Circuito inversor de núcleo de ferrita de 5kva: diagrama de trabajo completo con detalles de cálculo

Circuito inversor de núcleo de ferrita de 5kva: diagrama de trabajo completo con detalles de cálculo

En esta publicación discutimos la construcción de un circuito inversor de 5000 vatios que incorpora un transformador de núcleo de ferrita y, por lo tanto, es enormemente compacto que los contrapartes de núcleo de hierro convencionales.

Diagrama de bloques

Tenga en cuenta que puede convertir este inversor de núcleo de ferrita a cualquier potencia deseada, desde 100 vatios a 5 kva o según sus preferencias.

Comprender el diagrama de bloques anterior es bastante simple:



La entrada de CC, que podría ser a través de una batería o panel solar de 12V, 24V o 48V, se aplica a un inversor basado en ferrita, que la convierte en una salida de alta frecuencia de 220V CA, a unos 50 kHz.

Pero dado que la frecuencia de 50 kHz puede no ser adecuada para nuestros electrodomésticos, necesitamos convertir esta CA de alta frecuencia en los 50 Hz / 220 V necesarios o 120 V CA / 60 Hz.

Esto se implementa a través de una etapa de inversor de puente H, que convierte esta alta frecuencia en salida en los 220 V CA deseados.

Sin embargo, para esto, la etapa de puente en H necesitaría un valor pico de 220 V RMS, que es de alrededor de 310 V CC.

Esto se logra utilizando una etapa de puente rectificador, que convierte los 220 V de alta frecuencia en 310 V CC.

Finalmente, esta tensión de bus de 310 V CC se convierte de nuevo a 220 V 50 Hz utilizando el puente H.

También podemos ver una etapa de oscilador de 50 Hz alimentada por la misma fuente de CC. Este oscilador es en realidad opcional y puede ser necesario para circuitos de puente H que no tienen su propio oscilador. Por ejemplo, si usamos un puente en H basado en transistores, es posible que necesitemos esta etapa de oscilador para operar los mosfets del lado alto y bajo en consecuencia.


ACTUALIZAR: Es posible que desee pasar directamente a la nueva actualización ' DISEÑO SIMPLIFICADO ', cerca del final de este artículo, que explica una técnica de un solo paso para obtener una salida de onda sinusoidal de 5 kva sin transformador en lugar de pasar por un proceso complejo de dos pasos como se explica en los conceptos siguientes:


Un diseño simple de inversor Cote de ferrita

Antes de conocer la versión de 5kva, aquí hay un diseño de circuito más simple para los recién llegados. Este circuito no emplea ningún controlador IC especializado, sino que funciona solo con MOSFETS de canal n y un etapa de arranque.

El diagrama de circuito completo se puede ver a continuación:

Diseño de inversor de cote de ferrita simple

Especificaciones del MOSFET IRF740 de 400 V y 10 amperios

En el circuito inversor de ferrita simple de 12 V a 220 V CA anterior, podemos ver que se está utilizando un módulo convertidor de CC de 12 V a 310 V listo para usar. Esto significa que no tiene que hacer un transformador complejo basado en núcleo de ferrita. Para los nuevos usuarios, este diseño puede ser muy beneficioso, ya que pueden construir rápidamente este inversor sin depender de cálculos complejos, y selecciones de núcleo de ferrita.

Requisitos previos de diseño de 5 kva

Primero debe encontrar una fuente de alimentación de 60 V CC para alimentar el circuito inversor de 5 kVA propuesto. La intención es diseñar un inversor de conmutación que convierta el voltaje de CC de 60 V a 310 V más altos con una corriente más baja.

La topología que se sigue en este escenario es la topología push-pull que utiliza un transformador en una relación de 5:18. Para la regulación de voltaje que pueda necesitar y el límite de corriente, todos están alimentados por una fuente de voltaje de entrada. También a la misma velocidad, el inversor acelera la corriente permitida.

Cuando se trata de una fuente de entrada de 20 A, es posible obtener de 2 a 5 A. Sin embargo, el voltaje de salida máximo de este inversor de 5 kva es de alrededor de 310 V.

