INVERSOR DE CORRENTE CONTÍNUA PARA ALTERNADA UTILIZANDO O CI CD4047

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Faculdade Católica do Tocantins
Engenharia Elétrica
INVERSOR DE CORRENTE CONTÍNUA PARA ALTERNADA UTILIZANDO O CI CD4047
Dhiogo Alves Paixão
Geovane José de Moura
Lucas Rômulo Barbosa de Melo
Lucas Soares Montelo
Vinícius Morais Mesquita.
Palmas – TO
2019
Dhiogo Alves Paixão
Geovane José de Moura
Lucas Rômulo Barbosa de Melo
Lucas Soares Montelo
Vinícius Morais Mesquita.
INVERSOR DE CORRENTE CONTÍNUA PARA ALTERNADA UTILIZANDO O CI CD4047
Relatório apresentado à disciplina de Eletrônica de Potência como parte dos pré-requisitos para obtenção da aprovação nesta. 
Orientador: Vagner Alves da Silva.
Palmas – TO
2019
RESUMO
O inversor de corrente é um dispositivo que possibilita a transformação da corrente contínua (CC), em corrente alternada (CA). Uma das saídas para a construção desse aparelho é a utilização de circuito (s) integrado (CIs). Nesse projeto, o escolhido foi o CD4047. O CI foi ligado a fim de produzir dois sinais de saída de onda quadrada nos pinos 10 e 11, que são direcionados para os dois bancos de MOSFETs alternadamente, ou seja, se o pino 10 estiver “em alta”, a saída do pino 11 é baixa. Isso significa que o MOSFET do bank-1 conduz enquanto os MOSFETs do bank-2 não. A frequência, por sua vez, situa-se por volta de 50Hz. Para utilizar o CD 4047 em um inversor as duas saídas, devem estar a 180 graus fora de fase.
Palavras-chave: Inversor, corrente, alternada, contínua, circuito.
SUMÁRIO
Introdução..........	........................................................................................................05
Objetivos	..................................................................................................................09
Objetivo Geral............................................................................................09
Desenvolvimento	.....................................................................................................10
Conclusão................................................................................................................17
Referências.	18
19
1. INTRODUÇÃO
O projeto tem como objetivo a construção e o funcionamento de inversor de corrente contínua (CC) para corrente alternada (CA). Neste presente, optou-se pela utilização de um circuito integrado CD4047. 
Figura 1: CI da série CD4047. (Eletrônica, 2019) 
 Algumas características são: para o funcionamento, é recomendada uma alta voltagem de 20V; baixo consumo de energia; possui 14 pinos; e o principal, que é o fato desse CI ser um multivibrador monoestável/astável.
Isso quer dizer que ele pode funcionar tanto com o monoestável (mais aplicado para geração de pulsos de temporização), como astável (também conhecido como modo oscilador, porque não possui um estado estável e sim dois estados quase-instáveis e permanece em cada um por intervalo). (UNICAMP, 2019). Há a possibilidade da ação do Multivibrador ser acionada pela onda positiva e negativa. 
O modo astável é acionado quando é introduzida um alto nível de tensão no pino astável (5) ou quando possui um baixo nível no pino astável barrado (4). Por sua vez, o monoestável ativa-se em decorrência da borda positiva na entrada + TRIGGER (pino 8) estiver alta, enquanto o -TRIGGER (pino 6) é mantido baixo. 
Figura 2: Pinos do CI CD4047. (Aqeel, 2018)
Para elevar a tensão de saída e converter a tensão de contínua para alternada, foi utilizado um dos componentes mais famosos no meio da eletrônica: o transformador de potencial (TP) no fim do circuito. 
Figura 3: 110V para 12+12 com 5A de corrente. (BEÇA, 2019)
Possui um núcleo que é rodeado por duas bobinas, onde, em uma dessas (bobina primária), entrará a tensão que será transformada. Após ser transformada, a tensão é determinada na outra (bobina secundária). 
Seu funcionamento se baseia nos princípios eletromagnéticos das leis de Faraday e de Lenz porque “ao aplicar uma tensão alternada no enrolamento primário surgirá uma corrente, também alternada, que percorrerá todo o enrolamento. Através dessa corrente estabelece-se um campo magnético no núcleo de ferro, esse por sua vez sofre várias flutuações e, consequentemente, surge um fluxo magnético que é induzido na bobina secundária” (Santos, 2016).
	 Para a realização desse projeto, foi utilizado um transformador de 110V para 12+12V (no caso desse inversor, foi utilizado como 12+12 para 110V) com uma corrente máxima de 5 ampères (5A).
Para funcionar como filtro e fechar a malha, dando maior segurança ao CI, o capacitor é sempre indicado. Esse dispositivo diminui a onda, deixando o mais contínuo e sem variação possível.
