Inverter con relè

[topolo]

Buonasera,

questa settimana, nel tempo libero che ho avuto a disposizione, mi sono cimentato nel realizzare un prototipo di un inverter "meccanico", se così si può definire. Esso si compone di un tubolare di appena 14 mm di diametro, su cui ho effettuato dei fori a coppie, per inserire i contatti in rame (improvvisati con dei cavi da 16 A), posti rispettivamente a 90°, in modo tale che una coppia sia in contatto e l'altra non lo sia, e viceversa. In questo modo dovrei ottenere un cambiamento di polarità ad ogni giro. Lo schema elettrico che ho usato è quello di un comune inverter a ponte H, con quattro interruttori. 

Purtroppo su internet, facendo delle ricerche, non ho trovato nessun argomento a riguardo. Comprendo benissimo che la corrente alternata ha una frequenza standard di 50 Hz, e applicando una semplice formula capisco bene che il tubolare dovrà compiere all'incirca 50 giri al secondo. 

Vorrei dei chiarimenti riguardo al funzionamento. Al momento ho solo provato con tensioni di 9 V di una piccola batteria e con un multimetro, e provando a ruotare il tubolare la tensione ad ogni giro passava da +9V a -9V in modo alternato. 

Preciso che lo scopo è puramente didattico.

Cosa ne pensate? La corrente che ottengo è realmente alternata?

Inoltre trovando un modo per farlo girare a velocità tale da avvicinarsi ai 50 Hz, è possibile collegare i capi di uscita ad un trasformatore?

Resto in attesa. 

[Livio Orsini]

9 ore fa, topolo ha scritto:

La corrente che ottengo è realmente alternata?

 

Si la tensione è alternata ma non sinusoidale, se le spazzole sonoesattamente a 90° avrai una corrente alternata ad impulsi quadrati.

Puoi applicare questa tensione ad un avvolgimento a bassa tensione di un trasformatore ed ottenere una tensione prossima ai 230V sul secondario.

diciamo che se hai un'onda quadra a 9V pottresti usare un trasformatore 12V - 230V.

Inoltre, se parti da un'onda quadra, all'uscita del trasformatore ti troveresti una forma d'onda quuasi sinusoidale, visto che il trasformatore si comporta da filtro passa basso e taglia le armoniche che compongono l'onda quadra.

 

9 ore fa, topolo ha scritto:

Preciso che lo scopo è puramente didattico.

 

Anche perchè, oltre ad un rendimento bassissimo, questo invertitore avrebbe vita breve per l'usura delle spazzole.

Il bello dell'aggieggio è che, variando la velocità al motore, puoi ottenere una corrispondente variazione di frequenza.

 

Se applichi la tensione ottenuta ad un trasformatore fai molta attenzione perchè, al secondario, la tensione ottenuta è comunque pericolosa per la salute.

[topolo]

Grazie per la risposta.

Da quel che ho capito, avendo un'onda quadra, potrò alimentare solo carichi resistivi a 230v?

Per le spazzole troverò una soluzione più efficiente.

1 ora fa, Livio Orsini ha scritto:

Si la tensione è alternata ma non sinusoidale, se le spazzole sono esattamente a 90° avrai una corrente alternata ad impulsi quadrati.

Puoi applicare questa tensione ad un avvolgimento a bassa tensione di un trasformatore ed ottenere una tensione prossima ai 230V sul secondario.

diciamo che se hai un'onda quadra a 9V potresti usare un trasformatore 12V - 230V.

 

[Livio Orsini]

1 ora fa, topolo ha scritto:

Da quel che ho capito, avendo un'onda quadra, potrò alimentare solo carichi resistivi a 230v?

 

A parte il fatto che sul secondario dovresti avere una quasi sinusoide, anche in onda quadra potresti alimentare anche carichi non puramente resistivi.

 

Attenzione!!

 

230Vca sono intesi come tensione a valore efficace, se non hai una sisnusoide pura per avere una misura attendibile del valore devi usare un voltmetro a vero valore efficace o "true RMS voltmeter"

[topolo]

1 ora fa, Livio Orsini ha scritto:

230Vca sono intesi come tensione a valore efficace, se non hai una sisnusoide pura per avere una misura attendibile del valore devi usare un voltmetro a vero valore efficace o "true RMS voltmeter"

Va bene. Grazie per la risposta e l'interessamento. 