Especificaciones del transformador de ferrita y Mosfet

En cuanto a la arquitectura, el transformador Tr1 tiene 5 + 5 espiras primarias y 18 secundarias. Para la conmutación, es posible usar 4 + 4 MOSFET (tipo IXFH50N20 (50A, 200V, 45mR, Cg = 4400pF). También es libre de usar MOSFET de cualquier voltaje con Uds 200V (150V) junto con la menor resistencia conductiva. La resistencia de la puerta utilizada y su eficiencia en velocidad y capacidad deben ser excelentes.

La sección de ferrita Tr1 está construida alrededor de ferrita de 15x15 mm c. El inductor L1 está diseñado con cinco anillos de polvo de hierro que se pueden enrollar como cables. Para el núcleo del inductor y otras partes asociadas, siempre puede obtenerlo de inversores antiguos (56v / 5V) y dentro de sus etapas de amortiguación.

Uso de un circuito integrado de puente completo

Para circuitos integrados, se puede implementar el IC IR2153. Las salidas de los circuitos integrados se pueden ver almacenadas en búfer con etapas BJT. Además, debido a la gran capacitancia de la puerta involucrada, es importante usar los búferes en forma de pares complementarios de amplificadores de potencia, un par de transistores BD139 y BD140 NPN / PNP hacen bien el trabajo.

El CI alternativo puede ser SG3525

También puede intentar utilizar otros circuitos de control como SG3525 . Además, puede alterar el voltaje de la entrada y trabajar en conexión directa con la red para fines de prueba.

La topología utilizada en este circuito tiene la facilidad de aislamiento galvánico y la frecuencia de operación es de alrededor de 40 kHz. En caso de que haya planeado usar el inversor para una operación pequeña, no enfríe, pero para una operación más prolongada asegúrese de agregar un agente de enfriamiento usando ventiladores o disipadores de calor grandes. La mayor parte de la energía se pierde en los diodos de salida y el voltaje Schottky baja alrededor de 0.5V.

La entrada de 60V se puede adquirir poniendo 5 nos de baterías de 12V en serie, la clasificación Ah de cada batería debe ser de 100 Ah.

HOJA DE DATOS IR2153

No utilice BD139 / BD140, en su lugar utilice BC547 / BC557, para la etapa del controlador anterior.

Etapa de 330 V de alta frecuencia

Los 220 V obtenidos a la salida de TR1 en el circuito inversor de 5 kva anterior todavía no se pueden utilizar para el funcionamiento de aparatos normales, ya que el contenido de CA estaría oscilando a la frecuencia de entrada de 40 kHz. Para convertir los 220 V CA de 40 kHz anteriores en 220 V 50 Hz o una CA de 120 V 60 Hz, se requerirían etapas adicionales como se indica a continuación:

Primero, el 220V 40kHz deberá rectificarse / filtrarse a través de un puente rectificador compuesto por diodos de recuperación rápida clasificados en alrededor de 25 amperios 300V y condensadores de 10uF / 400V.

Conversión de 330 V CC en 50 Hz 220 V CA

A continuación, este voltaje rectificado que ahora ascendería a alrededor de 310 V tendría que pulsarse a los 50 o 60 Hz requeridos a través de otro circuito inversor de puente completo como se muestra a continuación:

Los terminales marcados como 'carga' ahora podrían usarse directamente como la salida final para operar la carga deseada.

Aquí los mosfets podrían ser IRF840 o cualquier tipo equivalente servirá.

Cómo enrollar el transformador de ferrita TR1

El transformador TR1 es el dispositivo principal que es responsable de aumentar el voltaje a 220 V a 5 kva, al estar basado en un núcleo de ferrita, está construido sobre un par de núcleos de ferrita EE como se detalla a continuación:

Dado que la potencia involucrada es masiva en alrededor de 5kvs, los núcleos E deben ser de un tamaño formidable, se podría probar un núcleo E de ferrita tipo E80.

