Los convertidores de tensión de 12 a 220 V se utilizan siempre que es necesario conectar aparatos eléctricos que consumen corriente de red estándar a fuentes de tensión alterna. En muchos casos, este suministro de red puede no estar disponible. El uso de un generador autónomo de gasolina requiere el cumplimiento de las normas de su mantenimiento: control constante del nivel de combustible en funcionamiento, provisión de ventilación. El uso de convertidores, con baterías para vehículos, puede resolver el problema de la mejor manera posible.
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Denominación y principio de funcionamiento
Qué es un convertidor de tensión. Dispositivo electrónico que modifica el valor de una señal de entrada. Puede utilizarse como dispositivo que aumenta o disminuye el valor de la tensión de entrada. La entrada de tensión tras la conversión puede cambiar tanto su magnitud como su frecuencia. Estos dispositivos que cambian la tensión continua (la convierten) en una señal de salida de corriente alterna se llaman inversores.
Los convertidores de tensión se utilizan tanto como unidades autónomas que suministran energía de CA a los consumidores como también pueden incorporarse a otros productos: sistemas y fuentes de alimentación ininterrumpida, reforzadores de CC hasta la tensión necesaria.
Los inversores son generadores de tensión armónica. Se crea una fuente de corriente continua mediante un circuito de control especial para cambiar la polaridad periódicamente. El resultado es una señal de tensión alterna en los contactos de salida del dispositivo, al que se conecta la carga. Su magnitud (amplitud) y su frecuencia están determinadas por el circuito del inversor.
El dispositivo de control (controlador) establece la frecuencia de conmutación de la fuente y la forma de la señal de salida, y su amplitud está determinada por los elementos de la etapa de salida del circuito. Están diseñados para la máxima potencia consumida por la carga en el circuito de CA.
El controlador también se utiliza para controlar la señal de salida, lo que se consigue controlando la anchura del pulso (aumentando o disminuyendo la anchura del pulso). La información sobre los cambios en el valor de la señal de salida a la carga se devuelve al controlador mediante un circuito de retroalimentación, que se utiliza para formar la señal de control para mantener los parámetros requeridos. Este método se llama señal PWM (Pulse Width Modulation).
Los circuitos de conmutación de salida del inversor de 12 V pueden utilizar transistores bipolares compuestos de alta potencia, tiristores de estado sólido y transistores de efecto de campo. Los circuitos controladores se basan en microcircuitos, que son dispositivos listos para usar con las funciones necesarias (microcontroladores), especialmente diseñados para estos convertidores.
El circuito de control proporciona la secuencia de teclas para garantizar que la salida del inversor proporcione la señal necesaria para el funcionamiento normal de los dispositivos de consumo. Además, el circuito de control debe garantizar la simetría de la tensión de salida de media onda. Esto es especialmente importante para los circuitos que utilizan transformadores de impulsos elevados en la salida. Hay que evitar la componente DC de la tensión, que puede aparecer si no se mantiene la simetría.
Existen muchas variantes de circuitos inversores de tensión (VI), pero hay 3 básicos:
- Un inversor de puente sin transformador IN;
- Transformador UUT con conductor neutro;
- Circuito puente con un transformador.
Cada uno de ellos se utiliza en su propio campo, en función de la fuente de alimentación utilizada en él y de la potencia de salida necesaria para abastecer a los consumidores. Cada uno debe tener elementos de protección y señalización.
La protección contra la subtensión y la sobretensión de la fuente de CC determina el rango de funcionamiento de "entrada" de los inversores. La protección de la salida de CA contra la sobretensión y la subtensión es necesaria para el funcionamiento normal del equipo del consumidor. El rango de disparo se ajusta en función de los requisitos de la carga utilizada. Estos tipos de protección son reversibles, es decir, el funcionamiento puede restablecerse cuando el equipo vuelve a la normalidad.
Si la protección se ha disparado debido a un cortocircuito en la carga o a un aumento excesivo de la corriente de salida, debe realizarse un análisis exhaustivo de la causa del evento antes de que el equipo pueda seguir funcionando.
El inversor de 12 V es el más adecuado para crear una fuente de alimentación local. La disponibilidad de un gran número de coches y baterías de 12V DC permite utilizarlos para abastecer las peticiones de los usuarios. Estas redes pueden instalarse en diversos lugares, empezando por su propio coche. Son móviles y no dependen de una plaza de aparcamiento.
Convertidores de 12 V a 220 V
Los convertidores sencillos de 12 a 220 están diseñados para satisfacer las necesidades de baja potencia. Los requisitos a la calidad de la tensión de alimentación de salida y a la forma de la señal son bajos. Sus circuitos clásicos no utilizan microcontroladores PWM. El flip-flop montado con elementos lógicos I-Ne genera pulsos eléctricos con una frecuencia de repetición de 100 Hz. Se utiliza un disparador D para crear una señal en fase. Divide la frecuencia del oscilador maestro por 2. La señal contrafásica en forma de impulsos cuadrados se genera en las salidas directa e inversa del disparador.
