Circuito estabilizador de voltaje SMPS

El artículo explica un circuito estabilizador de voltaje de red en modo de conmutación de estado sólido sin relés, utilizando un convertidor elevador de núcleo de ferrita y un par de circuitos de controlador mosfet de medio puente. La idea fue solicitada por el Sr. McAnthony Bernard.

Especificaciones técnicas

Últimamente comencé a mirar Los estabilizadores de voltaje se utilizan en el hogar para regular el suministro de servicios públicos. , aumentando el voltaje cuando la utilidad es baja y disminuyendo cuando la utilidad es alta.

Está construido alrededor de un transformador de red (núcleo de hierro) enrollado en estilo auto transformador con muchas tomas de 180v, 200v, 220v, 240v 260v, etc.

el circuito de control con la ayuda de un relé selecciona la toma correcta para la salida. Supongo que estás familiarizado con este dispositivo.

Empecé a pensar en implementar la función de este dispositivo con SMPS. Que tendrá la ventaja de dar 220vac constante y frecuencia estable de 50hz sin usar relés.

Adjunto en este correo el diagrama de bloques del concepto.

Por favor, hágame saber lo que piensa, si tiene algún sentido seguir ese camino.

¿Funcionará realmente y tendrá el mismo propósito? .

También necesitaré su ayuda en la sección del convertidor de CC a CC de alto voltaje.

Saludos
McAnthony Bernard

El diseño

El circuito estabilizador de voltaje de red basado en núcleo de ferrita de estado sólido propuesto sin relés puede entenderse consultando el siguiente diagrama y la explicación subsiguiente.

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

La figura anterior muestra la configuración real para implementar una salida estabilizada de 220 V o 120 V independientemente de las fluctuaciones de entrada o una sobrecarga mediante el uso de un par de etapas del procesador del convertidor elevador no aisladas.

Aquí, dos circuitos integrados mosfet de medio puente se convierten en los elementos cruciales de todo el diseño. Los circuitos integrados involucrados son los versátiles IRS2153 que fueron diseñados específicamente para conducir mosfets en un modo de medio puente sin la necesidad de circuitos externos complejos.

Podemos ver dos etapas de controlador de medio puente idénticas incorporadas, donde el controlador del lado izquierdo se usa como etapa de controlador de refuerzo, mientras que el lado derecho está configurado para procesar el voltaje de refuerzo en una salida de onda sinusoidal de 50Hz o 60Hz junto con un control de voltaje externo circuito.

Los circuitos integrados están programados internamente para producir un ciclo de trabajo fijo del 50% en los pines de salida a través de una topología de tótem. Estos pines están conectados con los mosfets de potencia para implementar las conversiones previstas. Los circuitos integrados también cuentan con un oscilador interno para habilitar la frecuencia requerida en la salida, la tasa de frecuencia está determinada por una red Rt / Ct conectada externamente.

Uso de la función de apagado

El IC también cuenta con una función de apagado que se puede utilizar para detener la salida en caso de sobrecorriente, sobretensión o cualquier situación catastrófica repentina.

Para obtener más información sobre th es CI de controlador de medio puente, puede consultar a este artículo: IC de controlador Mosfet de medio puente IRS2153 (1) D: distribución de pines, explicación de las notas de aplicación

Las salidas de estos circuitos integrados están extremadamente equilibradas debido a un proceso de arranque y tiempo muerto interno altamente sofisticado que garantizan un funcionamiento perfecto y seguro de los dispositivos conectados.

En el circuito estabilizador de voltaje de la red SMPS discutido, la etapa del lado izquierdo se usa para generar alrededor de 400 V a partir de una entrada de 310 V derivada de la rectificación de la entrada de 220 V de la red.

Para una entrada de 120 V, la etapa se puede configurar para generar alrededor de 200 V a través del inductor que se muestra.

El inductor se puede enrollar sobre cualquier conjunto de bobina / núcleo EE estándar utilizando 3 hebras paralelas (bifilares) de alambre de cobre súper esmaltado de 0,3 mm y aproximadamente 400 vueltas.

Seleccionar la frecuencia

La frecuencia debe establecerse seleccionando correctamente los valores de Rt / Ct de modo que se logre una alta frecuencia de aproximadamente 70 kHz para la etapa del convertidor elevador izquierdo, a través del inductor mostrado.

El controlador IC del lado derecho está posicionado para trabajar con los 400 V CC anteriores del convertidor elevador después de la rectificación y filtración adecuadas, como se puede ver en el diagrama.

Aquí, los valores de Rt y Ct se seleccionan para adquirir aproximadamente 50Hz o 60Hz (según las especificaciones del país) a través de la salida de mosfets conectada

Sin embargo, la salida de la etapa del controlador del lado derecho podría ser tan alta como 550 V, y esto debe regularse a los niveles seguros deseados, alrededor de 220 V o 120 V

Para esto, se incluye una configuración simple de amplificador de error opamp, como se muestra en el siguiente diagrama.

Circuito de corrección de sobretensión

Como se muestra en el diagrama anterior, la etapa de corrección de voltaje utiliza un comparador opamp simple para la detección de la condición de sobrevoltaje.

El circuito debe configurarse solo una vez para disfrutar de un voltaje estabilizado permanente en el nivel establecido, independientemente de las fluctuaciones de entrada o una sobrecarga; sin embargo, estos no pueden excederse más allá de un límite tolerable especificado del diseño.

Como se ilustra, el suministro al amplificador de error se deriva de la salida después de la rectificación adecuada de la CA en una corriente baja limpia y estabilizada de 12 V CC para el circuito.

