Circuit inversor d'ona Sine H-Bridge mitjançant Arduino

Comprendre el disseny del circuit

Si no voleu llegir tota l'explicació, podeu veure aquest vídeo en lloc seu:

Ara veiem el diagrama de circuits a continuació i aprenem com funciona realment aquesta cosa. Veiem les parts principals següents al circuit:

Junta d’Arduino - Aquest és el nostre cervell. Ofereix polsos SPWM que decideixen com funcionarà el nostre circuit.

IR2110 MOSFET Controlador ICS (IC1 i IC2) -Aquests dispositius prenen els senyals SPWM estàndard d'Arduino i els fan compatibles per canviar correctament els 4 MOSFET de canal H de N-Channel, mitjançant el mètode Bootstrapping.

MOSFETS (Q1, Q2, Q3, Q4) - Aquests són els interruptors de potència. Activen i desactiven la potència de corrent continu de manera específica per crear CA a la sortida.

Diodes (1N4007) i condensadors - Es tracta d’activar el funcionament correcte de la xarxa d’arrencada de l’ICS per a un canvi perfecte dels 4 MOSFETs.

Altres condensadors i resistències - Són petits però molt importants perquè ho mantenen tot corrent.

Alimentació - Necessitem +12V i +5V per a Arduino i l’ICS IR2110, i una alta tensió de corrent continu per als MOSFETs, segons les especificacions de càrrega.

Què passa al circuit?

Ara vegem com funciona això pas a pas:

Arduino genera senyals SPWM en dos pins de sortida (pin 8 i pin 9). Aquests senyals continuen canviant l'amplada per crear una forma equivalent a una ona sinusoïdal.

L’ICS IR2110 reben aquests senyals PWM i utilitzeu -los per activar i desactivar els MOSFETS d’una manera molt específica.

El pont H realitzat amb quatre MOSFET converteix el subministrament del bus de corrent continu en una sortida similar a CA canviant la direcció actual a través de la càrrega mitjançant la commutació SPWM.

A la sortida obtenim una aproximació de l’ona sinusoïdal, cosa que significa que sembla una ona sinusoïdal, però està realitzada en polsos de commutació ràpida.

Si afegim un circuit de filtre a la sortida, podem suavitzar aquests polsos i obtenir una ona sinusoïdal més perfecta.

El nostre Codi Arduino per a Wave Sine PWM

Així que ara vegem el codi. Això és el que Arduino funcionarà per generar els senyals SPWM.

Què passa en aquest codi?

Primer vam configurar dos pins de sortida (pin 8 i pin 9). Aquests enviaran els nostres senyals PWM.

A continuació, al bucle encenem i apaguem el passador en un patró especial.

Comencem amb polsos estrets i augmentem gradualment l’amplada del pols i després la reduïm cap avall. Això crea un patró PWM d’ona sinusoïdal.

Després de fer el primer cicle, repetim el mateix a l’altre passador (pin 9) per al següent cicle.

D’aquesta manera el nostre pont H canvia els mosfets en una ona sinusoïdal adequada com la moda.

Què és bo d’aquest disseny

El disseny és realment molt senzill. Utilitzem només un Arduino i alguns components comuns.

No necessitem un generador d’ones sinusoïdes aquí, oi. L’Arduino en si està fent la forma sinusoïdal mitjançant SPWM.

El pont H funciona de manera eficient mitjançant l'ICS IR2110 per assegurar-se que els MOSFETs canvien correctament sense sobreescalfar-se.

Podem ajustar el SPWM fàcilment, en cas que volem una freqüència d’ona sinusoïdal diferent, només només modifiquem el codi una mica.

Com hem de gestionar el retard d’arrencada d’Arduino

Ara, una cosa molt important que hem d’entendre és que Arduino triga un temps a començar després d’encendre l’energia.

Això succeeix perquè quan alimentem l’Arduino, primer s’executa el seu carregador d’inici intern que triga uns segons.

Així, durant aquest temps, els ICS i els MOSFET de controladors de la porta IR2110 no podran rebre cap senyals adequats d'Arduino.

Si això succeeix, els MOSFET poden activar -se aleatòriament, cosa que pot danyar l’ICS a l’instant o provocar un curtcircuit o una explosió.

