Circuito de Bobinas de Tesla.

MOR_AL · 8 de setembro de 2020

Em 06/09/2020 às 02:34, Pedro Henrique D. disse:

o que aconteceria que eu jogasse um onda AM double sideband, como esta:

na base do IGBT?

Esta onda é DSB-SC ou Double Side Band Supressed Carrier.

Observe a onda modulante, a que possui menor frequência, ou a senoide formada pelos picos da alta frequência. Ela atravessa o zero volt. Caso a portadora não fosse suprimida, a senóide de baixa frequência não atravessaria o zero volt. Apareceriam duas ondas de baixa frequência simétricas em relação ao zero volt.

A onda de baixa frequência, supostamente de áudio no seu caso, poderia ser recuperada na carga, desde que a frequência portadora fosse duas vezes superior à maior frequência da modulante. Mas para alta fidelidade esta relação costuma ser maior.

Não tenho certeza, mas se você usar PWM com largura do período ON proporcional a amplitude da portadora, Vai ter zero volt na carga. Repare que existem duas senoides como contorno dos picos da portadora. Na figura só está mostrada uma delas, mas há também outra simétrica.

Outro detalhe, e muito importante. Suponha que é um sinal PWM com um período T, ou na frequência f0.

Agora imagine que o áudio está passando por um trecho bem baixo, ou que o sinal de áudio estiver cruzando o zero (áudio entre 20Hz e 20kHz, sempre vai haver cruzamento pelo zero). O período Ton do PWM terá que ser bem pequeno, certo? Então as chaves TERÃO que responder a uma frequência bem maior que f0. As frequências maiores podem ser identificadas fazendo-se a série de Fourier. Não é um procedimento fácil ou imediato. O que ocorre é que se pondera (depois de ter feito a série pouquíssimas vezes) considera-se que a chave tem que responder a uma frequência x vezes maior.

Um último detalhe. Costuma-se fazer, em baixa potência, o sinal de áudio ser comparado com uma onda triangular na frequência f0 da chave. A saída desta comparação fornece um sinal PWM, que depois de processado, é enviado às chaves.

MOR_AL

Pedro Henrique D. · 10 de setembro de 2020

Em 08/09/2020 às 16:48, MOR disse:

Bom.

Até o momento eu não quis participar deste tópico pois acho extremamente PERIGOSO.

Não me entenda mal, é apenas a minha opinião. Mexo com eletrônica há 53 anos e sou formado há 44 anos. Portanto, sei do que estou "falando". Hoje, aposentado, a eletrônica é um prazeroso hobby, que "brinco" diariamente.

Mas vamos lá.

A análise dos circuitos de chaveamento, em princípio, pode-se considerar os dispositivos semicondutores como "chaves".

Em 1987 fiz um modelo full-bridge do comportamento com as correntes nas chaves. Ela usava MOSFETS, mas considerando-se como chaves, você poderá entende-las como qualquer dispositivo de chaveamento, ok?

Tanto as indicações das correntes, como a informação de qual é o primeiro ciclo, não estão corretas.

Segue uma figura que fiz. Analise com cuidado para entender.

Sei que você mencionou que no momento só pretende montar e mostrar, mas é certo, que as chances de montar e funcionar logo em seguida são mínimas, para não mencionar nulas. Aí é que entra a parte de entender o funcionamento do circuito para tentar "botar para funcionar".

Então, aí vai o funcionamento de um circuito "full-bridge".

Em tempo:

1 - A probabilidade inicial de montar o circuito e queimar as 4 chaves são de quase 100%, então considere ter que investir em adquirir mais chaves.

2 - A sequência de chaveamento pode mudar, dependendo se a carga for apenas resistiva, resistiva-indutiva ou resistiva-indutiva-capacitiva (em ressonância, onde o valor da componente resistiva pode criar oscilação amortecida ou sem oscilação) .

MOR_AL

eu realmente tentei entender, desde o dia que você envio essa imagem estou estudando ela e tentando compreender, então como eu não conseguia fazer as perguntas por texto fiz um pequeno video de 4 minutos com as perguntas, desculpe se for muito incomodo o video, so avisar que não faço mais.

