversor de onda quadrada trabalhando com 12V DC geraria uma saída equivalente a 330V, assim como um inversor de onda senoidal operando com a mesma bateria, mas se você medir a saída RMS de ambos os inversores, ela diferiria significativamente (330V e 220V).
A imagem mostra incorretamente 220V como 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 excesso de RMS que precisa ser nivelado para que ambos os valores de RMS fiquem o mais próximo possível.
Converter um inversor de onda quadrada em um equivalente de onda senoidal basicamente significa permitir que o inversor de onda quadrada produza o valor de pico necessário de, digamos, 330V, mas tendo um RMS quase igual à sua contraparte de onda senoidal.
Como converter/modificar uma forma de onda quadrada para uma forma de onda senoidal equivalente
Isso pode ser feito tanto esculpindo uma amostra de onda quadrada em uma forma de onda senoidal, ou simplesmente cortando uma forma de onda quadrada de amostra em pedaços menores bem calculados, de modo que seu RMS fique muito próximo de um valor RMS padrão da rede elétrica.
Para esculpir 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 para o grau RMS necessário.
Um exemplo clássico é mostrado abaixo:
O primeiro diagrama mostra um circuito inversor de onda quadrada. Ao adicionar um simples chopper AMV, podemos quebrar os pulsos na base dos mosfets relevantes no grau necessário.
Onda quadrada modificada para versão de inversor equivalente de onda senoidal do circuito acima.
Aqui o AMV inferior gera pulsos de alta frequência cuja relação marca/espaço pode ser alterada adequadamente com a ajuda do pré-ajuste VR1. Esta saída controlada por PWM é aplicada às portas dos mosfets para adequar sua condução ao valor RMS estipulado.
Padrão de forma de onda típico esperado da modificação acima:
Forma de onda nas portas mosfet:
Forma de onda na saída do transformador:
Forma de onda após filtragem 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 mosfet de 30V, 10amp, canal N.
D1, D2 = 1N4148
VR1 = predefinição de 47K
Transformador = 9-0-9V, 8 amp (as especificações devem ser selecionadas de acordo com a carga de saída para otimização de potência correta)
Bateria = 12V,10AH
Obtendo uma melhor taxa de eficiência
A conversão ou modificação explicada 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 da modificação de uma forma de onda quadrada em uma forma de onda senoidal usando um par de IC555.
A saída do circuito acima mencionado 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 equivalentes precisos de onda senoidal modificada com base em PWM 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 cortando 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 obter um equivalente de onda senoidal adequado.
Para satisfazer esta condição, um circuito conversor SPWM torna-se essencial para esculpir a forma de onda senoidal mais ideal do inversor.
A ideia básica é cortar os dispositivos de potência de saída com modulação de largura de pulso de onda senoidal, de modo que os dispositivos de potência forcem o enrolamento do transformador a também oscilar no modo SPWM e, finalmente, gerar uma onda senoidal pura otimizada no lado secundário. A indução magnética do SPWM pulsado através do enrolamento do transformador finalmente adquire a forma de uma onda senoidal pura devido à filtração indutiva do enrolamento do transformador.
O diagrama a seguir mostra como isso pode ser efetivamente implementado com o conceito discutido acima.
Através de um dos meus artigos anteriores, entendemos como um opamp 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 do astável inferior, enquanto o outro aceita as ondas quadradas lentas do astável superior e as processa 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 através de indução magnética.
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FONTE
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