Inverter a 50 Hz per trasformatori di rete

[gianniniivo]

Buona sera Forum,

Ho seguito con interesse un thread avviato tempo fa sul tema degli inverter in alta frequenza, pensati per trasformatori in ferrite. Nonostante l’interesse per i vari spunti emersi (in particolare l’analisi circuitale e le riflessioni sui rendimenti) il mio percorso progettuale ha preso una direzione diversa: concentrarsi su soluzioni per apparati e trasformatori destinati alla rete elettrica a 50 Hz.

La distinzione non è affatto marginale: l’utilizzo di inverter ad onda quadra su trasformatori tradizionali impone accortezze specifiche, soprattutto in fase di sperimentazione, per evitare criticità come surriscaldamento, rumore o, peggio, danni al nucleo. Inoltre, la difficoltà nel reperire ferrite di recupero (spesso priva di documentazione o con caratteristiche disomogenee) ha reso incerta ogni progettazione affidabile su quei componenti.

Al contrario, i trasformatori a 50 Hz offrono parametri più stabili e facilmente stimabili, rappresentando così una scelta più concreta per uno sviluppo basato su simulazioni e osservazioni dirette.

Riferimenti utili per il calcolo e la stima. Un supporto prezioso è arrivato dai contenuti pubblicati da IsidoroKZ sul suo blog:

• “Ma che trasformatore sei?”
• “Che trasformatore sei II”

Entrambi gli articoli offrono spunti pratici e teorici molto validi, con metodi di stima basati su:

• Prodotto delle aree
• Massa del nucleo
• Altri criteri empirici

Pensati per trasformatori toroidali e lamellari, questi approcci forniscono strumenti utili per applicazioni didattiche e pratiche, purché affrontate con buon senso progettuale. Le formule non sono sempre applicabili in modo diretto, ma offrono una base comparativa solida per orientarsi.

Schema preliminare – prima bozza di progetto. Il circuito è stato elaborato tempo fa, durante una fase iniziale di riflessione tecnica. È stato convertito in FidoCadJ come previsto dal regolamento, ma non è mai stato testato fisicamente. Tuttavia, è stato simulato in ambiente Proteus, scelto per la compatibilità con l’integrato impiegato, e ha restituito risultati discreti. Pur nella sua struttura essenziale e con integrazioni ancora da sviluppare, mostra un comportamento interessante e coerente con gli obiettivi del progetto.

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Spunto per un’evoluzione condivisa. Anche se minimale, questa bozza può rappresentare una traccia aperta, utile per:

• Stimolare osservazioni
• Valutare criticità
• Costruire insieme futuri sviluppi

Per ora preferisco non anticipare nulla sui prossimi passi, finché non avrò completato la conversione dello schema successivo da DipTrace a FidoCadJ. A differenza del primo, il secondo progetto (anch’esso sperimentale) ha già una PCB, che tuttavia andrà rivista e ripetuta perché è già evidente che è da implementare ma anche perché c’è l’auspicio che emergeranno altri contributi interessanti e spunti di miglioramento, come appunto mi auguro. Non potendo accontentarmi solo di una simulazione, ho deciso di rischiare: ho messo in preventivo di dover realizzare più PCB per cercare qualcosa di affidabile… o quantomeno interessante, a futura memoria.

Spero che questo contributo possa servire a far circolare idee e soluzioni concrete, anche se il punto di partenza è diverso da quello di altri thread. Il confronto, se costruttivo, è sempre una ricchezza.

Al lavoro, devo sentire "puzza di sudore"...

[EcoTan]

Tanto tempo fa ho realizzato un inverter alimentato a 24 V basato su un ponte H a onda intera, un trasformatore elevatore a 50 Hz , un semplice filtro passa-basso ed un circuito di controllo che mi piace chiamare "chopper in alternata" perché non fa altro che confrontare la tensione di uscita con la sinusoide desiderata, quando è più bassa accende il ponte in un senso e quando è più alta lo accende nel senso opposto. Tutto qui. Adesso coi microcontrollori mi verrebbe enormemente più facile. La frequenza di chopper è libera e dipende dal filtro e dal carico. La tensione di uscita fa quello che può per non discostarsi mai troppo dalla sinusoide desiderata.