Esta señal, a través de los elementos amortiguadores de los elementos lógicos, NO controla el circuito de salida del inversor, que está construido sobre transistores de llave. Su potencia determina la potencia de salida de los inversores.
Los transistores pueden ser bipolares compuestos y de efecto de campo. Los circuitos de drenaje o colector incluyen la mitad del primario del transformador. Su devanado secundario está diseñado para una tensión de salida de 220V. Como el disparador divide la frecuencia del multivibrador de 100Hz por 2, la frecuencia de salida será de 50Hz. Este valor es necesario para alimentar la gran mayoría de los equipos eléctricos y de radio domésticos.
Todos los componentes del circuito se alimentan de la batería del vehículo con elementos adicionales de estabilización y protección contra las interferencias de alta frecuencia. La propia batería también está protegida de ellos.
Los circuitos simples de los inversores no incluyen elementos de protección ni de control automático. La frecuencia de la señal de salida viene determinada por la elección del condensador y la resistencia del resistor incluidos en el circuito del oscilador maestro. La protección más sencilla contra un cortocircuito en la carga es un fusible en el circuito que alimenta la batería del coche. Por lo tanto, siempre debe haber un juego de fusibles de repuesto.
Los convertidores de CC a CA más potentes utilizan un circuito diferente. El controlador PWM establece el modo de funcionamiento. También determina la amplitud y la frecuencia de la señal de salida.
El circuito convertidor de 2000W (12V+220V+2000W) utiliza la conexión en paralelo de elementos activos de potencia en sus etapas de salida para obtener la potencia de salida necesaria. En este diseño de circuito, las corrientes de los transistores se suman.
Pero una forma más fiable de aumentar el parámetro de potencia es combinar varios convertidores CC/CC como entrada a un inversor común CC/CA (corriente continua/corriente alterna), cuya salida se utiliza para conectar una carga pesada. Cada inversor CC/CC está formado por un inversor con una salida de transformador y un rectificador para esa tensión. En los terminales de salida hay una tensión continua de aproximadamente 300 V. Todos están conectados en paralelo en la salida.
Es difícil obtener más de 600 W de potencia con un solo inversor. Todo el circuito de la unidad se alimenta de la tensión de la batería.
Estos circuitos están dotados de todo tipo de protección, incluida la térmica. Los sensores de temperatura se montan en las superficies de los disipadores de los transistores de salida. Generan una tensión en función del grado de calor. Un dispositivo de umbral lo compara con el punto de consigna en la etapa de diseño y da una señal para detener la unidad con una alarma adecuada. Cada tipo de protección tiene su propia alarma, a menudo audible.
La refrigeración forzada adicional se aplica mediante un enfriador de aire instalado en la carcasa que se activa automáticamente a la orden del respectivo sensor térmico. Además, la propia carcasa es un fiable disipador de calor porque está hecha de metal corrugado.
Según la forma de la señal de tensión de salida
Los convertidores de tensión monofásicos pueden dividirse en dos grupos:
- Con una salida de onda sinusoidal pura;
- Con una forma de onda de salida sinusoidal modificada.
En el primer grupo, un convertidor de alta frecuencia produce una tensión constante. Su valor se aproxima a la amplitud de la señal sinusoidal requerida a la salida del aparato. En un circuito de puente, se extrae de esta tensión continua una componente muy cercana a una forma de onda sinusoidal mediante la modulación de la anchura de los impulsos del regulador y un filtro de paso bajo. Los transistores de salida se abren varias veces en cada semiperiodo para una ley armónica variable en el tiempo.
Se requiere una onda sinusoidal pura para los dispositivos que tienen un transformador o un motor como entrada. La mayoría de los dispositivos actuales permiten una tensión cuya forma se aproxima a una onda sinusoidal. Los productos con fuentes de alimentación conmutadas tienen requisitos especialmente bajos.
Unidades transformadoras
Los convertidores de tensión pueden contener transformadores. En los circuitos inversores, intervienen en el funcionamiento de los generadores de bloqueo, que producen impulsos con una forma cercana a la de una onda cuadrada. Un transformador de impulsos se utiliza como parte de un oscilador de este tipo. Los devanados están conectados de tal manera que se crea una retroalimentación positiva, lo que resulta en una oscilación amortiguada.
El núcleo magnético está hecho de una aleación que tiene un gran ancho de banda magnético. Esto garantiza el funcionamiento insaturado del transformador. Varios tipos de ferrita, permalloy tienen estas propiedades.
Los generadores de bloqueo de los transformadores han sido sustituidos por multivibradores. Los multivibradores utilizan circuitos de última generación y tienen una mayor estabilidad de frecuencia que sus predecesores. Además, los circuitos multivibradores pueden cambiar la frecuencia de funcionamiento del oscilador de forma sencilla.
En los modelos modernos de inversores, los transformadores funcionan en las etapas de salida. El cable del punto central del devanado primario alimenta los colectores o el drenaje de los transistores utilizados en ellos con una tensión de alimentación de la batería. Los devanados secundarios se calculan, mediante una relación de transformación, a la tensión alterna de 220V. Este es el valor utilizado para alimentar a la mayoría de los consumidores domésticos.
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