Circuito inversor de onda sinusoidal en cascada multinivel de 5 pasos

En este artículo aprendemos cómo hacer un circuito inversor en cascada de varios niveles (5 pasos) utilizando un concepto muy simple desarrollado por mí. Aprendamos más sobre los detalles.

El concepto de circuito

En este sitio web hasta ahora he desarrollado, diseñado e introducido muchos circuitos inversores de onda sinusoidal utilizando conceptos sencillos y componentes ordinarios como IC 555, que resultan estar más orientados a resultados en lugar de ser complejos y llenos de confusión teórica.

He explicado cuán simple El amplificador de audio de alta potencia se puede convertir en un inversor de onda sinusoidal pura , y también he cubierto exhaustivamente sobre los inversores de onda sinusoidal que utilizan conceptos de SPWM

También hemos aprendido a través de este sitio web sobre cómo convertir cualquier inversor cuadrado en un inversor de onda sinusoidal pura diseño.

Al evaluar los circuitos inversores de onda sinusoidal anteriores utilizando PWM sinusoidales equivalentes, entendemos que la forma de onda de los SPWM no coincide directamente o coincide con una forma de onda sinusoidal real, sino que ejecutan el efecto de onda sinusoidal o los resultados interpretando el valor RMS de la onda sinusoidal real. C.A.

Aunque SPWM puede considerarse una forma eficaz de replicar e implementar una onda sinusoidal razonablemente pura, el hecho de que no simule ni coincida con una onda sinusoidal real hace que el concepto sea un poco sofisticado, especialmente si se compara con un inversor de onda sinusoidal en cascada de 5 niveles. concepto.

Podemos comparar y analizar los dos tipos de conceptos de simulación de ondas sinusoidales haciendo referencia a las siguientes imágenes:

Imagen de forma de onda en cascada multinivel

Podemos ver claramente que el concepto en cascada multinivel de 5 pasos produce una simulación más obvia y efectiva de una onda sinusoidal real que el concepto SPWM que se basa únicamente en hacer coincidir el valor RMS con la magnitud de la onda sinusoidal original.

El diseño de un inversor de onda sinusoidal en cascada de 5 niveles convencional puede ser bastante complejo, pero el concepto que se explica aquí facilita la implementación y emplea componentes ordinarios.

Diagrama de circuito

NOTA: Agregue un capacitor de 1uF / 25 a través de las líneas de los pines # 15 y # 16 de los circuitos integrados; de lo contrario, la secuenciación no se iniciará.
Refiriéndonos a la imagen de arriba, podemos ver cómo simplemente se puede implementar prácticamente el concepto de inversor en cascada de 5 niveles utilizando solo un transformador de derivación múltiple, un par de circuitos integrados 4017 y 18 BJT de potencia, que podrían reemplazarse fácilmente con mosfets si es necesario.

Aquí, un par de circuitos integrados 4017, que son los chips divisores de contador de 10 etapas de Johnson, se conectan en cascada para producir altos lógicos de ejecución o persecución secuencial a través de los pines mostrados de los circuitos integrados.

Operación del circuito

Esta lógica de ejecución secuencial se utiliza para activar los BJT de potencia conectados en la misma secuencia que, a su vez, conmuta el devanado del transformador en un orden que hace que el transformador produzca una especie de forma de onda sinusoidal equivalente en cascada.

El transformador forma el corazón del circuito y emplea un primario especialmente herido con 11 tomas. Estos grifos se extraen simplemente de manera uniforme de un solo devanado calculado largo.

Los BJT asociados con uno de los circuitos integrados conmutan una de las mitades del transformador a través de 5 tomas que permiten la generación de 5 pasos de nivel, que constituyen un medio ciclo de la forma de onda de CA, mientras que los BJT asociados con los otros circuitos integrados realizan la misma función de dar forma. hasta la mitad inferior del ciclo de CA en forma de onda en cascada de 5 niveles.

Los circuitos integrados funcionan mediante señales de reloj aplicadas a la posición indicada en el circuito, que podría adquirirse de cualquier circuito estándar 555 IC astable.

Los primeros 5 conjuntos de BJT forman los 5 niveles de la forma de onda, los 4 BJT restantes cambian de la misma forma en orden inverso para completar la forma de onda en cascada que tiene un total de 9 rascacielos.

Estos rascacielos se forman produciendo niveles de voltaje ascendente y descendente mediante la conmutación del devanado correspondiente del transformador que se clasifican en los niveles de voltaje relevantes.

