Um circuito indispensável nos sistemas de iluminação de emergência, sinalizadores e outras aplicações que exijam luz a partir de bateria é o inversor. Como as lâmpadas fluorescentes têm um rendimento maior que as lâmpadas comuns, sua utilização em sistemas alimentados por bateria é altamente recomendável. No entanto, como elas exigem alta tensão a utilização de um inversor, como o que descrevemos neste artigo é indispensável.
Uma autonomia muito maior para as pilhas ou baterias de um sistema de iluminação de emergência pode ser conseguida se forem usadas lâmpadas fluorescentes. Enquanto que uma lâmpada comum incandescente só converte uns 25% da potência aplicada em luz, numa lâmpada fluorescente este rendimento é da ordem de 70%.
Isso significa que, para uma mesma intensidade de luz, se forem usadas lâmpadas fluorescentes podemos fazer com que a carga de uma bateria dure mais do dobro, o que é bastante interessante na maioria das aplicações.
No entanto, a tentativa de alimentar uma lâmpada fluorescente a partir de uma bateria esbarra num problema técnico: o gás do interior da lâmpada fluorescente precisa de uma alta tensão, da ordem de centenas de volts, para ionizar e, portanto fazê-la acender. Uma bateria de 12 V não tem a capacidade de acender este tipo de lâmpada a não ser que seja utilizado algum recurso que eleve esta tensão. Este recurso é obtido a partir da eletrônica e consiste num circuito inversor.
Intercalado entre a bateria e a lâmpada fluorescente, ele eleva os 12 V da bateria, fornecendo tensões de mais de 200 V para uma lâmpada fluorescente que pode então acender com facilidade.
Uma característica importante do circuito inversor que descrevemos é que, como a tensão gerada supera os 110 V da rede de energia facilmente, até mesmo lâmpadas que estejam fracas demais para funcionar na rede de energia, vão acender com facilidade quando colocadas no inversor.
Outro ponto positivo deste projeto é que ele não necessita de reator ou starter, pois a tensão é suficientemente elevada para eliminar a necessidade desses dispositivos.
Nosso projeto pode operar a partir de pilhas grandes comuns ou recarregáveis, baterias de moto ou de carro, com tensões de entrada de 9 a 12 Volts. A potência de saída será da ordem de 10 watts o que é mais do que suficiente para produzir uma boa iluminação com lâmpadas fluorescentes de 8 a 40 watts.
Veja que a potência do inversor é que determina a quantidade de luz, o que quer dizer que usando lâmpadas maiores, teremos simplesmente um brilho menor por unidade de área, mas aproximadamente o mesmo no total, conforme sugere a figura 2.
CARACTERÍSTICAS
* Tensão de entrada: 9 a 12 Volts
* Corrente de entrada: 700 mA a 2 A
* Frequência de operação: 200 a 2000 Hz (ajustável)
* Tensão de saída: 250 a 400 V (tip.)
* Potência de saída: 5 a 10 W
COMO FUNCIONA
Um transformador comum não pode ser ligado diretamente em pilhas ou baterias para aumentar sua tensão. As pilhas e baterias fornecem tensões contínuas e os transformadores só operam com tensões alternadas.
É a variação da tensão em seu enrolamento primário que provoca a indução de tensão no secundário. Uma tensão sem variações como a contínua não produz variações.
Uma maneira de produzir essas variações e obter a indução é interrompendo e restabelecendo a corrente rapidamente, usando para esta finalidade um oscilador.
Desta forma, um inversor nada mais é do que um oscilador de potência cuja finalidade é interromper rapidamente a corrente das pilhas ou bateria de modo a se obter as variações que o transformador precisa para operar.
A frequência do oscilador usado neste tipo de aplicação depende das características do transformador. Para aplicações não críticas como a alimentação de lâmpadas fluorescentes, esta frequência pode ficar entre 200 e 2 000 Hz. No entanto, se quisermos alimentar aparelhos que tenham seu desempenho dependente da frequência, ela deve ser fixa, caso de motores.
Da mesma forma, a tensão que aparece no transformador não é fixa, mesmo que este componente tenha uma especificação de valor: por exemplo, 220 V.
O que ocorre é que os 220 V do enrolamento de um transformador aparecem se aplicarmos uma corrente senoidal de 60 Hz, o que o oscilador não faz.
Como o oscilador tem outra forma de onda, diferente da senoidal, a tensão é muito maior o que impede que este aparelho seja usado na alimentação de cargas mais sensíveis.
Assim, sem um circuito adicional de regulagem ele não deve ser usado com aparelhos eletrônicos.
No nosso circuito o sinal que vai excitar o transformador é gerado por CI-1a que consiste numa porta de um circuito integrado 4093.
A frequência deste oscilador é determinada basicamente por C1, mas poderá ser ajustada pelo trimpot de 47 kΩ que é P1.
O sinal deste oscilador é levado às outras três portas, mas de maneiras diferentes.
Num percurso, o sinal encontra um simples inversor que é formado por CI-1c. Noutro percurso, o sinal encontra duas portas que formam um duplo inversor, formado por CI-b e CI-d.
Isso significa que os sinais que aparecem nas saídas dos dois conjuntos inversores, ou seja, nos pinos 4 e 11 do circuito integrado têm fases opostas. Quando um está com a tensão no nível alto o outro está no nível baixo.
Esses dois sinais vão ser usados para excitar a etapa final de potência, já que o circuito integrado é fraco demais para excitar o transformador.