Figura 4: Capacitor de 1µF. (Eletrônica, 2018)
Também pode funcionar para armazenar cargas elétricas e consequente energia eletrostática ou elétrica. Os capacitores são utilizados nos mais variados tipos de circuitos elétricos, 
como nas máquinas fotográficas armazenando cargas para o flash, por exemplo. Eles podem ter o formato cilíndrico ou plano, dependendo do circuito ao qual ele está sendo empregado. 
Foram utilizados três dispositivos desses: um com capacitância de 1µF poliéster, outro de 0,1 µF poliéster e por fim, um de 2200 µF eletrolítico, utilizados para acoplamento, desacoplamento e fechamento de malha.
Já para limitar, dividir ou diminuir a corrente ou a tensão em determinadas áreas do circuito, existem os resistores. (FRIA, 2019). Além disso, também podem ser utilizados para transformar a energia elétrica em calor (essa função não foi utilizada nesse circuito) (Silas, 2019).
	Neste projeto, os resistores utilizados continham resistência de: dois de 220 Ω (ohms), um de 47000 Ω (47 KΩ) e outro de 330 Ω. Todos foram utilizados com a finalidade de limitar a tensão para não danificar os demais itens.
Figura 5: Resistores de 220Ω. (LELONG, 2019)
	Por fim, também foi usado transistores do tipo MOSFET (sigla do inglês "Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”, em português “Transistor de Efeito de Campo Metal”), que é o tipo de transistor de efeito de campo mais utilizado. (Luiza, 2019)
	Para escolher o tipo ideal de transistor, deve se saber, principalmente, as frequências e correntes no circuito. Com isso em mente, foi escolhido duas unidades do MOSFET IRF540N, já que este apresenta uma rápida comutação (processo de interligar dois ou mais pontos entre si com o comando do gate, liberando, a cada pulso, a passagem entre o source e drain) o que o faz ideal para altas frequências, e também por suportar altas tensões e correntes. 
Figura 6: Mosfet irf540n. (Solutions, 2019)
 No circuito regulador foi necessário utilizar um transistor TIP41 para controlar a tensão na entrada do inversor. Este transistor NPN de potência para baixas frequências é complementar do tipo TIP42. Ele é encontrado em diversas versões, cujo datasheet indica a tensão máxima entre coletor e emissor. Este transistor é encontrado em fontes de alimentação, drivers de motores, solenoides e amplificadores de áudio de média potência.
Figura 7: Transistor TIP41. (Proesi, 2019)
 
 Para exercer a função de variação e controle, utilizou-se um componente de fácil acesso e de grande funcionalidade no meio eletrônico: o potenciômetro. Trata-se de uma resistência variável que responde atrás dos giros em seu borne, em que cada posição tem seu valor resistivo.
Figura 8: Potenciômetro linear. (Eletrogate, 2019)
2. OBJETIVOS 
2.1 Objetivo Geral 
O presente projeto tem por finalidade o desenvolvimento de um inversor de corrente contínua para alternada.
3. DESENVOLVIMENTO
Antes de colocar algo em prática, é de fundamental importância possuir o domínio da parte teórica para, assim, diminuir ao máximo (não eliminar totalmente) a quantidade de erros que podem emperrar o desenvolvimento de algum projeto. Neste presente não foi diferente. 
Para iniciar e ter embasamentos de desenvolvimento do circuito, foram feitas pesquisas para se ter uma maior noção dos esquemas que possuem por finalidade a inversão.Como modelo, inicialmente foi adotado o modelo abaixo.
Figura 9: Circuito inicial. (ELECCIRCUITS, 2012)
Como dito anteriormente, a parte teórica é de fundamental importância para evitar gastos desnecessários e evitar perdas de componentes eletrônicos. Por isso, o circuito foi remodelado e testado no programa de simulação Protheus®.
Após alguns testes, pesquisas com outros circuitos e também por experiência de componentes do grupo, percebeu-se que não haveria a necessidade de utilizar todos esses componentes eletrônicos. 
Para comprovar a eficácia do circuito modificado, foram realizados outros testes. Mesmo com todas essas simulações e experimentos, ocorreram “queimas” de um MOSFET IRF 540N durante um experimento em laboratório.
Figura 10: MOSFET IRF 540N danificado. (Própria autoria).
Após esses contratempos, o circuito final foi feito. Algumas alterações foram feitas nas simulações e o circuito final foi remodelado, restando dois capacitores cerâmicos, um de 0.1 µF e um de 1 µF; um capacitor eletrolítico de 2200 µF; quatro resistores, dois de 220Ω, um de 47kΩ e outro de 330Ω; um CI 4047; dois transistores IRF 540N; e um transformador 9+9V. Abaixo está o circuito quase finalizado.		