Per tal d’assegurar -nos que el retard d’arrencada anterior no cremi l’ICS i els MOSFETs durant la potència inicial, hem de modificar el codi anterior tal com es mostra a continuació:

// By Swagatam - Full Bridge Sine Wave Inverter Code with Delay
void setup() {
    pinMode(8, OUTPUT);
    pinMode(9, OUTPUT);
    
    delay(3000); // Booting delay (wait for 3 seconds before starting)
}
void loop() {
    // First pin (8) switching pattern
    digitalWrite(8, HIGH);
    delayMicroseconds(500);
    digitalWrite(8, LOW);
    delayMicroseconds(500);
    digitalWrite(8, HIGH);
    delayMicroseconds(750);
    digitalWrite(8, LOW);
    delayMicroseconds(500);
    digitalWrite(8, HIGH);
    delayMicroseconds(1250);
    digitalWrite(8, LOW);
    delayMicroseconds(500);
    digitalWrite(8, HIGH);
    delayMicroseconds(2000);
    digitalWrite(8, LOW);
    delayMicroseconds(500);
    digitalWrite(8, HIGH);
    delayMicroseconds(1250);
    digitalWrite(8, LOW);
    delayMicroseconds(500);
    digitalWrite(8, HIGH);
    delayMicroseconds(750);
    digitalWrite(8, LOW);
    delayMicroseconds(500);
    digitalWrite(8, HIGH);
    delayMicroseconds(500);
    digitalWrite(8, LOW);
    // Second pin (9) switching pattern
    digitalWrite(9, HIGH);
    delayMicroseconds(500);
    digitalWrite(9, LOW);
    delayMicroseconds(500);
    digitalWrite(9, HIGH);
    delayMicroseconds(750);
    digitalWrite(9, LOW);
    delayMicroseconds(500);
    digitalWrite(9, HIGH);
    delayMicroseconds(1250);
    digitalWrite(9, LOW);
    delayMicroseconds(500);
    digitalWrite(9, HIGH);
    delayMicroseconds(2000);
    digitalWrite(9, LOW);
    delayMicroseconds(500);
    digitalWrite(9, HIGH);
    delayMicroseconds(1250);
    digitalWrite(9, LOW);
    delayMicroseconds(500);
    digitalWrite(9, HIGH);
    delayMicroseconds(750);
    digitalWrite(9, LOW);
    delayMicroseconds(500);
    digitalWrite(9, HIGH);
    delayMicroseconds(500);
    digitalWrite(9, LOW);
}

Llista de parts

Consells de construcció

Ara, quan realment construïm aquesta cosa, hem de tenir molta cura amb algunes coses importants. En cas contrari, pot no funcionar o pitjor, alguna cosa pot cremar -se, oi? A continuació, es mostren alguns consells de construcció super importants que hem de seguir:

Com hem d’organitzar les parts al tauler

Si utilitzem un tauler de pa, pot ser que aquest circuit no funcioni bé perquè els controladors i els controladors d’alta potència necessiten connexions sòlides i sòlides.

Per tant, hauríem d’utilitzar un PCB (placa de circuit imprès) o almenys una placa perfecta i soldar les parts correctament.

Si fem un PCB, hem de mantenir els MOSFETS i IR2110 ICS junts de manera que els senyals no es fan febles ni es retarden.

Els fils gruixuts haurien de buscar camins alts de corrent com des de l’alimentació fins als mosfets i des dels mosfets fins a la càrrega.

Els cables prims es poden utilitzar només per a connexions de senyal com Arduino a l'ICS IR2110.

Com hem de col·locar els mosfets

Els quatre mosfets haurien de situar-se en forma de pont H adequada de manera que el cablejat no es faci desordenat.

Cada MOSFET ha de tenir connexions curtes i gruixudes amb la IC IR2110.

Si col·loquem els MOSFET massa lluny de l’IR2110, els senyals poden fer -se febles i els MOSFET no poden canviar correctament.

Si això succeeix, els MOSFET es poden fer calor i fins i tot cremar -se.

Com hem de solucionar el problema de la calor

Si utilitzem MOSFETS IRF3205 o similars, aleshores s’escalfaran si no els donem un dissipador de calor.