Por ejemplo, el devanado n. ° 1 podría tener una clasificación de 150 V con respecto a la toma central, el devanado n. ° 2 a 200 V, el devanado n. ° 3 a 230 V, el devanado n. ° 4 a 270 V y el devanado n. ° 5 a 330 V, por lo que cuando estos se conmutan secuencialmente por el conjunto de los 5 BJT mostrados, obtenemos los primeros 5 niveles de la forma de onda, luego, cuando estos devanados se cambian a la inversa por los siguientes 4 BJT, crea las formas de onda descendentes de 4 niveles, completando así el medio ciclo superior de 220V AC.

Lo mismo se repite con los otros 9 BJT asociados con el otro 4017 IC que da lugar a la mitad inferior de la CA en cascada de 5 niveles, que completa una forma de onda CA completa de la salida requerida de 220 V CA.

Detalles del bobinado del transformador:

Como se puede observar en el diagrama anterior, el transformador es un tipo de núcleo de hierro ordinario, hecho enrollando el primario y el secundario con espiras correspondientes a las tomas de voltaje indicadas.

Cuando se conecta con los BJT correspondientes, se puede esperar que estos devanados induzcan un nivel de 5 o un total de 9 niveles de forma de onda en cascada en el que el primer devanado de 36 V correspondería e induciría un 150 V, el 27 V induciría un equivalente de 200 V, mientras que el de 20 V, 27V, 36V serían responsables de producir 230V, 270V y 330V a través del devanado secundario en el formato en cascada propuesto.

El conjunto de taps en el lado inferior del primario llevaría a cabo la conmutación para completar 4 niveles ascendentes de la forma de onda.

Un procedimiento idéntico sería repetido por los 9 BJT asociados con el 4017 IC complementario para construir el semiciclo negativo de la CA ... el negativo se representa debido a la orientación opuesta del devanado del transformador con respecto a la toma central.

Actualizar:

Diagrama de circuito completo del circuito inversor de onda sinusoidal multinivel discutido

NOTA: Agregue un capacitor de 1uF / 25 a través de las líneas de los pines # 15 y # 16 de los circuitos integrados; de lo contrario, la secuenciación no se iniciará.
El potenciómetro de 1M asociado con el circuito 555 deberá ajustarse para configurar una frecuencia de 50Hz o 60Hz para el inversor según las especificaciones del país del usuario.

Lista de partes

Todas las resistencias no especificadas son de 10 k, 1/4 vatios
Todos los diodos son 1N4148
Todos los BJT son TIP142
Los circuitos integrados son 4017

Notas para el circuito inversor de onda sinusoidal en cascada multinivel de 5 pasos:

La prueba y verificación del diseño anterior fue realizada con éxito por el Sr. Sherwin Baptista, quien es uno de los entusiastas seguidores del sitio web.

1. Decidimos el suministro de entrada al inversor --- 24V @ 18Ah @ 432Wh

2. Habrá un problema de RUIDO generado en todo el proceso de construcción de este inversor. Para resolver el problema del ruido generado y amplificado muy fácilmente

A. Decidimos filtrar la señal de salida de IC555 en el momento en que se produce en el pin 3, al hacerlo, se puede obtener una onda cuadrada más limpia.

B. Decidimos usar FERRITE BEADS en las respectivas salidas de IC4017 para mejorar el filtrado antes de que la señal se envíe a los transistores del amplificador.

C. Decidimos utilizar DOS TRANSFORMADORES y mejorar el filtrado entre ambos en el circuito.

3. Los datos de la etapa del oscilador:

Esta etapa propuesta es la etapa principal del circuito inversor. Produce los pulsos necesarios a una frecuencia determinada para que funcione el transformador. Consta de transistores de potencia IC555, IC4017 y amplificador.

A. IC555:

Este es un chip temporizador de bajo consumo fácil de usar y tiene una gran variedad de proyectos que se pueden hacer con él. En este proyecto de inversor lo configuramos en modo astable para generar ondas cuadradas. Aquí establecemos la frecuencia a 450Hz ajustando el potenciómetro de 1 megaohmio y confirmando la salida con un medidor de frecuencia.

B. IC4017:

Este es un chip lógico de contador divisor de 10 etapas de Jhonson que es muy famoso en circuitos secuenciales / en ejecución de luces intermitentes / perseguidoras LED. Aquí está configurado de forma inteligente para ser utilizado en una aplicación de inversor. Proporcionamos estos 450Hz generados por IC555 a las entradas de IC4017. Este IC hace el trabajo de dividir la frecuencia de entrada en 9 partes, cada una de las cuales da como resultado una salida de 50 Hz.
Ahora los pines de salida de ambos 4017 tienen una señal de reloj de 50 Hz que se ejecuta continuamente hacia adelante y hacia atrás.

