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Como funcionam os inversores (ART533)

As baterias e mesmo pilhas fornecem baixas tensões contínuas não servindo para alimentar aparelhos ligados na rede de energia. Os inversores ou conversores DC/AC são aparelhos que podem converter as baixas tensões de bateria (geralmente de 12 V de carro ou caminhão), ou mesmo de um conjunto de pilhas grandes, em uma alta tensão alternada (geralmente 110 V ou 220 V) para alimentar aparelhos que são plugados na rede de energia. Veja neste artigo como funcionam os inversores, quais são suas limitações e como trabalhar com eles. No final, daremos um projeto prático de um pequeno inversor para lâmpadas fluorescentes.

Muitas pessoas desejam ligar aparelhos de uso doméstico (e portanto projetados para funcionar com 110 V ou 220 V) no carro ou mesmo alimentá-los por pilhas e baterias.

Se bem que tais aparelhos, em geral, tenham consumo elevado e por isso não se recomenda o uso com baterias ou pilhas, existem situações em que não se pode escapar disso.

É o caso de sistemas de iluminação de emergência que usam lâmpadas fluorescentes, pequenos televisores que devam ser usados em acampamentos ou locais em que não rede de energia, e até mesmo eletrodomésticos do tipo barbeador, ventilador, etc.

Para converter a energia disponível em baterias na forma de uma baixa tensão contínua para alta tensão alternada são usados circuitos denominados inversores ou conversores DC/AC.

 

Como funciona um Inversor

Na figura 1 temos um diagrama de blocos de um inversor típico para uso geral.

 

Diagrama de blocos de um inversor.
Diagrama de blocos de um inversor.

 

Um inversor desse tipo é formado por um circuito oscilador de potência que converte a tensão contínua pura em tensão contínua pulsante para que ela possa ser aplicada a um transformador.

Isso é necessário pois os transformadores só podem operar com correntes que variam, e uma corrente contínua pura não passaria por esse componente.

O transformador é o elemento seguinte do circuito e sua finalidade é elevar os pulsos de baixa tensão do oscilador, obtendo-se em seu secundário uma alta tensão alternada.

É importante observar que na maioria dos circuitos, a tensão alternada não é perfeitamente senoidal, mas sim dotadas de alguns picos que podem ser perigosos se os aparelhos alimentados forem sensíveis.

Normalmente, os osciladores são otimizados para que a tensão seja a mais próxima possível da senóide, no entanto, isso nem sempre ocorre.

Outro problema comum nesses circuitos é o fato da freqüência nem sempre ser de 60 Hz. Muitos inversores que se destinam à lâmpadas fluorescentes e outros aparelhos não sensíveis à freqüência podem operar com freqüências mais altas, entre 200 e 1000 Hz.

Um ponto crítico no projeto do inversor é a qualidade do transformador. De fato, esse componente determina o rendimento do circuito e se não for bem dimensionado, a maior parte da energia pode ser perdida na forma de calor.

 

Energia não se cria

Um fato comum que ocorre com os que pretendem usar inversores é que eles pensam que a energia pode ser criada. Muitos acham que a partir de um jogo de pilhas ou bateria, pode-se elevar a tensão a ponto dela poder alimentar grandes televisores, geladeiras e outros aparelhos de alto consumo.

Energia não pode ser criada. A capacidade de fornecimento de energia de baterias e pilhas é bastante limitada. Por exemplo, se uma bateria pode fornecer uma corrente máxima de 10 A com 12 V, sua potência máxima é 120 W.

Isso, significa que, se convertermos os 12 V dessa bateria para 120 V a corrente máxima teórica será 1 A e nenhum aparelho de mais de 120 W poderá ser alimentado, conforme mostra a figura 2. Isso, é claro, supondo que 100% da energia possa ser convertida, o que não ocorre na prática.

 

Conversão de 100%.
Conversão de 100%.

 

Assim, a maioria dos inversores é de baixa potência e quando operam no limite a duração da carga da bateria ficará reduzida proporcionalmente.

Veja então que ao usar um inversor é preciso observar que não é possível criar energia, assim, a bateria usada deve ter potência compatível com o aparelho alimentado e sua autonomia dependerá justamente disso.

Assim, normalmente uma bateria de carro não pode fornecer energia por mais do que umas poucas horas a qualquer aparelho de consumo mais elevado como, por exemplo, um pequeno televisor. Por outro lado, aparelhos cujo consumo seja superior a 100 W dificilmente podem ser alimentados mesmo com conversores, pois as baterias é que não dão conta da energia a ser fornecida.