[Kagliostro]

Non è nel mio know how quello per cui chiedi ma ...

Una cosa mi preme sottolineare

Se la frequenza è 50Hz poi bisogna fare in modo che ci sia un filtro molto efficiente per evitare il propagarsi di disturbi

Non è infrequente che capiti che apparecchiature a bassa frequenza (amplificatori audio per strumenti o per HiFi) si ritrovino poi ad avere problemi in presenza di Inverter che funzionino a basse frequenze

K

[gianniniivo]

Tanto tempo fa ho realizzato un inverter alimentato a 24 V basato su un ponte H a onda intera, un trasformatore elevatore a 50 Hz , un semplice filtro passa-basso ed un circuito di controllo che mi piace chiamare "chopper in alternata" perché non fa altro che confrontare la tensione di uscita con la sinusoide desiderata, quando è più bassa accende il ponte in un senso e quando è più alta lo accende nel senso opposto. Tutto qui. Adesso coi microcontrollori mi verrebbe enormemente più facile. La frequenza di chopper è libera e dipende dal filtro e dal carico. La tensione di uscita fa quello che può per non discostarsi mai troppo dalla sinusoide desiderata.

Grazie EcoTan per il tuo contributo, molto interessante. Il concetto di “chopper in alternata” è efficace e rende bene l’idea del controllo incrociato sulla sinusoide (anche se, come dici tu, oggi con i microcontrollori si aprono scenari molto più flessibili). Nel mio caso, sto cercando di restare su una logica più “essenziale”, anche per mantenere il progetto accessibile e replicabile da chi, come me, si muove come hobbista e tanta curiosità. Il tuo approccio mi fa pensare a una possibile evoluzione futura, magari proprio con un controllo più dinamico. Per ora, però, mi accontento di capire bene come si comporta il ponte H con il trasformatore a 50 Hz e un filtro passivo ben dimensionato.

Non è nel mio know how quello per cui chiedi ma ...

Una cosa mi preme sottolineare

Se la frequenza è 50Hz poi bisogna fare in modo che ci sia un filtro molto efficiente per evitare il propagarsi di disturbi

Non è infrequente che capiti che apparecchiature a bassa frequenza (amplificatori audio per strumenti o per HiFi) si ritrovino poi ad avere problemi in presenza di Inverter che funzionino a basse frequenze

K

Ti ringrazio Kagliostro, il tuo intervento è tutt’altro che fuori tema. Hai centrato un punto cruciale: il filtraggio. Infatti, sto cercando di capire come ottenere una forma d’onda accettabile senza generare disturbi che possano “infastidire” apparecchiature sensibili, come quelle audio. È vero che a 50 Hz il rischio di interferenze è più subdolo, soprattutto se il segnale non è ben pulito. Nel mio caso, il filtro è ancora in fase di sperimentazione, ma l’obiettivo è proprio quello: evitare che il circuito diventi un generatore di fastidi. Ogni suggerimento in merito è benvenuto, anche solo come spunto da approfondire.


Colgo l’occasione per ribadire un concetto che forse nella presentazione iniziale è sfuggito o è stato sottovalutato: lo schema pubblicato in esordio è solo una bozza, un esperimento preliminare pensato per esplorare le potenzialità del progetto. È destinato a subire numerosi interventi di ristrutturazione e ampliamento (molti già abbozzati) ma che necessitano di test e verifiche per valutarne la reale efficacia in termini di potenza, affidabilità e, non da ultimo, silenziosità operativa.

Come già accennato, il circuito non è mai stato testato fisicamente. E non è un caso: come ha giustamente osservato l’Ing. boiler in un altro thread, realizzare questi circuiti su BreadBoard o basette millefori può introdurre problematiche spurie, capaci di falsare completamente la valutazione tecnica.