El pin n. ° 2 se designa como la entrada del sensor para el IC, mientras que el pin no inversor n. ° 3 está referenciado a un 4.7V fijo a través de una red de diodos Zener de sujeción.

La entrada de detección se extrae de un punto no estabilizado en el circuito, y la salida del IC se conecta con el pin Ct del IC del controlador del lado derecho.

Este pin funciona como el pin de apagado para el IC y tan pronto como experimenta un bajo por debajo de 1/6 de su Vcc, instantáneamente borra las alimentaciones de salida a los mosfets cerrando los procedimientos hasta quedar quietos.

El preajuste asociado con el pin n. ° 2 del amplificador operacional se ajusta adecuadamente de modo que la CA de la red de salida se establezca en 220 V de la salida disponible de 450 V o 500 V, o en 120 V de una salida de 250 V.

Siempre que el pin n. ° 2 experimente un voltaje más alto con respecto al pin n. ° 3, continúa manteniendo su salida baja, lo que a su vez ordena al controlador IC que se apague, sin embargo, el 'apagar' corrige instantáneamente la entrada del opamp, forzándolo para retirar su señal de salida baja, y el ciclo sigue corrigiendo automáticamente la salida a los niveles precisos, según lo determinado por el ajuste preestablecido de la clavija # 2.

El circuito del amplificador de error sigue estabilizando esta salida y dado que el circuito tiene la ventaja de un margen significativo del 100% entre la volatilidad de la fuente de entrada y los valores de voltaje regulado, incluso en condiciones de voltaje extremadamente bajo, las salidas logran proporcionar el voltaje fijo estabilizado a la carga. Independientemente del voltaje, lo mismo sucede en el caso de que se conecte una carga inigualable o una sobrecarga en la salida.

Mejorando el diseño anterior:

Una investigación cuidadosa muestra que el diseño anterior se puede modificar y mejorar en gran medida para aumentar su eficiencia y calidad de salida:

1. El inductor en realidad no es necesario y se puede quitar
2. La salida debe actualizarse a un circuito de puente completo para que la potencia sea óptima para la carga
3. La salida debe ser una onda sinusoidal pura y no modificada como se puede esperar en el diseño anterior

Todas estas características han sido consideradas y atendidas en la siguiente versión mejorada del circuito estabilizador de estado sólido:

Operación del circuito

1. IC1 funciona como un circuito oscilador multivibrador astable normal, cuya frecuencia se puede ajustar cambiando el valor de R1 apropiadamente. Esto decide el número de 'pilares' o 'cortes' para la salida SPWM.
2. La frecuencia de IC 1 en su pin n. ° 3 se alimenta al pin n. ° 2 de IC2, que está conectado como un generador PWM.
3. Esta frecuencia se convierte en ondas triangulares en el pin # 6 de IC2, que se compara con un voltaje de muestra en el pin # 5 de IC2
4. El pin n. ° 5 de IC2 se aplica con una onda sinusoidal de muestra a una frecuencia de 100 Hz adquirida del puente rectificador, después de reducir adecuadamente la red a 12V.
5. Estas muestras de onda sinusoidal se comparan con las ondas triangulares de la patilla n. ° 7 de IC2, lo que da como resultado un SPWM de dimensión proporcional en la patilla n. ° 3 de IC2.
6. Ahora, el ancho de pulso de este SPWM depende de la amplitud de las ondas sinusoidales de muestra del puente rectificador. En otras palabras, cuando el voltaje de la red de CA es mayor produce SPWM más anchos y cuando el voltaje de la red de CA es menor, reduce el ancho de SPWM y lo hace más estrecho proporcionalmente.
7. El SPWM anterior está invertido por un transistor BC547 y se aplica a las puertas de los mosfets del lado bajo de una red de controladores de puente completa.
8. Esto implica que cuando el nivel de la red de CA disminuya, la respuesta en las puertas mosfet será en forma de SPWM proporcionalmente más anchos, y cuando el voltaje de la red de CA aumente, las puertas experimentarán un SPWM que se deteriorará proporcionalmente.
9. La aplicación anterior dará como resultado un aumento de voltaje proporcional a través de la carga conectada entre la red de puente H siempre que caiga la red de CA de entrada y, a la inversa, la carga sufrirá una caída de voltaje de cantidad proporcional si la CA tiende a elevarse por encima del nivel de peligro.

Cómo configurar el circuito

Determine el punto de transición central aproximado donde la respuesta SPWM puede ser idéntica al nivel de CA de la red.

Suponga que lo selecciona para que esté a 220 V, luego ajusta el ajuste preestablecido de 1K de manera que la carga conectada al puente en H reciba aproximadamente 220 V.

Eso es todo, la configuración está completa ahora y el resto se resolverá automáticamente.

Alternativamente, puede fijar la configuración anterior hacia el nivel de umbral de voltaje más bajo de la misma manera.

Suponga que el umbral más bajo es 170 V, en ese caso alimente 170 V al circuito y ajuste el valor predeterminado de 1K hasta que encuentre aproximadamente 210 V a través de la carga o entre los brazos del puente H.

Estos pasos concluyen el procedimiento de configuración, y el resto se ajustará automáticamente según las alteraciones del nivel de CA de entrada.

Importante : Conecte un condensador de alto valor del orden de 500 uF / 400 V a través de la línea rectificada de CA alimentada a la red del puente H, de modo que la CC rectificada pueda alcanzar hasta 310 V CC a través de las líneas BUS del puente H.