Calentador de CA, puente y MOSFET, ¿es posible?

En mi proyecto ya tengo todos los circuitos para un PWM manejando un MOSFET de alta potencia. Ahora los chicos del hardware vienen con este calentador de CA, y me he estado rompiendo la cabeza con los triacs y los controladores de fase, pero eso será un tiempo de diseño adicional que no tenemos disponible.

Me pregunto si obtengo la CA a través de un puente rectificador (240V, 60Hz) y luego a través de mi MOSFET PWMed controlado a 1Khz. Sé que la onda final no será agradable de ver en un osciloscopio, pero es solo un calentador (una resistencia), no debería importar si la corriente realmente va o no a ambos lados.

¿Alguien ve algún problema al hacer esta configuración?

Editar : los PWM que ya funcionan en el proyecto a través de MOSFET de alta potencia están aislados a través de OpAmps que mantienen los niveles de carga de puerta adecuados en los MOSFET. Esos ya funcionan muy bien controlando un compresor y una bomba. La diferencia entre esos y el que estoy preguntando es solo una CC estable adecuada o una CA sinusoidal reflejada entre el drenaje y la fuente.

A continuación se muestra el circuito que ya está funcionando para la bomba y el compresor y la idea principal era intentar reutilizarlo un poco para los calentadores. Quiero decir, solo porque el fabricante del calentador dijo que el calentador es de 240 V CA, no significa que pueda ponerle 240 V CC (completamente rectificado pero sin capacitor).ingrese la descripción de la imagen aquí

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No puede proporcionar aislamiento eléctrico a través de opamps. ¿Puedes mostrarnos el esquema?
de acuerdo, el término 'aislado' se usó demasiado libremente. Se aísla de la compuerta MOSFET que se hunde o genera sobrecorriente en los pines de la MCU. Tal vez el término 'protegido'. Estamos en la etapa de I + D y la implementación actual está en veroboards y aún no existe un esquema adecuado, pero armaré algo y editaré la publicación en un momento.
Use mi unidad de puente completo para obtener CA en la carga. Tenga en cuenta la necesidad de un suministro flotante para sus dispositivos electrónicos. Un circuito que utiliza CC de media onda para cargas grandes no es comercialmente aceptable; esto da como resultado un componente de CC neto en los núcleos de los transformadores, lo que no les gusta a ellos (ni a las autoridades reguladoras).
¿Cuál es la potencia del calentador?
350W. Es un calentador de 7x 50W dispuesto alrededor de un tubo.

Respuestas (3)

No ha hablado sobre los volúmenes de producción y la optimización de costos, pero un relé de estado sólido (SSR) le brindaría aislamiento y control de fase en un solo paquete, aunque a un costo recurrente más alto que una solución especialmente diseñada.

Muchos SSR están disponibles con entrada PWM de nivel lógico. Este enlace puede proporcionar una buena lectura, aunque hay muchos fabricantes de productos similares.

Después de discutir aquí con el diseñador de electrónica y el encargado del proceso, acabamos de abandonar la solución interna y compraremos un SSR proporcional CRYDOM y lo controlaremos con una señal de 0-5 V. Costará £ 63 por unidad, pero no es un gran volumen de producción, por lo que no será un problema. Gracias.

Un efecto posiblemente inaceptable es que el circuito de control está directamente conectado a la red eléctrica de esta manera, y que tocar cualquier parte del mismo puede ser letal . El aislamiento adecuado ayuda, pero es más económico restringir el voltaje de la red a una parte del circuito.

Para un calentador no necesita el PWM de 1 kHz; su inercia es lo suficientemente alta como para que puedas hacerlo a una frecuencia mucho más baja. Sugeriría usar un opto-triac en lugar del FET. El triac tendrá una caída de voltaje mayor que un FET, pero para el FET también tendría dos caídas de diodo, por lo que no hará mucha diferencia. Además, la conmutación del FET provocará pérdidas de conmutación a medida que el FET pasa por su región activa 2000 veces por segundo.

