Circuito ZVS

[FelipeZ.]

Boa Noite colegas!

Criei este tópico para tirar umas dúvidas sobre um circuito zvs que estou com ideia de montar. Nosso colega de fórum Albert me passou este circuito no outro tópico sobre energia sem fio a uns dias atras... 

(http://forum.clubedohardware.com.br/forums/topic/1120321-energia-sem-fio/page-2)

Consegui entender grande parte do funcionamento porém ainda me restam algumas duvidas, e mais tarde vou precisar de algumas dicas de como desenhar o circuito impresso, ajustar valores, etc.

Bom o link para página original é este: 

http://uzzors2k.4hv.org/index.php?page=ihpll1

E o circuito é este: 

Minhas duvidas são as seguintes:

1-Visto que eu pretendo usar IRFP250s no lugar do 450 que o autor original usou, eu creio que não poderei alimentar a etapa de potencia com mais de 150v, só que o design possui alguns divisores de tensão e schmitt triggers com op amp, que acredito eu são dimensionados para esta tensão original de 320v, eu precisaria recalcular os resistores, para funcionar com 150V sem afetar o controle pelo VCO do 4046 ?

 

2-Alguém sabe como eu faço o calculo para o matching inductor antes do LC ressonante? encontrei somente a parte teórica do funcionamento dele.

 

3-Poderiam me dar umas dicas de como se desenha o circuito para depois passar para a placa de fenolite? tinha pensado em usar o AutoCAD para desenhar, mas existe algum programa próprio para isso, que não seja o Proteus?

 

Se for muito complicado recalcular os resistores do circuito para nova tensão de trabalho, há a possibilidade de eu usar IRFP460s, para não complicar ainda mais minha vida...**

 

Muito Obrigado!

Att. Felipe Zardo

 

UPDATE: aparentemente eu deixei passar o arquivo Excel que o autor disponibilizou para calcular os valores para os feedback de tensão e de corrente..... Então a parte de saber recalcular esta resolvida... mas como eu descubro o pico de tensão sobre o LC? alimentando os mosfets com 150V... anexei a planilha com os calculos para caso alguem vá montar isso no futuro...

induction heater calc.xls

[rjjj]

O cálculo do valor do dispositivo Matching Inductor desenvolve-se considerando que a reatância do circuito LC, após a adição de outro indutor nele, deve ser nula. Em outras palavras, sua impedância complexa deve ter parte imaginária igual a zero .

 

 

 

 

 

Determinemos qual é essa impedância através de alguns cálculos de circuitos na forma complexa :

 

 

 

 

 

 

Igualando a parte imaginária dessa expressão a zero e isolando a indutância do Matching Inductor, vem que :

 

 

 

 

 

 

Fiz esses cálculos com base nas informações do site abaixo. Acredito que sejam válidas para o seu circuito eletrônico.

 

 

 

http://www.dynphys.com/index.php/2015-01-27-00-27-47/2015-01-28-00-26-12/parallel-lclr-circuit

 

 

 

Espero ter ajudado .

[FelipeZ.]

Muito obrigado pela ajuda!

Precisava bastante dessa fórmula. O link onde achou também vai ajudar para complementação da parte teórica, vou fazer os cálculos e começar a montar assim que os componentes chegarem!

 

Att. Felipe Z.

[albert_emule]

Dê uma olhada neste projeto também:

http://www.mindchallenger.com/inductionheater/

O cara que fez explica cada etapa do circuito.

 

Neste link aqui, mais explicações:

 http://www.richieburnett.co.uk/indheat.html

 

 

 

 

 

Coloque os valores nesta calculadora e verá que a ressonância dá praticamente igual a mostrada na foto.

http://www.deephaven.co.uk/lc.html

Veja uma simulação que fiz com estes 211 Khz e os mesmos valores de indutância do esquema:

@FelipeZ. A onda azul senoidal com pico de 350V ocorre em cima do circuito LC também chamado de circuito tanque.

 

Já a onda verde, quadrada, ocorre alí entre os dois mosfets, no mesmo ponto que C2 está conectado. 

Veja a corrente em cima do circuito tanque:

Bate quase em 200 Amperes, por isso que a bitola do fio da bobina do circuito tanque precisa ser grossa.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mas agora observe que a corrente nos mosfets não passam de 4 amperes   

Esta corrente de 4 Amperes aí foi medida em cima de L2

[FelipeZ.]