Figura 11: Simulação do circuito no Proteus. (Própria autoria).
O circuito acima descrito aqui é o inversor de tensão, com entrada de 12 Volts (V) em CC e saída de 110V ou 220V em CA, que opera através do CI CD4047 e gera uma tensão alternada de 50 ou 60 Hz. A frequência sai através dos pinos 10 e 11, que estão em fase oposta de 180º. Nesses pinos, estão ligados os resistores de 220Ω, que por sua vez, são conectados aos transistores.
Os pulsos de 50 Hz são levados para os transistores mencionados anteriormente, que amplificam estes, dando-lhes mais corrente. Depois de amplificado, o pulso é levado ao transformador, gerando alta tensão no secundário de 220Volts ou 110 Volts. A onda de saída do inversor é quadrada.
O capacitor de 0,01µF foi ligado entre os pinos 1 e 3 e o resistor de 47KΩ nos pinos 2 e 3. Esses dois componentes determinarão a largura de pulso de saída no modo monoestável, e a frequência de saída no modo astável.
Os demais pinos estão conectados com a função de: 
· 4,5,6,7: alimentação direto no positivo da bateria;
· 8,9,12: aterramento;
· 13: possui uma frequência de pulso, porém não foi utilizado;
· 14 (não é mostrado na figura 8 devido configurações do Protheus®): alimentação.
No fim, a baixa tensão foi convertida para alta, porém o sinal ainda não é absolutamente senoidal e pode acarretar oscilações. Para resolver esse problema, foi colocado um capacitor que funciona como um filtro, evitando que danifiquem aparelhos mais sensíveis. 
Esse circuito é capaz de alimentar a grande maioria dos equipamentos eletrônicos de uma casa. Porém, aparelhos que utilizam alguns determinados tipos de motores poderiam não funcionar como o esperado ao usar esse inversor, acarretando em danos.
Visando um ajuste de tensão decorrente a oscilação para cada carga aplicada, foi montado um circuito regulador a parte, utilizando apenas um transistor TIP 41 e um potenciômetro de 300k, para não ocorrer a queima de equipamentos por saturação devido a exposição a altas tensões, observando que a tensão usual é 127/220V, para isso foi utilizado um circuito base.
Figura 12: Circuito regulador. (ILKYEST, 2015). 
 Figura 13: Simulação do circuito no Proteus. (Própria autoria).
Depois de executar os testes necessários, foi montado o regulador na entrada CC para controlar o fluxo de tensão que entrará no inversor.
 
Figuras 14, 15 e 16: Primeira montagem no protótipo e funcionamento do inversor acendendo uma lâmpada. (Própria autoria).
Feitas as ligações, foram feitos testes no laboratório da Faculdade Católica do Tocantins com osciloscópio e multímetro. Os experimentos foram realizados com o protótipo devido à falta de material. Apesar de uma certa dificuldade inicial, foi possível notar que a tensão foi elevada como esperado (de 12V para 127V), tendo algumas leves alterações. Além disso, constatou-se também uma frequência de alto valor
 
Figuras 17 e 18: Testes feitos em laboratório mostram a tensão elevada 
(Própria autoria).
Figuras 19: Saída do MOSFET. (Própria autoria)
Figuras 20: Saída do Inversor. (Própria autoria)
Abaixo, estão listados os preços dos itens utilizados.
	Item
	Preço
	Capacitor 1uF (12)
	R$ 1,08
	Capacitor 0,1uf (12)
	R$ 1,08
	Capacitor 2200uf (3)
	R$ 6,90
	CI 4047 (8)
	R$ 13,20
	Dissipador de calor (2)
	R$ 15,00
	Lâmpada
	R$ 12,00
	Placa para solda
	R$ 25,00
	Resistor 220Ω (10)
	R$ 0,80
	Resistor 47KΩ (16)
	R$ 1,28
	Resistor 330Ω (10)
	R$ 0,80
	Transformador 9+9V
	R$ 150,00
	Transistor IRF 540N (2)
	R$ 5,50
Tabela 1: Preço estimado de cada componente utilizado (Comprados no site Baú da Eletrônica).
O custo total desse projeto (sem contabilizar frete de produtos comprados pela internet, sem o preço dos diversos jumpers utilizados e outros equipamentos de fixação como cola e solda) foi de cerca de R$ 232,64.
 
Figuras 21, 22 e 23: Projeto finalizado. (Própria autoria).
Ao fim deste relatório, constará o datasheet do CI CD4047.
4. CONCLUSÃO
Após diversas pesquisas sobre cada componente que seria necessário para a montagem do circuito, foi possível saber quais, onde e como utilizar os dispositivos e também seus respectivos preços.