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Un MOC3041 tiene un circuito de detección de cruce por cero, que le dará cada medio ciclo de encendido o apagado. Esto reduce las corrientes máximas en el calentador y la EMI. En lugar de variar el ciclo de trabajo de los pulsos, ahora puede controlar el calentador variando la relación entre medio ciclo encendido y medio ciclo apagado.

edite la precisión del objetivo mencionada en el comentario
La precisión de miligrados es imposible, pero no porque el control de encendido y apagado sea demasiado grueso. Suponga que tiene un recipiente con 1 kg de agua. (Usted menciona el calentamiento alrededor de un tubo, lo que puede sugerir un flujo de fluido, pero entonces los miligrados son incluso imposibles ). La capacidad calorífica de 1 kg de agua es 4,2 kJ/K, por lo que 4,2 J la "calentarán" en 0,001 °C. Encender el calentador de 350 W durante medio ciclo de 60 Hz da 2,9 J, bueno para 0,0007 °C. Si controlara cada uno de los 5 calentadores individualmente, incluso puede agregar por 0,00014 °C, o el 14 % de la precisión requerida.

Entonces, el control de encendido y apagado grueso no es el problema. Está distribuyendo el calor uniformemente en el fluido, sin mencionar la medición de la temperatura. ¿Cómo puede obtener una temperatura uniforme de 1 miligrado en un recipiente (y mucho menos un tubo con calor envuelto alrededor de él)? Incluso un agitador magnético no puede garantizar eso. (¡Tenga en cuenta que un agitador magnético también elevará la temperatura!) Y a 60 °C, 1 miligrado es 3 ppm, y para controlarlo con esa precisión, tendrá que medirlo mejor que 1 ppm . Cómo vas a hacer eso?

El control de fase puede brindarle una resolución teóricamente más alta, pero no hay forma de medir su efecto, y sin la retroalimentación requerida tampoco puede obtener la precisión del control.