[patatino59]

Preparati a ricevere lamentele dai vicini per i disturbi elettrici che un sistema del genere produce.
Negli anni 50 la Geloso produceva "Invertitori a vibrazione" che avevano esattamente gli stessi problemi.
Sono stati in commercio per poco tempo.

https://www.radiomuseum.org/r/geloso_invertitore_a_vibratore_2.html#

http://web.tiscali.it/i2viu/survgelo.gif

https://upload.forumfree.net/i/ff13530410/Vibratore-non-Sincrono-Geloso-1463-12V-1463-12V-1463-6.jpg

 

[topolo]

14 ore fa, patatino59 ha scritto:

 

https://www.radiomuseum.org/r/geloso_invertitore_a_vibratore_2.html#

http://web.tiscali.it/i2viu/survgelo.gif

https://upload.forumfree.net/i/ff13530410/Vibratore-non-Sincrono-Geloso-1463-12V-1463-12V-1463-6.jpg

 

Grazie per l'approfondimento.

[topolo]

Il 24/3/2023 alle 10:44 , Livio Orsini ha scritto:

230Vca sono intesi come tensione a valore efficace, se non hai una sisnusoide pura per avere una misura attendibile del valore devi usare un voltmetro a vero valore efficace o "true RMS voltmeter"

Inerente a questa citazione, questa mattina ho provato l'aggeggio grazie ad una bicicletta con ruota di diametro 60 cm. Provando a girare il pedale lentamente la lampadina da 5 w e 230v si è accesa, ma in modo intermittente (il trasformatore è contenuto all'interno della scatoletta bianca), aumentando la velocità di rotazione sono arrivato ad un punto tale che la lampadina rimaneva spenta, nonostante la ruota stesse girando molto velocemente.

Il problema è legato alla tensione a valore efficace che si crea? Come posso rimediare?

Resto in attesa.

[Livio Orsini]

Il problema è legato alle spazzole.

Se di sponi di un oscilloscopio, osserva la forma d'onda che esce dal tuo invertitore, vedrai che oltre un certa velocità di rotazione gli impulsi cominceranno a degradarsi

[topolo]

25 minuti fa, Livio Orsini ha scritto:

Il problema è legato alle spazzole.

Grazie per la risposta. Ho provato con l'oscilloscopio e ho potuto benissimo constatare che il segnale è ebbastanza degradato. 

Potrei provare a cambiare i contatti con dei cavi rigidi e parti in ferro rigide, come un filo di ferro da 2/3 mm?

 

Modificato: 25 marzo 2023 da topolo

[max.bocca]

La Braun per esempio utilizzava il multi vibratore per creare l'alta tensione per i flash.

[Livio Orsini]

6 minuti fa, topolo ha scritto:

Potrei provare a cambiare i contatti con dei cavi rigidi e parti in ferro rigide, come un filo di ferro da 2/3 mm?

 

No, ottieni poco.

 Per farlo funzionare fai conto di avere 2 coppie di camme. Ogni camma ha 90° di pieno seguito da 90° di vuoto, poi un pieno ed un'altro vuoto.

Monti 2 di queste camme vicine ma elettricamente isolate e sfasate di 90°, l'altra coppia la monti un po' più distante ma esattamente con la stessa fase. Le due coppie devono essere elttricamente isolate tra loro. Alimenti la prima camma della coppia diu sx con il "+" e la seconda con il "-"; l'altra coppia con le alimentazioni esattamente invertite.

Poi realizzi 2 spazzole flessibili, di larghezza sufficiente a toccare ognuna la coppia di camme.

Ruotando l'albero la spazzola di sx avrà un positivo per 90°, poi un negativo per altri 90°; la spazzola di dx idem ma con polarità esattamente invertita.

In questo modo avrai un'alternaza di impulsi quadri di polarità invertita.

Prima ho scritto che le camme devono avere 90° di ampiezza, però è corretto solo in teoria. In pratica dovranno avere un'ampiezza minore per evitare che oltre una certa velocità l'inerzia meccanica della spazzola faccia toccare entrambe le camme.

[topolo]

1 ora fa, Livio Orsini ha scritto:

Per farlo funzionare fai conto di avere 2 coppie di camme. Ogni camma ha 90° di pieno seguito da 90° di vuoto, poi un pieno ed un'altro vuoto.

Monti 2 di queste camme vicine ma elettricamente isolate e sfasate di 90°, l'altra coppia la monti un po' più distante ma esattamente con la stessa fase. Le due coppie devono essere elttricamente isolate tra loro. Alimenti la prima camma della coppia diu sx con il "+" e la seconda con il "-"; l'altra coppia con le alimentazioni esattamente invertite.

Poi realizzi 2 spazzole flessibili, di larghezza sufficiente a toccare ognuna la coppia di camme.

Ruotando l'albero la spazzola di sx avrà un positivo per 90°, poi un negativo per altri 90°; la spazzola di dx idem ma con polarità esattamente invertita.

In questo modo avrai un'alternaza di impulsi quadri di polarità invertita.

Prima ho scritto che le camme devono avere 90° di ampiezza, però è corretto solo in teoria. In pratica dovranno avere un'ampiezza minore per evitare che oltre una certa velocità l'inerzia meccanica della spazzola faccia toccare entrambe le camme.

