Un inversor de onda sinusoidal que utiliza funciones de amplificador de clase D al convertir una pequeña frecuencia de entrada de onda sinusoidal en PWM sinusoidales equivalentes, que finalmente es procesada por un Controlador BJT puente H para generar la salida de CA de onda sinusoidal de red a partir de una fuente de batería de CC.
¿Qué es el amplificador de clase D?
El principio de funcionamiento de un amplificador clase D es realmente simple pero extremadamente efectivo. Una señal analógica de entrada, como una señal de audio o una forma de onda sinusoidal de un oscilador, se corta en PWM equivalentes, también llamados SPWM.
Estos PWM equivalentes de seno o SPWM s se alimenta a una etapa de potencia BJT, donde se amplifican con alta corriente y se aplican al primario de un transformador elevador.
El transformador finalmente transforma el SPWM sinusoidal equivalente en 220V o 120V de onda sinusoidal AC, cuya forma de onda está exactamente de acuerdo con la señal de onda sinusoidal de entrada del oscilador.
Ventajas del inversor de clase D
La principal ventaja de un inversor de clase D es su alta eficiencia (casi el 100%) a un costo razonablemente bajo.
Amplificadores de clase D son fáciles de construir y configurar, lo que permite al usuario producir inversores de onda sinusoidal eficientes y de alta potencia rápidamente sin muchos problemas técnicos.
Dado que los BJT tienen que trabajar con PWM, les permite ser más fríos y eficientes, y esto a su vez les permite trabajar con disipadores de calor más pequeños.
Un diseño práctico
Un práctico diseño de circuito inversor de clase D se puede ver en el siguiente diagrama:
El IC 74HC4066 se puede reemplazar con el IC 4066, en ese caso no se necesitarán los 5V separados y se puede usar un 12V común para todo el circuito.
El funcionamiento del inversor pwm clase D es bastante sencillo. La señal de onda sinusoidal es amplificada por la etapa del amplificador operacional A1 a niveles adecuados para activar los interruptores electrónicos ES1 --- ES4.
Los interruptores electrónicos ES1 --- ES4 se abren y cierran provocando que se generen pulsos rectangulares a través de las bases de los transistores T1 --- T4 puente alternativamente.
El PWM o el ancho de los pulsos es modulado por la señal sinusoidal de entrada que da como resultado un PWM equivalente sinusoidal que se alimenta a los transistores de potencia y al transformador, lo que finalmente produce la corriente alterna de onda sinusoidal de 220 V o 120 V deseada en la salida del secundario del transformador. .
El factor de trabajo de una señal rectangular producida a partir de las salidas ES1 --- ES4 se modula por la amplitud de la señal de onda sinusoidal de entrada amplificada, lo que provoca una señal SPWM de conmutación de salida proporcional a la onda sinusoidal RMS. Por tanto, el tiempo de activación del pulso de salida está de acuerdo con la amplitud instantánea de la señal sinusoidal de entrada.
El intervalo del período de conmutación del tiempo de encendido y el tiempo de apagado juntos determina la frecuencia que será constante.
En consecuencia, se crea una señal rectangular de dimensiones uniformes (onda cuadrada) en ausencia de una señal de entrada.
Como una forma de lograr una onda sinusoidal bastante buena en la salida del transformador, la frecuencia de la onda rectangular de ES1 debe ser al menos dos veces más alta que la frecuencia más alta en la señal sinusoidal de entrada.
Interruptores electrónicos como amplificadores
El funcionamiento estándar del Amplificador PWM es implementado por los 4 interruptores electrónicos hechos alrededor de ES1 --- ES4. Suponiendo que la entrada de la entrada del amplificador operacional en el nivel cero, hace que el condensador C7 se cargue a través de R8, hasta que el voltaje en C7 alcance el nivel suficiente para encender ES1.
ES1 ahora se cierra y comienza a descargar C7 hasta que su nivel cae por debajo del nivel de interruptor ON de ES1. ES1 ahora se apaga iniciando la carga de C7 nuevamente, y el ciclo se enciende / apaga rápidamente a una velocidad de 50 kHz, según lo determinado por los valores de C7 y R8.
Ahora, si consideramos la presencia de una onda sinusoidal en la entrada del amplificador operacional, efectivamente causa una variación forzada en el ciclo de carga de C7, lo que hace que la conmutación PWM de salida de ES1 se module según la secuencia de subida y bajada del señal de onda sinusoidal.
Las ondas rectangulares de salida del ES1 ahora producen SPWM cuyo factor de trabajo ahora varía de acuerdo con la señal sinusoidal de entrada.
Esto da como resultado un SPWM equivalente de onda sinusoidal que se conmuta alternativamente a través del puente T1 --- T4, que a su vez conmuta el primario del transformador para generar la red de CA requerida a partir de los cables secundarios del transformador.
Dado que la tensión de CA secundaria se crea de acuerdo con la conmutación SPWM primaria, la CA resultante es una CA de onda sinusoidal perfectamente equivalente de la señal sinusoidal de entrada.
Oscilador de onda sinusoidal
Como se discutió anteriormente, el amplificador inversor de clase D necesitará una entrada de señal de onda sinusoidal de un circuito generador de onda sinusoidal.
La siguiente imagen muestra un circuito generador de onda sinusoidal de un solo transistor muy simple que se puede integrar de manera efectiva con el inversor PWM.
La frecuencia de lo anterior generador de onda sinusoidal es de alrededor de 250 Hz, pero necesitaremos que esté alrededor de 50 Hz, que se puede cambiar modificando los valores de C1 --- C3, y R3, R4 de manera apropiada.
Una vez que se establece la frecuencia, la salida de este circuito podría vincularse con la entrada C1, C2 de la placa inversora.
Diseño de PCB y cableado de transformadores
Lista de partes
Transformador: corriente de 0-9V / 220V, dependerá del vataje de los transistores y la clasificación de Ah de la batería
Especificaciones:
El inversor PWM de clase D propuesto es un pequeño prototipo de muestra de prueba de 10 vatios. La salida baja de 10 vatios se debe al uso de un transistor de baja potencia para T1 --- T4.
La potencia de salida se puede actualizar fácilmente a 100 vatios reemplazando los transistores con pares complementarios TIP147 / TIP142.
Puede aumentar a niveles aún más altos utilizando una línea BUS DC más alta para los transistores, en cualquier lugar entre 12V y 24V
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