C.Los transistores de potencia del amplificador:

Estos son los transistores de alta potencia que introducen la energía de la batería en los devanados del transformador de acuerdo con la señal que reciben. Dado que las corrientes de salida de los 4017 son demasiado bajas, no podemos alimentarlas directamente al transformador. Por lo tanto, necesitamos algún tipo de amplificador que convierta las señales de baja corriente del 4017 en señales de alta corriente que luego puedan pasarse al transformador para su posterior funcionamiento.

Estos transistores se calentarían durante el funcionamiento y necesariamente necesitarían disipador de calor.
Uno podría usar un disipador de calor separado para cada transistor, por lo tanto, debe asegurarse de que el
Los disipadores de calor no se tocan entre sí.

O

Se podría usar una sola pieza larga de disipador de calor para colocar todos los transistores en él. Entonces uno debería
aislar térmica y eléctricamente la pestaña central de cada transistor para que no toque el disipador de calor en

para evitar que se produzcan cortocircuitos. Esto se puede hacer usando el kit de aislamiento de mica.

4. Luego viene el transformador de primera etapa:

A. Aquí empleamos el primario de múltiples derivaciones a un transformador secundario de dos cables. A continuación, encontramos los voltios por toma para preparar el voltaje primario.

---PASO 1---

Tomamos en consideración el voltaje DC de entrada que es de 24V. Dividimos esto con 1.4142 y encontramos su equivalente AC RMS que es 16.97V ~
Redondeamos la cifra RMS anterior que resulta en 17V ~

---PASO 2---

Luego dividimos RMS 17V ~ por 5 (ya que necesitamos cinco voltajes de tap) y obtenemos RMS 3.4V ~
Tomamos la cifra RMS final por 3,5 V ~ y multiplicarla por 5 nos da 17,5 V ~ como una cifra redonda.
Al final, encontramos los voltios por toque, que es RMS 3.5V ~

B. Decidimos mantener el voltaje secundario en RMS 12V ~ es decir, 0-12V se debe a que podemos obtener una salida de amperaje mayor a 12V ~

C. Entonces tenemos la clasificación del transformador como se muestra a continuación:
Primario de múltiples tomas: 17.5 --- 14 --- 10.5 --- 7 --- 3.5 --- 0 --- 3.5 --- 7 --- 10.5 --- 14 --- 17.5V @ 600W / 1000 VA
Secundario: 0 --- 12V @ 600W / 1000VA.
Conseguimos este transformador enrollado por un distribuidor de transformadores local.

5. Ahora sigue el circuito LC principal:

Un circuito LC que se conoce como dispositivo de filtro tiene aplicaciones robustas en circuitos convertidores de potencia.
Al usarse en una aplicación de inversor, generalmente se requiere para romper los picos afilados

de cualquier forma de onda generada y ayuda a convertirla en una forma de onda más suave.

Aquí, en la sección secundaria del transformador anterior siendo 0 --- 12V, esperamos un multinivel
forma de onda cuadrada en cascada en la salida. Así que empleamos un circuito LC de 5 etapas para obtener una forma de onda equivalente a SINEWAVE.

Los datos para el circuito LC son los siguientes:

A) Todos los inductores deben ser de 500uH (microhenry) 50A con NÚCLEO DE HIERRO LAMINADO EI.
B) Todos los condensadores deben ser de tipo NO POLAR 1uF 250V.

Tenga en cuenta que hacemos hincapié en el circuito LC de 5 etapas y no solo en una o dos etapas, de modo que podemos obtener una forma de onda mucho más limpia en la salida con una distorsión armónica menor.

6. Ahora viene el segundo y último transformador de etapa:

Este transformador es responsable de convertir la salida de la red LC, es decir, RMS 12V ~ a 230V ~
Este transformador se clasificaría de la siguiente manera:
Primario: 0 --- 12V @ 600W / 1000VA
Secundario: 230V @ 600W / 1000VA.

Aquí, NO se requeriría NINGUNA red LC adicional en la salida final de 230 V para más filtrado, ya que ya filtramos cada etapa de cada salida procesada al principio.
La SALIDA ahora será una ONDA SINusoidal.

ALGO BUENO es que NO HAY NINGÚN RUIDO en la salida final de este inversor y
Se pueden utilizar dispositivos sofisticados.

Pero una cosa que debe tener en cuenta la persona que opera el inversor es NO SOBRECARGAR EL INVERSOR y mantener la carga de energía de los dispositivos sofisticados operando en límites.

Algunas correcciones que se deben hacer en el diagrama de circuito se dan a continuación:

1. El regulador IC7812 debe tener condensadores de derivación conectados. Debe montarse en un
DISIPADOR DE CALOR, ya que se calentaría durante el funcionamiento.