Por exemplo, para 240 W de potência usando uma bateria de 12 V, mesmo se tivéssemos um conversor de 100% de rendimento (o que não ocorre na prática) a corrente drenada seria da ordem de 20 ampères! Uma bateria de 30 Ah teria a capacidade de alimentar tal aparelho por apenas 1 hora e meia!

Inversores são indicados apenas para alimentar pequenos equipamentos como lâmpadas fluorescentes em sistemas de emergência, computadores quando falta energia (no break), ou outros equipamentos cujo consumo não seja elevado.

Mesmo assim, eles devem ser usados apenas quando não se dispõe da energia da rede de corrente alternada, observando-se a autonomia da sua fonte de alimentação.

 

Inversores Comerciais

A qualidade do circuito determina a eficiência do inversor e para os tipos comerciais pode chegar aos 90%. Assim, para se obter 90 W de energia 10 W são perdidos na forma de calor no próprio circuito.

É preciso observar que muitos tipos de inversores não fornecem uma tensão de saída perfeitamente senoidal de 60 Hz. Estes tipos de inversores não servem para alimentar equipamentos mais sensíveis.

O leitor vai encontrar inversores principalmente em sistemas de iluminação de emergência onde eles usam os 12 V de uma bateria que fica em carga constante quando a energia está presente, para alimentar lâmpadas fluorescentes.

Algumas aplicações importantes dos inversores:

 

* Podem ser usados para alimentar aparelhos elétricos comuns a partir de baterias em barcos, carro e na barraca de camping. Também podem ser usados para a mesma finalidade em locais em que não chega energia convencional, sendo as baterias carregadas por painéis solares durante o dia.

 

* Inversores para lâmpadas fluorescentes são usados em sistemas de iluminação de emergência.

 

* Sistema no-break, onde o computador se mantém alimentado por uma bateria ligada a um inversor por tempo suficiente para se salvar o trabalho quando há um corte de energia. Observe que as baterias desses sistemas são de pequena autonomia, mantendo o computador ligado por intervalos que variam entre 10 minutos e meia hora, ou seja, o suficiente para se terminar e salvar um trabalho.

 

* Sistemas de sinalização com lâmpadas de xenônio em veículos, barcos ou bóias. Nestes sistemas, o inversor normalmente chega a fornecer tensões que superam os 600 V.

 

Na figura 3 mostramos um inversor comercial de tipo que pode ser ligado ao acendedor de cigarros de um carro para alimentar pequenos aparelhos tais como um televisor portátil, um aparelho de barbear ou um dispositivo de sinalização.

 

inversor ligado ao acendedor de cigarros que fornece 110 V de 12 V.
inversor ligado ao acendedor de cigarros que fornece 110 V de 12 V.

 

 

Trabalhando com Inversores

Para o profissional é muito importante saber que tipo de inversor é recomendado para uma determinada aplicação. Se equipamentos sensíveis forem alimentados de forma indevida podem ocorrer danos.

Damos a seguir as principais especificações de tais aparelhos para as quais o profissional deve estar atento:

 

a) Potência de saída

O leitor deve estar certo de que o inversor pode fornecer a potência que o aparelho a ser alimentado exige, dando uma certa margem de segurança para que os componentes não trabalhem no limite. Por exemplo, se vai ser alimentada uma lâmpada fluorescente de 40 W o inversor deve ser capaz de fornecer pelo menos 50 W de potência.

 

b) Forma de onda

Muitos inversores fornecem correntes de saída com formas de onda que não são senoidais. Lâmpadas fluorescentes e incandescentes não são sensíveis às formas de onda mas existem aparelhos que não podem ser usados com conversores que não tenham uma saída senoidal de 60 Hz.

 

c) Performance

Deve-se optar pelo inversor que tenha o maior rendimento possível. Normalmente acima de 70%.

 

d) Isolação

A alta tensão da saída de inversores pode causar choques perigosos. Verifique a qualidade do isolamento do sistema que alimenta o aparelho externo.

 

e) Colocação da bateria

Ao instalar um inversor com uma bateria não selada cuide para que ela fique em local ventilado, pois os gases que ela produz são tóxicos.