MOR_AL · 10 de setembro de 2020

@Pedro Henrique D.

OK!

Antes de mais nada, percebo interesse e educação de sua parte e isso é o que me leva a continuar. É um prazer esclarecer dúvidas com retornos como o seu.

Vamos simplificar e usar outra estratégia. Confesso que o início dos tempos não é o mais apropriado.

Vamos considerar uma carga indutiva e resistiva (em série ou em paralelo, tanto faz). A parte indutiva pode ser um trafo e a resistiva é um consumidor de potência (resistor, motor, perdas no indutor ou trafo, etc). Vou simplificar chamando de indutor, ok?

Vamos começar em ligar o circuito.

Tempo T23

Chaves 1 e 2 conduzindo.

A corrente cresce. Uma parte vai ao resistor e outra vai ao indutor. Fim de T23.

Tempo T34

Chave 1 conduzindo. Há energia no indutor.

O valor da corrente no indutor, ao final do tempo T23 não pode ser nula, ela TEM QUE continuar com o seu valor anterior. A tensão na carga é automaticamente alterada pelo indutor, de modo a que a corrente possa continuar a fluir. Então a tensão passa a ser quase nula (após a transição de T23 para T34), mas a corrente vai decrescendo até que o período T34 termine. Espera-se que a corrente decaia até zero, pois com a comutação seguinte, pode haver um curto circuito na fonte (lembra que mencionei que as chances de queimar as chaves são altas?). A próxima comutação seria a T67 e esclareceria o que mencionei. Mas TEM QUE haver uma etapa antes.

Tempo Txx. Não mostrada na figura.

Todas as chaves desligadas.

Caso houvesse ainda corrente o diodo na chave 3 cortaria e haveria um curto com as chaves 1 e 4. Mesmo que se desligue a chave 1 e se ligue a chave 4 poderá ocorrer o curto. Os desligamentos das chaves levam mais tempo que o ligamento das mesmas. Daí o curto. Com o tempo para que a corrente no indutor e que a chave 1 desligue, pode-se continuar.

Tempo T67

É uma repetição do tempo T23, porém com simetria em relação a corrente e a tensão na carga.

Depois passa-se ao tempo T78, Txx e retorna-se ao tempo T23, reiniciando o novo ciclo.

Os outros tempos mostrados na figura consideram a existência do diodo reverso, inerente aos MOSFETS.

MOR_AL

Pedro Henrique D. · 11 de setembro de 2020

Em 10/09/2020 às 09:49, MOR disse:

@Pedro Henrique D.

OK!

Antes de mais nada, percebo interesse e educação de sua parte e isso é o que me leva a continuar. É um prazer esclarecer dúvidas com retornos como o seu.

Vamos simplificar e usar outra estratégia. Confesso que o início dos tempos não é o mais apropriado.

Vamos considerar uma carga indutiva e resistiva (em série ou em paralelo, tanto faz). A parte indutiva pode ser um trafo e a resistiva é um consumidor de potência (resistor, motor, perdas no indutor ou trafo, etc). Vou simplificar chamando de indutor, ok?

Vamos começar em ligar o circuito.

Tempo T23

Chaves 1 e 2 conduzindo.

A corrente cresce. Uma parte vai ao resistor e outra vai ao indutor. Fim de T23.

Tempo T34

Chave 1 conduzindo. Há energia no indutor.

O valor da corrente no indutor, ao final do tempo T23 não pode ser nula, ela TEM QUE continuar com o seu valor anterior. A tensão na carga é automaticamente alterada pelo indutor, de modo a que a corrente possa continuar a fluir. Então a tensão passa a ser quase nula (após a transição de T23 para T34), mas a corrente vai decrescendo até que o período T34 termine. Espera-se que a corrente decaia até zero, pois com a comutação seguinte, pode haver um curto circuito na fonte (lembra que mencionei que as chances de queimar as chaves são altas?). A próxima comutação seria a T67 e esclareceria o que mencionei. Mas TEM QUE haver uma etapa antes.

