1. TEMA:
Inversor de 12
VDC a 120 VAC y 60 Hz
2. OBJETIVOS:
2.1. General
·
Diseñar
un inversor de 12 VDC a 120 VAC y 60 Hz
2.2. Específicos
·
Dimensionar
cada uno de los elementos del circuito del inversor para que esta funcione
correctamente.
·
Armar
el circuito del inversor sobre el protoboard y medir los valores de corriente y
voltaje a la salida del inversor en vacío y con carga (Foco ahorrador de 20W).
·
Analizar
e interpretar los resultados obtenidos de los valores de corriente y voltaje a
la salida del inversor.
·
Aprender
las diferentes maneras de convertir corriente DC a AC, con sus respectivas
ventajas y desventajas.
3. MARCO
TEÓRICO:
Convertidores
DC‐AC
(Inversores)
Un inversor es un dispositivo eléctrico que convierte la
corriente directa (DC) a corriente alterna (AC), la AC puede ser convertida en
cualquier voltaje y frecuencia con el uso de transformadores adecuados,
conmutación y control de circuitos.
Los inversores se utilizan comúnmente para la fuente de
alimentación de CA con fuentes de corriente, tales como paneles solares o
baterías.
El inversor realiza la función opuesta de un rectificador.
En los inversores, las formas de onda del voltaje de salida
deberían ser senoidales. Sin embargo, en los inversores reales no son
senoidales y contienen ciertas armónicas. Para aplicaciones de baja y mediana
potencia, se pueden aceptar los voltajes de onda cuadrada o casi cuadrada; para
aplicaciones de alta potencia, son necesarias las formas de onda de baja
distorsión. Dada la disponibilidad de los dispositivos semiconductores de
potencia de alta velocidad, es posible reducir significativamente el contenido
armónico del voltaje de salida mediante diversas técnicas de conmutación.
Clasificación
Se clasifican según el número de fases:
§ Monofásicos
§ Trifásicos
Figura
1. Símbolos para la Representación de Convertidores CC/CA (Inversor monofásico
izquierda e inversor trifásico derecha)
Aplicaciones:
·
Actuadores
para motores de corriente alterna.‐ Permite variar la tensión y
la frecuencia de estos motores.
·
Fuentes
de alimentación ininterrumpida (UPS).‐ Genera una tensión senoidal
a partir de una batería con el fin de sustituir a la red cuando se ha producido
un corte en el suministro eléctrico.
·
Generación
fotovoltaica.‐ Genera la tensión senoidal de 50Hz a partir de una tensión
continua producida por una serie de paneles fotovoltaicos.
El
temporizador NE555
El NE555, es un dispositivo
altamente estable, para generar retardos exactos de tiempo corto o generador de
oscilación. Se proporciona un terminal adicional, para la activación o
reposición (reset) si se desea. En el modo de operación de retardo de tiempo,
el tiempo es controlado con precisión, por una resistencia y condensador
externos.
Figura
2. Circuito integrado NE555
Para la operación astable,
como un oscilador, la frecuencia de funcionamiento libre y ciclo de trabajo, se
controlan con precisión, con dos resistencias externas y un condensador. El
circuito se pueden activar y restablecer las formas de salida de onda, y el
circuito de salida puede ser fuente o drenador de hasta 200 mA o circuitos de
accionamiento TTL.
Figura
3. Pines del circuito integrado NE555
Modo
astable.
En el modo astable, la salida
del temporizador 555, es una forma de onda de pulso continuo, de una frecuencia
específica que depende de los valores de las dos resistencias (R1 – R2) y el
condensador (C1) utilizados en el circuito de la figura que sigue, de acuerdo
con la siguiente ecuación:
Frecuencia de oscilación = 1
/ T
Figura
4. Configuración en modo astable de un circuito integrado NE555
El tiempo de carga (salida
alta) viene dado por: t1 = 0.7 (R1 + R2) C1
Y el tiempo de descarga
(salida baja) por: t2 = 0.7 (R2) C1
Así, el período total es: T =
t1 + t2 = 0.7 (R1 +2R2) C1
La frecuencia de oscilación
es: f = 1/T=1.44 / (R1 +2R2) * C1
CIRCUITO
CMOS 4013
El circuito integrado 4013 o
sus equivalentes en diferentes marcas CD4013, TC4013, MC14013 o HEF4013,
contiene 2 flip-flops del tipo D, tiene entradas independientes de puesta a “1″
PRE, puesta a “0″ CLR y CLK. La salida del flip-flop la tenemos negada y sin
negar. El funcionamiento es simple, el dato o nivel que tenemos en la entrada D
es transferido a la salida Q durante la transición positiva de la señal de
reloj CLK.