Recuerde que es posible que tenga que incorporar más de 1 núcleo E, puede haber 2 o 3 núcleos E juntos, colocados uno al lado del otro para lograr la potencia de salida masiva de 5KVA del conjunto.

Use el más grande que pueda estar disponible y enrolle las 5 + 5 vueltas usando 10 números de alambre de cobre súper esmaltado 20 SWG, en paralelo.

Después de 5 vueltas, detenga el devanado primario, aísle la capa con una cinta aislante y comience las 18 vueltas secundarias sobre estas 5 vueltas primarias. Utilice 5 hebras de cobre súper esmaltado 25 SWG en paralelo para enrollar las espiras secundarias.

Una vez que se completen las 18 vueltas, termínelo a través de los cables de salida de la bobina, aísle con cinta y enrolle las 5 vueltas primarias restantes para completar el construcción TR1 con núcleo de ferrita . No olvide unir el final de los primeros 5 giros con el inicio del devanado primario de los 5 primeros giros.

Método de ensamblaje E-Core

El siguiente diagrama da una idea de cómo se puede utilizar más de 1 núcleo E para implementar el diseño de transformador de inversor de ferrita de 5 KVA mencionado anteriormente:

Núcleo de ferrita E80

Comentarios del Sr. Sherwin Baptista

Estimados,

En el proyecto anterior para el transformador, no utilicé ningún espaciador entre las piezas del núcleo, el circuito funcionó bien con el trafo cool mientras estaba en funcionamiento. Siempre he preferido un núcleo de IE.

Siempre rebobinaba los trafos según mis datos calculados y luego los usaba.

Tanto más como el trafo es un núcleo EI, separar las piezas de ferrita fue bastante fácil que eliminar un núcleo EE.

También intenté abrir los trafos del núcleo EE pero, por desgracia, terminé rompiendo el núcleo mientras lo separaba.

Nunca pude abrir un núcleo EE sin romper el núcleo.

Según mis hallazgos, algunas cosas diría en conclusión:

--- Las fuentes de alimentación con trafos de núcleo no abiertos funcionaron mejor. (Estoy describiendo el trafo de una antigua fuente de alimentación atx para PC, ya que solo las usé. Las fuentes de alimentación para PC no fallan tan fácilmente a menos que sea un condensador quemado o algo más.) ---

--- Aquellos suministros que tenían trafos con espaciadores delgados a menudo se decoloraban y fallaban en silencio temprano (esto lo supe por experiencia ya que hasta la fecha compré muchos suministros de energía de segunda mano solo para estudiarlos) ---

--- Las fuentes de alimentación mucho más baratas con marcas como CC 12v 5a, 12v 3a ACC12v 3a RPQ 12v 5a todas

Tales tipos de trafos de ferrita tenían trozos de papel más gruesos entre los núcleos y todos fallaron mal !!! ---

En FINAL, el trafo central EI35 funcionó mejor (sin mantener el espacio de aire) en el proyecto anterior.

Detalles de la preparación del circuito del inversor de núcleo de ferrita de 5kva:

Paso 1:

  • Usando 5 baterías de plomo ácido selladas de 12v 10Ah
  • Voltaje total = 60v Voltaje real
  • = Voltaje de carga completa 66v (13.2v cada batería)
  • = 69v Voltaje de carga de nivel lento.

Paso 2:

Después del cálculo del voltaje de la batería, tenemos 66 voltios a 10 amperios cuando está completamente cargada.

  • Luego viene el suministro de energía a ic2153.
  • El 2153 tiene un máximo de pinza ZENER de 15.6v entre Vcc y Gnd.
  • Entonces usamos el famoso LM317 para suministrar energía regulada de 13v al ic.

Paso 3:

El regulador lm317 tiene los siguientes paquetes

  1. LM317LZ --- 1.2-37v 100ma a-92
  2. LM317T --- 1.2-37v 1.5amp a-218
  3. LM317AHV --- 1.2-57v 1.5amp a-220

Usamos lm317ahv en el que 'A' es el código de sufijo y 'HV' es el paquete de alto voltaje,

dado que el regulador ic anterior puede soportar un voltaje de entrada de hasta 60v y un voltaje de salida de 57 voltios.

