Circuito di inverter con onda sinusoidale H con Arduino

Comprendere il design del circuito

Se non vuoi leggere l'intera spiegazione, puoi invece guardare questo video:

Ora vediamo il diagramma del circuito qui sotto e impariamo come funziona effettivamente questa cosa. Vediamo le seguenti parti principali nel circuito:

Arduino Board - Questo è il nostro cervello. Dà impulsi SPWM che decidono come funzionerà il nostro circuito.

IR2110 MOSFET Driver ICS (IC1 e IC2) -Questi dispositivi prendono i segnali SPWM standard da Arduino e li rendono compatibili per cambiare correttamente i MOSfet H-Bridge a 4 canali N, usando il metodo di bootstrap.

Mosfets (Q1, Q2, Q3, Q4) - Questi sono gli interruttori di alimentazione. Accendono e si spegne l'accensione DC in un modo specifico per creare AC all'uscita.

Diodi (1N4007) e condensatori - Questi sono per consentire il funzionamento corretto della rete di bootstrap degli IC per la perfetta commutazione dei 4 MOSFET.

Altri condensatori e resistori - Questi sono piccoli ma molto importanti perché continuano a funzionare senza intoppi.

Alimentazione elettrica - Abbiamo bisogno di +12V e +5 V per Arduino e ICS IR2110 e un'alta tensione CC per i MOSFET, secondo le specifiche di carico.

Cosa sta succedendo nel circuito?

Ora vediamo come funziona passo dopo passo:

Arduino genera segnali SPWM a due pin di uscita (pin 8 e pin 9). Questi segnali continuano a cambiare larghezza per creare una forma equivalente a un'onda sinusoidale.

ICS IR2110 ricevono questi segnali PWM e li usa per accendere e spegnere i MOSFET in un modo molto specifico.

Il ponte H realizzato utilizzando quattro MOSFET converte la fornitura di bus CC in uscita simile a una CA cambiando la direzione corrente attraverso il carico usando la commutazione SPWM.

All'output otteniamo un'approssimazione di onde sinusoidali, il che significa che sembra un'onda sinusoidale ma è in realtà fatta di impulsi a commutazione rapida.

Se aggiungiamo un circuito di filtro all'uscita, possiamo appianare questi impulsi e ottenere un'onda sinusoidale più perfetta.

Il nostro codice Arduino per Sine Wave PWM

Quindi ora vediamo il codice. Questo è ciò che l'Arduino eseguirà per generare i segnali SPWM.

Cosa sta succedendo in questo codice?

Innanzitutto abbiamo impostato due pin di uscita (pin 8 e pin 9). Questi invieranno i nostri segnali PWM.

Quindi nel ciclo accese e spegniamo il pin in uno schema speciale.

Iniziamo con impulsi stretti e aumentiamo gradualmente la larghezza dell'impulso e quindi la riduciamo. Questo crea un modello PWM a onda sinusoidale.

Dopo il primo ciclo di metà, ripetiamo la stessa cosa sull'altro pin (pin 9) per il ciclo successivo.

In questo modo il nostro ponte H cambia i MOSFET in una corretta onda sinusoidale come la moda.

Cosa c'è di buono in questo design

Il design è in realtà molto semplice. Stiamo usando solo un Arduino e alcuni componenti comuni.

Non abbiamo bisogno di un generatore di onde sinusoidali qui, giusto. L'Arduino stesso sta preparando la forma sinusoidale usando SPWM.

Il ponte H funziona in modo efficiente utilizzando l'ICS IR2110 per assicurarsi che i MOSFET cambino correttamente senza surriscaldamento.

Possiamo ottimizzare facilmente SPWM, nel caso in cui vogliamo una diversa frequenza di onde sinusoidali, quindi modifichiamo un po 'il codice.

Come dovremmo gestire il ritardo di avvio di Arduino

Ora una cosa molto importante che dobbiamo capire è che Arduino impiega del tempo per iniziare dopo aver acceso la potenza.

Questo accade perché quando si accende sull'Arduino, quindi esegue il suo bootloader interno che richiede alcuni secondi.

Quindi, durante questo periodo, i Driver Gate ICS e MOSFET IR2110 non possono ricevere segnali adeguati da Arduino.

Se ciò accade, i MOSFET possono attivare in modo casuale il che può danneggiare l'ICS istantaneamente o causare un corto circuito o un'esplosione.

Al fine di assicurarsi che il ritardo di avvio sopra non bruci i IC e i MOSFET durante la potenza iniziale accesa, dobbiamo modificare il codice sopra come mostrato di seguito:

Elenco delle parti

Suggerimenti per la costruzione

Ora, quando in realtà costruiamo questa cosa, dobbiamo stare molto attenti ad alcune cose importanti. Altrimenti potrebbe non funzionare o peggio, qualcosa potrebbe bruciare giusto? Quindi ecco alcuni suggerimenti di costruzione super importanti che dobbiamo seguire:

Come dovremmo organizzare le parti sul tabellone

Se utilizziamo una breadboard, questo circuito potrebbe non funzionare bene perché i MOSFET e i conducenti ad alta potenza necessitano di connessioni solide e solide.

Quindi dovremmo usare un PCB (circuito stampato) o almeno una scheda perf e saldare correttamente le parti.