Inicialmente, foi pesquisado circuitos para termos ciência de como é um inversor de corrente contínua para alternada. Foram feitas diversas mudanças no circuito escolhido como base com a finalidade de minimizar os custos, já que nem todos aqueles componentes eram obrigatórios para o funcionamento.
Feito alguns protótipos, vários testes e troca de componentes, conseguimos chegar ao resultado esperado: elevar a tensão de 12V para 127V e inverter a corrente de corrente contínua para corrente alternada
5. REFERÊNCIAS	
ADNAN, Aqeel. Introduction to CD4047. 12 de outubro de 2019. Disponível em < https://www.theengineeringprojects.com/2018/10/introduction-to-cd4047.html. >. Acesso: 20/05/2019, às 14:32
ELECCIRCUITS. Four CD4047 Inverter Circuits 60W-100W 12VDC to 220VA. agosto de 2012. Disponível em < https://www.eleccircuit.com/inverter-100w-12vdc-to-220v-by-ic-4047-irf540/. >. Acesso: 20/05/2019, às 14:50
ELETROGATE. POTENCIÔMETRO LINEAR 10KΩ. Disponível em: < https://www.eletrogate.com/potenciometro-linear-10k?utm_source=Site&utm_medium=GoogleMerchant&utm_campaign=GoogleMerchant&gclid=CjwKCAjw583nBRBwEiwA7MKvoF5SY97dRFBKJu8A7WDus7LAPZZqd4pWCgcPO-H3LtSmr7AQhWHmlhoC0GYQAvD_BwE >. Acesso: 01/06/2019, às 18:20
ELETRÔNICA, Baú da. Capacitor Eletrolítico 1uF / 50V. Disponível em: < http://www.baudaeletronica.com.br/capacitor-eletrolitico-1uf-50v.html >. Acesso: 20/05/2019, às 14:12.
ELETRÔNICA, Baú da. Circuito integrado CD4047 - Multivibrador Monoestável/Astável Disponível em < http://www.baudaeletronica.com.br/circuito-integrado-cd4047-multivibrador-monoestavel-astavel.html?gclid=CjwKCAjwwtTmBRBqEiwA-%20b6c_0dKE1gbNOqr1Q7oOCYdw00sdnNNzK5CrU6OzdTB_F8cjQ4Wu7awRhoCULYQAvD_BwE > Acesso: 12/05/2019, às 09:30.
FRIA, Solda. Resistor. 2019. Disponível em < https://www.soldafria.com.br/componentes-eletronicos/resistor >. Acesso: 20/05/2019, às 16:21
ILKYEST. Controlador de FAN TIP41. 19 de julho de 2008. Disponível em < https://www.hardware.com.br/comunidade/controlador-fan/887077/ >. Acesso: 01/06/2019, às 19:38
INTERSIL. CD4047BMS. Dezembro e 1992. Disponível em: < https://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/cd40/cd4047bms.pdf >. Acesso: 01/06/2019, às 08:20.
LELONG. Carbon Film Resistor 220 Ohm 1/4W 5%. 2019. Disponível em < https://www.lelong.com.my/carbon-film-resistor-220-ohm-1-4w-5-blure74-F1486077-2007-01-Sale-I.htm. >. Acesso: 20/05/2019, às 16:11
LUÍZA, Magazine. MOSFET, O que é? Disponível em < https://www.magazineluiza.com.br/portaldalu/mosfet-o-que-e/505/. >. Acesso: 20/05/2019, às 16:10
PROESI. IRF3205 – Transistor. Disponível: < https://proesi.com.br/irf3205-transistor.html>. Acesso: 01/06/2019, às 17:42
SANTOS, Marco Aurélio da Silva. O Transformador de Tensão. 2016. Disponível em < http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/o-transformador-tensao-1.htm >. Acesso em: 21/052019, às 10:59. 
SILAS, Joab. O que são resistores? Disponível em < https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/fisica/o-que-sao-resistores.htm >. Acesso: 20/05/2019, às 15:28
SOLUTIONS, B.M. Embedded. IRF540 33A N-Channel MOSFET; Disponível em < https://bm-es.com/product/irf540-33a-n-channel-mosfet/ >. Acesso: 20/05/2019, às 16:15
UNICAMP. AULA 10 CIRCUITOS MULTVIBRADORES Disponível em < http://www.demic.fee.unicamp.br/~elnatan/ee610/10a%20Aula.pdf. >. Acesso: 20/05/2019, às 16:02
UNITEL. Transformadores » Uso Geral - Linha 400mA. 2017. Disponível em < http://www.unitel.ind.br/produtos/transformador-12---12vac---400ma-0447fcb8-de73-4de2-a64c-cf4f91114f8d. > Acesso em: 20/05/2019, às 09:11