Eu defini para mim mesmo que usaria uma frequência perto dos 100kHz, peguei uns capacitores x2 que tinha aqui de 680nF cada e fiz a conta de que indutância conseguira se usa-se 2 conjuntos de 4 caps em series. Cheguei em um valor aproximado de 1,36uF, 500V, será que tem problema se eu usar eles em séries para conseguir tensão de isolamento de 500v? 

Com isso determinei um valor aproximado para o work coil de 2uH, mais ou menos 5 voltas....

Ainda não fiz as contas para o matching inductor, preciso determinar a indutância e a largura do gap, visto que estarei usando o transformador principal de uma dessas fontes atx..

Pelo jeito estarei usando IRFP460s mesmo... já que pela simulação que fizeste não vou precisar de alta corrente sobre os mosfets

[albert_emule]

Eu defini para mim mesmo que usaria uma frequência perto dos 100kHz, peguei uns capacitores x2 que tinha aqui de 680nF cada e fiz a conta de que indutância conseguira se usa-se 2 conjuntos de 4 caps em series. Cheguei em um valor aproximado de 1,36uF, 500V, será que tem problema se eu usar eles em séries para conseguir tensão de isolamento de 500v? 

 

O problema é sempre a resistência série do capacitor.

Se for aquele capacitor C2 da simulação, não tem muito problema. Pelo que você mesmo viu, a corrente naquele ponto não passa de 4A. Qualquer capacitor pequeno suporta isso.

 

Mas o problema é a corrente da work coil.

Você viu onde a corrente bate? Em quase 200 amperes. Não dá para usar capacitor pequeno. 

 

Naquela foto lá do work coil, o cara usou 7 unidades de capacitores dos grandes:

200 amperes dividido por 7 capacitores.... Circula uns 28 amperes em cada capacitor.

 

 

Uma dica é tentar encontrar o datasheet do capacitor. Daí você da uma olhada na resistência série dele.

Daí use a lei de Ohms para ver se o capacitor vai perder muita potência em watts. Qualquer coisa acima de 3 watts significa capacitor derretendo. 

Lembrando que capacitores iguais em série, a capacitância diminui pela metade.

Em paralelo, a capacitância se soma. 

 

Porém em paralelo a resistência série diminui e isso é bom. .

Em série, a resistência série aumenta. Isso é ruim .

Veja a corrente RMS na bobina e nos capacitores:

[albert_emule]

Só completando:

Na simulação os mosfets estão com apenas 4A, pois o software simula o circuito em vazio. Não simula o material aquecendo. 

 

Daí se você colocar materiais para aquecer dentro da bobina, no circuito real, a corrente nos mosfets vai subir de 4 apar uns 10, 15 ou 20 aperes. 

[FelipeZ.]

Boa noite

Realmente nem tinha me passado pela cabeça o problema do ESR, os capacitores que tenho são de filme feitos de polipropileno, daqueles supressores MKP, de 680nF cada um... Como não achei o datasheet desses específicos (malditas marcas chinesas), pesquisei vários capacitores semelhantes com mesma capacitância e tensão, e cheguei numa média aprox. de 0.1 ohms, mas não tenho certeza do valor, então me corrijam se estiver mt fora do padrão...

Fiz os cálculos, dessa vez, usando 3 conjuntos de 4 capacitores em paralelo me dando uma tensão de isolamento perto de 750v, e uma capacitância, tambem aprox., de 2,46uF.

Fazendo as contas o ESR equivalente de 7,5 x 10^-4. Utilizando 200A como corrente de trabalho achei 30W de dissipação total, isso dividido por 12 capacitores, considerando que eles vão distribuir igualmente, o que tmb n tenho certeza, da 2,5W cada um, será que da pra usar isso ai?

Depois calculo o matching coil, e posto os resultados.

 

Também vou tentar recalcular os capacitores, tirando um dos conjuntos, trabalhando com 500V e adicionando mais um capacitor em cada conjunto, somando no total 10, 5 em serie com mais 5.. e ver se consigo resultados melhores.

 

UPDATE: Recalculei os novos valores para a ultima situação que descrevi, consegui resultados muito melhores, o novo ESR ficou 4x10^-5, a dissipação total ficou 1.6W, com 1.7uF de capacitância. porém ainda estou com problemas para calcular o matching inductor, os valores do denominador parecem sempre darem negativos, não sei o que estou fazendo de errado, se alguém puder me ajudar nisso agradeço. (estava usando valor do work coil como 2uH)

[FelipeZ.]

