DEPARTAMENTO DE ENERGIA Y MECÁNICA
CARRERA DE INGERIERIA MECATRÓNICA
ASIGNATURA: ELECTRÓNICA DE POTENCIA
INFORME DE PROYECTO DE FINAL DE UNIDAD UNIDAD
TEMA: Inversor de voltaje 12V DC a 120V AC de Batería toma Media. Profesora: ING. Daniela Paladines INTEGRANTES: Freddy Cordova Santiago Medina Lino Freddy Carlos Chango Armas Robert 03/04/2015 - SANGOLQUÍ
1. Tema: I nversor nversor de voltaje 12V DC a 120V AC de Batería toma Media. 2. Antecedentes. 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.
3. Objetivo(s). a. General. Aplicar los conocimientos conocimientos adquiridos adquiridos en el transcurso transcurso del presente presente curso de electrónica electrónica de potencia con la idea de realizar un modelo electrónico que permita el diseño y/o implementación de un circuito inversor de voltaje 12V DC a 120V AC según las necesidades requeridas y así permitir que el circuito electrónico pueda ser usado para para la alimentación de cualquier carga.
b. Específicos. i. Escoger y realizar el mejor diseño de un circuito inversor de voltaje 12V DC a 120V AC que trabaje con parámetros especificados especific ados es decir para nuestro caso con una frecuencia de 60Hz la cual es la usada en nuestro país, pero que a su vez pueda ser regulada de acuerdo a las necesidades pertinentes. ii. Basar el análisis teórico en características técnicas de los componentes a partir de gráficos y modelos matemáticos. iii. Advertir los valores de operación de los componentes en base a datos teóricos y experimentales. iv. Probar mediante el montaje del circuito el correcto funcionamiento de nuestro diseño para complementar la teoría estudiada con lo práctico en laboratorio. v. Permitir que el circuito inversor de voltaje 12V DC a 120V AC funcione de la mejor manera al momento de conectar una carga en este caso se probara con diversas y permita un funcionamiento óptimo del circuito así como de sus componentes. vi. Además el circuito será montado un una placa de baquelita para su uso posterior ya que este es de uso común para muchas aplicaciones. 4. Marco Teórico Teórico INVERSOR
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.
Circu ito MC14013.
Valores Máximos Integrado MC14013
Asignación de pines:
Datasheet del C.I. CMOS MC 4013 a utilizar en la Práctica
Características Eléctricas
Temporizador LM555 El temporizador LM555 tiene dos modos de funcionamiento: Temporizador LM555
Modos de Temporización
Modo Astable
Modo Monoastable
Modo Astable
También conocido como oscilador de carrera libre, es un circuito capaz de cambiar de un estado a otro sin intervención externa, al ser conectado, automáticamente comienza su ciclo permaneciendo en un estado por cierto tiempo, cambiando al otro estado y permaneciendo en este el mismo tiempo que el estado anterior Es decir tiene un ciclo activo del 50%.
Este tipo de funcionamiento se caracteriza por una salida con forma de onda rectangular continua de ancho predefinido por el diseñador del circuito. El esquema de conexión es el que se muestra. La señal de salida tiene un nivel alto por un tiempo t1 y un nivel bajo por un tiempo t2. La duración de estos tiempos de ende de los valores de R1 R2 C se ún las fórmulas:
Fórmulas:
5. Mé to d o s p ar a el di s eñ o.
Para este proyecto nuestro inversor de voltaje 12V DC a 120V AC consiste en 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 120V, con una frecuencia de 60Hz. Para el diseño del inversor se procederá o se lo dividirá en los siguientes bloques:
6. Materiales y Equip os.
Herramientas:
Multímetro Fuente DC 12 V o Batería 12V 5 A o más. Osciloscopio. Pinzas. 1 Protoboard.
Circuitos integrados:
1 555 1 CD 4013BP
Transistores:
4 TIP3055 2 TPI 125 2 2N3904
Cables Sueldas Puntas de osciloscopio Destornilladores. Placa de baquelita. Borneras. Otros.