La simulazione, per quanto curata, non basta. È uno strumento prezioso, certo, ma resta confinata nel mondo ideale dei modelli matematici. Non tiene conto di fattori reali come le tolleranze dei componenti, le interferenze, le dissipazioni termiche, o le instabilità dinamiche che emergono solo sul campo. In altre parole, la simulazione è un ottimo punto di partenza, ma non può essere il punto d’arrivo.

Attualmente sono in lavorazione cinque unità di PCB, che dovrebbero arrivare a breve. Se qualcuno fosse interessato a contribuire con test o semplici osservazioni, sono disponibile a regalare qualche esemplare. Basta segnalare il proprio indirizzo in PVT, e appena disponibili provvederò alla spedizione.

Purtroppo non ho conservato tutta la documentazione delle simulazioni, lo ammetto con un po’ di rammarico… ma l’età fa brutti scherzi, e la memoria non è più quella di una volta, in più abbiamo avuto problemi seri in famiglia. Spero che questo non sia un ostacolo, ma piuttosto un invito a costruire insieme ciò che manca.

Quello che non ho detto finora è che questo sarà il mio ultimo progetto, almeno per quanto riguarda la mia efficienza fisica e mentale, che ormai ha poche chance. In altre parole, vorrei lasciare un segno concreto nel Forum, un piccolo contributo che resti. Se salute, tempo e collaborazione lo permetteranno, questo lavoro potrebbe impegnare anche un centinaio di pagine. Io ci credo, e intendo portarlo avanti con cura e determinazione.

Se mi darete una mano, sarò più contento e forse anche più motivato. Chi vuole contribuire con idee, test o semplici impressioni è il benvenuto: ogni voce conta.

[AlberManR]

Salve a tutti.

Non sono esperto di inverter e non conosco l'integrato SG 3525, ma presumo che eroghi una tensione ad onda quadra sui pin 11 e 14 con fronti positivi sfasati di 180 gradi per pilotare alternativamente i 2 gruppi di mosfet + transistor.

A colpo d'occhio direi che il funzionamento potrebbe essere fortemente influenzato dal valore del carico che sarà applicato all'uscita 230 V.

Se fosse un carico fisso OK, basterebbe studiare il circuito per erogare sempre la stessa tensione e corrente sul carico, ma se si vuole una 230 per usi generici penso che ci debba essere qualche sottospecie di controreazione per adattare il suo funzionamento al carico presente.

Non conoscendo l'integrato non so se è già presente in qualche modo questa funzione, ma non sembra.

Saluti a tutti da Alberto

[gianniniivo]

Ciao AlberManR, grazie per il tuo intervento, preciso e pertinente anche senza conoscere nel dettaglio lo SG3525.

Hai colto un punto importante: il comportamento del circuito in presenza di carichi variabili è cruciale, e infatti una forma di controreazione è prevista nel progetto. Non è visibile nello schema pubblicato finora perché (devo ammetterlo) sto ancora convertendo la versione 1.2 da DipTrace a FidoCadJ, e ci sto andando un po’ a rilento per tristi motivi familiari. Ma appena riesco, pubblicherò lo schema della versione 1.2, quello da cui è stata generata la prima PCB in lavorazione, e lì si vedrà chiaramente la logica di regolazione. Sul prossimo schema ci sarà anche un accorgimanto in più ma ne riparleremo.

Il tuo ragionamento comunque è corretto: se si vuole una 230V per usi generici, serve un sistema che adatti la risposta del circuito al carico presente. Nel mio caso, l’obiettivo è proprio quello: gestire carichi variabili mantenendo stabilità e silenziosità, senza complicazioni eccessive. Spero di riuscirci.

Grazie ancora per il tuo contributo, è sempre un piacere confrontarsi con chi ragiona con lucidità. A presto con lo schema aggiornato!

[lelerelele]

un mio amico, lavorò per anni in una azienda che produceva gruppi di continuità per PC, certo che è un impiego specifico, senza necessità di grandi precisioni,quello che mi lasciò di stucco era appunto la semplicità del circuito...

due linee di paralleli di 2N3055 che pilotavano i due rami di un trasformatore a 50 Hz, a 12V, non sono neanche certo che avessero un controllo PWM, per ottenere la sinusoide in uscita, piccolo traferro (critico), nel trasformatore e forse un piccolo filtro capacitivo in uscita, mi disse l'onda era bella.

quindi ritengo fondamentale sapere dove si vuoe arrivare, quale impiego farne, perché cambia anche di molto il circuito.

rimane sempre una bella sfida da usare come learning, ma personalmente ritengo piu propizio, farsi, e capire a fondo, circuti piu semplici.

saluti.