Tempo Txx. Não mostrada na figura.

Todas as chaves desligadas.

Caso houvesse ainda corrente o diodo na chave 3 cortaria e haveria um curto com as chaves 1 e 4. Mesmo que se desligue a chave 1 e se ligue a chave 4 poderá ocorrer o curto. Os desligamentos das chaves levam mais tempo que o ligamento das mesmas. Daí o curto. Com o tempo para que a corrente no indutor e que a chave 1 desligue, pode-se continuar.

Tempo T67

É uma repetição do tempo T23, porém com simetria em relação a corrente e a tensão na carga.

Depois passa-se ao tempo T78, Txx e retorna-se ao tempo T23, reiniciando o novo ciclo.

Os outros tempos mostrados na figura consideram a existência do diodo reverso, inerente aos MOSFETS.

MOR_AL

Bom, pelo o que eu entendi é isso:

ainda estou em duvida em questão do porque a corrente negativa passa no diodo que esta ao contrario pra ela.

Desculpe se a qualidade da imagem estiver ruim ou o meu próprio esquema, minha câmera não é muito boa e não tenho pratica em fazer esses esquemas.

MOR_AL · 12 de setembro de 2020

@Pedro Henrique D.

T23 está errado. As chaves só conduzem em um sentido. No caso do MOSFET, tem um diodo inerente em paralelo com ele e se encontra com catodo no dreno e anodo no source. Esse diodo é que conduz quando se corta uma das duas chaves, que fazia conduzir a carga. Às vezes a corrente nesses diodos pode ser muito grande. Então se coloca diodos reais e que suportam maiores correntes em paralelo com os MOSFETS. No tempo T = 1 há corrente na parte indutiva da carga. Essa corrente não vai a zero neste instante. Isso é teoria dos circuitos VL = - L * delta I / delta T.

A componente delta I / delta T é a inclinação da corrente no tempo. Em T = 1, apesar da corrente não ir a zero, há uma grande variação da inclinação da corrente no tempo. Este valor, multiplicado pelo valor do indutor, vai provocar uma grande tensão no indutor. O sinal negativo informa que a tensão inverte em relação ao instante final, quase chegando a T = 1. Então, quando ocorre T = 1, a tensão no indutor, que era V de alimentação, vai reduzindo, passa pelo zero e vai ser negativa. Quando chega em VDS de condução do MOSFET 1, mais a tensão de condução do diodo do MOSFET 3, a tensão sobre o indutor não pode mais aumentar. Então a corrente que passava no indutor em T = 0,99999, vai continuar em T = 1,000001, porém vai começar a cair.

O tempo que vai levar a corrente até zero é também dado pela expressão acima. Onde VL é a tensão já mostrada, VDS de condução somada à tensão do diodo. A corrente I é a corrente DE MAGNETIZAÇÃO do indutor no instante T = 0,99999. O valor de L é conhecido. No caso de um trafo, é a indutância de dispersão. Só falta explicitar delta T da expressão acima.

Na realidade, essa expressão não é tão elementar assim. Nesse pequeno instante a tensão VDS de condução do MOSFET varia com a corrente, assim como a tensão de condução do diodo. Devem-se considerar também, que sempre existe uma resistência neste loop. É a resistência ôhmica do fio que compõe a parte indutiva e até mesmo a resistência da fiação e das soldas.

MOR_AL

Pedro Henrique D. · 16 de setembro de 2020

Em 12/09/2020 às 15:09, MOR disse:

@Pedro Henrique D.

T23 está errado. As chaves só conduzem em um sentido. No caso do MOSFET, tem um diodo inerente em paralelo com ele e se encontra com catodo no dreno e anodo no source. Esse diodo é que conduz quando se corta uma das duas chaves, que fazia conduzir a carga. Às vezes a corrente nesses diodos pode ser muito grande. Então se coloca diodos reais e que suportam maiores correntes em paralelo com os MOSFETS. No tempo T = 1 há corrente na parte indutiva da carga. Essa corrente não vai a zero neste instante. Isso é teoria dos circuitos VL = - L * delta I / delta T.

