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      Seja um moderador do Clube do Hardware!   12-02-2016

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mlegnari

Como construir um inversor DC

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  Pessoal, esses dias me deparei com uma dificuldade: transformar 12v DC  em 300v DC para um protótipo aqui,a principio pensei logo num transformador convencional chaveado a baixa frequência, porém encontrar esse trafo é difícil além de caro e muito grande para minha aplicação, então vi que teria que partir para conversor com trafo/indutor de ferrite.

  Pesquisei no fórum, coletei algumas informações, além do calculo do trafo ser bem complicado e crítico,existe ainda diversas topologias para usar nesse tipo de conversor.

 

  Em contato com @MOR e @albert_emule consegui boas dicas, e construi um prototipo bem básico, gostaria de discutir meus passos e quem puder ajudar, para ficar de material de apoio de como fazer inversor dc/dc simples.

 

  Eu preciso de 300V DC por 50ma 15w na saída, então vi um circuito indicado pelo Albert que trata-se da topologia boost up igual abaixo:

boostsch.png.91b2c8025283c26cf32a219f99fbefc5.png

 

Então resolvi primeiro montar no proteus, acessei o site https://learn.adafruit.com/diy-boost-calc/the-calculator e informei:

 

- Frequência de operação: 30khz

-Tensão de entrada min/max: 12v

-Tensão de saida min/max: 300v 

 

Obtive a medida do indutor:153uh

Corrente Pico para o dutty cycle indicado: 2.5A

Dutty cycle:96% (no proteus deu 92%)

 

Capturar.PNG.b36de6fd7e7e5f56dd2a34d0fae8c929.PNG

 

 

 Montei com indutor que já tinha aqui, funcionou ok, não sei dizer a corrente dele, mas parece um de 3A, a duvida é a seguinte:

 

Meus passos básicos para criar um protótipo de inversor esta ok? Meu objetivo é ser o mais simples e funcional possível.

 

E outra duvida: Tenho alguns bastões 5mm de ferrite, e fio 1.2mm que segundo a tabela AWG suporta uma corrente pouco maior que 3A, vamos pular os cálculos estou com medidor de indutância, posso ir enrolando e medindo até dar o valor esperado, basicamente, devo usar sempre um fio que suporte uma corrente maior que o calculado certo? dai eu ir enrolando até chegar na indutância que quero seria um método bom?

 

Lembrando que não preciso de precisão extrema, a parte do PWM eu posso controlar muito bem, a duvida seria mais voltada ao indutor e esse método mais simples que usei.

 

Obrigado

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Update: considerando outro indutor que suporte a corrente, outra indutância mas a mesma saída de tensão e corrente e frequência, o que compensa mais :

 

45% de ciclo ativo e 2A de pico ou 90% de ciclo ativo e 1A de pico? Obviamente o mosfet aguentaria uma corrente menor no segundo caso mas pelo dobro do tempo, no final irá dissipar a mesma potência nos dois casos estou certo? 

 

Tem como no proteus exibir a potência dissipada naquele gráfico interativo? Daí eu conseguiria ver isso em intervalos bem curtos

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15 horas atrás, mlegnari disse:

E outra duvida: Tenho alguns bastões 5mm de ferrite, e fio 1.2mm que segundo a tabela AWG suporta uma corrente pouco maior que 3A, vamos pular os cálculos estou com medidor de indutância, posso ir enrolando e medindo até dar o valor esperado, basicamente, devo usar sempre um fio que suporte uma corrente maior que o calculado certo? dai eu ir enrolando até chegar na indutância que quero seria um método bom?

 

Lembrando que não preciso de precisão extrema, a parte do PWM eu posso controlar muito bem, a duvida seria mais voltada ao indutor e esse método mais simples que usei.

 

Obrigado

 

Tem um outro problema que você esquece. 

A saturação do núcleo. Mas acredito que nestes bastões eles saturam com magnetizante tão alta que dificilmente vai  saturar nas correntes que você quer usar. 

 

Mas se for bastões comprados, onde você conhece o modelo, o fabricante costuma fornecer uma tabelinha com vários dados calculáveis:

Fator de indutância, dados de saturações etc.. 

 

Com relação aos fios, existe um efeito pelicular que faz com que os elétrons circulem apenas na superfície do fio numa fina película. 

Isso acontece em alta freqüência. 

As vezes não adianta o fio ser grosso. As vezes é necessário por alguns fios mais finos isolados em paralelo para forçar a corrente passar de forma homogênea por toda a sessão transversal do fio. 

