Convertir una baja tensión de una batería de 6 o 12 V en una alta tensión alternada del orden de algunos cientos de voltios puede tener muchas utilidades tales como encender lámparas fluorescentes en sistemas de iluminación de emergencia, iluminación de vehículos, pruebas de aislamiento, electrificación de cercas y objetos, etc. El circuito que describimos es bastante simple que puede servir para cualquiera de las aplicaciones indicadas.
Describimos el montaje de un compacto inversor de alta tensión que transforma los 6 a 12 V de baterías en una alta tensión, suficiente para encender lámparas fluorescentes, incluso aquellas que ya están débiles y que no se encienden más a partir de la red de energía.
Observamos que este tipo de circuito no se presta para la alimentación de electrodomésticos y aparatos electrónicos en general, que funcionen en la red de energía, por los siguientes motivos:
El primer motivo es que la forma de onda de la señal generada no es senoidal y pueden ocurrir picos de tensiones muy altas, como muestra la figura 1, ya que no se trata de circuito que posea algún tipo de control sobre ese factor, dada la suya simplicidad.
La alimentación de electrodomésticos comunes y electrónicos podría ser peligrosa, ya que estos picos podrían dañar los circuitos.
El segundo motivo es que la frecuencia del circuito no es de 60 Hz, como ocurre en la red de energía.
Para obtener mayor rendimiento con un transformador común es interesante aumentar la frecuencia, lo que nos lleva a una operación típica entre 500 Hz y 2 000 Hz.
Como muchos equipos electrónicos son sensibles a las variaciones de la frecuencia de la red, no deben ser alimentados por este tipo de circuito.
El tercer motivo implica un factor que no siempre los lectores parecen tener en cuenta, que es la conservación de la energía (potencia).
No se puede crear energía desde la nada, así que la batería que alimenta el inversor sólo puede entregar al circuito alimentado aquella de que es capaz.
Entonces, si aumentamos la tensión, tenemos una pérdida de la corriente, o sea, no podemos aumentar los dos o aumentar la potencia de salida.
En otras palabras, no podemos alimentar un televisor con una pequeña batería, aunque el inversor eleve la tensión suficiente para ello porque la batería, por no tener potencia suficiente, no lleva a la posibilidad de tener la corriente exigida en la salida.
Por ejemplo, si el inversor requiere una corriente de 1 A cuando es alimentado por 12 V, podemos esperar al máximo en la salida 12 W. Entonces, si la tensión se eleva a 120 V la máxima corriente disponible será de 0,1 A. En la práctica será menor, pues tenemos que considerar las pérdidas.
De cualquier forma, nuestro circuito para aplicaciones que no involucran altas potencias, tales como:
Encender lámparas fluorescentes y sistemas de iluminación de emergencia.
Electrificar cercas.
Alimentar indicadores para medidores de aislamiento.
Alimento fluorescente en sistemas de iluminación automotriz.
Funcionamiento como inversor para alimentar válvulas Geiger en Detectores de radiación.
Alimentar lámparas de neón.
COMO FUNCIONA
La base del circuito y un oscilador montado con el circuito 555 donde la frecuencia es determinada por R1, R2 y C1. Estos componentes se pueden cambiar en un buen rango de valores para obtener el mejor rendimiento en función del transformador usado.
La señal de este oscilador, que es rectangular, se aplica directamente a la conducción de un transistor de efecto de campo de potencia. Este transistor, que tiene por carga el transformador, puede controlar con facilidad corrientes de varios amperios.
El transformador, con vistas a una mayor economía de diseño, puede ser un transformador de alimentación con bobinado primario de 220 V o 110 V, y secundario de 9 a 12 V con corrientes de 250 mA a 3 A.
La potencia máxima que podremos obtener de este inversor, dependerá justamente de la corriente del secundario de baja tensión del transformador.
En el caso de que el transformador de 12 V funcionará si la batería usada es de 6 V, y tampoco tendremos problemas si la batería es de 12 V y la tensión, del secundario es de 9 V.
Como el rendimiento en la transferencia de energía depende de la impedancia del devanado, será interesante hacer experimentos cambiando la frecuencia para obtener el valor más alto (mayor brillo para la lámpara).
Para calcular la corriente drenada por un inversor debemos proceder de la siguiente forma:
Basta dividir la potencia que debe suministrarse la carga por la tensión de la batería que va a alimentar el circuito. Esta es la potencia teórica, que debe proporcionarse al circuito. En la práctica, tenemos que considerar la existencia de pérdidas, lo que va a hacer que la corriente sea de 10 a 50% mayor.
Los inversores de potencia comerciales de alta calidad pueden tener bajas pérdidas (del orden del 10% y menos), pero esto no ocurre con los circuitos que utilizan componentes comunes.