Só um update no projeto:

Acho que terminei a fase de cálculos, vou me ater a 1,7uF e 2,5uH, assim uso o mesmo indutor do projeto original, de 45uH, fica mais fácil...

Essa semana estarei projetando a pci com o AutoCAD, e assim que terminar mando uma foto aqui.

Algo que me surgiu hoje foi que não havia escolhido ainda um driver para os mosfets... optei pelo IR2111, e ai me surgiu uma dúvida.. Utilizando esse CI eu ainda teria de usar transformador, se sim, creio que o próprio IR não oferece corrente suficiente para o transformador driver... teria de usar outra etapa com transistores depois do IR para fazer funcionar o transformador?

E no caso de não, seria só ligar direto nos mosfets com um resistor?

[albert_emule]

Só um update no projeto:

Acho que terminei a fase de cálculos, vou me ater a 1,7uF e 2,5uH, assim uso o mesmo indutor do projeto original, de 45uH, fica mais fácil...

Essa semana estarei projetando a pci com o AutoCAD, e assim que terminar mando uma foto aqui.

Algo que me surgiu hoje foi que não havia escolhido ainda um driver para os mosfets... optei pelo IR2111, e ai me surgiu uma dúvida.. Utilizando esse CI eu ainda teria de usar transformador, se sim, creio que o próprio IR não oferece corrente suficiente para o transformador driver... teria de usar outra etapa com transistores depois do IR para fazer funcionar o transformador?

E no caso de não, seria só ligar direto nos mosfets com um resistor?

 

 

Isso mesmo. Tem que usar uma etapa transistorizada.

Exemplo em anexo:

@FelipeZ.

Você provavelmente vai querer me perguntar porque eu coloquei o CI 4049 alí na entrada do IR hehehe. 

 

Se você notar lá no driver original, verá que usaram um UCC37322P e outro UCC37321P. Porque será???

 

É que o driver de final 21, possui seus níveis lógicos invertidos em relação ao de final 22. Isso permite gerar a onda quada com semi-ciclos negativos e positivos a partir de um só pulso DC de entrada, indo de zero a 5V ou de zero a 12V.

 

O CI 4049 faz este serviço de inversão dos níveis lógicos na entrada do IR2110.

No trafo pode usar indutância de 1mH em todas as bobinas. 

Pode ser núcleo do tipo toroidal:

 

[FelipeZ.]

Certo, você adicionou o inverter... assumi q o IR2111 já tinha ele interno, por causa da entrada unica... O toroid que estarei usando é um NT 27/16/12, tem um Al de 2700uH, acho q vai funcionar bem

[albert_emule]

A mérito de comparação, dê uma olhada neste driver de mosfets e observe as formas de onda:

http://www.mindchallenger.com/inductionheater/induction10.html

[FelipeZ.]

No caso vou ter que usar o IR2110 então, com o 4049 então?

[albert_emule]

No caso vou ter que usar o IR2110 então, com o 4049 então?

Ops, não prestei a atenção nisso. o IR2111 já possui o inverter. 

[mroberto98]

Boa noite

Realmente nem tinha me passado pela cabeça o problema do ESR, os capacitores que tenho são de filme feitos de polipropileno, daqueles supressores MKP, de 680nF cada um... Como não achei o datasheet desses específicos (malditas marcas chinesas), pesquisei vários capacitores semelhantes com mesma capacitância e tensão, e cheguei numa média aprox. de 0.1 ohms, mas não tenho certeza do valor, então me corrijam se estiver mt fora do padrão...

Fiz os cálculos, dessa vez, usando 3 conjuntos de 4 capacitores em paralelo me dando uma tensão de isolamento perto de 750v, e uma capacitância, tambem aprox., de 2,46uF.

Fazendo as contas o ESR equivalente de 7,5 x 10^-4. Utilizando 200A como corrente de trabalho achei 30W de dissipação total, isso dividido por 12 capacitores, considerando que eles vão distribuir igualmente, o que tmb n tenho certeza, da 2,5W cada um, será que da pra usar isso ai?

Depois calculo o matching coil, e posto os resultados.

Também vou tentar recalcular os capacitores, tirando um dos conjuntos, trabalhando com 500V e adicionando mais um capacitor em cada conjunto, somando no total 10, 5 em serie com mais 5.. e ver se consigo resultados melhores.