A componente delta I / delta T é a inclinação da corrente no tempo. Em T = 1, apesar da corrente não ir a zero, há uma grande variação da inclinação da corrente no tempo. Este valor, multiplicado pelo valor do indutor, vai provocar uma grande tensão no indutor. O sinal negativo informa que a tensão inverte em relação ao instante final, quase chegando a T = 1. Então, quando ocorre T = 1, a tensão no indutor, que era V de alimentação, vai reduzindo, passa pelo zero e vai ser negativa. Quando chega em VDS de condução do MOSFET 1, mais a tensão de condução do diodo do MOSFET 3, a tensão sobre o indutor não pode mais aumentar. Então a corrente que passava no indutor em T = 0,99999, vai continuar em T = 1,000001, porém vai começar a cair.

O tempo que vai levar a corrente até zero é também dado pela expressão acima. Onde VL é a tensão já mostrada, VDS de condução somada à tensão do diodo. A corrente I é a corrente DE MAGNETIZAÇÃO do indutor no instante T = 0,99999. O valor de L é conhecido. No caso de um trafo, é a indutância de dispersão. Só falta explicitar delta T da expressão acima.

Na realidade, essa expressão não é tão elementar assim. Nesse pequeno instante a tensão VDS de condução do MOSFET varia com a corrente, assim como a tensão de condução do diodo. Devem-se considerar também, que sempre existe uma resistência neste loop. É a resistência ôhmica do fio que compõe a parte indutiva e até mesmo a resistência da fiação e das soldas.

MOR_AL

Desculpe a demora pela resposta, estive meio ocupado com questões escolares, ainda não tive tempo de realmente ler e estudar seu post, mas já li ele sim, então, o tempo 23 é uma copia do tempo 45 naquela imagem que você havia me enviado, vou estudar o post e quando terminar posto minha resposta.

Alem disso vim contar sobre um vídeo que descobrir, que explica o funcionamento de uma DRSSTC, de forma bem clara, ele é em inglês, se você souber inglês, agradeceria que visse o mesmo, mas se não quiser, não tem problema.

Pedro Henrique D. · 17 de setembro de 2020

Olá@MOR

Tenho uma duvida, se usarmos o máximo que uma tomada normal pode nos entregar para jogar nos IGBTs, qual seria a corrente e a tensão final no indutor e no capacitor em serie com o indutor?

MOR_AL · 17 de setembro de 2020

@Pedro Henrique D.

A máxima corrente fornecida pela tomada .... e daria um curto-circuito.

Explico.

Uma carga APENAS indutiva e capacitiva em série, possui uma impedância NULA em APENAS uma determinada frequência. É de se esperar, que se use a mesma frequência, tanto na comutação, como na ressonância.

Nunca se tem carga APENAS indutiva e capacitiva. Sempre haverá uma componente resistiva, seja ela devido às conexões elétricas, resistências dos fios ou resistências internas dos componentes.

Como já foi mencionado, sinceramente e sem querer ofender, faltam-lhe conhecimentos teóricos e práticos, para este empreendimento de tamanho risco, complexidade e potência. Isso com o agravante financeiro (certamente haverá queima inicial de alguma chave de potência) e limitação no prazo de realização.

Suas perguntas são bem embasadas, que normalmente acontecem depois de se passar por maior aprendizado técnico.

MOR_AL

Pedro Henrique D. · 19 de setembro de 2020

Em 17/09/2020 às 08:34, MOR disse:

@Pedro Henrique D.

A máxima corrente fornecida pela tomada .... e daria um curto-circuito.

Explico.

Uma carga APENAS indutiva e capacitiva em série, possui uma impedância NULA em APENAS uma determinada frequência. É de se esperar, que se use a mesma frequência, tanto na comutação, como na ressonância.