Resistencias:
4 R 820 ohmios a 1/4W 4 R 1 ohmio a 1W 2 R 33 ohmios a 5W 1 R 0.75 ohmios a 5W 1 R 33K a 1/4W 2 R 2.2K a 1/4W 2 R 100 ohmios a 1/2W 2 R 5.6K a 1/4W 1 R 560 ohmios a 1/4W 1 R 1K a 1/4W
Condensadores:
Diodos:
6 C 0.1 uF (104) poliester 1 C 100 uF a 16V
2 1N5407 2 1N4007
Varios:
4 Aislantes de mica con sus respectivos pasa muros y tornillos. 1 porta fusible y fusible de 10 amperios 1 Regulador Lm7805 1 reóstato de 100K 2 LEDs, uno intermitente y el otro normal. 1 disipador de aluminio 1 clavija macho 1 toma sencilla o doble 1 metro de cable 1x 16 o 1x14 1 interruptor doble de 10 amperios 250 voltios 1 transformador de 12x12 voltios, 3 amperios o más.
7. Procedimiento.
Como ya se mencionó anteriormente nuestro proyecto contara de 5 bloques:
BL OQUE DE ENTRADA:
En este bloque estará comprendida la entrada que para este caso es una batería 12V, 5 A o una fuente de poder DC 12V 3 A o más. También constara de un swich para poner en marcha nuestro circuito inversor de voltaje, un fusible para protección del circuito que será mínimo de 32V a 10 A, más un led indicador en serie con una resistencia de protección para el mismo, este led nos indicara cuando nuestro circuito esté en funcionamiento.
BL OQUE DEL OSCILADOR DE 60Hz.:
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. Este proyecto representa un inversor sencillo de onda cuadrada, con una respuesta bastante buena. 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. Este bloque constara de dos circuitos integrados:
CI 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 estable (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.
Fórmulas:
FIG. DIAGRAMA CI 555 Con dichas formulas asumiremos R2=33 y aremos variar el reóstato hasta lograr la frecuencia necesaria en este caso 60Hz. La siguiente imagen muestra el CI 555 usado para el ensamble, también puede verse el reóstato que puede ser reemplazado por un potenciómetro el cual nos permite regular la frecuencia de salida de nuestra onda cuadrada por el pin 3, en este proyecto se la ha regulado a una frecuencia de 60Hz, ya que es la frecuencia con la que se alimenta la red doméstica pero la cual puede cambiar dependiendo del reóstato para así ajustarse a cualquier frecuencia que se necesite.
CI CD4013.
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 CI CD4013 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.
Asignación de pines CI CD 4013
CI CD 4013 montado en la placa
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 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.
En la siguiente figura se muestra el diagrama de conexión correcta de este bloque oscilador de 60Hz en conjunto:
BL OQUE AMPL IFICADOR:
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, esta al final, 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 está 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 Ecuador, la frecuencia debe ser de 60 Hz, ya que todos los aparatos que se consiguen, funcionan a esa frecuencia. Para los países que tienen un voltaje de 220V en la red pública, normalmente trabajan a una frecuencia de 50 Hz. Lo más aconsejable es ver en la parte posterior de los electrodomésticos, la ficha técnica y cerciorarse de cuál es la frecuencia adecuada para calibrar el inversor.
Para calibrar la frecuencia es necesario poseer un frecuencímetro. En la fotografía se pueden observar dos terminales de cobre, uno al frente del primer transistor de potencia y el otro al frente del tercer transistor. En esos terminales que es donde se conecta el transformador, podemos colocar las puntas del frecuencímetro, al momento de graduar la
frecuencia. Lo primero es colocar el reóstato en la mitad, encendemos el inversor, medimos y con la ayuda de un destornillador, vamos girando el reóstato, hasta llegar a la frecuencia deseada. También podemos colocar las puntas de frecuencímetro a la salida AC del inversor. Esto es muy importante, ya que hay aparatos que no trabajan bien si la frecuencia no está en su punto. Por ejemplo los televisores al recibir una frecuencia diferente a la especificada por su fabricante, comienzan a parpadear o a presentar unas rayas molestas sobre la imagen.
La siguiente figura muestra el bloque de amplificación con su correcta conexión de todos sus componentes:
BLOQUE ELEVADOR DE VOLTAJE y B LOQUE DE SALIDA:
Una vez pasada la etapa de amplificación las salidas de los transistores TIP3055, estarán 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 está 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. En cuanto a estos dos bloques como podrá observarse a continuación comprende el transformador que es el encargado se elevar el voltaje y así entregar a nuestra salida el voltaje requerido en este caso 120V a 60HZ.
