Obvod meniča H-Bridge Sine Wave pomocou Arduino

Pochopenie dizajnu obvodu

Ak si nechcete prečítať celé vysvetlenie, môžete si pozrieť toto video namiesto toho:

Teraz sa pozrime na diagram obvodu nižšie a dozvieme sa, ako táto vec skutočne funguje. V obvode vidíme nasledujúce hlavné časti:

Arduino - Toto je náš mozog. Vydáva impulzy SPWM, ktoré rozhodujú o tom, ako bude náš obvod bežať.

IR2110 MOSFET Driver ICS (IC1 a IC2) -Tieto zariadenia berú štandardné signály SPWM od spoločnosti Arduino a robia ich kompatibilné na správne prepínanie 4-kanálových h-most mosfetov pomocou metódy bootstrappingu.

MOSFETS (Q1, Q2, Q3, Q4) - Toto sú vypínačy napájania. Zapínajú DC napájanie a vypínanie špecifickým spôsobom, aby vytvorili AC na výstupe.

Diódy (1N4007) a kondenzátory - Ide o umožnenie správneho fungovania siete bootstrapping ICS na dokonalé prepínanie 4 MOSFET.

Ostatné kondenzátory a rezistory - Sú malé, ale veľmi dôležité, pretože všetko udržiavajú hladko.

Napájanie - Potrebujeme +12 V a +5V pre Arduino a IRS ICS a vysoké DC napätie pre MOSFET, podľa špecifikácií zaťaženia.

Čo sa deje v okruhu?

Teraz sa pozrime, ako to funguje krok za krokom:

Arduino generuje signály SPWM na dvoch výstupných kolíkoch (kolík 8 a kolík 9). Tieto signály neustále menia šírku, aby vytvorili tvar ekvivalentný s ac sínusom.

ICS ICS dostávajú tieto signály PWM a používajú ich na zapnutie a vypnutie MOSFET vo veľmi špecifickom spôsobom.

H-mostík vyrobený pomocou štyroch MOSFETS prevedie zásobovanie jednosmernou zbernicou do výstupu podobného AC prepínaním prúdu smerom cez záťaž pomocou prepínača SPWM.

Na výstupe dostávame aproximáciu sínusovej vlny, čo znamená, že vyzerá ako sínusová vlna, ale je v skutočnosti vyrobená z rýchlo sa prepínajúcich impulzov.

Ak na výstup pridáme filtračný obvod, môžeme tieto impulzy vyhladiť a získať dokonalejšiu sínusovú vlnu.

Náš Arduino Code pre Sine Wave PWM

Takže teraz uvidíme kód. To bude Arduino spustiť na generovanie signálov SPWM.

Čo sa deje v tomto kóde?

Najprv sme nastavili dva výstupné kolíky (kolík 8 a kolík 9). Tieto pošle naše signály PWM.

Potom v slučke zapnete a vypnete špendlík v špeciálnom vzorke.

Začneme úzkymi impulzmi a postupne zvyšujeme šírku impulzu a potom ju znížime späť. Tým sa vytvára vzor PWM s šírkou sínusovou vlnou.

Po dokončení prvého polovice cyklu potom zopakujeme to isté na druhom PIN (kolík 9) pre ďalší cyklus.

Týmto spôsobom náš m-mostík prepína MOSFET v správnej sínusovej vlne ako móda.

Čo je na tomto dizajne dobré

Dizajn je v skutočnosti veľmi jednoduchý. Používame iba Arduino a niektoré bežné komponenty.

Nepotrebujeme tu generátor sínusových vĺn, správne. Samotný Arduino vyrába sínusový tvar pomocou SPWM.

H-mostík pracuje efektívne pomocou ICS ICS, aby sa ubezpečil, že MOSFETS prepínajú správne bez prehriatia.

SPWM môžeme ľahko vyladiť v prípade, že chceme inú frekvenciu sínusov, potom len trochu upravíme kód.

Ako by sme mali zvládnuť oneskorenie zavádzania Arduino

Teraz je to veľmi dôležité, čo musíme pochopiť, že Arduino trvá nejaký čas, keď začneme po zapnutí energie.

Stáva sa to preto, že keď napájame na Arduino, potom najprv spustí svoj interný bootloader, ktorý trvá niekoľko sekúnd.

Počas tejto doby teda vodič IRS ICS a MOSFET IR2110 nemusia od Arduino dostávať žiadne správne signály.

Ak k tomu dôjde, môžu sa MOSFET náhodne zapnúť, čo môže okamžite poškodiť ICS alebo spôsobiť skrat alebo výbuch.

Aby sme sa ubezpečili, že vyššie uvedené oneskorenie zavádzania nespáli ICS a MOSFET počas počiatočného zapnutia, musíme upraviť vyššie uvedený kód, ako je uvedené nižšie:

// 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);
}

Zoznam dielov

Konštrukčné tipy

Teraz, keď skutočne staviame túto vec, musíme byť veľmi opatrní pri niekoľkých dôležitých veciach. Inak to nemusí fungovať alebo horšie, niečo môže vyhorieť správne? Takže tu je niekoľko veľmi dôležitých tipov na konštrukciu, ktoré musíme sledovať:

Ako by sme mali zariadiť časti na doske

Ak použijeme doštičku, tento obvod nemusí fungovať dobre, pretože vysoko výkonné MOSFET a vodiči potrebujú silné a pevné spojenia.

Mali by sme teda použiť dosku DPS (doska s tlačenými obvodmi) alebo aspoň dosku PERF a správne spájkovanie.