Nunca se tem carga APENAS indutiva e capacitiva. Sempre haverá uma componente resistiva, seja ela devido às conexões elétricas, resistências dos fios ou resistências internas dos componentes.

Como já foi mencionado, sinceramente e sem querer ofender, faltam-lhe conhecimentos teóricos e práticos, para este empreendimento de tamanho risco, complexidade e potência. Isso com o agravante financeiro (certamente haverá queima inicial de alguma chave de potência) e limitação no prazo de realização.

Suas perguntas são bem embasadas, que normalmente acontecem depois de se passar por maior aprendizado técnico.

MOR_AL

@MOR

Demorei um pouco pois estava estudando sobre isso.

Ontem arrumei um técnico em eletrônica para me ajudar com o conhecimento teóricos e práticos.

Ainda tem um prazo bem grande, além do final desse ano, ainda temos no mínimo 5 meses, isso na pior hipótese, na melhor temos 11 a 12.

Em questão financeira, ainda não tenho um limite de investimento imposto.

Agora vamos para a questão do projeto em si, estava pesquisando sobre os ciclos dos IGBTs, e acabei encontrando um site sobre eletrônica, e ele tem uma parte para bobinas de tesla e tem um post sobre IGBTs, lá fala sobre comutação forte para a comutação suave, supostamente a comutação suave pode ter uma frequência 4 vezes maior que a forte, queria saber como fazer a suave e se isso é verdade.

Lá também aparece uma uma conta que se assemelha muito com o ciclo do IGBT que você me passou:

queria saber se são a mesma coisa.

Link do site:http://kaizerpowerelectronics.dk/tesla-coils/drsstc-design-guide/igbts/

MOR_AL · 20 de setembro de 2020

Vamos por partes:

1 - Nunca tive que usar IGBTs, mas sim transistores de potência e MOSFETS. Mas não faz muita diferença em termos de chave. Só há mudança no drive de acionamento, frequências de comutação e potência dissipada.

2 - O que eu entendi é que a primeira equação considera uma frequência de chaveamento, tal que seu período seja, no mínimo dez vezes maior, que a soma dos tempos de comutação. Pode ser uma regra prática, mas o que vale é que a potência dissipada pela chave seja tal, que a temperatura da junção, alcançada pelo semicondutor da chave, seja menor que seu valor máximo de especificado. Aliás eu considero em meus projetos, um limite de 85% da máxima temperatura de junção, na pior condição de funcionamento. Mesmo assim, é muito difícil de se calcular a potência dissipada pela chave durante a comutação. A potência dissipada é a soma das potências de condução e de comutação.

3 - O resultado da segunda equação está errada por um fator de 10 à menos nove. Você permaneceu com os "nanos" dentro da soma e incluiu o fator 10 a menos nove multiplicando o denominador. E de onde veio a multiplicação do resultado por 4? (denominador de denominador é multiplicador). Então bastava alterar o valor 0,1 por 0,4. Esta expressão é semelhante a anterior, porém quadruplica a frequência.

Como pode ver, essas expressões podem servir apenas como uma primeira avaliação. O que vai decidir mesmo será o consumo de potência em cada chave, que vai determinar a temperatura de junção do semicondutor.

Em tempo:

1 - Já reparou nas peças usinadas de cobre e de latão contidas no endereço que você passou?

E o preço de cada IGBT e do dissipador? Certamente deve-se incluir uma ventilação forçada neste dissipador.

2 - Opa!! Já viu os gráficos da comutação daquele endereço? Tem a tensão, a corrente e a potência. O cálculo da potência será sempre aproximado. Observe que o gráfico é feito por uma medição e não por cálculos. Até onde eu sei, no cálculo aproximado da potência considera-se comutações com transições retas de tensão e de corrente. Ainda deve-se aplicar um fator corretivo no sentido de aumentar a dissipação, prevendo-se que as transições sejam curvas. Como eu já mencionei, não é um trabalho simples.