UPDATE: Recalculei os novos valores para a ultima situação que descrevi, consegui resultados muito melhores, o novo ESR ficou 4x10^-5, a dissipação total ficou 1.6W, com 1.7uF de capacitância. porém ainda estou com problemas para calcular o matching inductor, os valores do denominador parecem sempre darem negativos, não sei o que estou fazendo de errado, se alguém puder me ajudar nisso agradeço. (estava usando valor do work coil como 2uH)

Isso ai ta errado! Sao 4e-2 ohm, vai dar uma dissipacao de 1600W!

A formula correta para achar o matching inductor é a seguinte:

1 / (2 x pi x (LC)raiz)

L = matching inductor

C = DC block

[FelipeZ.]

Ainda bem que percebeste o erro!!

Fazer contas sem experiencia nem formação da nisso mesmo huahua.

Mas enfim, vou tentar ver se eu arranjo um jeito  de abaixar o ESR equivalente do conjunto, se não der compro uns 50 capacitores pequenos como o autor fez...

Muito obrigado pela fórmula também, agora vai dar certo!

[FelipeZ.]

Bom, analisando a situação do ESR, acho que posso amenizar de duas maneiras, primeiro vou colocar todos os capacitores que eu tenho, vai aumentar a capacitância mas vai baixar o ESR, seriam dois conjuntos de 7 em series, e a segunda maneira é aumentar a frequência o máximo que der até chegar perto de 100kHz, onde o ESR desse tipo de capacitor bate os 0.01 ohms... Acho que vou montar assim, se porventura eu tiver o rompimento desses capacitores... bem... paciência...

[mroberto98]

Nao coloque conjuntos serie!

Coloque capacitores de baixo valor tudo em paralelo...

Agora sobre a frequencia, na verdade e melhor abaixar, pois ai voce usa capacitores de valor mais alto, e consequentemente esses de maior capacitancia possuem menor ESR

[FelipeZ.]

Hmm não sabia, achei que o ESR fosse dependente da frequência, e pelos gráficos que vi fosse baixando até perto do 100kHz, mas tranquilo, arranjo uns capacitores de baixo valor. Quanto a qualidade, tem de ser bons? ou posso usar uns de disco mesmo? 

[mroberto98]

Resistencia serie tem mais a ver com a resistencia ohmica do capacitor, ela nao pedende da frequencia (eu acho)...

Eles tem que ter boa qualidade sim, os grandes, para baixo ESR..

[FelipeZ.]

Tinha achado algo parecido com isso:

[mroberto98]

Leia o enunciado do grafico: "That ESR is constant with frequency"

[FelipeZ.]

Realmente, interpretei erroneamente o gráfico..

[albert_emule]

@FelipeZ. Você usa LTspice? 

 

Consegui uma simulação daqueles fogões de indução de 1800W.

O circuito é muito mais simples que este aí, e parece funcionar perfeitamente. 

 

Inclusive exige muito menos capacitância.

Em compensação, os picos da senoide da tensão batem lá em 1000V kkk.

Exige IGBTs com tensão de trabalho pra lá de 1000V.

 

O circuito PLL de sintonia é extremamente simples.

Talvez você possa fazer modificações no circuito ou alimentá-lo com tensões mais baixas, de forma que o pico da senoide não alcance os 1000V, mas ai também não terá potência alta hehehe.

 

Segue em anexo.

Descompactar numa basta, abrir o arquivo e simular. 

Openschemes-Burton_Powerstage.zip

[FelipeZ.]

Tenho ele instalado sim, mas não tirei tempo para aprender a usar ainda... No momento estou usando celular, assim que conseguir visualizar te dou uma resposta... Como eu já tinha começado a me preparar para montar esse aí, n queria mudar agora, a questão do capacitor tank não é um problema muito grande, só questão de comprar os capacitores certos, tinha dado uma olhada em uns de disco, 10nf 2kv cada, usando uns 20 acho que daria... só tinha pensado em usar os MKPs por questão de aproveitamento, sabe como é, usar o que já tem é sempre melhor huahuah

 

Então, dei uma olhada no circuito que me passou, e acho que vou me dar melhor com o anterior, esse com IGBTS me parece que precisa de bastante regulagem, o que é algo que se torna complicado para alguém sem equipamento como eu... Sem falar que ja estudei o anterior então acho que estou apto a monta-lo, o problema do ESR resolvi, adicionei 20 cap de disco cerâmico de 10nF 2Kv a lista de compras... e alias que listinha em huahuah saiu meio caro no final, mas se funcionar compensa cada centavo. Sem falar na experiência e conhecimento que adquiri até agora com isso, o que pra mim é inestimável!