Paso 4:

  • No podemos suministrar el 66v directamente al paquete lm317ahv ya que su entrada es un máximo de 60v.
  • Por lo tanto, empleamos DIODOS para reducir el voltaje de la batería a un voltaje seguro para alimentar el regulador.
  • Necesitamos bajar unos 10v de forma segura desde la entrada máxima del regulador que es de 60v.
  • Por lo tanto, 60v-10v = 50v
  • Ahora, la entrada máxima segura al regulador desde los diodos debe ser de 50 voltios.

Paso 5:

  • Usamos el diodo 1n4007 normal para reducir el voltaje de la batería a 50 V,
  • Como es un diodo de silicio, la caída de voltaje de cada uno es de aproximadamente 0,7 voltios.
  • Ahora calculamos la cantidad requerida de diodos que necesitamos, lo que reduciría el voltaje de la batería a 50 voltios.
  • voltaje de la batería = 66v
  • Tensión de entrada calc.max al chip regulador = 50v
  • Entonces, 66-50 = 16v
  • Ahora, ¿0,7 *? = 16v
  • Dividimos 16 entre 0,7, que es 22,8, es decir, 23.
  • Entonces necesitamos incorporar alrededor de 23 diodos ya que la caída total de estos asciende a 16.1v
  • Ahora, el voltaje de entrada seguro calculado para el regulador es 66v - 16.1v, que es 49.9v aprox. 50v

Paso 6:

  • Suministramos 50v al chip regulador y ajustamos la salida a 13v.
  • Para mayor protección, utilizamos perlas de ferrita para cancelar cualquier ruido no deseado en el voltaje de salida.
  • El regulador debe montarse en un disipador de calor de tamaño apropiado para mantenerlo fresco.
  • El capacitor de tantalio conectado al 2153 es un capacitor importante que asegura que ic obtenga una CC suave del regulador.
  • Su valor se puede reducir de 47uf a 1uf 25v de forma segura.

Paso 7:

  • El resto del circuito recibe 66 voltios y los puntos de transporte de alta corriente en el circuito deben estar conectados con cables de calibre pesado.
  • Para el transformador su primario debe ser de 5 + 5 vueltas y el secundario de 20 vueltas.
  • La frecuencia del 2153 debe establecerse en 60 KHz.

Paso 8:

El circuito convertidor de ca de alta frecuencia a ca de baja frecuencia que utiliza el chip irs2453d debe conectarse correctamente como se muestra en el diagrama.

Finalmente completado .

Hacer una versión de PWM

La siguiente publicación analiza otra versión de un circuito inversor de onda sinusoidal PWM de 5kva que utiliza un transformador de núcleo de ferrita compacto. La idea fue solicitada por el Sr. Javeed.

Especificaciones técnicas

Estimado señor, ¿podría modificar su salida con la fuente PWM y facilitar el uso de un diseño tan económico y económico para personas necesitadas en todo el mundo como nosotros? Espero que considere mi solicitud. Gracias, cariñoso lector.

El diseño

En la publicación anterior, presenté un circuito inversor de 5kva basado en núcleo de ferrita, pero como es un inversor de onda cuadrada, no se puede usar con los diversos equipos electrónicos y, por lo tanto, su aplicación puede estar restringida solo con las cargas resistivas.

Sin embargo, el mismo diseño podría convertirse en un inversor de onda sinusoidal equivalente a PWM inyectando una alimentación PWM en los mosfets del lado bajo como se muestra en el siguiente diagrama:

El pin SD del IC IRS2153 se muestra erróneamente conectado con Ct, asegúrese de conectarlo con la línea de tierra.

Sugerencia: la etapa IRS2153 podría reemplazarse fácilmente con Etapa IC 4047 , en caso de que el IRS2153 parezca difícil de obtener.