 

f) Conexões

As conexões do inversor à bateria devem ser feitas com fios grossos, pois a corrente normalmente é intensa. O cabo da bateria ao inversor deve ser o mais curto possível. Na figura 4 mostramos o modo típico de instalação de um inversor.

 

Método de instalação do inversor.
Método de instalação do inversor.

 

 

Diagnóstico de Problemas

Os transistores de potência dos inversores normalmente são os componentes que mais facilmente queimam neste tipo de equipamento, pois trabalham com correntes elevadas e não raro bem perto de suas condições-limite.

Ao trocar estes componentes tenha cuidado para verificar se suportam a corrente e a tensão dos originais. Por exemplo, o sufixo do tipo comprado deve ser o mesmo do que queimou.

 

Circuito Prático

Na figura 5 damos um circuito simples de um inversor que pode ser usado para alimentar lâmpadas fluorescentes de 7 a 40 W a partir de baterias de automóvel.

 

 

Circuito  dum inversor, que alimenta uma lâmpada de 40 W.
Circuito dum inversor, que alimenta uma lâmpada de 40 W.

 

Com a troca do capacitor C1 na temporização do 555, por um de 10 µF o mesmo circuito gerará pulsos luminosos servindo para um sistema de sinalização.

Como o circuito usa um transformador comum e seu rendimento não é muito elevado, lâmpadas de 20 a 40 W acenderão com menor brilho do que aquele que apresentam quando ligadas na rede de energia.

Também é importante observar que o sinal de saída não é senoidal, tem picos maiores do que 110 V ou 220 V, mesmo usando um transformador para essa tensão e que a freqüência de saída não é de 60 Hz.

Na figura 6 temos a placa de circuito impresso para a montagem do circuito.

 

Sugestão de placa.
Sugestão de placa.

 

O transistor de efeito de campo MOSFET de potência deve ser dotado de um bom radiador de calor. Qualquer tipo de canal N para correntes superiores a 3 A e tensões entre dreno e fonte Vds a partir de 200 V pode ser usado sem problemas. O circuito também funcionará com um TIP31 ou TIP41 mas com um pouco menos de rendimento, dependendo do transformador.

O transformador tem enrolamento primário de 110 V ou 220 V (recomenda-se 220 V para maior facilidade de excitação de fluorescentes) com secundário de 12 V com corrente entre 800 mA e 2 A.

Os demais componentes do circuito não são críticos, devendo apenas o leitor atentar para a espessura das trilhas de maior corrente da placa de circuito impresso.

Esse circuito, dependendo do ajuste de freqüência e do transformador drenará correntes entre 500 mA e 1 A da bateria. Esse valor permite estimar a autonomia da bateria usada como fonte.

O circuito também funcionará com 4 pilhas grandes recarregáveis ou alcalinas se o transformador for do tipo com secundário de 6 ou 7,5 V e de 300 mA a 600 mA e, além disso, forem usadas lâmpadas fluorescentes até 15 W.

Cuidado deve ser tomado com o fio de conexão à lâmpada, se ela ficar longe do circuito, devendo os mesmos ser bem isolados, para que não ocorram perigos de choque.

O trimpot serve para ajustar a freqüência em que o circuito tem máximo rendimento, ou seja, a lâmpada acende com o máximo de brilho.

É interessante observar que até mesmo lâmpadas fracas que já não mais acendem quando ligadas na rede de energia, funcionarão neste circuito, pois os picos de alta tensão ionizarão facilmente o gás no seu interior.

 

 

CI-1 - 555 - circuito integrado, timer

Q1 - IRF640 ou equivalente - qualquer MOSFET de potência - ver texto

T1 - Transformador com primário de 110/220 V e secundário de 12 V com corrente entre 600 mA e 2 A - ver texto

X1 - lâmpada fluorescente de 7 a 15 W

P1 - 100 kΩ - trimpot

R1 - 2,2 kΩ x 1/8 W - resistor - vermelho, vermelho, vermelho

R3 - 4,7 kΩ x 1/8 W - resistor - amarelo, violeta, vermelho

R4 - 1 kΩ x 1/8 W - resistor - marrom, preto, vermelho

C1 - 47 nF - capacitor cerâmico ou de poliéster

C2 - 1 000 µF x 16 V - capacitor eletrolítico

F1 - Fusível de 3 A

S1 - Interruptor simples

 

Diversos:

Caixa para montagem, placa de circuito impresso, radiador de calor para o transistor, fios, solda, etc.

 

 


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