Per tant, hem de arreglar un gran dissipador de calor d'alumini als mosfets per mantenir -los frescos.

Si estem fent un inversor d’alta potència (més de 100 W), també haurem d’adjuntar un ventilador de refrigeració al dissipador de calor.

Si els MOSFET fan massa calor per tocar, vol dir que hi ha algun problema i hem de tornar a comprovar el circuit.

Com hem d’alimentar el circuit

La part Arduino funciona amb 5V i els MOSFET necessiten 12V o més per treballar.

Per tant, mai no hem de connectar 12V a Arduino, ni es cremarà a l’instant.

Els ICS IR2110 necessiten dues fonts d’alimentació:

12V per als mosfets de costat alt

5V per a la secció lògica

Si barregem aquestes línies elèctriques, el circuit no funcionarà correctament i els MOSFET no canviaran correctament.

Com hem de connectar els cables

La connexió de terra (GND) és molt important. Si el cablejat de terra és feble o llarg, el circuit es pot comportar estranyament.

Hauríem d’utilitzar un terreny comú per a totes les parts, cosa que significa que el terreny d’Arduino, el sòl IR2110 i el terreny de la font MOSFET s’ha de connectar.

Si veiem que el circuit es comporta estranyament (com la sortida que parpelleja o els mosfets s’escalfen sense càrrega), hauríem de comprovar primer les connexions a terra.

Com hem de comprovar el circuit abans d’alimentar -lo

Abans d’encendre l’energia, hem de comprovar totes les connexions per veure si tot és correcte.

Si tenim un multímetre, hauríem d’utilitzar -lo per comprovar les tensions en diferents punts abans d’inserir els MOSFETS.

Necessitarem estrictament un oscil·loscopi perquè puguem comprovar els senyals SPWM procedents d’Arduino per veure si semblen correctes.

Com hem de provar amb cura el circuit

La millor manera de provar aquest circuit de forma segura és començant per una baixa tensió.

En lloc de 12V, primer podem provar -ho amb 6V o 9V per veure si els MOSFETS canvien correctament.

Si el circuit funciona bé a baixa tensió, podem augmentar lentament a 12V i finalment a la tensió completa.

Si de sobte apliquem la tensió completa i alguna cosa va malament, pot ser que alguna cosa es cremi a l’instant.

Per tant, hem de provar pas a pas i seguir comprovant el sobreescalfament o el comportament equivocat.

Com podem afegir un filtre per a una sortida més suau

Aquest circuit fa una sortida de CA mitjançant PWM, però encara està fet de polsos ràpids.

Si volem una ona sinusoïdal neta, hem d’afegir un filtre LC a la sortida.

Aquest filtre LC és només un gran inductor i un condensador connectat a la sortida.

L’inductor elimina els polsos de commutació ràpida i el condensador suavitza la forma d’ona.

Si ho fem correctament, podem obtenir una ona sinusoïdal pura que sigui segura per als electrodomèstics.

Com hem de protegir el circuit dels danys

Sempre hem d’afegir un fusible en sèrie amb l’alimentació.

Si alguna cosa curt o un MOSFET falla, el fusible es trencarà primer i estalviarà el circuit de la crema.

Si els MOSFET fallen, de vegades falla escurçades (és a dir, sempre es mantenen).

Si això succeeix, un corrent enorme pot fluir i danyar el transformador o altres parts.

Per tant, sempre és bo comprovar els MOSFET mitjançant un multímetre abans d’aplicar una potència alta.

Conclusió

Així que aquí vam veure com podem fer un inversor d’ona sinusoïdal amb només Arduino i un circuit MOSFET de pont H. Hem utilitzat controladors MOSFET IR2110 per canviar correctament els MOSFETs i el control PWM d’Arduino per generar el nostre CA modulat sinus.

Ara, una cosa a recordar és que aquesta sortida encara està feta de polsos de commutació ràpida, de manera que si necessitem una ona sinusoïdal pura, hem d’afegir un filtre LC a la sortida per suavitzar-lo.

Però, en general, aquesta és una manera molt pràctica i senzilla de fer un inversor d’ones sinusoïdals a casa!