Las baterías e incluso las pilas proporcionan bajas tensiones continuas que no sirven para alimentar aparatos conectados a la red de energía. Los inversores o convertidores DC / AC son aparatos que pueden convertir las bajas tensiones de batería (generalmente de 12 V en coche o camión), o incluso de un conjunto de pilas grandes, en una alta tensión alterna (generalmente 110 V o 220 V) para alimentar aparatos que se enchufan en la red de energía. Vea en este artículo cómo funcionan los inversores, cuáles son sus limitaciones y cómo trabajar con ellos. Al final, daremos un diseño práctico de un pequeño convertidor para lámparas fluorescentes.
Muchas personas desean conectar aparatos de uso doméstico y, por lo tanto, diseñados para funcionar con 110 V o 220 V en el coche o incluso alimentarlos por pilas y baterías.
Si bien estos aparatos, en general, tienen un consumo elevado y por lo que no se recomienda el uso con baterías o pilas, existen situaciones en las que no se puede escapar de ello.
Es el caso de sistemas de iluminación de emergencia que usan lámparas fluorescentes, pequeños televisores que deban ser usados ??en campamentos o lugares en los que no red de energía, e incluso electrodomésticos del tipo afeitadora, ventilador, etc.
Para convertir la energía disponible en baterías en forma de baja tensión continua para alta tensión alterna se utilizan circuitos denominados inversores o convertidores DC / AC.
Cómo funciona un inversor
En la figura 1 tenemos un diagrama de bloques de un variador típico para uso general.
Un inversor de este tipo está formado por un circuito oscilador de potencia que convierte la tensión continua pura en tensión continua pulsante para que pueda ser aplicada a un transformador.
Esto es necesario, pues los transformadores sólo pueden operar con corrientes que varían, y una corriente continua pura no pasaría por ese componente.
El transformador es el elemento siguiente del circuito y su finalidad es elevar los pulsos de baja tensión del oscilador, obteniéndose en su secundario una alta tensión alternada.
Es importante observar que en la mayoría de los circuitos, la tensión alternada no es perfectamente senoidal, sino dotadas de algunos picos que pueden ser peligrosos si los aparatos alimentados son sensibles.
Normalmente, los osciladores están optimizados para que la tensión sea lo más cercana posible a la sinusoide, sin embargo, esto no siempre ocurre.
Otro problema común en estos circuitos es el hecho de que la frecuencia no siempre es de 60 Hz. Muchos inversores que se destinan a lámparas fluorescentes y otros aparatos no sensibles a la frecuencia pueden operar con frecuencias más altas entre 200 y 1000 Hz.
Un punto crítico en el diseño del inversor es la calidad del transformador. De hecho, este componente determina el rendimiento del circuito y si no está bien dimensionado, la mayor parte de la energía se puede perder en forma de calor.
La energía no se crea
Un hecho común que ocurre con los que pretenden utilizar inversores es que ellos piensan que la energía puede ser creada. Muchos creen que a partir de un juego de pilas o batería, se puede elevar la tensión a punto de poder alimentar grandes televisores, heladeras y otros aparatos de alto consumo.
No se puede crear energía. La capacidad de suministro de energía de las baterías y las pilas es bastante limitada. Por ejemplo, si una batería puede suministrar una corriente máxima de 10 A con 12 V, su potencia máxima es 120 W.
Esto significa que si se convierten los 12 V de esta batería a 120 V la corriente máxima teórica será 1 A y ningún aparato de más de 120 W podrá ser alimentado, como se muestra en la figura 2. Esto es claro, suponiendo que el 100% de la energía se pueda convertir, lo que no ocurre en la práctica.
Así, la mayoría de los inversores son de baja potencia y, cuando operan en el límite, la duración de la carga de la batería quedará reducida proporcionalmente.
En el caso de que el uso de un inversor es necesario observar que no es posible crear energía, así, la batería usada debe tener potencia compatible con el aparato alimentado y su autonomía dependerá justamente de ello.
Así, normalmente una batería de coche no puede suministrar energía por más de unas pocas horas a cualquier aparato de consumo más alto, como por ejemplo un pequeño televisor.