 

Veja um site que explica melhor: 

 http://www.bcae1.com/trnsfrmr.htm

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Sobre a construção do indutor: posso estar errado, mas necessita de gap para armazenamento da energia. Até dá para construir sem gap, mas cai o rendimento. De forma prática, se tiver uma lâmpada econômica queimada em casa, o transformador dela é tipo C já vem com gap. Só vai ter que desenrolar a bobina pra montar outra e aproveitar o carretel. Por conta da frequência, coloque 3 fios 21AWG (1,2A x 33kHz) em paralelo, torcendo-os antes de bobinar.

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3 minutos atrás, Sérgio Lembo disse:

Sobre a construção do indutor: posso estar errado, mas necessita de gap para armazenamento da energia. Até dá para construir sem gap, mas cai o rendimento. De forma prática, se tiver uma lâmpada econômica queimada em casa, o transformador dela é tipo C já vem com gap. Só vai ter que desenrolar a bobina pra montar outra e aproveitar o carretel. Por conta da frequência, coloque 3 fios 21AWG (1,2A x 33kHz) em paralelo, torcendo-os antes de bobinar.

 

 

Isso só é válido para núcleos EE.

Barras de ferrite já são ideais por natureza. Melhor ainda que um núcleo EE com Gap. 

único problema é que na barra de ferrite, vai precisar enrolar muito mais fios para atingir a indutância necessária. 

Mas por outro lado, fica mais distante da saturação. 

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Sobre o enrolamento do indutor: faça 10 voltas distribuindo bem as espiras sobre a largura do carretel. Leia o valor com o indutímetro.

L = k x n², onde:

k = indutância do seu núcleo para 1 espira.

n = número de espiras

Usando essa fórmula 2x consegue determinar o k do indutor e quantas espiras irá necessitar.

adicionado 1 minuto depois

É que nas barras de ferrite a distância entre os extremos é o gap, muito alto o valor.

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@albert_emule a saturação do núcleo irei monitorar a corrente com microcontrolador, esse esquema foi só para exibir a ideia básica :)

 

@Sérgio Lembo gostei da fórmula, então basicamente com uma espira eu consigo pegar a indutância para usar na fórmula toda? Serve pra qualquer tipo de núcleo de ferrite? O que eu vi na Internet 150uH 3A era bem pequeno até não deve passar de 1cm por 0.5 cm largura, nesse caso o bastão não atrapalha no tamanho,  mas sim a eficiência começa a pesar se fosse preciso economizar ao máximo, nesse caso meu, 10w a 50w que eu  drene não faz falta

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Com 1 espira complica, teria que estar bem distribuída para ter uma leitura de qualidade. Com 10 fica mais fácil a montagem, o valor fica sensivelmente mais preciso.

adicionado 5 minutos depois
14 minutos atrás, mlegnari disse:

@albert_emule a saturação do núcleo irei monitorar a corrente com microcontrolador, esse esquema foi só para exibir a ideia básica :)

Só se for com o uso do comparador, onde a MCU oferece a referência. Se depender do ADC, ao invés de ter um controle de corrente terás um aviso de óbito. :exorcize:

adicionado 29 minutos depois

Só mais uma coisa: selecione muito bem o diodo de boost que vai usar. Se pretende fazer um controle simples, sem monitoramento de ZVS, vai ter que ser diodo shottky, um pouco caro em 300V, ou prever um t_off que garanta a descarga da corrente no C_boost antes de iniciar novo ciclo de carga do indutor. Sem esse cuidado e operando em 300V o recovery time de um diodo comum e até mesmo dos chamados rápidos vai matar a sua eficiência.

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Sergio entendi a questão do indutor, das espiras mínimas pra pegar a indutância e pegar a constante K, quanto ao pwm vou pesquisar como fazer bem isso, mas talvez eu use mesmo um driver pronto, a questão é ajustar a bobina que é mais crítico, eu poderia usar um driver de 2R$ com controle de tensão de saída e sensor de corrente do indutor,  hoje eu faço assim: mexo no pwm, no ciclo ativo, durante 2ms eu carrego o indutor, daí para e acende um led, corro com o osciloscópio ou multímetro e pego a tensão. Se tiver dentro do que eu quero, eu faço várias cargas e descargas a baixa velocidade, e aumento os ciclos de carga descarga, monitorando o mosfet e indutor, em hipótese alguma vai passar de 2ms de pwm chaveando o indutor, e a carga será sempre fixa:capacitor. 