Grazie per la risposta, la terrò in esame. 

[topolo]

Buonasera,

questo fine settimana mi sono dedicato alla realizzazione di un inverter usando un relè smontato da una scheda. 

So benissimo che per questo scopo è obbligatorio optare per i MOSFET, (come già mi è stato consigliato nelle scorse discussioni) ma ho voluto mettere in pratica questo esperimento. 

Il problema che si è presentato è stato un riscaldamento eccessivo del relè (penso dovuto all'arco che si crea tra i contatti ) e dei due diodi, andati quasi in fumo già dopo pochi istanti. I diodi che ho usato sono: UF200

Come carico al secondario del trasformatore ho usato una lampadina led da 5W. 

 

Andandomi a documentare ho capito che l'arco voltaico, con relativo picco di tensione e corrente, dovuto al carico induttivo del trasformatore, provoca un relativo riscaldamento dei contatti del commutatore. Per questo ho pensato di inserire dei diodi flyback, ma a quanto pare non hanno risolto nulla. L'unica soluzione che mi è venuta in mente è quella di cambiare il tipo di diodi, scegliendo uno come il 20A10, ma non ne sono sicuro.

 

Qui sotto allego lo schema del circuito.

 

Resto in attesa.

Modificato: 14 maggio 2023 da topolo

[Livio Orsini]

Per prima cosa non dovevi aprire una nuova discussione, ma continuare con la precedente. Ora le ho riunite. Non aprirne altre su questo argomento.

 

8 ore fa, topolo ha scritto:

è stato un riscaldamento eccessivo del relè

 

Quasi certamente questo eccessivo riscaldamento, per la bobina, èè dovuto alla frequenza di commutazione del relè, dovresti verificare sul datasheet del relè a quanto corrisponde la frequenza massima di commutazione dello stesso.

I normali relè non sono progettati per questo tipo di applicazioni.

Un tempo, quando si usavano mezzi elettromeccanici per realizzare invertitori, si progettavano dispositivi specifici per lo scopo. un classico esempio è il normale campanello elettromeccanico, anche se la freqeunza con cui il martelletto colpisce la campana è parecchio inferiore ai 50Hz.

Per qeuste frequenze bisogna nadare sui vibratori specifici (vibro invertitori) e chopper elettromeccanici, ma oramai si trovano solo nei musei.

 

Poi c'è il problema dei contatti. Vediamo di spiegarlo in modo molto semplificato banalizzando i concetti.

Commutare carichi reattivi in corrente continua costituisce, da sempre, un problema per i contatti elettromeccanici. Se leggi i data sheets dei relè noti che danno valori di corrente, per carichi reattivi, che in genere è meno di 1/3 del valore di quella per carichi resistivi. Inoltre quando si tratta di corrente continua c'è il problema aggiuntivo che la polarità è sempre la stessa, questo fa si che su un contatto si andrà a depositare parte del materiale che viene prelevato dall'altro; questo comporta che, dopo un certo numero di commutazioni, su di un contatto si forma un cratere, mentre su l'altro ci sarà un po' di rilievo. A lungo andareun contatto si buca e non ci sarà più chiusura del circuito, oppure i contatti si saldano.

Con le correnti alternate questo fenomeno è molto ridotto proprio perchè le polarità si scambiano in continuazione ed il trasferimento di materiale non è in un solo senso.

Se osservi un relè d'automobile, per esempio, noterai che i contatti di questo relè sono molto più robusti dei contatti di un relè "normale" che commutaa la stessa corrente massima.

L'arco si può minimizzare, ridurre, ma non eliminare totalmente.

Oltre a mettere dei diodi di ricircolo in anti parallelo al carico, diodi che devono essere veloci (fast recovery o shotky), puoi mettere dei filtri "snubber" tra il contatto del relè ed il +12V o lo zero. Ci sono differenti topologie cirquitali per questi filtri,ma sono tutti R-C e, per alcuni tipi, si usa anche un diodo. Se fai una ricerca in rete con parole come "filtro snubber" o  "circuito filtro snubber" troverai parecchio materiale.

 

Riassumendo.

Se proprio vuoi insistere nel tuo insano proposito (🙂), per prima cosa procurati dei relè adatti, anche se la robustezza dei contatti è antitetica con la velocità di commutazione. Poi procurati dei diodi veloci che sopportino correnti e tensioni adeguate; infine monta dei filtri snubber per ridurre gli effetti dell'arco, arco che comunque avrai sempre.

[topolo]

Grazie per la risposta. Scusate per aver aperto una nuova discussione.

 

Il 15/5/2023 alle 08:09 , Livio Orsini ha scritto:

Se osservi un relè d'automobile, per esempio, noterai che i contatti di questo relè sono molto più robusti dei contatti di un relè "normale" che commutaa la stessa corrente massima.