hola @stevenvh, agradezco tu comentario y preocupación. Acabo de editar y ampliar un poco más la publicación. No es un optoaislamiento, pero hay separación entre MCU y altas corrientes. Soy consciente de que la inercia de un calentador no verá mucha diferencia en 1Khz, pero hay 3 razones para ello: 1) todos los demás PWM ya están funcionando a 1Khz; 2) hay grandes estudios, análisis y pruebas aquí en la empresa para hacer mejores calentadores (pero eso es con los motores mecánicos). 3) Estoy tratando de reducir mi tiempo de ingeniería al no tener que crear un controlador de ángulo de fase en mi circuito.
@Budius: sobre su tercer punto: no se habla sobre el control de fase, como lo haría un atenuador. Solo se enciende durante una cantidad de medios ciclos y luego se apaga durante una cantidad de medios ciclos. Si no hay optoaislamiento, ¿cómo se hace? ¿Transformadores? ¿Puedes publicar un esquema?
hola @stevenvh esquemas disponibles. Realmente solo estoy tratando de reutilizar el circuito que ya está en el calentador.
@Budius: está bien, está aumentando el voltaje de salida del uC para obtener suficiente voltaje de puerta. Pero necesito ver más. ¿El "motor/calentador" está conectado a 240 V CA? Si es así, el uC está conectado directamente a la red eléctrica. Esto puede estar bien, no sé cuál es la aplicación, pero por lo general querrá aislar el lado de bajo voltaje.
Lo que se está ejecutando actualmente en el proyecto son motores normales de 24 V CC (uno para una bomba y otro para un compresor). Estos 24 V CC provienen de un suministro de corriente más alto, pero como logramos obtener un compresor más pequeño, probablemente será el mismo suministro que el suministro de la placa MCU al final. Y para el calentador, estaba pensando en conectarlo desde los 240Vac, a través de un puente rectificador en el mismo MOSFET. Entiendo lo que está diciendo sobre el "lado de bajo voltaje aislado" y me pregunto si algo sale mal en nuestra máquina, tendrán que detener cualquier cosa de todos modos. Pero aún reflexionando.
Se agregó el lado del circuito del calentador propuesto (probablemente con un disyuntor agregado)
No soy tan fuerte en electrónica (más electricidad y software), así que necesitaba MUCHO leer y pensar para entender lo que querías decir. Aunque parece una solución limpia y barata, me parece que no sería adecuado para este proyecto debido a nuestras necesidades de precisión. Con este circuito, para lograr una precisión de control del 1 %, necesitaría un período de 833 ms (que ya es un poco lento), y teniendo en cuenta que es un control de miligrados, no estoy seguro de que el 1 % sea suficiente. Tengo que discutir con algunos chicos de proceso aquí, pero parece que tendré que ir a la opción de ángulo de fase.
@Budius: la precisión de 1 miligrado es imposible; solo una persona que ingrese a la habitación perturbaría el entorno. 0,1 °C ya es extremadamente bueno (hablo de precisión, no de resolución). La inercia térmica de la mayoría de los sistemas es tan alta que 833 ms suele ser un orden de magnitud más corto que la constante de tiempo del sistema.
Sé que suena imposible, pero lo he visto funcionar y funciona muy bien. Solo estamos desarrollando una versión más pequeña usando una MCU. Hablé con el tipo de controles y 833ms para una precisión de control del 1% definitivamente no es aceptable, por lo que al final nos desharemos de eso e implementaremos un ángulo de fase directamente en los comparadores. Gracias a todos por toda la respuesta.
@Budius - Tendrás que disculparme si no creo esto. He estado buscando, e incluso las cámaras de burbujas no parecen funcionar mejor que 0.01 ° C, e incluso están sobrecalentadas, lo que ayuda, en cuanto a la precisión. Tal vez algunos chicos del CERN o Fermi-Lab puedan hacer 1 miligrado, pero no con un calentador alrededor de un tubo. ¿Puede decirnos cómo lo logró y cómo midió la temperatura con esa precisión?
hola, realmente aprecio todos los aportes y su tiempo para compartir el conocimiento, pero tendrá que disculparme porque, lamentablemente, no puedo compartir este conocimiento con usted por 2 razones. 1) hay muchos detalles mecánicos que desconozco. 2) Esa tecnología ha sido utilizada y en constante desarrollo/ajuste en la empresa durante los últimos 20 años y es parte de la propiedad intelectual de la empresa. Estaré más que feliz, dentro de unos meses, cuando todo esté listo, para enviarle material de marketing. Realmente lo siento y espero que lo entiendas.
Hola @stevenvh, esa no es la empresa para la que trabajo y no estoy relacionado con ellos de ninguna manera, no tengo idea de qué tipo de tecnología están usando para lograrlo. Pero mire anton-paar.com/Millikelvin-Thermometer-MKT-50/… es posible tener una precisión de medición de milikilvin.

Puede usar un puente rectificador para permitir el uso de un interruptor de CC para controlar una alimentación de CA de dos maneras.

  • El interruptor y la carga están dentro del puente.
    El interruptor y la carga ven PWM de onda completa cortada rectificada DC

  • La carga está en la línea de CA al puente y el interruptor está dentro del puente.
    La carga ve PWM cortado AC.
    El interruptor ve CC rectificada de onda completa cortada PWM.

A 1 kHz y con carga resistiva la falta de sincronización de las tramas PWM con la red debería ser aceptable.

Si maneja un puente, el interruptor dentro del puente "flota" y necesita obtener sus voltajes de accionamiento de alguna parte. SI su fuente de alimentación está aislada en la salida, entonces todo el circuito puede flotar pero está esencialmente en la red eléctrica. PERO puede colocar FET + puente en el lado de la red, conducir a través de un opto o transformador de pulso sin cruce por cero o lo que sea y descansar en el voltaje que desee. Todavía necesita obtener la unidad de compuerta FET, pero una alimentación resistiva de la red estará bien: el diodo de media onda carga la tapa de la unidad de compuerta FET cuando la polaridad de la red es correcta.

Como siempre, SI no hay un aislamiento formal entre el circuito principal y el interruptor principal, se debe considerar que TODOS los circuitos están conectados a la red eléctrica en todo momento. Esto se aplica incluso si considera que el circuito DEBE estar en el lado "frío" de la red eléctrica en todo momento.

Calentador de CA, puente y MOSFET, ¿es posible?
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