Por ejemplo, para alimentar una lámpara de 40 W con 12 V necesitamos 40/12 = 3,33 amperios. En la práctica, la corriente requerida estará entre 3,5 y 4 amperios.
MONTAJE
En la figura 2 tenemos el diagrama completo del variador.
La disposición de los componentes en una pequeña placa de circuito impreso e ilustrada en la figura 3.
El transistor de efecto de campo puede ser de cualquier tipo con corriente por encima de 2 A, tales como los de la serie IRF (IRF640, IRF720, IRF540, etc.). Este transistor deberá estar dotado de un radiador de calor.
El transformador, como se indica, puede tener secundarios de 9 a 12 V con cadenas de 250 mA a 3 A de acuerdo con la potencia deseada.
Para encender una pequeña lámpara fluorescente de 15 W se puede utilizar un transformador de 12 V x 500 mA. Los demás componentes no son críticos y un fusible de entrada es importante para proteger el circuito en caso de cortocircuito.
Dependiendo de la aplicación, podemos instalar el inversor en una pequeña caja plástica como se indica en la figura 4.
En ella, tenemos una aplicación para uso automotriz donde la fluorescente está protegida por un soporte de goma, el circuito queda instalado en una caja plástica y para alimentación tenemos un cable largo que está conectado a un enchufe, el cual encaja en el encendedor de cigarrillos. Una opción es utilizar las garras que permiten la conexión a la batería. Recuerde que esta conexión debe tener la polaridad observada.
PRUEBA Y USO
Para probar el aparato podemos usar cualquier lámpara fluorescente común, que debe encenderse cuando está conectada a la salida del circuito.
Observamos que la conexión de multímetros analógicos comunes en la escala de tensiones alternadas en este circuito, da falsas indicaciones mostrando un valor de tensión mucho menor que el real.
Esto ocurre debido al hecho de que el multímetro cargue el circuito de salida bajando su tensión, y porque la forma de tensión en la salida del inversor no es senoidal, como ya hemos explicado.
Para utilizarlos, tenga en cuenta que la elevada tensión de la salida del circuito puede causar choques desagradables. Recuerde también la limitación de potencia dada por los motivos que ya hemos explicado.
En la figura 5 presentamos un circuito rectificador con una lámpara de neón usada para detectar fugas de aislamiento.
En esta aplicación, el circuito puede usarse para detectar fugas de aislamiento en electrodomésticos, instalaciones de máquinas industriales, instalaciones de cables, entre otros.
La lámpara de neón empleada puede ser la NE-2H o cualquier otro equivalente. Observamos que, dependiendo del transformador usado, los picos de alta tensión en el circuito pueden llegar a los 600 V. Será interesante hacer su observación con un osciloscopio.
Para utilizar el circuito como electrificador tenemos las conexiones mostradas en la figura 6.
Recuerde que el alto consumo de este tipo de variador hace que la autonomía de las baterías pequeñas no sea muy grande.
Si la alimentación se realiza por pilas alcalinas grandes, por ejemplo, la autonomía será de sólo unas horas. Así, se trata de circuito para operación en pequeños intervalos de tiempo.
Semiconductores:
CI1 - 555 - circuito integrado.
Q1 - IRF640 o equivalente -o cualquier transistor de efecto de campo de potencia - ver texto
Resistores: (1/8 W)
R1, R2 - 10 k
Capacitores:
C1 - 1 000 uF / 25 V
Cg - 47 nF -
Varios:
F1 - Fusible de 4 A
T1 - Transformador de 250 mA x 6, 9 o 12 V - primario de 115 o 220 V - ver texto
Placa de circuito impreso, disipador de calor para el transistor, conector para la lámpara fluorescente, hilos, soldadura, etc.
Notas:
En aplicaciones donde se desea el máximo rendimiento de un transistor de efecto de campo de potencia, debe ser elegido siempre un tipo que tenga la menor Rds posible.
Rds es la resistencia entre el drenaje y la fuente cuando el transistor está saturado. Esta resistencia es del orden de fracción de ohms para los transistores de efecto de campo común, lo que implica un excelente rendimiento en la transferencia de energía.
Sin embargo, hay que recordar que la RDS de un transistor también depende de la tensión de conducción. Los bajos valores de las RDS especificados en los manuales sólo son válidos cuando la tensión de conducción es alta.
El rendimiento de un variador depende mucho de la frecuencia de resonancia del núcleo del transformador usado. Con cuidado, se puede obtener la frecuencia exacta en que el rendimiento y mayor, y eso llevará el circuito a poder suministrar la máxima potencia posible.
Los lectores más hábiles pueden incluso intentar enrollar transformadores con núcleos de ferrita que posibilitan la operación del circuito en frecuencias mayores y, con ello, alcanzar mucho mayor rendimiento.