 

Basicamente se não esquentar, as tensões de pico forem suportadas pelo mosfet, e componentes dimensionados ok está ótimo! 

 

Não coloquei no esquema, mas tem um snubber também pra atenuar um pouco o coice do indutor, fiz numa calculadora online e peguei a frequência da transiente

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59 minutos atrás, Sérgio Lembo disse:

Só mais uma coisa: selecione muito bem o diodo de boost que vai usar. Se pretende fazer um controle simples, sem monitoramento de ZVS, vai ter que ser diodo shottky, um pouco caro em 300V, ou prever um t_off que garanta a descarga da corrente no C_boost antes de iniciar novo ciclo de carga do indutor. Sem esse cuidado e operando em 300V o recovery time de um diodo comum e até mesmo dos chamados rápidos vai matar a sua eficiência.

 

ZVS seria "Zero Voltage Switching"?

Garantir a descarga da corrente no C_Boost antes de iniciar novo ciclo de carga no indutor, seria o mesmo que operar em modo descontínuo? 

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2 minutos atrás, albert_emule disse:

Garantir a descarga da corrente no C_Boost antes de iniciar novo ciclo de carga no indutor, seria o mesmo que operar em modo descontínuo? 

Yesssssss. Se entrar em CCM só com diodo shottky. Caso contrário, veja a situação: mosfet iniciando a condução, recebendo corrente do indutor (isso é esperado) e juntamente com isso o capacitor sendo descarregado pelo mosfet (é a parte que não presta) até que o diodo inicie o bloqueio (recovery time).

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1 minuto atrás, Sérgio Lembo disse:

Yesssssss. Se entrar em CCM só com diodo shottky. Caso contrário, veja a situação: mosfet iniciando a condução, recebendo corrente do indutor (isso é esperado) e juntamente com isso o capacitor sendo descarregado pelo mosfet (é a parte que não presta) até que o diodo inicie o bloqueio (recovery time).

 

Vou lembrar disso da próxima vez que fizer um conversor destes. 

 

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@albert_emule , vamos tomar como exemplo os circuitos PFC, que nada mais são do que um boost sobre meia onda. Os que operam em modo DCM, CrCM (é a mesma coisa) usam diodo rápido, mas tem monitoramento de ZVS pela bobina auxiliar. Os que utilizam CCM, normalmente os de 300W ou mais, shottky.

adicionado 11 minutos depois

No primeiro circuito postado foi utilizado 1N5807 que é shottky, dá para operar em DCM e CCM, sem problemas.

boostsch.png

Já nesse segundo, foi utilizado UF5406, apresenta um recory time de até 75ns. Bom pelo custo para circuitos DCM.

Capturar.PNG

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@Sérgio Lembo excelente explicação, irei operar em modo descontínuo, o capacitor sempre irá descarregar antes de um novo ciclo. Em relação a formula que me passou para fazer o indutor e calcular indutância por espiras esta tudo ok!  

  No Proteus eu consigo simular o pico de corrente, chega a 4A, mas o fio que tenho para enrrolar aqui awg 22 suporta para conduzir continuamente 0,92A. A dúvida é: até quanto de pico esse fio conduziria? Eu poderia utilizar ele ? Já evolui um pouco :) agora preciso de fazer esse indutor de modo que não aqueça.

 

Outra coisa que me deu confusão foi as topologias possiveis para conversor step up, eu estava na flyback, cheia de particularidades no trafo, dai essa do boost up com indutor foi bem fácil de aprender, basicamente o que muda entre as topologias é a eficiência?

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27 minutos atrás, mlegnari disse:

No Proteus eu consigo simular o pico de corrente, chega a 4A, mas o fio que tenho para enrrolar aqui awg 22 suporta para conduzir continuamente 0,92A. A dúvida é: até quanto de pico esse fio conduziria? Eu poderia utilizar ele ? Já evolui um pouco :) agora preciso de fazer esse indutor de modo que não aqueça.

O que vale é a corrente RMS.

Tente medir o  valor rms da corrente

 

Pode usar em paralelo também para suportar correntes maiores.

 

Quer ver quanto de potência em calor dissipará no seu indutor?

Faça uma estimativa de quantos metros de fio você irá usar. Daí você vê na tabela do fio, quanto de resistência elétrica tem naquele pedaço que você irá usar.