Por último se podrá apreciar en la siguiente imagen tres terminales de cobre: El primero recibe el polo positivo de la batería. El segundo terminal está conectado al LED con su respectiva resistencia limitadora 560 ohmios. Este terminal va al positivo de la batería, encendiendo el LED que indica que el inversor está encendido. La resistencia limitadora del LED puede variar entre 470 ohmios y 1K. El tercer terminal es tierra o masa común.
El interruptor (switch) de encendido es un interruptor doble que conecta el paso de corriente del polo positivo de la batería, hacia el inversor. Este interruptor es indispensable, ya que de no colocarlo, tendría que desconectar, tanto la batería, como el enchufe, cada vez que quiera apagar o utilizar el inversor.
Al momento que el inversor entra a trabajar, se genera un pico de corriente alto, que luego se estabiliza. Además el esfuerzo que hace este circuito con una carga presente es bastante alto. Por esta razón y por protección del circuito, es muy importante implementar un fusible que va, entre la salida positiva de la batería y el inversor. El fusible debe ser de 10 amperios.
Los dos diodos 1N5407, separan los semiciclos negativos entregándolos a la batería en su polo negativo. Estos dos diodos trabajan con el transformador. También protegen el circuito del inversor de voltajes invertidos.
8. Circu ito(s).
El siguiente es el diagrama esquemático completo de nuestro inversor de voltaje 12V DC a 120V Ac con una frecuencia 60Hz, ahora por ultimo solo son falta la demostración del correcto funcionamiento pero ya una vez montado en una placa de baquelita por medio de la técnica de planchado.
9. Programa en arduino p ara calcular la corriente y voltaje en la carga
Utilizando en sensor ACS 712, se mide la corriente en la carga, y aplicando las formulas conocidas se calcula el voltaje y la potencia, a continuación se detalla el código en ARDUINO. #include //INCLUYO LA LIBRERIA // PINES RS,E,D4,D5,D6,D7 LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);//pwm int nMuestras = 1000; void setup() { lcd.begin(16, 2); //INICIALIZA LCD 16X2 lcd.setCursor(0, 0);//COLUMNA1,FILA1 lcd.print("ESPE-MECATRONICA"); lcd.setCursor(0, 1);//COLUMNA1,FILA 2 lcd.print("ELEC.DE POTENCIA"); delay(2000); } void loop() { int potenciometro=analogRead(A1); int voltaje=map(potenciometro,0,1023,0,100); float irms, instCurrent, avCurrent =0; for(int i=0; i<=nMuestras; i++) { instCurrent = 0.0254*(analogRead(0)-512); if(instCurrent < 0) instCurrent = -instCurrent; avCurrent = avCurrent + instCurrent / float(nMuestras); } irms = 1.9753*(1.1107*avCurrent); Serial.print(" IRMS = "); Serial.println(irms); delay(200); lcd.setCursor(0, 0);//COLUMNA1,FILA1 lcd.print("VAC:"); lcd.setCursor(4, 0);//COLUMNA1,FILA1 lcd.print(voltaje); lcd.setCursor(0, 1);//COLUMNA1,FILA 2 lcd.print("IRMS AC:"); lcd.setCursor(9, 1);//COLUMNA1,FILA1 lcd.print(irms); lcd.setCursor(9, 0);//COLUMNA1,FILA1 lcd.print("P:");
float potencia=irms*voltaje; lcd.setCursor(11, 0);//COLUMNA1,FILA1 lcd.print(potencia); delay(1000); lcd.setCursor(11, 0);//COLUMNA1,FILA1 lcd.print(" W"); lcd.setCursor(4, 0);//COLUMNA1,FILA1 lcd.print(" V "); lcd.setCursor(8, 1);//COLUMNA1,FILA1 lcd.print(" A."); delay(1); } 10. Med id as y gr áfic as
La grafica muestra nuestra salida del segundo bloque que corresponde al oscilador de 60Hz, de esta forma con ayuda del reóstato calibraremos nuestra frecuencia deseada (60Hz).
La figura muestra la forma de onda de salida de nuestro inversor de voltaje.
Diagrama de conexión del inversor .