Como podemos ver en el circuito inversor de 5kva basado en PWM anterior, el diseño es exactamente similar a nuestro circuito inversor de 5kva original anterior, excepto la etapa de alimentación de búfer PWM indicada con los mosfets del lado bajo de la etapa del controlador del puente H.

La inserción de alimentación PWM se puede adquirir a través de cualquier estándar Circuito generador PWM con IC 555 o usando multivibrador astable transistorizado.

Para una replicación de PWM más precisa, también se puede optar por un Generador PWM de oscilador Bubba para obtener el PWM con el diseño de inversor de onda sinusoidal de 5 kva que se muestra arriba.

Los procedimientos de construcción para el diseño anterior no son diferentes al diseño original, la única diferencia es la integración de las etapas amortiguadoras BC547 / BC557 BJT con los mosfets del lado bajo de la etapa IC del puente completo y la alimentación PWM.

Otro diseño compacto

Una pequeña inspección demuestra que, en realidad, la etapa superior no tiene por qué ser tan compleja.

El circuito generador de 310 V CC podría construirse utilizando cualquier otro circuito basado en un oscilador alternativo. A continuación se muestra un diseño de ejemplo en el que se emplea un medio puente IC IR2155 como oscilador en forma de vaivén.

Circuito convertidor de 310 V CC a 220 V CA

Nuevamente, no hay un diseño específico que pueda ser necesario para la etapa del generador de 310 V, puede probar cualquier otra alternativa según su preferencia, algunos ejemplos comunes son IC 4047, IC 555, TL494, LM567, etc.

Detalles del inductor para el transformador de ferrita de 310 V a 220 V anterior

Devanado inductor de ferrita para 330 V CC de batería de 12 V

Diseño simplificado

En los diseños anteriores hasta ahora, hemos discutido un inversor sin transformador bastante complejo que involucró dos pasos elaborados para obtener la salida final de la red de CA. En estos pasos, primero se necesita transformar la CC de la batería en una CC de 310 V a través de un inversor de núcleo de ferrita, y luego se debe cambiar la CC de 310 V a 220 V RMS a través de una red de puente completo de 50 Hz.

Como sugirió uno de los ávidos lectores en la sección de comentarios (Sr. Ankur), el proceso de dos pasos es excesivo y simplemente no es necesario. En cambio, la sección del núcleo de ferrita se puede modificar adecuadamente para obtener la onda sinusoidal de 220 V CA requerida, y la sección MOSFET de puente completo puede eliminarse.

La siguiente imagen muestra una configuración simple para ejecutar la técnica explicada anteriormente:

NOTA: El transformador es un transformador de núcleo de ferrita que debe calcular apropiadamente D

En el diseño anterior, el IC 555 del lado derecho está cableado para generar señales oscilatorias básicas de 50 Hz para la conmutación del MOSFET. También podemos ver una etapa de amplificador operacional, en la que esta señal se extrae de la red de temporización de los circuitos integrados RC en forma de ondas triangulares de 50 Hz y se alimenta a una de sus entradas para comparar la señal con las señales de una onda triangular rápida de otro IC 555 circuito astable. Estas ondas triangulares rápidas pueden tener una frecuencia de entre 50 kHz y 100 kHz.

El amplificador operacional compara las dos señales para generar una frecuencia SPWM modulada equivalente a una onda sinusoidal. Este SPWM modulado se alimenta a las bases de los BJT del controlador para cambiar los MOSFET a una velocidad SPWM de 50 kHz, modulada a 50 Hz.

Los MOSFEts, a su vez, cambian el transformador de núcleo de ferrita adjunto con la misma frecuencia modulada SPWM para generar la salida de onda sinusoidal pura deseada en el secundario del transformador.

Debido a la conmutación de alta frecuencia, esta onda sinusoidal puede estar llena de armónicos no deseados, que se filtran y suavizan a través de un condensador de 3 uF / 400 V para obtener una salida de onda sinusoidal de CA razonablemente limpia con la potencia deseada, dependiendo del transformador y el especificaciones de energía de la batería.