Daíi você aplica a lei de ohms para saber quantos watts em calor está gerando.

 

 

 

27 minutos atrás, mlegnari disse:

 

Outra coisa que me deu confusão foi as topologias possiveis para conversor step up, eu estava na flyback, cheia de particularidades no trafo, dai essa do boost up com indutor foi bem fácil de aprender, basicamente o que muda entre as topologias é a eficiência?

 

O boost é igual a flyback. Funciona do mesmo jeito. Só muda é que na flyback tem um secundário. 

Boost consegue mais eficiente pois é mais derero. Não tem secundário

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A fonte flyback é o que se usa no adaptador do seu celular. Apresenta secundário, o que te dá isolação galvânica. Sem essa isolação a recarga do celular seria o mesmo que colocar o dedo na tomada. Cai um pouco a eficiência (85%) mas se tem essa segurança.

adicionado 24 minutos depois
7 horas atrás, mlegnari disse:

irei operar em modo descontínuo, o capacitor sempre irá descarregar antes de um novo ciclo.

O indutor, foi o que quis dizer.

 

7 horas atrás, mlegnari disse:

mas o fio que tenho para enrolar aqui awg 22 suporta para conduzir continuamente 0,92A

Vai ter que montar um cabo torcido com 4 fios. Enrolar os fios em paralelo é fria, provoca aquecimento extra por auto-indutância. Calculado o comprimento necessário, corte 4 fios e torça construindo um cabo, não terá problema. Com o AWG 22 consegue operar esse boost até 42kHz sem efeito skin.

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Não deu nem tempo de criar duvida @albert_emule na minha mente :) já fiz a **********.... montei com único enrrolamento num toroide bem pequeno, não vai passar dois fio nem tres :( vou arrumar uns toroides maiores!

 

@Sérgio Lembo me expressei errado sobre o modo descontinuo, eu quis dizer o seguinte: que o indutor sera chaveado @30khz por 2ms, intervalo de 500us e descarga do capacitor de saida totalmente, após alguns ms irá iniciar o chaveamento novamente. Nesse caso o modo descontinuo é quando o indutor fica um intervalo ocioso certo? e continuo seria numa fonte chaveada por exemplo?

 

Sobre o efeito skin vi essa tabela dos 42khz, vou operar bem abaixo disso em 30khz, bom saber que tem esses dados fáceis de pesquisar. Em relação ao enrrolamento com dois ou três fios, esses servem para distribuir a corrente? como albert citou, que eu poderia usar indutores em paralelo, nesse caso enrrolando 3 fios seria a mesma coisa que 3 indutores paralelos? entendo que irá ter uma dissipação pior mas no modelo "ideal" seria isso?

 

Já fiz a placa aqui, ficou um espaço para substituir o toroide, vou começar com um ciclo de 50% e vou subindo e monitorando o aquecimento desse núcleo meu, logo terei as fotos com o resultado! (dando certo ou errado eu posto!)

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Quanto ao cabos trançados, tem que ver se realmente existe esta necessidade.

 

Recentemente eu fiz um conversor destes com entrada de 170 V DC a 308V DC de modo a manter a saída sempre em 328V DC. 

Daí eu precisei fazer um indutor de 1mH. Eu usei aqueles fios de yoke de  televisor antigo enrolado num bastão de ferrite. 

image.png.8867ebde4eb0459f9322961140d701e7.png

 

A corrente de chaveamento também estava dando em torno de 4 amperes...Mas era só o pico.

O valor RMS ficava bem baixo, de modo que mesmo o fio sendo bem fino e enrolado com muitas voltas, uns 5 a seis metros de fio...o indutor ainda ficou trabalhando bem frio. Praticamente na temperatura ambiente. 

 

adicionado 3 minutos depois
3 minutos atrás, mlegnari disse:

Não deu nem tempo de criar duvida @albert_emule na minha mente :) já fiz a **********.... montei com único enrrolamento num toroide bem pequeno, não vai passar dois fio nem tres :( vou arrumar uns toroides maiores!

 

Cuidado com toroides. 

Só servem aqueles que são especiais, que são de pó de ferro misturado com materiais não magnéticos.. 