Por otro lado, aparatos cuyo consumo sea superior a 100 W difícilmente pueden ser alimentados incluso con convertidores, pues las baterías son que no dan cuenta de la energía a ser suministrada.
Por ejemplo, para 240 W de potencia usando una batería de 12 V, incluso si tuviéramos un convertidor de 100% de rendimiento (lo que no ocurre en la práctica) la corriente drenada sería del orden de 20 amperios! Una batería de 30 Ah tendría la capacidad de alimentar ese aparato por sólo 1 hora y media!.
Los inversores sólo se suministran para alimentar equipos pequeños como lámparas fluorescentes en sistemas de emergencia, ordenadores cuando falta energía (en el break), u otros equipos cuyo consumo no sea elevado.
Sin embargo, deben usarse sólo cuando no se dispone de la energía de la red de corriente alterna, observándose la autonomía de su fuente de alimentación.
Inversores Comerciales
La calidad del circuito determina la eficiencia del inversor y para los tipos comerciales puede llegar al 90%. Así, para obtener 90 W de energía 10 W se pierden en forma de calor en el propio circuito.
Es necesario observar que muchos tipos de inversores no proporcionan una tensión de salida perfectamente sinusoidal de 60 Hz. Estos tipos de inversores no sirven para alimentar equipos más sensibles.
El lector encontrará inversores principalmente en sistemas de iluminación de emergencia donde utilizan los 12 V de una batería que se queda en carga constante cuando la energía está presente para alimentar lámparas fluorescentes.
Algunas aplicaciones importantes de los inversores
• Pueden ser usados para alimentar aparatos eléctricos comunes, a partir de baterías, en barcos, coche y en la tienda de camping. También se pueden utilizar para el mismo propósito en lugares donde no llega energía convencional, siendo las baterías cargadas por paneles solares durante el día.
• Los inversores para lámparas fluorescentes se utilizan en sistemas de iluminación de emergencia.
• Sistema SAI, donde el ordenador se mantiene alimentado por una batería conectada a un inversor por tiempo suficiente para guardar el trabajo cuando hay un corte de energía. Observe que las baterías de estos sistemas son de pequeña autonomía, manteniendo el ordenador encendido por intervalos que varían entre 10 minutos y media hora, es decir, suficiente para terminar y guardar un trabajo.
• Sistemas de señalización con lámparas de xenón en vehículos, barcos o boyas. En estos sistemas, el inversor normalmente llega a proporcionar tensiones que superan los 600 V.
En la figura 3 mostramos un inversor comercial de tipo que se puede conectar al encendedor de cigarrillos de un coche para alimentar pequeños aparatos, como un televisor portátil, un aparato de afeitar o un dispositivo de señalización.
Trabajar con los inversores
Para el profesional es muy importante saber qué tipo de inversor se recomienda para una aplicación concreta. Si los equipos sensibles se alimentan de forma indebida pueden producirse daños.
Damos a continuación las principales especificaciones de dichos aparatos para los que el profesional debe estar atento:
a) Potencia de salida
El lector debe estar seguro de que el inversor puede suministrar la potencia que el aparato a ser alimentado requiere, dando un cierto margen de seguridad para que los componentes no trabajen en el límite.
Por ejemplo, si se va a alimentar una lámpara fluorescente de 40 W el inversor debe ser capaz de proporcionar al menos 50 W de potencia.
b) Forma de onda
Muchos inversores proporcionan corrientes de salida con formas de onda que no son senoidales. Las lámparas fluorescentes e incandescentes no son sensibles a las formas de onda, pero existen aparatos que no se pueden utilizar con convertidores que no tengan una salida sinusoidal de 60 Hz.
c) Rendimiento
Se debe optar por el inversor que tenga el mayor rendimiento posible. Normalmente por encima del 70%.
d) Aislamiento
La alta tensión de la salida de inversores puede causar choques peligrosos. Compruebe la calidad del aislamiento del sistema que alimenta el aparato externo.
e) Colocación de la batería
Al instalar un inversor con una batería no sellada, asegúrese de que quede en un lugar ventilado, ya que los gases que produce son tóxicos.
f) Conexiones
Las conexiones del inversor a la batería deben realizarse con hilos gruesos, ya que la corriente normalmente es intensa. El cable de la batería al inversor debe ser lo más corto posible. En la figura 4 mostramos el modo típico de instalación de un variador.