MOR_AL

Pedro Henrique D. · 23 de setembro de 2020

Em 20/09/2020 às 00:02, MOR disse:

Vamos por partes:

1 - Nunca tive que usar IGBTs, mas sim transistores de potência e MOSFETS. Mas não faz muita diferença em termos de chave. Só há mudança no drive de acionamento, frequências de comutação e potência dissipada.

2 - O que eu entendi é que a primeira equação considera uma frequência de chaveamento, tal que seu período seja, no mínimo dez vezes maior, que a soma dos tempos de comutação. Pode ser uma regra prática, mas o que vale é que a potência dissipada pela chave seja tal, que a temperatura da junção, alcançada pelo semicondutor da chave, seja menor que seu valor máximo de especificado. Aliás eu considero em meus projetos, um limite de 85% da máxima temperatura de junção, na pior condição de funcionamento. Mesmo assim, é muito difícil de se calcular a potência dissipada pela chave durante a comutação. A potência dissipada é a soma das potências de condução e de comutação.

3 - O resultado da segunda equação está errada por um fator de 10 à menos nove. Você permaneceu com os "nanos" dentro da soma e incluiu o fator 10 a menos nove multiplicando o denominador. E de onde veio a multiplicação do resultado por 4? (denominador de denominador é multiplicador). Então bastava alterar o valor 0,1 por 0,4. Esta expressão é semelhante a anterior, porém quadruplica a frequência.

Como pode ver, essas expressões podem servir apenas como uma primeira avaliação. O que vai decidir mesmo será o consumo de potência em cada chave, que vai determinar a temperatura de junção do semicondutor.

Em tempo:

1 - Já reparou nas peças usinadas de cobre e de latão contidas no endereço que você passou?

E o preço de cada IGBT e do dissipador? Certamente deve-se incluir uma ventilação forçada neste dissipador.

2 - Opa!! Já viu os gráficos da comutação daquele endereço? Tem a tensão, a corrente e a potência. O cálculo da potência será sempre aproximado. Observe que o gráfico é feito por uma medição e não por cálculos. Até onde eu sei, no cálculo aproximado da potência considera-se comutações com transições retas de tensão e de corrente. Ainda deve-se aplicar um fator corretivo no sentido de aumentar a dissipação, prevendo-se que as transições sejam curvas. Como eu já mencionei, não é um trabalho simples.

MOR_AL

Não tenho uma resposta para a segunda pois ainda estou estudando sobre isso, já na segunda, sim eu olhei os preços e achei um modulo IGBT barato, mas não sei se será o adequando para o meu projeto (https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/440833/VISHAY/GA100TS120UPBF.html) bom pretendo fazer um watercooler para os IGBTs, e utilizar um termômetro ligado em um micro processador para determinar a velocidade da bomba de água e ajustar a temperatura dos IGBTs.

Pedro Henrique D. · 1 de outubro de 2020

@MOR

Mor, demorei por causa que estive estudando esquemas elétricos, mil perdões, mas enquanto estudava um esquema de um driver de DRSSTC, me deparei com isso, que não tenho certeza se é ou não um filtro pi, mas creio que sim, no texto ele explica que o resistor e o capacitor estão ai para diminuir o ruído no comparador U6, minha pergunta é se for para diminuir o ruído, por que colocar um capacitor tão pequeno?

MOR_AL · 1 de outubro de 2020

1 - Não é um filtro PI.

2 - Seria um filtro para retirar o ruído em frequências mais altas, que poderiam aparecer na retificação.

3 - Mas a frequência de corte se encontra em 1,6MHz, ou seja, em 1,6MHz atenua apenas 30% e em 16MHz atenua cerca de 10 vezes. Esse filtro deve estar mal dimensionado. Ele deveria atenuar à partir de uns 360Hz, porém provavelmente deve-se observar a fase da onda.

4 - Parece ser um circuito para determinar o ponto em que a senóide cruza o zero volt.

5 - R7 e R8 estão com valores muito baixos.... E parece que tem um trafo a mais....

Lamento, mas você pode ter acesso a inúmeros circuitos. Como ainda não conhece o básico de eletrônica, de nada adiantarão todos eles.

MOR_AL