[gianniniivo]

Grazie mille lelerelele, davvero interessante il tuo racconto! È proprio vero che certi impieghi — come i gruppi di continuità per PC puntano più alla robustezza e all’affidabilità che alla sofisticazione circuitale. Il fatto che bastassero due linee di 2N3055 in parallelo, senza neanche un controllo PWM, e che l’onda risultasse comunque “bella” dice molto sull’efficacia di soluzioni semplici ma ben pensate.

Hai centrato il punto: capire bene l’impiego finale è fondamentale. Cambia tutto dalla topologia al tipo di controllo, fino alla scelta dei componenti. E sì, anch'io vedo questo progetto come una sfida didattica: un’occasione per sporcarsi le mani, testare, sbagliare e capire davvero cosa succede.

Sto cercando di costruire qualcosa che sia didattico ma anche un po’ ambizioso, senza perdere di vista la semplicità. Magari si parte da un’onda quadra e si lavora sul filtraggio, oppure si esplora un PWM rudimentale… vediamo dove ci porta.

Grazie ancora per il tuo contributo, è proprio il tipo di scambio che arricchisce il progetto!

[mario_maggi]

Caro gianniniivo,
ho apprezzato il tuo approccio, e ti auguro di poter fare molti altri progetti oltre a questo.
Io non posso aiutare in questo caso perché ho una mentalià molto diversa, guardo sempre avanti, forse troppo.
Nella mia visione in futuro i trasformatori a 50 Hz o 60 Hz non avranno più ragione di esistere, quando la trasformazione di potenza avverrà con semiconduttori ad alta efficienza e adatti per funzionare ad alta frequenza, per alimentare una rete di distribuzione in DC sostitutiva dell'AC.
Il rame diventa sempre più ricercato, e in trasformatore ne serve tanto. forse vedremo gli avvolgimenti in nanotubi di carbonio appena si riuscità a produrli a costi accettabili. I tempi di realizzazione sono lunghi, mentre un trasformatore AF con nucleo in metallo amorfo o ferrite o altro materiale già in uso in applicazioni speciali può essere prodotto in serie più velocemente.
Un abbraccio, seguirò questo thread anche senza partecipare direttamente.
Ciao
Mario

[gianniniivo]

Caro Mario,

ricevere un tuo messaggio è stato per me un momento speciale. Ti ringrazio sinceramente per le parole di incoraggiamento e per aver condiviso la tua visione, che (come sempre) guarda avanti con lucidità e coraggio.

Hai ragione: il futuro della conversione di potenza sarà sempre più orientato verso l’alta frequenza, l’efficienza estrema e materiali innovativi. La prospettiva di reti DC e trasformatori AF con nuclei avanzati è affascinante, e sapere che ci pensi e lavori è fonte di ispirazione.

Il mio progetto, al contrario, nasce con uno spirito più “artigianale” e didattico. È un esercizio di comprensione, di sperimentazione, e anche di confronto con tecnologie che (pur essendo mature) hanno ancora molto da insegnare. Non ambisce a essere moderno, ma a essere formativo. E se riuscirà a stimolare qualche riflessione o curiosità, allora avrà già raggiunto il suo scopo.

Sto ultimando la redazione del post dove pubblicherò l’ultima versione del mio schema. Ma prima dovevo assolutamente rispondere al tuo prezioso messaggio: lo schema può attendere ancora un po’, e sarà pubblicato subito dopo. Spero possa risultare interessante anche solo come testimonianza di un percorso.

Ti ringrazio ancora per il tuo intervento, e sapere che seguirai il thread anche da lontano mi dà una motivazione in più per portarlo avanti con cura.

Un abbraccio, Ivo