Convertir un onduleur carré en onduleur sinusoïdal

Le post explique quelques concepts de circuit qui peuvent être utilisés pour convertir ou modifier tout onduleur à onde carrée ordinaire en une conception sophistiquée d'onduleur à onde sinusoïdale.

Avant d'étudier les différentes conceptions expliquées dans cet article, il serait intéressant de connaître les facteurs qui rendent généralement un onduleur sinusoïdal plus souhaitable qu'une conception à onde carrée.

Fonctionnement de la fréquence dans les onduleurs

Les onduleurs impliquent essentiellement des fréquences ou des oscillations pour la mise en œuvre des actions d'amplification et d'inversion. La fréquence que nous connaissons est la génération d'impulsions à un certain modèle uniforme et calculé, par exemple une fréquence d'inverseur typique peut être évaluée à 50 Hz ou 50 impulsions positives par seconde.

La forme d'onde de fréquence fondamentale d'un onduleur se présente sous la forme d'impulsions carrées.

Comme nous le savons tous, une onde carrée ne convient jamais à l'utilisation d'équipements électroniques sophistiqués tels que la télévision, les lecteurs de musique, les ordinateurs, etc.

Le secteur AC (courant alternatif) que nous acquérons à notre prise secteur domestique se compose également de fréquence de courant pulsé, mais ceux-ci se présentent sous la forme d'ondes sinusoïdales ou d'ondes sinusoïdales.

Il est normalement à 50 Hz ou 60 Hz selon les spécifications de l'utilitaire du pays.

La courbe sinusoïdale mentionnée ci-dessus de notre forme d'onde CA domestique se réfère aux pics de tension en augmentation exponentielle qui constituent les 50 cycles de la fréquence.

Puisque notre courant alternatif domestique est généré par des turbines magnétiques, la forme d'onde est intrinsèquement une onde sinusoïdale, elle ne nécessite donc aucun traitement supplémentaire et devient directement utilisable dans les maisons pour tous les types d'appareils.

A l'inverse dans les onduleurs, la forme d'onde fondamentale se présente sous la forme d'ondes carrées qui nécessitent un traitement approfondi afin de rendre l'unité compatible avec tous les types d'équipements.

Différence entre l'onde carrée et l'onde sinusoïdale

Comme le montre la figure, une onde carrée et une onde sinusoïdale peuvent avoir des niveaux de tension de crête identiques, mais la valeur RMS ou la valeur quadratique moyenne peuvent ne pas être identiques. Cet aspect est ce qui rend une onde carrée particulièrement différente d'une onde sinusoïdale même si la valeur de crête peut être la même.

Par conséquent, un onduleur à onde carrée fonctionnant avec 12V DC générerait une sortie équivalente à 330V, tout comme un onduleur à onde sinusoïdale fonctionnant avec la même batterie, mais si vous mesurez la sortie RMS des deux onduleurs, elle différerait considérablement (330V et 220V).

L'image montre incorrectement 220V comme pic, en fait il devrait être 330V

Dans le diagramme ci-dessus, la forme d'onde de couleur verte est la forme d'onde sinusoïdale, tandis que l'orange représente la forme d'onde carrée. La partie ombrée est le RMS excédentaire qui doit être nivelé afin de rendre les deux valeurs RMS aussi proches que possible.

La conversion d'un onduleur à onde carrée en un équivalent d'onde sinusoïdale signifie donc essentiellement permettre à l'inverseur d'onde carrée de produire la valeur de crête requise, disons 330V, tout en ayant un RMS à peu près égal à son homologue à onde sinusoïdale.

Comment convertir / modifier une forme d'onde carrée en équivalent de forme d'onde sinusoïdale

Cela peut être fait soit en découpant un échantillon d'onde carrée en une forme d'onde sinusoïdale, soit simplement en découpant un échantillon de forme d'onde carrée en morceaux plus petits bien calculés de sorte que son RMS devienne très proche d'une valeur RMS AC standard du secteur.

Pour sculpter une onde carrée en une onde sinusoïdale parfaite, nous pouvons utiliser un oscillateur à pont de Wien ou plus précisément un «oscillateur bubba» et le transmettre à un étage de processeur à onde sinusoïdale. Cette méthode serait trop complexe et n'est donc pas une idée recommandée pour la mise en œuvre d'un onduleur carré existant sur un onduleur sinusoïdal.

L'idée la plus réalisable serait de couper l'onde carrée associée à la base des dispositifs de sortie au degré RMS requis.

