INVERSOR DE 12 VDC A 120 VAC Y 60HZ

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