Circuito Estabilizador de Tensão SMPS

O artigo explica um circuito estabilizador de tensão de rede comutada em estado sólido sem relés, usando um conversor de reforço de núcleo de ferrite e um par de circuitos de driver mosfet de meia ponte. A ideia foi solicitada pelo Sr. McAnthony Bernard.

Especificações técnicas

Ultimamente eu comecei a olhar para estabilizadores de tensão usados ​​em casa para regular o fornecimento de energia elétrica , aumentando a tensão quando a concessionária está baixa e diminuindo quando a concessionária está alta.

Ele é construído em torno de um transformador de rede (núcleo de ferro) enrolado no estilo de transformador automático com muitos taps 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 a vantagem de fornecer 220vac constante e frequência estável de 50hz sem o uso de relés.

Anexei a este e-mail o diagrama de blocos do conceito.

Por favor, deixe-me saber o que você pensa, se faz algum sentido seguir esse caminho.

Isso realmente funcionará e servirá ao mesmo propósito? .

Também vou precisar de sua ajuda na seção de conversor DC para DC de alta tensão.

Cumprimentos
McAnthony Bernard

O design

O circuito estabilizador de tensão de rede com base em núcleo de ferrite de estado sólido proposto sem relés pode ser entendido por referência ao 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 a implementação de uma saída estabilizada de 220 V ou 120 V, independentemente das flutuações de entrada ou uma sobrecarga, usando alguns estágios de processador de conversor de reforço não isolados.

Aqui, dois CIs mosfet de driver de meia ponte tornam-se os elementos cruciais de todo o projeto. Os ICs envolvidos são os versáteis IRS2153 que foram projetados especificamente para conduzir mosfets em um modo de 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 de driver de reforço, enquanto o lado direito é configurado para processar a tensão de reforço em uma saída de onda senoidal de 50 Hz ou 60 Hz em conjunto com um controle de tensão externo o circuito.

Os ICs 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 com os mosfets de energia para implementar as conversões pretendidas. Os ICs também possuem 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 paralisar a saída em caso de sobrecorrente, sobretensão ou qualquer situação catastrófica repentina.

Para mais informações sobre o é CIs de driver de meia ponte, você pode consultar a este artigo: Half-Bridge Mosfet Driver IC IRS2153 (1) D - Pinouts, notas de aplicação explicadas

As saídas desses CIs são extremamente balanceadas devido a um bootstraping 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 a partir de uma entrada de 310 V derivada da retificação da entrada de 220 V da rede.

Para uma entrada de 120 V, o estágio pode ser configurado para gerar cerca de 200 V através do indutor mostrado.

O indutor pode ser enrolado sobre qualquer conjunto de núcleo / bobina 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 definida selecionando corretamente os valores de Rt / Ct de forma que uma alta frequência de cerca de 70 kHz seja alcançada para o estágio esquerdo do conversor boost, através do indutor mostrado.

O driver IC do lado direito está posicionado para trabalhar com os 400 Vcc acima do conversor boost após a retificação e filtração apropriadas, como pode ser testemunhado no diagrama.

Aqui, os valores de Rt e Ct são selecionados para adquirir aproximadamente 50 Hz ou 60 Hz (de acordo com as especificações do país) através da saída de mosfets conectados

No entanto, a saída do estágio do driver do lado direito pode ser tão alta quanto 550 V, e isso precisa ser regulado para os níveis de segurança desejados, em torno de 220 V ou 120 V

Para isso, uma configuração simples de amplificador de erro OP é incluída, conforme ilustrado no diagrama a seguir.

Circuito de correção de sobretensão

Conforme mostrado no diagrama acima, o estágio de correção de voltagem utiliza um comparador opamp simples para a detecção da condição de sobretensão.

O circuito precisa ser configurado apenas uma vez para desfrutar de uma tensão estabilizada permanente no nível configurado, independentemente das flutuações de entrada ou de uma sobrecarga, no entanto, estas não podem ser excedidas além de um limite tolerável especificado do projeto.