El IC 555 del lado derecho que genera las señales portadoras de 50 Hz puede ser reemplazado por cualquier otro IC de oscilador favorable como IC 4047, etc.

Diseño de inversor de núcleo de ferrita con circuito transistorizado

El siguiente concepto muestra cómo se podría construir un inversor con núcleo de ferrita usando un par de circuitos astables basados ​​en transistores ordinarios y un transformador de ferrita.

Esta idea fue solicitada por algunos de los seguidores dedicados de este blog, a saber, el Sr. Rashid, el Sr. Sandeep y también algunos lectores más.

Concepto de circuito

Inicialmente, no pude entender la teoría detrás de estos inversores compactos que eliminaron por completo los voluminosos transformadores de núcleo de hierro.

Sin embargo, después de pensarlo un poco, parece que he logrado descubrir el principio muy simple asociado con el funcionamiento de tales inversores.

Últimamente, los inversores chinos de tipo compacto se han vuelto bastante famosos solo por sus tamaños compactos y elegantes que los hacen extraordinariamente ligeros y, sin embargo, enormemente eficientes con sus especificaciones de potencia de salida.

Inicialmente pensé que el concepto era inviable, porque según yo, el uso de pequeños transformadores de ferrita para aplicaciones de inversores de baja frecuencia parecía muy imposible.

Los inversores para uso doméstico requieren 50/60 Hz y para implementar un transformador de ferrita necesitaríamos frecuencias muy altas, por lo que la idea parecía muy complicada.

Después de pensarlo un poco, me sorprendió y me alegró descubrir una idea simple para implementar el diseño. Se trata de convertir el voltaje de la batería a voltaje de red de 220 o 120 a una frecuencia muy alta, y cambiar la salida a 50/60 HZ utilizando una etapa mosfet push-pull.

Cómo funciona

Mirando la figura podemos simplemente presenciar y descifrar la idea completa. Aquí, el voltaje de la batería se convierte primero en pulsos PWM de alta frecuencia.

Estos pulsos se descargan en un transformador de ferrita elevador que tiene la clasificación apropiada requerida. Los pulsos se aplican usando un mosfet para que la corriente de la batería se pueda utilizar de manera óptima.

El transformador de ferrita aumenta el voltaje a 220 V en su salida. Sin embargo, dado que este voltaje tiene una frecuencia de alrededor de 60 a 100 kHz, no se puede usar directamente para operar los electrodomésticos y, por lo tanto, necesita un procesamiento adicional.

En el siguiente paso, este voltaje se rectifica, filtra y convierte a 220 V CC. Esta CC de alto voltaje se conmuta finalmente a una frecuencia de 50 Hz para que pueda utilizarse para el funcionamiento de los electrodomésticos.

Tenga en cuenta que aunque el circuito ha sido diseñado exclusivamente por mí, no ha sido probado en la práctica, hágalo bajo su propio riesgo y solo si tiene suficiente confianza en las explicaciones dadas.

Diagrama de circuito
Lista de piezas para circuito inversor de núcleo de ferrita compacto de 12 V CC a 220 V CA.
  • R3 --- R6 = 470 ohmios
  • R9, R10 = 10K,
  • R1, R2, C1, C2 = calcular para generar una frecuencia de 100 kHz.
  • R7, R8 = 27K
  • C3, C4 = 0,47 uF
  • T1 ---- T4 = BC547,
  • T5 = cualquier mosfet de canal N de 30 V 20 A,
  • T6, T7 = cualquiera, 400 V, mosfet de 3 amperios.
  • Diodos = recuperación rápida, tipo de alta velocidad.
  • TR1 = primario, 13 V, 10 amperios, secundario = 250-0-250, 3 amperios. Transformador de ferrita de núcleo electrónico ... solicite ayuda a un diseñador experto en bobinadoras y transformadores.

A continuación se muestra una versión mejorada del diseño anterior. La etapa de salida aquí está optimizada para una mejor respuesta y más potencia.

Versión mejorada



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