Circuito stabilizzatore di tensione SMPS

L'articolo spiega un circuito stabilizzatore della tensione di rete in modalità switch a stato solido senza relè, utilizzando un convertitore boost con nucleo in ferrite e un paio di circuiti driver mosfet a mezzo ponte. L'idea è stata richiesta dal Sig. McAnthony Bernard.

Specifiche tecniche

Di recente ho iniziato a guardare stabilizzatori di tensione utilizzati in casa per regolare la fornitura di servizi , aumentare la tensione quando l'utilità è bassa e diminuire quando l'utilità è alta.

È costruito attorno al trasformatore di rete (nucleo in ferro) avvolto in stile trasformatore automatico con molti rubinetti da 180 V, 200 V, 220 V, 240 V 260 V ecc.

il circuito di controllo con l'aiuto di un relè seleziona il rubinetto giusto per l'uscita. Immagino tu abbia familiarità con questo dispositivo.

Ho iniziato a pensare di implementare la funzione di questo dispositivo con SMPS. Che avrà il vantaggio di fornire 220 V CA costanti e una frequenza stabile di 50 Hz senza utilizzare relè.

Ho allegato a questa mail lo schema a blocchi del concept.

Per favore fatemi sapere cosa ne pensate, se ha senso seguire quella strada.

Funzionerà davvero e servirà allo stesso scopo? .

Inoltre avrò bisogno del tuo aiuto nella sezione del convertitore da CC a CC ad alta tensione.

Saluti
McAnthony Bernard

Il design

Il circuito stabilizzatore della tensione di rete basato su nucleo di ferrite allo stato solido proposto senza relè può essere compreso facendo riferimento allo schema seguente e alla successiva spiegazione.

RVCC = 1K.1watt, CVCC = 0.1uF / 400V, CBOOT = 1uF / 400V

La figura sopra mostra la configurazione effettiva per l'implementazione di un'uscita stabilizzata a 220 V o 120 V indipendentemente dalle fluttuazioni dell'ingresso o da un sovraccarico utilizzando un paio di stadi del processore del convertitore boost non isolati.

Qui due circuiti integrati mosfet con driver a mezzo ponte diventano gli elementi cruciali dell'intero progetto. I circuiti integrati coinvolti sono il versatile IRS2153 che è stato progettato specificamente per pilotare mosfet in modalità half bridge senza la necessità di circuiti esterni complessi.

Possiamo vedere due stadi driver half bridge identici incorporati, in cui il driver del lato sinistro viene utilizzato come stadio del driver boost mentre il lato destro è configurato per elaborare la tensione boost in un'uscita sinusoidale a 50Hz o 60Hz in combinazione con un controllo di tensione esterno circuito.

I circuiti integrati sono programmati internamente per produrre un ciclo di lavoro fisso del 50% attraverso i piedini di uscita attraverso una topologia totemica. Questi pinout sono collegati ai mosfet di alimentazione per implementare le conversioni previste. I circuiti integrati sono inoltre dotati di un oscillatore interno per abilitare la frequenza richiesta in uscita, la velocità della frequenza è determinata da una rete Rt / Ct collegata esternamente.

Utilizzo della funzione di spegnimento

L'IC dispone anche di una funzione di spegnimento che può essere utilizzata per arrestare l'uscita in caso di sovracorrente, sovratensione o qualsiasi situazione catastrofica improvvisa.

Per maggiori informazioni su th è IC driver half bridge, puoi fare riferimento a questo articolo: Half-Bridge Mosfet Driver IC IRS2153 (1) D - Pinouts, Application Notes Explained

Le uscite di questi circuiti integrati sono estremamente bilanciate grazie a un bootstrap interno altamente sofisticato e all'elaborazione dei tempi morti che garantiscono un funzionamento perfetto e sicuro dei dispositivi collegati.

Nel discusso circuito stabilizzatore della tensione di rete SMPS, lo stadio sul lato sinistro viene utilizzato per generare circa 400 V da un ingresso di 310 V derivato rettificando l'ingresso di rete 220 V.

Per un ingresso da 120 V, lo stadio può essere impostato per generare circa 200 V attraverso l'induttore mostrato.

L'induttore può essere avvolto su qualsiasi gruppo bobina / nucleo EE standard utilizzando 3 fili paralleli (bifilari) di filo di rame super smaltato da 0,3 mm e circa 400 giri.

Selezione della frequenza

La frequenza deve essere impostata selezionando correttamente i valori di Rt / Ct in modo tale da ottenere un'alta frequenza di circa 70kHz per lo stadio del convertitore boost sinistro, attraverso l'induttore mostrato.

Il circuito integrato del driver sul lato destro è posizionato per funzionare con i 400 V CC di cui sopra dal convertitore boost dopo un'adeguata rettifica e filtrazione, come si può vedere nel diagramma.

Qui i valori di Rt e Ct sono selezionati per acquisire circa 50Hz o 60Hz (secondo le specifiche del paese) attraverso l'uscita dei mosfet collegati

Tuttavia, l'uscita dal palco del lato destro del driver potrebbe arrivare fino a 550 V, e questo deve essere regolato ai livelli di sicurezza desiderati, a circa 220 V o 120 V

Per questo è inclusa una semplice configurazione dell'amplificatore di errore opamp, come illustrato nel diagramma seguente.

Circuito di correzione della sovratensione

Come mostrato nel diagramma sopra, lo stadio di correzione della tensione utilizza un semplice comparatore operazionale per il rilevamento della condizione di sovratensione.

Il circuito deve essere impostato solo una volta per godere di una tensione stabilizzata permanente al livello impostato indipendentemente dalle fluttuazioni di ingresso o da un sovraccarico, tuttavia questi non possono essere superati oltre un limite tollerabile specificato del progetto.

