Inversor CMOS de Alto Rendimento (ART2994)

Apresentamos neste artigo um inversor com integrados CMOS e transistores Darlington de excelente rendimento. Podemos usar este inversor no acionamento de sistemas de emergência, com bateria de 6 ou 12 V, na iluminação de trailers, com lâmpadas fluorescentes, e até no acendimento de pequenas lâmpadas incandescentes de 110 V. Os componentes usados neste projeto são de baixo custo e bastante comuns no nosso mercado.

A elevação da tensão de 6 ou 12 V de uma bateria para valores que possam ser usados no acionamento de lâmpadas fluorescentes ou mesmo pequenas lâmpadas incandescentes, apresenta diversos tipos de problemas.

O mais importante é o rendimento, que nem sempre está à altura do desejado, quando então uma boa parte da potência entregue pela fonte (bateria) se perde no transformador e outros elementos do circuito.

Com a utilização de transistores Darlington de potência, operando em contrafase numa frequência relativamente elevada (entre 1 e 2 kHz), podemos trabalhar com transformadores comuns e ainda assim obter um bom rendimento para o circuito.

De fato, para o projeto indicado este rendimento estará entre 70 e 80%, o que significa uma boa potência entregue à lâmpada fluorescente ou outra carga, com menor consumo da bateria e consequentemente maior durabilidade.

A potência máxima que podemos obter deste pequeno inversor é da ordem de 20 W, o que é suficiente para acender, à pleno brilho, pequenas fluorescentes que servirão para iluminação de barracas, trailers ou mesmo sistemas de emergência.

Na figura 1 damos como sugestão um sistema de emergência que pode empregar com sucesso este inversor.

Figura 1 – Sistema de iluminação de emergência | Clique na imagem para ampliar |

Com a presença de energia na rede de alimentação, a bateria se mantém em carga lenta.

No momento em que a energia é cortada, o relé é desativado e entra em operação o inversor que alimenta uma lâmpada fluorescente colocada em local estratégico.

Dois ou mais inversores como o descrito neste projeto podem ser alimentados por uma única bateria de 12 V durante horas, num sistema mais amplo de iluminação de emergência.

O CIRCUITO

Na figura 2 temos o diagrama esquemático completo do inversor.

Figura 2 – Circuito do inversor | Clique na imagem para ampliar |

A frequência de operação, entre 1 e 2 kHz, é determinada pelo multivibrador astável formado por 3 portas NAND das 4 disponíveis no integrado CMOS 4011.

C1 e R1/R2 formam a rede de realimentação que determina esta frequência, gerando um sinal retangular disponível no pino 10 e Cl-1.

O sinal retangular é então separado para acionamento dos dois transistores Darlington de potência.

Para o acionamento de Q1 o sinal passa por um simples inversor e depois por mais dois inversores, voltando a ter a fase original.

O uso de dois inversores em paralelo é necessário para se obter uma boa corrente de excitação.

Com isso, Q1 conduz em fase com o sinal de saída do oscilador, alimentando o enrolamento de baixa tensão do transformador em um de seus setores.

Para o acionamento de Q2 o sinal passa simplesmente pelos dois inversores em paralelo formados por CI-2c e Cl-2d, de modo que temos a condução deste componente nas fases opostas em que ocorrem as conduções de Q1.

A corrente de coletor deste transistor também circula peio enrolamento de baixa tensão do transformador.

No secundário do transformador enrolamento de alta tensão, aparece então uma tensão suficientemente elevada para acender lâmpadas fluorescentes.

Por outro lado o rendimento na transferência de energia neste circuito é muito bom, o que possibilita a obtenção de correntes elevadas para as cargas.

Acendemos com sucesso e com ótimo brilho pequenas lâmpadas incandescentes de 10 W e fluorescentes de até 40 W no nosso protótipo.

Lembramos, entretanto, que a tensão obtida na saída tem forma de onda não senoidal e frequência igual à do oscilador.

Assim, aparelhos que exigem sinais senoidais de 60 Hz para alimentação não podem ser alimentados por este circuito.

Na verdade, os picos de comutação no transformador fazem com que apareçam valores instantâneos de tensão no seu enrolamento de até 600 V.

Na figura 3 temos as formas de onda que ilustram o funcionamento do circuito.

Figura 3 – Formas de onda no circuito | Clique na imagem para ampliar |

MONTAGEM

A nossa sugestão de placa de circuito impresso é mostrada na figura 4.

Figura 4 – Placa para a montagem | Clique na imagem para ampliar |

Observe que os transistores Darlington devem ser montados em bons radiadores de calor, pois tendem a aquecer durante o funcionamento.

Os resistores são todos de 1/8 ou ¼ W com tolerância de 5% ou 10%, e o capacitor C1 pode ser cerâmico ou de poliéster, assim como C3.

C2 é um eletrolítico de 470 uF ou mesmo 1000 uF com tensão de trabalho 50% maior que a tensão de alimentação.

Lembramos que este circuito pode operar com bateria de 6 ou 12 V mas que, o melhor rendimento, se obtém com tensões mais altas.

O transformador T1 é do tipo de alimentação com enrolamento primário de 110/220 V e secundário de 12+12 V e corrente de 500 mA a1 A.

Equivalentes aos transistores TIP115 que podem ser usados são os TIP116 e TIP117.

Na figura 5 damos uma sugestão de instalação, para alimentação direta de uma lâmpada fluorescente num sistema de iluminação de emergência.

Figura 5 – Sugestão de caixa | Clique na imagem para ampliar |

O cabo de ligação à lâmpada fluorescente deve ser bem isolado, dada a presença de elevada tensão que pode causar choques desagradáveis em quem nele tocar.

Não há problema em ligar a lâmpada longe do inversor, mas não recomendamos que o cabo tenha mais de 5 metros devido à possibilidade de irradiação de interferências para aparelhos de rádio próximos.

PROVA E USO

Para testar o inversor, ligue-o a uma fonte de pelo menos 2 A de corrente ou bateria e verifique se a lâmpada fluorescente acende.

A oscilação de CI-1 pode ser verificada com a ligação de um amplificador no pino 10, ou mesmo a aproximação de um pequeno rádio.