DEPARTAMENTO DE ENERGIA Y MECNICA

CARRERA DE INGERIERIA MECATRNICA

ASIGNATURA: ELECTRNICA DE POTENCIA

INFORME DE PROYECTO DE FINAL DE UNIDAD

TEMA: Inversor de voltaje 12V DC a 120V AC de Batera toma Media.

Profesora: ING. Daniela Paladines

INTEGRANTES: Freddy Cordova Santiago Medina

Lino Freddy Carlos Chango Armas Robert

03/04/2015 - SANGOLQU

1. Tema: Inversor de voltaje 12V DC a 120V AC de Batera toma Media.

2. Antecedentes.

El inversor de voltaje es un sistema que convierte la tensin de corriente continua (en este caso los 12 voltios de una batera), en un voltaje simtrico de corriente alterna, que puede ser de 220V o 120V, dependiendo del pas 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 electrodomstico que vallamos a alimentar o de la frecuencia usada comnmente en la zona o pas.

3. Objetivo(s).

a. General.

Aplicar los conocimientos adquiridos en el transcurso del presente curso de electrnica de

potencia con la idea de realizar un modelo electrnico que permita el diseo y/o

implementacin de un circuito inversor de voltaje 12V DC a 120V AC segn las

necesidades requeridas y as permitir que el circuito electrnico pueda ser usado para

para la alimentacin de cualquier carga.

b. Especficos.

i. Escoger y realizar el mejor diseo de un circuito inversor de voltaje 12V DC a

120V AC que trabaje con parmetros especificados es decir para nuestro caso con una frecuencia de 60Hz la cual es la usada en nuestro pas, pero que a su vez pueda ser regulada de acuerdo a las necesidades pertinentes.

ii. Basar el anlisis terico en caractersticas tcnicas de los componentes a partir de grficos y modelos matemticos.

iii. Advertir los valores de operacin de los componentes en base a datos tericos y experimentales.

iv. Probar mediante el montaje del circuito el correcto funcionamiento de nuestro diseo para complementar la teora estudiada con lo prctico 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 ptimo del circuito as como de sus componentes.

vi. Adems el circuito ser montado un una placa de baquelita para su uso posterior ya que este es de uso comn para muchas aplicaciones.

4. Marco Terico

El inversor se utiliza en infinidad de aplicaciones, que van desde pequeas UPS para

computadores, hasta aplicaciones industriales de alta potencia. Otra gran aplicacin de

los inversores, es la de convertir la corriente continua generada por los paneles solares

INVERSOR

(que es almacenada en bateras), en corriente alterna, para luego ser utilizada en el hogar

o la industria rural, reemplazando el servicio de la red pblica.

Circuito MC14013.

Valores Mximos Integrado MC14013

Asignacin de pines:

Datasheet del C.I. CMOS MC 4013 a utilizar en la Prctica

Caractersticas Elctricas

Temporizador LM555

El temporizador LM555 tiene dos modos de funcionamiento:

Temporizador LM555

Modos de Temporizacin

Modo Astable Modo Monoastable

Frmulas:

Este tipo de funcionamiento se caracteriza por una salida con

forma de onda rectangular continua de ancho predefinido por el

diseador del circuito. El esquema de conexin es el que se

muestra. La seal de salida tiene un nivel alto por un tiempo t1

y un nivel bajo por un tiempo t2. La duracin de estos tiempos

depende de los valores de R1, R2 y C, segn las frmulas:

Tambin conocido como oscilador de carrera libre, es un

circuito capaz de cambiar de un estado a otro sin intervencin

externa, al ser conectado, automticamente 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%.

Modo Astable

5. Mtodos para el diseo. Para este proyecto nuestro inversor de voltaje 12V DC a 120V AC consiste en un sistema que convierte la tensin de corriente continua (en este caso los 12 voltios de una batera), en un voltaje simtrico de corriente alterna, que puede ser de 120V, con una frecuencia de 60Hz. Para el diseo del inversor se proceder o se lo dividir en los siguientes bloques:

6. Materiales y Equipos.

Herramientas:

Multmetro Fuente DC 12 V o

Batera 12V 5 A o ms. Osciloscopio. Pinzas. 1 Protoboard.

Cables Sueldas Puntas de osciloscopio Destornilladores. Placa de baquelita. Borneras. Otros.

Circuitos integrados:

1 555 1 CD 4013BP

Transistores:

4 TIP3055 2 TPI 125 2 2N3904

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:

6 C 0.1 uF (104) poliester 1 C 100 uF a 16V

Diodos:

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 restato 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 ms.

7. Procedimiento. Como ya se mencion anteriormente nuestro proyecto contara de 5 bloques:

BLOQUE DE ENTRADA:

En este bloque estar comprendida la entrada que para este caso es una batera 12V, 5 A o una fuente de poder DC 12V 3 A o ms. Tambin constara de un swich para poner en marcha nuestro circuito inversor de voltaje, un fusible para proteccin del circuito que ser mnimo de 32V a 10 A, ms un led indicador en serie con una resistencia de proteccin para el mismo, este led nos indicara cuando nuestro circuito est en funcionamiento.