2. El temporizador IC555 debe seguir una resistencia en serie antes de que su señal pase a los diodos.
El valor de la resistencia debe ser 100E. IC se calienta si la resistencia no está conectada.

En conclusión, tenemos 3 etapas de filtrado propuestas:

1. La señal generada por IC555 en el pin 3 se filtra a tierra y luego pasa a la resistencia
y luego a los diodos.

2. Cuando las señales de funcionamiento salen de los pines relevantes de IC4017, conectamos perlas de ferrita antes
pasando la señal a la resistencia.
3. La etapa de filtrado final se emplea entre ambos transformadores.

Cómo calculé el devanado del transformador

Hoy quisiera compartir algo contigo.

Cuando se trataba de enrollar el núcleo de hierro, no sabía nada sobre las especificaciones de rebobinado, ya que descubrí muchos parámetros y cálculos relacionados con ellos.

Entonces, para el artículo anterior, le di las especificaciones básicas a la persona de trafo winder y él solo me preguntó:

a) Toma de voltaje de entrada y salida si es necesario,
b) La corriente de entrada y salida,
c) La potencia total,
d) ¿Necesita un dispositivo de sujeción externo atornillado al trafo?
e) ¿Quiere un fusible conectado internamente en el lado del transformador de 220V?
f) ¿Quiere que los cables estén conectados al trafo O simplemente mantenga el cable esmaltado en el exterior con material de disipador adicional?
g) ¿Quiere que el núcleo esté conectado a tierra con un cable externo conectado?
h) ¿Quiere que el NÚCLEO DE HIERRO esté protegido barnizado y pintado con óxido negro?

Finalmente, me aseguró una prueba de seguridad completa para que el transformador sea del tipo hecho a pedido una vez que esté listo y tomará un lapso de 5 días completarlo hasta que se proporcione un pago parcial.
El pago parcial fue (aproximadamente) de una cuarta parte del costo total propuesto dictado por la persona del enrollador.

Mis respuestas a las preguntas anteriores son:

NOTA: Para evitar confusiones de cableado, asumo que el trafo está hecho para un propósito: TRANSFORMADOR DE PASO ABAJO donde el primario es el lado de alto voltaje y el secundario es el lado de bajo voltaje.

a) Entrada primaria 0-220V, 2 hilos.
17.5 --- 14 --- 10.5 --- 7 --- 3.5 --- 0 --- 3.5 --- 7 --- 10.5 --- 14 --- 17.5V salida secundaria multi-tap, 11- alambres.

b) La corriente de entrada primaria: 4.55A a 220V La corriente de salida: 28.6 Amps en el secundario de múltiples tomas @ voltaje de extremo a extremo 35V… ..en lo que se refiere al cálculo.

Le dije que necesitaba 5 amperios a 220 V (230 máx.), Es decir, entrada principal y 32 amperios a 35 V, es decir, salida secundaria de múltiples tomas.

c) Inicialmente le dije 1000VA pero basándome en el cálculo de voltios por amperios y redondeando cifras decimales, la potencia fue a 1120VA +/- 10%. Me proporcionó un valor de tolerancia de seguridad para el lado de 220 V.

d) Sí. Necesito una instalación fácil en un gabinete de metal.

e) No. Le dije que colocaría uno en el exterior para facilitar el acceso cuando se desprenda accidentalmente.

f) Le dije que mantuviera el cable esmaltado en el exterior para que el lado secundario de múltiples tomas se disipara adecuadamente por seguridad y en el lado primario solicité que se conectaran los cables.

g) Sí. Necesito que el núcleo esté conectado a tierra por razones de seguridad. Por lo tanto, conecte un cable externo.

h) Sí. Le pedí que proporcionara la protección necesaria para los estampados del núcleo.

Estas fueron la interacción entre él y yo para el transformador de tipo hecho a pedido propuesto.

ACTUALIZAR:

En el diseño en cascada de 5 pasos anterior, implementamos el corte de 5 pasos a través del lado de CC del transformador, que parece ser un poco ineficiente. Esto se debe a que la conmutación podría resultar en una pérdida significativa de energía a través del EMF trasero del transformador, y esto necesitará que el transformador sea enormemente grande.

Una mejor idea podría ser oscilar el lado de CC con un inversor de puente completo de 50 Hz o 60 Hz y cambiar el lado de CA secundario con nuestras salidas IC 4017 secuenciales de 9 pasos usando triacs, como se muestra a continuación. Esta idea reduciría los picos y los transitorios y permitiría que el inversor tuviera una ejecución más suave y eficiente de la forma de onda sinusoidal de 5 pasos. Los triacs serán menos vulnerables a la conmutación, en comparación con los transistores del lado de CC.