Electromagnetismo

INVERSOR DE VOLTAJE DC/AC Y CARGADOR DE BATERIA (parte1)

<<<

El inversor de voltaje es un sistema que convierte la tensión de corriente continua (en este caso los 12 voltios de una batería), en un voltaje simétrico de corriente alterna, que puede ser de 220V o 120V, dependiendo del país o del uso que se le piense dar a este circuito. La frecuencia del inversor se calibra de acuerdo a la frecuencia requerida por el aparato o electrodoméstico que vallamos a alimentar o de la frecuencia usada comúnmente en la zona o país.

El inversor se utiliza en infinidad de aplicaciones, que van desde pequeñas UPS para computadores, hasta aplicaciones industriales de alta potencia. Otra gran aplicación de los inversores, es la de convertir la corriente continua generada por los paneles solares (que es almacenada en baterías), en corriente alterna, para luego ser utilizada en el hogar o la industria rural, reemplazando el servicio de la red pública. También a partir del almacenamiento de energía en de bancos de baterías de 48 voltios, se usa en recreación, aplicaciones náuticas y alimentación de sistemas de comunicaciones. A nivel casero se usa para la alimentación de televisores, reproductores de video y electrodomésticos en automóviles.

Este inversor consta de un oscilador que controla unos transistores, los cuales “switchean” la corriente proveniente de la batería, generando una onda cuadrada.

Esta onda cuadrada alimenta un transformador que eleva el voltaje (en este caso 120 voltios), y suaviza la forma de la onda, para que parezca más una onda senoidal. La forma de onda de salida un inversor ideal debería ser senoidal, pero esto no es tan sencillo, se requieren bastantes componentes electrónicos para tratar de lograr que una onda cuadrada simule satisfactoriamente a una onda senoidal. En este tutorial presentamos un inversor sencillo de 150W, de onda cuadrada, con una respuesta bastante buena. Tiene un relevo, que cambia su estado; de cargador de batería, a inversor y viceversa. Se pueden adicionar condensadores y bobinas para suavizar la onda, aunque lo mejor es hacer otros diseños. Este proyecto de fabricación casera está diseñado con fines educativos.

Los inversores más modernos utilizan un tipo de transistores más avanzados, llamados FET (transistores de efecto de campo), que manejan cantidades de corriente muy superiores a los transistores comunes.

El 555 (Temporizador)

El 555 es un circuito integrado usado para generar oscilaciones y retardos de tiempo de precisión. En este caso lo usaremos para hacer un oscilador astable (flip flop), que entrega en la pata 3 una onda cuadrada. La frecuencia de trabajo se regula mediante dos resistencias externas y un condensador. En este caso usamos una resistencia de 33K que va de la pata 8 (+Vcc) a la pata 7, que descarga el condensador externo del temporizador, y un reóstato de 100K que va conectado entre la pata de descarga (7) y la pata (6) o entrada del comparador interno del 555, que se utiliza para poner la salida a nivel bajo. El 555 entrega a la salida una corriente de hasta 200 miliamperios que excita el circuito integrado CD4013BP.

El circuito integrado CD4013B es un flip-flop doble tipo-D, CMOS. Cada flip-flop se puede configurar con datos, restablecimiento y entradas de reloj independientes. Como el 555 tiene problemas al hacer el semiciclo negativo o estado bajo, usamos sólo los semiciclos positivos del 555, para ordenarle al 4013 que genere una onda cuadrada perfecta. La señal proveniente del 555, entra al 4013 por la pata 3 o reloj. En las patas 1 y 2 se generan ondas cuadradas inversas. Es decir: cuando la pata 1 está en (0) o estado bajo, la pata 2 está en (1) o estado alto y viceversa.

Los circuitos integrados 555 y CD4013, son alimentados mediante un regulador LM7805. Este regulador pertenece a la familia de los reguladores de tensión positiva de tres terminales. Los reguladores de esta serie tienen en la pata 1, de izquierda a derecha, la entrada de voltaje (Vi). La pata 3 corresponde a la salida de voltaje (Vo), y la pata del centro o pata 2, corresponde a el tierra o masa común. Para su correcta identificación hay que tener en cuenta que las dos primeras letras impresas en la superficie del componente, corresponden las iniciales del fabricante. Los dos números siguientes, en este caso 78, determinan la polaridad de la tensión que maneja, para este caso es positivo y los últimos dos dígitos, son el voltaje que entrega a la salida, que son 5 voltios.

Retomando el recorrido de la señal, las señales cuadradas que entrega el CD4013 en sus patas 1 y 2, son recibidas por dos transistores 2N3904. En este caso vemos su reemplazo en la fotografía. Los transistores de polaridad NPN tienen su base es positiva. Esto quiere decir que al recibir la señal, sólo conducen al momento del semiciclo positivo o estado alto (1). El emisor de estos transistores está conectado a tierra por lo que al momento de conducir, el colector se polariza negativamente, excitando la base de los transistores TIP125, que son PNP que sólo conducen al recibir el semiciclo negativo o estado bajo (0).

Los transistores TIP125 son de silicio Epitaxial con una polaridad PNP. Son transistores de potencia de configuración Darlington, montados en encapsulado de plástico tipo A-220. Su uso más frecuente es en alimentaciones lineales y aplicaciones de conmutación. Como su base es negativa, conducen cuando los 2N3904 entran en conducción a tierra. Si observa el diagrama esquemático que está en el archivo PDF, que se entrega al final de este articulo, verá que el positivo también llega a la base de estos transistores, asegurando que se mantengan cerrados, hasta que reciban la orden de los 2N3940.

Los TIP125, son los encargados de activar los transistores de salida. En este caso hemos utilizado TIP3055 de polaridad NPN. La corriente positiva que va del emisor al colector de los TIP125, excita la base de los TIP3055, haciendo oscilar los extremos del devanado primario del transformador, ya que están conectados a los colectores de los transistores de salida y los emisores están a tierra. Como el TAP central del transformador esta conectado a la batería, es en ese momento que la corriente DC se convierte en corriente AC, para que el transformador pueda elevarla y entregar el voltaje deseado en su devanado secundario.

Debido a que los aparatos electrónicos trabajan a una determinada frecuencia, además de los estándares de frecuencia predeterminados de acuerdo a cada país, es necesario calibrar la frecuencia del inversor, de acuerdo a sus necesidades o requerimientos. El reóstato de 100K, fija la frecuencia del 555. Para el caso de Colombia, la frecuencia

...