BLOQUE DEL OSCILADOR DE 60Hz.:

Este inversor consta de un oscilador que controla unos transistores, los cuales

switchean la corriente proveniente de la batera, 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 ms una onda senoidal. La

forma de onda de salida un inversor ideal debera ser senoidal. Este proyecto representa

un inversor sencillo de onda cuadrada, con una respuesta bastante buena. Los inversores

ms modernos utilizan un tipo de transistores ms 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

precisin. 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 restato 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.

FIG. DIAGRAMA CI 555

Con dichas formulas asumiremos R2=33 y aremos variar el restato hasta lograr la

frecuencia necesaria en este caso 60Hz.

La siguiente imagen muestra el CI 555 usado para el ensamble, tambin puede verse el

restato que puede ser reemplazado por un potencimetro 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

domstica pero la cual puede cambiar dependiendo del restato para as ajustarse a

cualquier frecuencia que se necesite.

Frmulas:

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 slo los semiciclos positivos del 555, para ordenarle al 4013 que genere una onda cuadrada perfecta. La seal 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 est en (0) o estado bajo, la pata 2 est en (1) o estado alto y viceversa.

Asignacin 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 tensin 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 comn. Para su correcta identificacin hay

que tener en cuenta que las dos primeras letras impresas en la superficie del

componente, corresponden las iniciales del fabricante. Los dos nmeros siguientes, en

este caso 78, determinan la polaridad de la tensin que maneja, para este caso es

positivo y los ltimos dos dgitos, son el voltaje que entrega a la salida, que son 5 voltios.

En la siguiente figura se muestra el diagrama de conexin correcta de este bloque

oscilador de 60Hz en conjunto:

BLOQUE AMPLIFICADOR:

Retomando el recorrido de la seal, las seales 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 fotografa. Los transistores de polaridad NPN tienen su base es positiva. Esto quiere

decir que al recibir la seal, slo conducen al momento del semiciclo positivo o estado alto

(1). El emisor de estos transistores est 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 slo 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 configuracin Darlington, montados en encapsulado de plstico tipo A-220.

Su uso ms frecuente es en alimentaciones lineales y aplicaciones de conmutacin.

Como su base es negativa, conducen cuando los 2N3904 entran en conduccin a tierra.

Si observa el diagrama esquemtico que, esta al final, ver que el positivo tambin 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 estn conectados a los colectores de los transistores

de salida y los emisores estn a tierra. Como el TAP central del transformador est

conectado a la batera, 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 electrnicos trabajan a una determinada frecuencia, adems

de los estndares de frecuencia predeterminados de acuerdo a cada pas, es necesario

calibrar la frecuencia del inversor, de acuerdo a sus necesidades o requerimientos. El

restato 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 pases que tienen un voltaje de 220V en la red pblica, normalmente trabajan a

una frecuencia de 50 Hz. Lo ms aconsejable es ver en la parte posterior de los

electrodomsticos, la ficha tcnica y cerciorarse de cul es la frecuencia adecuada para

calibrar el inversor.

Para calibrar la frecuencia es necesario poseer un frecuencmetro. En la fotografa 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 frecuencmetro, al momento de graduar la

frecuencia. Lo primero es colocar el restato en la mitad, encendemos el inversor,

medimos y con la ayuda de un destornillador, vamos girando el restato, hasta llegar a la

frecuencia deseada. Tambin podemos colocar las puntas de frecuencmetro a la salida

AC del inversor.

Esto es muy importante, ya que hay aparatos que no trabajan bien si la frecuencia no est

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 amplificacin con su correcta conexin de todos sus componentes:

BLOQUE ELEVADOR DE VOLTAJE y BLOQUE DE SALIDA: Una vez pasada la etapa de amplificacin las salidas de los transistores TIP3055, estarn

haciendo oscilar los extremos del devanado primario del transformador, ya que estn

conectados a los colectores de los transistores de salida y los emisores estn a tierra.

Como el TAP central del transformador est conectado a la batera, 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 podr observarse a continuacin comprende el

transformador que es el encargado se elevar el voltaje y as entregar a nuestra salida el

voltaje requerido en este caso 120V a 60HZ.

Por ltimo se podr apreciar en la siguiente imagen tres terminales de cobre: El primero recibe el polo positivo de la batera. El segundo terminal est conectado al LED con su respectiva resistencia limitadora 560 ohmios. Este terminal va al positivo de la batera, encendiendo el LED que indica que el inversor est encendido. La resistencia limitadora del LED puede variar entre 470 ohmios y 1K. El tercer terminal es tierra o masa comn.

El interruptor (switch) de encendido es un interruptor doble que conecta el paso de

corriente del polo positivo de la batera, hacia el inversor. Este interruptor es

indispensable, ya que de no colocarlo, tendra que desconectar, tanto la batera,

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. Adems el esfuerzo que hace este circuito con una carga

presente es bastante alto. Por esta razn y por proteccin del circuito, es muy

importante implementar un fusible que va, entre la salida positiva de la batera y el

inversor. El fusible debe ser de 10 amperios.