Ak vytvoríme DPS, musíme držať MOSFET a IR ICS blízko seba, aby sa signály nestali alebo oneskorili.

Hrubé vodiče by mali ísť na vysoké prúdové cesty, ako je napríklad napájanie do MOSFETS a od MOSFETS po zaťaženie.

Tenké vodiče sa môžu použiť iba na signálne pripojenia ako od Arduino po ICS ICS.

Ako by sme mali umiestniť MOSFET

Štyri MOSFET by mali byť umiestnené do správneho tvaru H-mostíka, aby sa zapojenie nestalo chaotickým.

Každý MOSFET by mal mať krátke a silné spojenia s IR2110 IC.

Ak umiestnime MOSFET príliš ďaleko od IR2110, signály môžu byť slabé a MOSFETS sa nemusia správne prepínať.

Ak sa to stane, potom sa môžu MOSFET zahriať a dokonca vyhorieť.

Ako by sme mali vyriešiť problém s tepla

Ak použijeme IRF3205 MOSFETS alebo podobné, potom sa zahrievajú, ak im nedáme chladič.

Preto musíme opraviť veľký hliníkový chladič na MOSFET, aby sme ich udržali v pohode.

Ak vyrábame menič s vysokým výkonom (viac ako 100 W), mali by sme tiež pripevniť chladiaci ventilátor na chladič.

Ak sú MOSFET príliš horúce na to, aby sa dotkli, znamená to, že existuje nejaký problém a my musíme znova skontrolovať obvod.

Ako by sme mali napájať obvod

Časť Arduino beží na 5 V a MOSFET potrebujú na prácu 12 V alebo viac.

Takže sa nikdy nesmieme pripojiť 12 V s Arduino, alebo ho bude horieť okamžite!

IRS ICS potrebujú dva napájacie zdroje:

12 V pre vysoko stranu MOSFETS

5V pre logickú sekciu

Ak zmiešame tieto elektrické vedenia, obvod nebude fungovať správne a MOSFETS sa prepínajú správne.

Ako by sme mali pripojiť drôty

Pripojenie na zem (GND) je veľmi dôležité. Ak je uzemňovacie zapojenie slabé alebo dlhé, obvod sa môže správať čudne.

Mali by sme použiť spoločnú pôdu pre všetky časti, čo znamená, že Arduino Ground, IR2110 Ground a MOSFET Source Ground musia byť spojené dohromady.

Ak vidíme, ako sa obvod správajú čudne (ako napríklad blikanie výstupu alebo sa mosfets bez zaťaženia), mali by sme si najskôr skontrolovať pozemné spojenia.

Ako by sme mali skontrolovať obvod pred jeho zapnutím

Predtým, ako zapnete napájanie, musíme skontrolovať všetky pripojenia, aby sme zistili, či je všetko správne.

Ak máme multimeter, mali by sme ho použiť na kontrolu napätia v rôznych bodoch pred vložením MOSFETS.

Budeme prísne potrebovať osciloskop, aby sme mohli skontrolovať signály SPWM prichádzajúce z Arduino, aby sme zistili, či vyzerajú správne.

Ako by sme mali opatrne otestovať obvod

Najlepším spôsobom, ako bezpečne otestovať tento obvod, je začať s nízkym napätím.

Namiesto 12V sa môžeme najprv pokúsiť vyskúšať 6V alebo 9V, aby sme zistili, či MOSFETS prepínajú správne.

Ak obvod funguje dobre pri nízkom napätí, potom sa môžeme pomaly zvýšiť na 12 V a nakoniec na celé napätie.

Ak náhle použijeme plné napätie a niečo nie je v poriadku, potom niečo môže okamžite vyhorieť!

Preto musíme krok za krokom otestovať a neustále kontrolovať prehriatie alebo nesprávne správanie.

Ako môžeme pridať filter pre plynulejší výstup

Tento obvod vytvára výstup striedavého prúdu pomocou PWM, ale stále je vyrobený z rýchlych impulzov.

Ak chceme čistú sínusovú vlnu, musíme na výstup pridať LC filter.

Tento LC filter je iba veľkým induktorom a kondenzátorom pripojeným k výstupu.

Induktor odstráni rýchle spínacie impulzy a kondenzátor vyhladzuje tvar vlny.

Ak to urobíme správne, môžeme získať čistú sínusovú vlnu, ktorá je bezpečná pre spotrebiče.

Ako by sme mali chrániť obvod pred poškodením

Vždy by sme mali pridať poistku v sérii so zdrojom napájania.

Ak niečo zlyhá alebo MOSFET zlyhá, poistka sa najskôr zlomí a obvod zachráni pred spaľovaním.

Ak zlyhajú MOSFETS, niekedy zlyhajú (čo znamená, že vždy zostávajú).

Ak sa tak stane, môže obrovský prúd prúdiť a poškodiť transformátor alebo iné časti.

Takže je vždy dobré skontrolovať MOSFET pomocou multimetra pred použitím vysokého výkonu.

Záver

Takže sme tu videli, ako môžeme urobiť menič sínusovej vlny pomocou iba Arduino a okruhu mosfet H-most. Použili sme ovládače IR2110 MOSFET na správne prepínanie kontroly MOSFET a PWM z Arduino na generovanie nášho AC modulovaného sínum.

Teraz si treba pamätať na to, že tento výstup je stále vyrobený z rýchlo sa prepínajúcich impulzov, takže ak potrebujeme čistú sínusovú vlnu, musíme na výstup pridať LC filter na výstup, aby sme ho vyhladili.

Celkovo je to však veľmi praktický a ľahký spôsob, ako doma urobiť menič sínusovej vlny!