Diagnóstico de problemas
Los transistores de potencia de los inversores normalmente son los componentes que más fácilmente se queman en este tipo de equipo, pues trabajan con corrientes elevadas y no raro muy cerca de sus condiciones límite.
Al intercambiar estos componentes tenga cuidado para verificar si soportan la corriente y la tensión de los originales. Por ejemplo, el sufijo del tipo comprado debe ser el mismo que el que se quemó.
Circuito Práctico
En la figura 5 damos un circuito simple de un inversor que puede ser utilizado para alimentar lámparas fluorescentes de 7 a 40 W a partir de baterías de automóvil.
Con el cambio del capacitor C1 en la temporización del 555, por uno de 10 uF el mismo circuito generará pulsos luminosos sirviendo para un sistema de señalización.
Como el circuito utiliza un transformador común y su rendimiento no es muy elevado, las lámparas de 20 a 40 W se encender con menor brillo que el que presentan cuando están conectadas a la red de energía.
También es importante observar que la señal de salida no es senoidal, tiene picos mayores que 110 V o 220 V, incluso usando un transformador para esa tensión y que la frecuencia de salida no es de 60 Hz.
En la figura 6 tenemos la placa de circuito impreso para el montaje del circuito.
El transistor de efecto de campo MOSFET de potencia debe estar dotado de un buen radiador de calor. Cualquier tipo de canal N para corrientes superiores a 3 A y tensiones entre drenaje y fuente Vds a partir de 200 V puede ser usado sin problemas.
El circuito también funcionará con un TIP31 o TIP41 pero con un poco menos de rendimiento, dependiendo del transformador.
El transformador tiene bobinado primario de 110 V o 220 V (se recomienda 220 V para mayor facilidad de excitación de fluorescentes) con secundario de 12 V con corriente entre 800 mA y 2 A.
Los demás componentes del circuito no son críticos, debiendo sólo el lector atentar para el espesor de las pistas de mayor corriente de la placa de circuito impreso.
Este circuito, dependiendo del ajuste de frecuencia y del transformador drenará corrientes entre 500 mA y 1 A de la batería. Este valor permite estimar la autonomía de la batería usada como fuente.
El circuito también funcionará con 4 pilas grandes recargables o alcalinas si el transformador es del tipo con secundario de 6 o 7,5 V y de 300 mA a 600 mA y además se utilizan lámparas fluorescentes hasta 15 W.
El cuidado debe ser tomado con el cable de conexión a la lámpara, si se queda lejos del circuito, debiendo los mismos estar bien aislados, para que no ocurran peligros de choque.
El trimpot sirve para ajustar la frecuencia en que el circuito tiene máximo rendimiento, es decir, la lámpara se enciende con el máximo de brillo.
Es interesante observar que incluso lámparas débiles que ya no se encienden cuando están conectadas a la red de energía, funcionarán en este circuito, pues los picos de alta tensión ionizarán fácilmente el gas en su interior.
CI-1 - 555 - circuito integrado, temporizador
Q1 - IRF640 o equivalente - cualquier MOSFET de potencia - ver texto
T1 - Transformador con primario de 110/220 V y secundario de 12 V con corriente entre 600 mA y 2 A - ver texto
X1 - lámpara fluorescente de 7 a 15 W
P1 - 100 k ohms - trimpot
R1 - 2,2 k ohms x 1/8 W - resistor - rojo, rojo, rojo
R3 - 4,7 k ohms x 1/8 W - resistor - amarillo, violeta, rojo
R4 - 1 k ohms x 1/8 W - resistor - marrón, negro, rojo
C1 - 47 nF - capacitor de cerámica o de poliéster
C2 - 1 000 uF x 16 V - capacitor electrolítico
F1 - Fusible de 3 A
S1 - Interruptor simple
Varios:
Caja para montaje, placa de circuito impreso, radiador de calor para el transistor, hilos, soldadura, etc.