Los dos diodos 1N5407, separan los semiciclos negativos entregndolos a la

batera en su polo negativo. Estos dos diodos trabajan con el transformador.

Tambin protegen el circuito del inversor de voltajes invertidos.

8. Circuito(s).

El siguiente es el diagrama esquemtico completo de nuestro inversor de voltaje 12V DC a 120V Ac con una frecuencia 60Hz, ahora por ultimo solo son falta la demostracin del correcto funcionamiento pero ya una vez montado en una placa de baquelita por medio de la tcnica de planchado.

9. Programa en arduino para 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 continuacin se detalla el cdigo 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

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. Medidas y grficas La grafica muestra nuestra salida del segundo bloque que corresponde al oscilador de 60Hz, de esta forma con ayuda del restato calibraremos nuestra frecuencia deseada (60Hz).

La figura muestra la forma de onda de salida de nuestro inversor de voltaje.

Diagrama de conexin del inversor.

11. Anlisis de Resultados. Realizar mediciones de voltaje en los puntos de prueba.

INVERSOR ENTRADA

Voltaje 12 Vdc

FRECUENCIA 60 Hz

Inversor terminado y funcionando:

INVERSOR SALIDA

SIN CONEXIN

Voltaje 117 Vac

FRECUENCIA 60 Hz

CORRIENTE 4 A

INVERSOR SALIDA CON CARGA

FOCO

Voltaje 104 Vac

FRECUENCIA 60 Hz

CORRIENTE 0.48 A

INVERSOR SALIDA CON CARGA

Monitor de computadora

Voltaje 102,67 Vac

FRECUENCIA 60 Hz

CORRIENTE 0.76 A

Por ltimo se mostrara que para uso y mejor presentacin usaremos una caja para

recubrirla cabe decir que si se quiere se podra poner un ventilador para as evitar el

calentamiento excesivo de los transistores.

Inversor funcionando con carga:

Para este inversor se usa una batera de 12 voltios con un mnimo de 5 amperios. El tiempo de trabajo del inversor, depende, tanto del consumo de energa del aparato que estamos alimentando con el inversor, como de la cantidad de corriente que entregue la batera. Por esta razn entre ms amperios tenga la batera, mayor ser el tiempo de duracin de la carga. Adems debemos tener en cuenta que la corriente que entregue nuestro inversor depender 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 necesitaran 12V para el funcionamiento y se le entrega ms voltaje sus componentes o el circuito en general podra resultar daado.

12. Conclusiones y recomendaciones.

La funcin del integrado 555 es generar la seal 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 slo los semi ciclos positivos del 555, para ordenarle

al 4013 que genere una onda cuadrada perfecta. La seal 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 batera, 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 ms 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 configuracin. 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 electrodomstico que vallamos a alimentar o de la frecuencia usada comnmente en la zona o pas generalmente 60Hz por medio del restato.

Los dos diodos 1N5407, separan los semiciclos negativos entregndolos a la batera en su

polo negativo. Estos dos diodos trabajan con el transformador. Tambin protegen el

circuito del inversor de voltajes invertidos.

Debemos tener en cuenta que la corriente que entregue nuestro inversor depender 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 necesitaran 12V para el funcionamiento y se le entrega ms voltaje sus componentes o el circuito en general podra resultar daado.

Se puede aumentar la potencia de este circuito, aumentando la cantidad de transistores o usando transistores de ms potencia.

Cambiando los transistores de salida por transistores FET. Se deber cambiar las resistencias de 1 ohmio que van a la base de los transistores, por resistencias de 100 ohmios que irn a la pata (Gate) de los FET y reforzar las pistas de colector. Tambin deber hacer el transformador de ms potencia, aumentando su tamao y el calibre del alambre.

Para hacer una comprobacin 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 as se

debe calibrar el restato 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 estn

averiados.

Si todo est bien al medir el los 2N3904, entonces se mide en los colectores de los Tip125

y as sucesivamente hasta llegar a los transistores de salida.

Si en los transistores de salida estn los 60 Hz y el inversor no entrega el voltaje a la salida

del transformador, entonces ese transformador est mal construido o no tiene buen

alambre en el devanado de 120 voltios.

Bibliografa. Nelson Taboada, Circuitos electrnicos

Revisado el 20 de abril del 2013 desde internet: http://nelsontaboada.blogspot.com/2011/10/alarma-burlador-de-ladrones.html

CIROVIC Michael M. Electrnica fundamental: dispositivos, circuitos y sistemas. Editorial

Revert S.A. Pg. 163, 165.

Muhammand H. Rashid, Electrnica de Potencia, circuitos, dispositivos y aplicaciones III

edicin, 2004, Prentice Hall.

http://nelsontaboada.blogspot.com/2011/10/alarma-burlador-de-ladrones.html