Conforme ilustrado, a alimentação do amplificador com erro é derivada da saída após a retificação apropriada da CA em uma corrente baixa e limpa estabilizada de 12 V CC para o circuito.

o pino nº 2 é designado como a entrada do sensor para o IC, enquanto o pino não inversor nº 3 é referenciado a 4,7 V fixo 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 do IC e assim que ele experimenta uma baixa abaixo de 1/6 de seu Vcc, ele apaga instantaneamente os feeds de saída para os mosfets encerrando o processo e parando.

O pré-ajuste associado ao pino # 2 do opamp é ajustado apropriadamente de modo que a rede de saída AC se estabeleça para 220V da saída de 450V ou 500V disponível, ou para 120V de uma saída de 250V.

Enquanto o pino 2 experimenta uma tensão mais alta com referência ao pino 3, ele continua a manter sua saída baixa, o que por sua vez comanda o IC do driver para desligar, no entanto, o 'desligamento' corrige instantaneamente a entrada do opamp, forçando-o para retirar seu sinal baixo de saída, e o ciclo continua corrigindo automaticamente 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, uma vez que o circuito tem a vantagem de uma margem significativa de 100% entre a volatilidade da fonte de entrada e os valores de tensão regulados, mesmo sob condições de tensão extremamente baixa, as saídas conseguem fornecer a tensão estabilizada fixa para a carga independentemente da tensão, o mesmo se torna verdadeiro no caso em que uma carga incomparável ou uma sobrecarga é conectada na saída.

Melhorando o Design acima:

Uma investigação cuidadosa mostra que o design acima pode ser modificado e muito melhorado para aumentar sua eficiência e qualidade de saída:

1. O indutor não é realmente necessário e pode ser removido
2. A saída deve ser atualizada para um circuito de ponte completa para que a potência seja ideal para a carga
3. A saída deve ser uma onda senoidal pura e não modificada como pode ser esperado no design acima

Todos esses recursos foram considerados e cuidados na seguinte versão atualizada do circuito estabilizador de estado sólido:

Operação de Circuito

1. O IC1 funciona como um circuito oscilador multivibrador astável normal, cuja frequência pode ser ajustada alterando o valor de R1 de forma adequada. Isso decide o número de 'pilares' ou 'corte' para a saída SPWM.
2. A frequência do IC 1 em seu pino # 3 é alimentada para o pino # 2 do IC2, que é conectado como um gerador PWM.
3. Esta frequência é convertida em ondas triangulares no pino 6 do IC2, que é comparada por uma amostra de tensão no pino 5 do IC2
4. O pino # 5 do IC2 é aplicado com uma onda senoidal de amostra na frequência de 100 Hz adquirida do retificador de ponte, após a redução adequada da rede elétrica para 12V.
5. Essas amostras de ondas senoidais são comparadas com as ondas triangulares do pino nº 7 de IC2, que resultam em um SPWM proporcionalmente dimensionado no pino nº 3 de IC2.
6. 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 mais alta produz SPWMs mais largos e quando a tensão da rede CA é mais baixa, ela reduz a largura do SPWM e a torna mais estreita proporcionalmente.
7. O SPWM acima é invertido por um transistor BC547 e aplicado às portas dos mosfets do lado inferior de uma rede de driver de ponte completa.
8. Isso implica que, quando o nível da rede CA cair, a resposta nas portas mosfet será na forma de SPWMs proporcionalmente mais amplos e, quando a tensão da rede CA aumentar, as portas sofrerão uma deterioração proporcional do SPWM.
9. A aplicação acima resultará em um aumento de tensão proporcional na carga conectada entre a rede H-bridge 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 do SPWM pode ser idêntica ao nível de CA da rede elétrica.

Suponha que você o selecione para 220 V e, em seguida, ajuste o preset de 1K de forma que a carga conectada à ponte H receba aproximadamente 220 V.

Isso é tudo, a configuração está concluída agora e o resto será feito automaticamente.

Alternativamente, você pode corrigir a configuração acima para o nível de limite de tensão inferior da mesma maneira.

Suponha que o limite inferior seja 170 V, nesse caso, alimente 170 V ao circuito e ajuste a predefinição de 1K até encontrar aproximadamente 210 V 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 de CA 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, de modo que a CC retificada seja capaz de alcançar até 310 V CC através das linhas de barramento da ponte H.