A etapa de saída de potência é formada por dois transistores Darlington NPN que podem operar com correntes de até 8 ampères. Como estes transistores vão conduzir correntes elevadas eles devem ser dotados de radiadores de calor.
O calor gerado nestes transistores, na realidade, é potência perdida, o que significa que o rendimento do sistema não é de 100% mas mesmo assim é bem maior do que os 25% de uma lâmpada comum.
No coletor dos transistores encontramos o transformador. Para maior economia de projeto empregamos um transformador de alimentação comum que tem enrolamento primário de 220 V ou 110/220 V e secundário de 12+12 V com corrente de 800 mA a 2A.
Conforme já explicamos, o fato de usarmos um transformador de 220 V não significa que teremos esta tensão neste ponto do circuito. A tensão, em alguns casos, é bem maior pelo tipo de sinal utilizado na excitação.
O transformador pode então ser ligado diretamente na lâmpada fluorescente, acendendo-a com facilidade.
MONTAGEM
O diagrama completo de nosso inversor é mostrado na figura 4.
A disposição dos componentes numa placa de circuito impresso e conexão dos elementos periféricos é mostrada na figura 5.
O circuito integrado foi instalado num soquete DIL para maior segurança.
Equivalentes dos transistores originais podem ser usados desde que sejam Darlington e tenham uma corrente de coletor de pelo menos 6 A com tensão máxima entre coletor e emissor de pelo menos 100 V. Se usar equivalente tenha apenas cuidado em observar a pinagem.
Os transistores devem ser dotados de bons radiadores de calor já que tenderão a aquecer quando em funcionamento.
Os resistores são de 1/8 W e o capacitor tanto pode ser cerâmico como de poliéster.
O transformador T1 pode ser qualquer pequeno transformador de fonte com primário de 110/220 V ou 220 V e secundário de 12+12V com corrente na faixa de 800 mA a 2 ampères.
A lâmpada fluorescente deve ser dotada de suporte ou soquetes que a protejam contra batidas, e sua escolha depende da aplicação. Uma sugestão é a montagem mostrada na figura 6 em uma caixa onde pode estar a bateria ou outra fonte. Para o carro use um conector do tipo que se encaixa no acendedor de cigarros.
Lâmpadas de 8 a 40 watts podem ser usadas, mesmo as que estejam fracas demais para operarem na iluminação normal, na rede de energia.
PROVA E USO
Inicialmente ligue o inversor numa bateria de carro, 8 pilhas grandes ou uma fonte de alimentação de 9 a 12V com corrente de pelo menos 1 ampère. Ligue na saída do inversor
Ajuste então P1 para obter a frequência do oscilador que proporcione maior rendimento para lâmpada ou maior brilho.
Depois, é só fechar a caixa definitivamente e usar o aparelho.
Nunca use o aparelho para alimentar outros tipos de lâmpadas ou aparelhos eletrônicos, pois sua saída não é estabilizada e não tem a frequência que muitos desses equipamentos exigem.
Semicondutores:
CI-1 - 4093B - circuito integrado CMOS
Q1, Q2 - TIP127 - transistores NPN Darlington de potência
Resistores: (1/8 W, 5%)
R1, R2 R3 - 10 k Ω
P1 - 100 k Ω - trimpot
Capacitores:
C1 - 47 nF - poliéster ou cerâmico
C2 - 1000 µF/12V - eletrolítico
Diversos:
T1 - Transformador com primário de 110/220V e secundário de 12+12V com correntes de 800 mA a 2 A
F1 - Fusível de 5 A (opcional)
Placa de circuito impresso, soquete DIL para o circuito integrado, radiadores de calor para os transistores, caixa para a montagem, soquete para a lâmpada fluorescente, conector para o carro (acendedor de cigarro), fios, solda, etc.
RENDIMENTO
O funcionamento ideal ocorreria se 100% da energia das pilhas ou bateria usadas como fonte fossem entregues à lâmpada fluorescente e convertida em luz.
No entanto, na prática, como em qualquer processo que envolva conversão de energia, sempre temos perdas. As perdas ocorrem em cada transformação, em cada ponto do circuito, se bem que os resultados de nosso projeto ainda sejam muito melhores do que os 75% que temos de perda numa lâmpada incandescente comum.
Assim, conforme mostra a figura A, na excitação do transformador já temos uma certa perda que ocorre nos transistores porque eles não conduzem perfeitamente a corrente, apresentando uma certa resistência. Esta resistência entre coletor e emissor, faz com que seja gerado calor quando a corrente passa. Esse calor que aquece o transistor em funcionamento representa uma primeira perda de nosso circuito.
Uma segunda perda ocorre no transformador. Os transformador operam por meio de campos magnéticos e ainda manifestam uma propriedade denominada histerese que faz com que os campos sejam retidos com uma certa perda de energia. As correntes de turbilhão geradas no núcleo também causam certas perdas.
É por este motivo que, dependendo do transformador, precisamos encontrar as frequências em que ocorram as menores perdas. Para um transformador comum pode-se ter uma perda da ordem de 5 a 20% neste componente.
Como diminuir as perdas?
Diversas são as soluções adotadas e encontradas nos inversores comerciais: uma delas consiste no uso de transformador com núcleos de ferrite que, além de uma capacidade de operar com frequências mais elevadas têm muito menores perdas por correntes de turbilhão (os grãos de material ferroso do núcleo são muito menores que as chapas dos transformadores comuns.
A outra solução consiste no uso de transistores de efeitos de campo de potência (power FETs) que têm um rendimento muito maior na condução.