Come illustrato, l'alimentazione dell'amplificatore di errore è derivata dall'uscita dopo un'appropriata rettifica della corrente alternata in una corrente continua da 12V stabilizzata a bassa corrente pulita per il circuito.

il pin # 2 è designato come ingresso del sensore per l'IC mentre il pin # 3 non invertente è riferito a un 4,7V fisso attraverso una rete di diodi zener di bloccaggio.

L'ingresso di rilevamento viene estratto da un punto non stabilizzato nel circuito e l'uscita dell'IC è collegata al pin Ct dell'IC del driver del lato destro.

Questo pin funziona come il pin di spegnimento per l'IC e non appena si verifica un minimo al di sotto di 1/6 del suo Vcc, cancella istantaneamente i feed di uscita ai mosfet interrompendo il procedimento fino a fermarsi.

Il preset associato al pin n. 2 dell'amplificatore operazionale è opportunamente regolato in modo tale che la rete di uscita AC si stabilisca a 220 V dall'uscita disponibile 450 V o 500 V, oa 120 V da un'uscita 250 V.

Finché il pin n. 2 sperimenta una tensione maggiore rispetto al pin n. 3, continua a mantenere bassa la sua uscita che a sua volta comanda all'IC del driver di spegnersi, tuttavia lo 'spegnimento' corregge istantaneamente l'ingresso opamp, forzandolo per ritirare il suo segnale basso in uscita, e il ciclo continua a correggere automaticamente l'uscita ai livelli precisi, come determinato dall'impostazione preimpostata del pin # 2.

Il circuito dell'amplificatore di errore continua a stabilizzare questa uscita e poiché il circuito ha il vantaggio di un margine significativo del 100% tra la volatge della sorgente di ingresso ei valori di tensione regolata, anche in condizioni di tensione estremamente bassa le uscite riescono a fornire la tensione stabilizzata fissa al carico indipendentemente dalla tensione, lo stesso vale nel caso in cui un carico non abbinato o un sovraccarico sia collegato all'uscita.

Migliorare il design di cui sopra:

Un'attenta indagine mostra che il design di cui sopra può essere modificato e migliorato notevolmente per aumentarne l'efficienza e la qualità dell'output:

1. L'induttore in realtà non è necessario e può essere rimosso
2. L'uscita deve essere aggiornata a un circuito a ponte completo in modo che la potenza sia ottimale per il carico
3. L'output deve essere un'onda sinusoidale pura e non modificata come ci si può aspettare dal progetto precedente

Tutte queste caratteristiche sono state considerate e curate nella seguente versione aggiornata del circuito stabilizzatore a stato solido:

Funzionamento del circuito

1. IC1 funziona come un normale circuito oscillatore multivibratore astabile, la cui frequenza può essere regolata modificando opportunamente il valore di R1. Questo decide il numero di 'colonne' o 'tagli' per l'uscita SPWM.
2. La frequenza da IC 1 al suo pin # 3 viene inviata al pin # 2 di IC2 che è cablato come un generatore PWM.
3. Questa frequenza viene convertita in onde triangolari al pin n. 6 di IC2, che viene confrontata da una tensione campione al pin n. 5 di IC2
4. Il pin # 5 di IC2 viene applicato con un'onda sinusoidale campione alla frequenza di 100 Hz acquisita dal raddrizzatore a ponte, dopo aver abbassato opportunamente la rete a 12V.
5. Questi campioni di onde sinusoidali vengono confrontati con le onde triangolari del pin # 7 di IC2, il che si traduce in un SPWM di dimensioni proporzionali al pin # 3 di IC2.
6. Ora, l'ampiezza dell'impulso di questo SPWM dipende dall'ampiezza delle onde sinusoidali del campione dal raddrizzatore a ponte. In altre parole, quando la tensione di rete CA è più alta produce SPWM più ampi e quando la tensione di rete CA è inferiore, riduce l'ampiezza SPWM e la restringe proporzionalmente.
7. Il suddetto SPWM è invertito da un transistor BC547 e applicato ai gate dei mosfet low side di una rete full bridge driver.
8. Ciò implica che quando il livello di rete CA scenderà, la risposta sui gate mosfet sarà sotto forma di SPWM proporzionalmente più ampi e quando la tensione di rete CA aumenterà, i gate sperimenteranno un SPWM proporzionalmente deteriorato.
9. L'applicazione di cui sopra si tradurrà in un aumento di tensione proporzionale attraverso il carico collegato tra la rete del ponte H ogni volta che la rete CA in ingresso diminuisce e, viceversa, il carico subirà una caduta di tensione proporzionale se la CA tende a salire al di sopra del livello di pericolo.

Come impostare il circuito

Determinare il punto di transizione centrale approssimativo in cui la risposta SPWM può essere identica al livello CA di rete.

Supponiamo di selezionarlo per essere a 220V, quindi regolare il preset 1K in modo che il carico collegato al ponte H riceva circa 220V.

Questo è tutto, la configurazione è completa ora e il resto verrà gestito automaticamente.

In alternativa, è possibile correggere l'impostazione di cui sopra verso il livello di soglia di tensione inferiore nello stesso modo.

Supponiamo che la soglia inferiore sia 170 V, in tal caso alimentare un 170 V al circuito e regolare il preset 1K fino a trovare circa 210 V attraverso il carico o tra i bracci del ponte H.

Questi passaggi concludono la procedura di impostazione e il resto verrà regolato automaticamente in base alle alterazioni del livello CA in ingresso.

Importante : Collegare un condensatore di alto valore dell'ordine di 500uF / 400V attraverso la linea raddrizzata CA alimentata alla rete H-bridge, in modo che la CC raddrizzata sia in grado di raggiungere fino a 310 V CC attraverso le linee BUS del ponte H.