Se creiamo un PCB, dobbiamo tenere vicini i MOSFET e IR2110 in modo che i segnali non diventino deboli o ritardati.

I fili spessi dovrebbero seguire percorsi ad alta corrente come dall'alimentazione ai MOSFET e dai MOSFET al carico.

I fili sottili possono essere utilizzati solo per connessioni di segnale come da Arduino agli ICS IR2110.

Come dovremmo posizionare i MOSFET

I quattro MOSFET dovrebbero essere collocati in una forma corretta del ponte H in modo che il cablaggio non diventa disordinato.

Ogni MOSFET dovrebbe avere collegamenti corti e spessi con IC IR2110.

Se posizioniamo i MOSFET troppo lontani dall'IR2110, i segnali possono diventare deboli e i MOSFET potrebbero non cambiare correttamente.

Se ciò accade, i MOSFET possono diventare caldi e persino bruciarsi.

Come dovremmo risolvere il problema del calore

Se utilizziamo MOSFET IRF3205 o simili, allora si riscalderanno se non diamo loro un dissipatore di calore.

Quindi dobbiamo fissare un grande dissipatore di calore in alluminio ai MOSFET per mantenerli freschi.

Se stiamo realizzando un inverter ad alta potenza (più di 100 W), dovremmo anche collegare una ventola di raffreddamento sul dissipatore di calore.

Se i MOSFET diventano troppo caldi per toccare, significa che c'è qualche problema e dobbiamo controllare di nuovo il circuito.

Come dovremmo alimentare il circuito

La parte di Arduino funziona su 5V e i MOSFET hanno bisogno di 12v o più per funzionare.

Quindi non dobbiamo mai collegare 12 V ad Arduino, o brucerà all'istante!

Gli ICS IR2110 necessitano di due alimentatori:

12V per i Mosfet di alto livello

5V per la sezione logica

Se mescoliamo queste linee elettriche, il circuito non funzionerà correttamente e i MOSFET non cambieranno correttamente.

Come dovremmo collegare i fili

La connessione a terra (GND) è molto importante. Se il cablaggio di terra è debole o lungo, il circuito può comportarsi in modo strano.

Dovremmo usare un terreno comune per tutte le parti, il che significa che il terreno Arduino, IR2110 e la fonte MOSFET devono essere collegati insieme.

Se vediamo il circuito che si comporta in modo strano (come lo sfarfallio dell'uscita o i MOSFET si scaldano senza carico), dovremmo prima controllare le connessioni di terra.

Come dovremmo controllare il circuito prima di alimentarlo

Prima di accendere la potenza, dobbiamo ricontrollare tutte le connessioni per vedere se tutto è corretto.

Se abbiamo un multimetro, dovremmo usarlo per controllare le tensioni in punti diversi prima di inserire i MOSFET.

Avremo rigorosamente bisogno di un oscilloscopio in modo da poter controllare i segnali SPWM provenienti da Arduino per vedere se sembrano corretti.

Come dovremmo testare attentamente il circuito

Il modo migliore per testare questo circuito in modo sicuro è iniziare con una bassa tensione.

Invece di 12V, possiamo prima provare con 6V o 9V per vedere se i MOSFET stanno cambiando correttamente.

Se il circuito funziona bene a bassa tensione, possiamo lentamente aumentare a 12 V e infine a piena tensione.

Se improvvisamente applichiamo la piena tensione e qualcosa non va, qualcosa potrebbe bruciarsi all'istante!

Quindi dobbiamo testare passo dopo passo e continuare a controllare il surriscaldamento o il comportamento sbagliato.

Come possiamo aggiungere un filtro per un output più fluido

Questo circuito produce un'uscita CA usando PWM ma è ancora fatto di impulsi veloci.

Se vogliamo un'onda sinusoidale pulita, dobbiamo aggiungere un filtro LC all'uscita.

Questo filtro LC è solo un grande induttore e un condensatore collegato all'uscita.

L'induttore rimuove gli impulsi di commutazione rapida e il condensatore appiana la forma d'onda.

Se lo facciamo correttamente, possiamo ottenere un'onda sinusoidale pura che sia sicura per gli elettrodomestici.

Come dovremmo proteggere il circuito dai danni

Dovremmo sempre aggiungere un fusibile in serie con l'alimentazione.

Se qualcosa corta o un MOSFET fallisce, il fusibile si romperà prima e salverà il circuito dalla combustione.

Se i MOSFET falliscono, a volte falliscono in cortocircuito (il che significa che rimangono sempre).

Se ciò accade, allora una corrente enorme può fluire e danneggiare il trasformatore o altre parti.

Quindi è sempre bene controllare i MOSFET usando un multimetro prima di applicare alta potenza.

Conclusione

Quindi qui abbiamo visto come possiamo creare un inverter di onde sinusoidali usando solo Arduino e un circuito MOSFET di ponte H. Abbiamo usato driver MOSFET IR2110 per cambiare correttamente i MOSFET e il controllo PWM da Arduino per generare il nostro CA modulato dal seno.

Ora una cosa da ricordare è che questa uscita è ancora fatta di impulsi a commutazione rapida, quindi se abbiamo bisogno di un'onda sinusoidale pura, dobbiamo aggiungere un filtro LC all'uscita per appianare.

Ma nel complesso questo è un modo molto pratico e semplice per rendere un inverter sinusoidale a casa!