Un exemple classique est présenté ci-dessous:

Le premier diagramme montre un circuit inverseur à onde carrée. En ajoutant un simple hacheur AMV, nous pouvons décomposer les impulsions à la base des mosfets concernés au degré requis.

Onde carrée modifiée en version onduleur équivalente à onde sinusoïdale du circuit ci-dessus.

Ici, l'AMV inférieure génère des impulsions à haute fréquence dont le rapport marque / espace peut être modifié de manière appropriée à l'aide du préréglage VR1. Cette sortie contrôlée PWM est appliquée aux portes des mosfets afin d'adapter leur conduction à la valeur RMS stipulée.

Motif de forme d'onde typique attendu de la modification ci-dessus:

Forme d'onde aux portes mosfet:

Forme d'onde à la sortie du transformateur:

Forme d'onde après filtration appropriée à l'aide d'inductances et de condensateurs à la sortie du transformateur:

Liste des pièces

R1, R2, = 27K,
R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10 = 1K Ohms,
C1, C2 = 0.47uF / 100V métallisé
C3, C4 = 0,1 uF
T1, T2, T5, T6 = BC547,
T3, T4 = n'importe quel 30 V, mosfet 10 ampères, canal N.
D1, D2 = 1N4148
VR1 = 47K préréglé
Transformateur = 9-0-9V, 8 ampères ( les spécifications doivent être sélectionnées en fonction de la charge de sortie pour une optimisation correcte de la puissance )
Batterie = 12V, 10AH

Obtenir un meilleur taux d'efficacité

La conversion ou la modification ci-dessus fournira environ 70% d'efficacité avec l'adaptation RMS obtenue. Si vous souhaitez obtenir une correspondance meilleure et plus précise, un processeur de forme d'onde IC 556 PWM serait probablement nécessaire.

Vous voudriez vous référer à cet article qui montre le principe derrière modification d'une forme d'onde carrée en une forme d'onde sinusoïdale en utilisant quelques IC555.

La sortie du circuit mentionné ci-dessus peut être alimentée de manière similaire à la porte ou à la base des dispositifs d'alimentation appropriés qui sont présents dans l'unité d'onduleur carré existant.

Une approche plus complète peut être observée dans cet article où un IC 556 est utilisé pour extraire une onde sinusoïdale modifiée précise basée sur PWM équivalents d'une source d'échantillonnage d'onde carrée.

Cette forme d'onde est intégrée aux dispositifs de sortie existants pour mettre en œuvre les modifications prévues.

Les exemples ci-dessus nous enseignent les méthodes plus simples par lesquelles tout onduleur à onde carrée ordinaire existant peut être modifié en une conception d'inverseur à onde sinusoïdale.

Conversion en SPWM

Dans l'article ci-dessus, nous avons appris comment la forme d'onde d'un onduleur à onde carrée pouvait être optimisée pour obtenir une forme d'onde sinusoïdale en découpant l'onde carrée en sections plus petites.

Cependant, une analyse plus approfondie montre qu'à moins que la forme d'onde hachée ne soit dimensionnée sous la forme de SPWM, l'obtention d'un équivalent d'onde sinusoïdale approprié peut ne pas être possible.

Pour satisfaire cette condition, un circuit convertisseur SPWM devient essentiel pour découper la forme d'onde sinusoïdale la plus idéale de l'onduleur.

Le diagramme suivant montre comment cela pourrait être mis en œuvre efficacement avec les conceptions décrites ci-dessus.

Grâce à l'un de mes articles précédents, nous avons compris comment un opamp pourrait être utilisé pour créer des SPWM , la même théorie pourrait être vue appliquée dans le concept ci-dessus. Deux générateurs d'ondes triangulaires sont utilisés ici, l'un acceptant l'onde carrée rapide de l'astable inférieur, tandis que l'autre acceptant les ondes carrées lentes de l'astable supérieur et les traitant en sorties d'ondes triangulaires rapides et lentes correspondantes, respectivement.

Ces ondes triangulaires traitées sont transmises aux deux entrées d'un amplificateur opérationnel, qui les convertit finalement en SPWM ou en largeurs d'impulsion sinusoïdales.

Ces SPWM sont utilisés pour hacher les signaux à la porte des mosfets qui commutent finalement la forme d'onde sur l'enroulement du transformateur connecté pour créer une réplique exacte d'une forme d'onde sinusoïdale pure sur le côté secondaire du transformateur par induction magnétique.