Desta lista do site a seguir, eu gosto de usar os verdes: 

http://www.magmattec.com.br/núcleos-de-po-de-ferro/

Os verdes tem dado resultados satisfatórios em meus projetos. 

adicionado 6 minutos depois
8 minutos atrás, mlegnari disse:

Sobre o efeito skin vi essa tabela dos 42khz, vou operar bem abaixo disso em 30khz, bom saber que tem esses dados fáceis de pesquisar. Em relação ao enrrolamento com dois ou três fios, esses servem para distribuir a corrente? como albert citou, que eu poderia usar indutores em paralelo, nesse caso enrrolando 3 fios seria a mesma coisa que 3 indutores paralelos? entendo que irá ter uma dissipação pior mas no modelo "ideal" seria isso?

 

Eu só tinha citado dos fios em paralelo. 

Eu até coloquei um link de um site que explica: 

http://www.bcae1.com/trnsfrmr.htm

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Pessoal fiz o circuito, estou usando um atmega328 pra pwm, saída 5v, então estou chaveando o gate do mosfet, e nesse mosfet com positivo um resistor de 1k pull UP,  eu inverto o pwm pra dar certo, até aí ok, estou agora numa fonte 20a 12v, quando o gate é acionado olha o que ocorre na tensão do dreno do mosfet, ela não fica zerada, azul é o gate que vai até 8v (abaixo de 5v não conduz muita corrente por isso usei transistor pra chavear). 

 

Detalhe, na foto estava testando 17khz e recalculei o indutor pra isso, mas tanto a, 17khz, quanto 30khz acontece a mesma coisa, e a tensão de saída não passa de 60v no capacitor, enquanto deveria dar mais de 200v em 5 segundos de chaveamento, alguma sugestão? IMG_20180426_161038793.thumb.jpg.7d4722c6deb8c780a0e4cdfe60bd5e14.jpg

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4 horas atrás, mlegnari disse:

Pessoal fiz o circuito, estou usando um atmega328 pra pwm, saída 5v, então estou chaveando o gate do mosfet, e nesse mosfet com positivo um resistor de 1k pull UP,  eu inverto o pwm pra dar certo, até aí ok, estou agora numa fonte 20a 12v, quando o gate é acionado olha o que ocorre na tensão do dreno do mosfet, ela não fica zerada,

Isso de não zerar é por causa da resistência Dreno source. 

Para piorar você ainda está acionando o gate com menos de 10V, o que faz piorar ainda nais este valor de resistência 

O ideal seria entre 12 a 15V. 

 

4 horas atrás, mlegnari disse:

 

 

 

 

azul é o gate que vai até 8v (abaixo de 5v não conduz muita corrente por isso usei transistor pra chavear). 

 

Detalhe, na foto estava testando 17khz e recalculei o indutor pra isso, mas tanto a, 17khz, quanto 30khz acontece a mesma coisa, e a tensão de saída não passa de 60v no capacitor, enquanto deveria dar mais de 200v em 5 segundos de chaveamento, alguma sugestão? 

 

Está com carga na saída?

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Este driver deve funcionar melhor 

 

image.png.396b5c3c514ada444f0ef3cbbd0c77a1.png

 

 

Simulação com onda no gate: 

 

 

image.png.926f154657669a0090c5d25a3fc8cea6.png

 

 

Simulação com onda no dreno:

 

image.png.daea11bfc5ca44452d2413b305b70978.png

 

 

adicionado 8 minutos depois

Já achei melhor deixar a base de Q2 permanentemente polarizada por uma fonte de 5V.

Pois assim quando ligar o circuito, o mosfet vai estar sempre desligado e só vai acionar quando o micro controlador levar o sinal da base de Q2 a nível Zero: 

 

image.thumb.png.b7da3b7bfe00d1753e5c52a8462ad684.png

adicionado 13 minutos depois

Observem um efeito interessante na simulação que também ocorre nas montagens reais: 

Quando a tensão no gate atinge entre 7 a 8V, a capacitância do gate aumenta bruscamente e por isso o pulso dá uma pequena envergara. 

 

adicionado 21 minutos depois

image.png.60c9dc094a4a1511b03cf2a61f4241ec.png

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O resistor de gate pode até ser eliminado. 

Observem a corrente de gate no gráfico verde:

Escala da direita é a da corrente. 

Apesar do pico de corrente alto, essa corrente dura poucos nanos segundos. Por isso nem faz esquentar o transistor.

Na verdade fica apenas morno. 

 

A pastilha de silício do transistor suporta, pois é corrente tão rápida que nem dá tempo derreter nada na pastilha.

Estou informando o que venho testando na prática...  

 

 

image.thumb.png.de9ed69f4332abf632de7fbb33a04533.png

 

 

Editado por albert_emule

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