Figura
5. Pines del circuito integrado 4013
Las patillas de alimentación
son el pin 14 VDD, que admite un rango de funcionamiento de 3V a 15V, y el pin
7 VSS o GND.
El tiempo de propagación
típico es de 200 ns alimentado a 5V.
Figura
6. Tabla de verdad de un FF tipo D.
4. PROCEDIMIENTO:
·
Arme
en el protoboard el circuito que se muestra en la figura de abajo.
Figura 7. Diagrama del circuito del inversor
·
Conecte
el foco a la salida del inversor y alimente el circuito con 12 VDC.
·
Mida
los valores de corriente y voltaje a la salida del inversor y tabule.
·
Retire
el foco y mida el voltaje en vacío a la salida del circuito.
4.1. Materiales:
o 1 resistencia de 100kΩ a 1/2W
o 1 resistencia de 10KΩ a 1/2W
o 2 resistencias de 220Ω
o 4 capacitores cerámicos de 100nF (104)
o 1 NE555
o 1 CD4013BE
o 1 LM7805
o 2 IRF540N
o 1 transformador de 12x12 voltios
o Foco
o Protoboard
o Cables de conexión
4.2. Equipo:
o
Voltímetro
o
Amperímetro
o
Fuente
de voltaje
o
Osciloscopio.
4.3. Circuito
armado
·
Práctico
Figura 8. Circuito del inversor del inversor montado
en el protoboard.
·
Recolección de datos:
|
Parámetro
|
Inversor con carga
|
Inversor sin carga
|
|
Voltaje [VAC]
|
96.1
|
135
|
|
Corriente [mA]
|
78.4
|
-
|
Tabla 1. Datos
medidos
·
Fotografías
·
Voltaje
Figura 9.
Voltaje a la salida del inversor con carga
Figura 10.
Voltaje a la salida del inversor sin carga
·
Corriente
Figura 11.
Corriente a la salida del inversor con carga (foco)
5. ANALISIS:
5.1. Cálculos
Frecuencia del
oscilador (NE555):
Para calcular la frecuencia se utilizaran
los siguientes valore para los elementos:
Considere que el oscilador NE555 va a ser
utilizado únicamente como señal de reloj para el FF tipo D del integrado 4013.
Considere además que los flip-flops son conocidos como divisores de frecuencia
y que la frecuencia de su señal será la mitad de la señal de reloj que ingrese
a este, es decir que la frecuencia de oscilación para la apertura y cierre de
los Mosfet será de 60Hz.
Figura 11.
Señales de salida del NE555 (superior) a 120 Hz y del FF tipo D (inferior) a
60Hz
En la figura se puede ver que la señal
del oscilador NE555 (superior) solo es usada para la transición de pendiente
negativa del FF, para hacer que este cambie de estado Q, de alto a bajo y de
bajo a alto.
El voltaje rms de salida
El
voltaje de salida calculado para un inversor de medio puente es de 6V con
voltaje de entrada de 12V, para poder obtener una señal de 120VAC se requiere
conectar el voltaje de salida a un transformador de 12V a 120V y conectar en el
TAP central un voltaje de 12VDC para ayudar a subir el voltaje salida. Con esto
se asegura a la salida un voltaje de 120 VAC o más.
El
voltaje rms de salida a la frecuencia fundamental
El voltaje rms armónico Vh es
Distorsión armónica total THD
Fuente de alimentación:
Carga:
Calculado
Medido
Relación del
transformador:
Eficiencia:
5.2. Análisis
de graficas
Figura 12. Señal de salida del inversor sin
amplificar 12 VAC a 52.5 Hz
Análisis:
Se puede observar que la gráfica es semejante a una señal sinusoidal de
voltaje AC. Además se puede decir que la gráfica no resulta ser exactamente
sinusoide debido que el método de modulación de medio puente utilizado no
realiza una modulación precisa, esto provoca un mal funcionamiento para
trabajar con potencias altas pero si es suficiente para trabajar con potencias
medianas y pequeñas.
También concluimos que la frecuencia obtenida es de 52.5 Hz que no son
los 60 Hz ideales, pero si es lo suficiente aceptable para trabajar con
dispositivos AC.