So benissimo che i relè che ho usato non sono minimamente progettati per questo scopo. Il mio obiettivo era quello di optare per i MOSFET. Anche con essi avrò bisogno dei diodi e degli snubber?

[Livio Orsini]

2 ore fa, topolo ha scritto:

Anche con essi avrò bisogno dei diodi e degli snubber?

 

Certamente!

In questo caso, non essendoci arco, si usano per ridurre l'ampiezza delle oscillazioni che si hanno quando il mosfet apre.

 

Se usi i mosfet, procurati anche i circuiti integrati che svolgono la funzione di driver del gate. Il pilotaggio dei mosfet come interruttori è meno semplice di quello che molti credono. Moglio avvalersi di appositi circuiti driver ed essere sicuri di pilotare il mosfet in modo corretto, altrimenti rischi di allineare una bella sfilza di cadaveri.😕

[topolo]

2 ore fa, Livio Orsini ha scritto:

Certamente!

Grazie per la risposta. 

Per quanto riguarda il gate-driver, l'ho ordinato dal rivenditore di elettronica più vicino a casa mia. Il modello è il MC34152, come già consigliato nelle precedenti discussioni. Come generatore di onda quadra lascio sempre il timer 555 a 50 Hz. Come 2 mosfet penso che vadano bene gli IRF3205. 

 

Da quel che mi hai detto l'arco elettrico non si dovrebbe formare e non dovrei avere problemi di riscaldamento con un buon driver, per cui i diodi e gli snubber dove andranno collegati?

 

Inoltre vorrei sapere se esiste un chip che quando riceve dal 555 segnale 0 attiva un uscita (alimenta 1 MOSFET), memtre quando riceve segnale 1 attiva l'altra uscita (MOSFET 2).

 

I miei dubbi sorgono sulla scelta dei tipi di diodi da utilizzare e del valore dei resistori. Allego l'immagine del circuito del datasheet:

 

 

Modificato: 16 maggio 2023 da topolo

[Livio Orsini]

11 ore fa, topolo ha scritto:

non dovrei avere problemi di riscaldamento con un buon driver

 

Calma! anche il mosfet pilotato correttamente scalda perchè deve dissipare comunque energia. C'è la dissipazione durante le transizioni da on-off e viceversa, anche se ben pilotato, poi c'è la dissipazione in stato on perchè c'è sempre la Rds che, anche se piccola, non è nulla.

12 ore fa, topolo ha scritto:

Inoltre vorrei sapere se esiste un chip che quando riceve dal 555 segnale 0 attiva un uscita (alimenta 1 MOSFET), memtre quando riceve segnale 1 attiva l'altra uscita (MOSFET 2).

 

Non funziona in questo modo🙂

Tra il fronte di discesa di un comando ed il fronte di salita dell'altro deve trascorre un certo tempo vuoto, quello che viene denominato "dead time", tempo morto. Questo perchè, comunque, il mosfet impiega un certo tempo a passare dalla conduzione all'interdizione e, se i comandi fossero contemporanei, ci sarebbe una sovrapposizione con effetti deleteri.

Se tu fai una ricerca sia in rete, ma anche in questa sezione, con termini come "inverter a trasformatore" vedi il tipo di circuitazione che viene impiegato. C'è anche una discussione risalente a non molti mesi addietro relativa ad un circuito come quello che vorresti realizzare. In questa discussione puoi trovare moltissime informaioni utili.

 

12 ore fa, topolo ha scritto:

per cui i diodi e gli snubber dove andranno collegati?

Gli snubber si collegano ai drain dei Mosfet.

 

12 ore fa, topolo ha scritto:

I miei dubbi sorgono sulla scelta dei tipi di diodi da utilizzare e del valore dei resistori.

 

I diodi devono essere dei "fast recovery" o degli shotky. Per i valori dei resistori dipende dalle correnti di gate; comunque sono nell'ordine di quelche decina di ohm.

Tieni presente che il gate è assimilabile ad una capacità che va caricata, per mandare in on il Mosfet, e scaricata per metterlo in off. In teoria per avere una buona transizione i tempi di carica e scarica dovrebbero essere nulli, cosa impossibile, il resistore limita la corrente di carica e scarica ed è un compromesso tra la velocità e la "salute" del mosfet.

[topolo]

Il 17/5/2023 alle 07:12 , Livio Orsini ha scritto:

Calma! anche il mosfet pilotato correttamente scalda perchè deve dissipare comunque energia. C'è la dissipazione durante le transizioni da on-off e viceversa, anche se ben pilotato, poi c'è la dissipazione in stato on perchè c'è sempre la Rds che, anche se piccola, non è nulla.

Grazie per la precisazione e la risposte.