11. An álisi s de Resu ltado s. Realizar mediciones de voltaje en los puntos de prueba. INVERSOR ENTRADA
INVERSOR SALIDA SIN CONEXIÓN
Voltaje FRECUENCIA
12 Vdc
Voltaje 60 Hz
INVERSOR SALIDA CON CARGA FOCO Voltaje
117 Vac
FRECUENCIA
60 Hz
CORRIENTE
4A
INVERSOR SALIDA CON CARGA Monitor de computadora
104 Vac
Voltaje
102,67 Vac
FRECUENCIA
60 Hz
FRECUENCIA
60 Hz
CORRIENTE
0.48 A
CORRIENTE
0.76 A
Inversor terminado y funcionando:
Por último se mostrara que para uso y mejor presentación usaremos una caja para recubrirla cabe decir que si se quiere se podría poner un ventilador para así evitar el calentamiento excesivo de los transistores.
Inversor funcionando con carga:
Para este inversor se usa una batería de 12 voltios con un mínimo de 5 amperios. El tiempo de trabajo del inversor, depende, tanto del consumo de energía del aparato que estamos alimentando con el inversor, como de la cantidad de corriente que entregue la batería. Por esta razón entre más amperios tenga la batería, mayor será el tiempo de du ración de la carga. Además debemos tener en cuenta que la corriente que entregue nuestro inversor dependerá de la carga que se conecte es decir si nuestra carga requiere 2 A el inversor entregara dicha corriente, lo que no sucede con el voltaje ya que si se necesitarían 12V para el funcionamiento y se le entrega más voltaje sus componentes o el circuito en general podría resultar dañado.
12. Conclusion es y recomend aciones.
La función del integrado 555 es generar la señal de reloj que controla el flip flop tipo D, el cual es el integrado MC14013.Ya que el integrado 555 tiene problemas al hacer el semi ciclo negativo o estado bajo, usamos sólo los semi ciclos 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.
El 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.
Se utiliza transistores Darlington por que el dispositivo es capaz de proporcionar una gran ganancia de corriente y requiere menos espacio que dos transistores normales en la misma configuración. La ganancia total del Darlington es el producto de la ganancia de los transistores individuales.
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 generalmente 60Hz por medio del reóstato.
Los dos diodos 1N5407, separan los semiciclos negativos entregándolos a la batería en su polo negativo. Estos dos diodos trabajan con el transformador. También protegen el circuito del inversor de voltajes invertidos.
Debemos tener en cuenta que la corriente que entregue nuestro inversor dependerá de la carga que se conecte es decir si nuestra carga requiere 2 A el inversor entregara dicha corriente, lo que no sucede con el voltaje ya que si se necesitarían 12V para el funcionamiento y se le entrega más voltaje sus componentes o el circuito en general podría resultar dañado.
Se puede aumentar la potencia de este circuito, aumentando la cantidad de transistores o usando transistores de más potencia.
Cambiando los transistores de salida por transistores FET. Se deberá cambiar las resistencias de 1 ohmio que van a la base de los transistores, por resistencias de 100 ohmios que irán a la pata (Gate) de los FET y reforzar las pistas de colector. También deberá hacer el transformador de más potencia, aumentando su tamaño y el calibre del alambre.
Para hacer una comprobación de los componentes en caso de que no funcione el circuito y ya hayamos descartado un mal ensamble o cualquier otro tipo de error Se deben hacer las siguientes mediciones:
Se mide a la salida de los pines 1 y 2 del CD4013 y debe haber los 60Hz. De no ser así se debe calibrar el reóstato hasta que den los 60Hz. Si se encuentra todo bien a la salida del CD4013, mida la frecuencia en los emisores de los transistores 2N3904. Si no mide la frecuencia es porque los transistores están averiados. Si todo está bien al medir el los 2N3904, entonces se mide en los colectores de los Tip125 y así sucesivamente hasta llegar a los transistores de salida.
Si en los transistores de salida están los 60 Hz y el inversor no entrega el voltaje a la salida del transformador, entonces ese transformador está mal construido o no tiene buen alambre en el devanado de 120 voltios.
B ib lio gr afía.
Nelson Taboada, Circuitos electrónicos Revisado el 20 de abril del 2013 desde internet: http://nelsontaboada.blogspot.com/2011/10/alarma-burlador-de-ladrones.html CIROVIC Michael M. Electrónica fundamental: dispositivos, circuitos y sistemas. Editorial Reverté S.A. Pág. 163, 165.
Muhammand H. Rashid, Electrónica de Potencia, circuitos, dispositivos y aplicaciones III edición, 2004, Prentice Hall.