5.3. Comparaciones
·
Medido, calculado
|
Parámetro
|
Calculado
|
Medido
|
|
Voltaje [V]
|
120
|
101.03
|
|
Corriente[A]
|
0.200
|
0.169
|
|
Resistencia [ohm]
|
720
|
597,81
|
|
Potencia [W]
|
20
|
17.1
|
|
Eficiencia
|
0.85
|
|
Tabla
2. Comparación entre valores medidos y calculados
5.4. Errores
Errores de medición con respecto
al valor calculado:
Error en la
medición de corriente:
Error en la
medición de voltaje:
Error en la medición
de resistencia:
Error en la
medición de voltaje:
5.5. Justificación
de errores (Soluciones)
·
Estos
errores se presentan debido a que los materiales utilizados en la implementación
del circuito no son específicamente para funcionar a altas potencias.
·
En
cuanto a la eficiencia del circuito mediante el cálculo da como resultado 85.5%
de la misma y posterior a eso calculado los errores relativos de cada una de
las medidas obtenidas están en un rango entre 15% a 17% con esto se concluye
que el circuito tiene perdidas presentes en los dispositivos utilizados,
presentándose esta pérdida en forma de calor.
6. CONCLUSIONES:
·
La
construcción de inversores se realiza debido a que muchos de los aparatos que
se encuentran industrialmente funcionan con corriente AC, a partir de una
fuente DC ya que esta última resulta fácil de almacenar al contrario de una
corriente AC que no se puede almacenar pero resulta más barata.
·
Los
inversores son utilizados en una gran variedad de aplicaciones, desde pequeñas
fuentes de alimentación para computadoras, hasta aplicaciones industriales para
manejar alta potencia.
· Además se puede decir que la gráfica no resulta ser
exactamente sinusoide debido que el método de modulación de medio puente
utilizado no realiza una modulación precisa, esto provoca un mal funcionamiento
para trabajar con potencias altas pero si es suficiente para trabajar con
potencias medianas y pequeñas.
· Concluimos que la frecuencia obtenida se acerca a
los 60 Hz, pero si es lo suficiente aceptable para trabajar con dispositivos
AC. Esto se debe a que el oscilador funciona a base de dos resistencias y un
capacitor que pueden ser afectados por las alternaciones ambientales haciendo
que la reactancia y capacitancia varíe y por ende que la frecuencia no sea la
deseada.
·
En
cuanto a la eficiencia del circuito mediante el cálculo da como resultado 85.5%
de la misma y posterior a eso calculado los errores relativos de cada una de
las medidas obtenidas están en un rango entre 15% a 17% con esto se concluye
que el circuito tiene perdidas presentes en los dispositivos utilizados,
presentándose esta pérdida en forma de calor.
·
Además
se justifican también estos errores en la presencia de unos pequeños picos de
armónicos obtenidos en la gráfica, que hacen que las medidas varíen un poco
considerable.
·
Se
utilizó un FF como oscilador para obtener las conmutaciones de los MOSFET ya
que el LM555 no permitía la conmutación lo que provocaba que mucha potencia
caiga en un solo MOSFET causando su calentamiento y su posible daño a futuro.
7. RECOMENDACIONES:
·
Para
la implementación de un inversor de corriente es recomendable la utilización de
dispositivos de potencia debido a que mientras el circuito este en pleno funcionamiento
se suministrara toda la corriente que pueda entregar y que sea exigida por la
carga y que en ocasiones resultan ser altas y esto hace que se produzcan avería
o defectos en los dispositivos que corresponden al circuito.
·
A
pesar que el diagrama del circuito no lo tenga, es recomendable siempre usar un
fusible, así en caso de un accidente, como un corto circuito, no se dañe el
circuito principal o en el peor de los casos alguna persona se electrocute,
claro está que si toma el cable directamente a la red el fusible será inútil.
·
Se
recomienda utilizar cable de conexión del calibre apropiado para la cantidad de
potencia requerida. Si este no es el caso se pueden producir calentamiento
excesivos provocaría que la línea se queme quedando el mismo sin protección.
·
Procurar
no hacer las pruebas sólo, recuerden que se estará trabajando con alta potencia
y se corren ciertos riesgos. Un acompañante podría socorrerlo en caso de un
percance.
8. BIBLIOGRAFÍA:
8.1. CIRCUITO CMOS 4013, Electrónica
teoría y práctica. Extraído de web el 3 de agosto de 2014 desde: http://electronica-teoriaypractica.com/circuito-cmos-4013/
8.2. El 555. El circuito más
utilizado en 50 años. Electrónica práctica. Extraída de web el 25 de julio de
2014 desde: http://www.diarioelectronicohoy.com/blog/el-555-el-circuito-mas-versatil-desde-los-50
8.3. CD4013BC Dual D Flip-Flop, National
semiconductors. Febrero de 1998. Extraído de web el 4 de agosto de 2014 desde: http://www.cedmagic.com/tech-info/data/cd4013.pdf
