Nos dias de hoje, estamos cercados por diversos aparelhos eletrônicos que possuem circuitos inteligentes. E esses dispositivos usam corrente contínua. Isso implica que a tensão que chega em nossas casas tem que ser convertida para alimentá-los. Mas e quando precisamos fazer o contrário?

É nesse tipo de caso que se usa o inversor de tensão. Atualmente ele tem tido cada vez mais importância nos circuitos dos painéis solares. Isso, porque os painéis solares geram tensão contínua, e, para alimentar sua residência, é necessário tensão alternada.


O que é

O inversor de tensão é um dispositivo que serve para converter uma tensão contínua em alternada. Os inversores mais antigos recebem em sua entrada uma tensão constante e soltam um sinal de onda quadrada alternado. Isto é, ora a corrente flui para um lado, ora para outro.

Porém, os mais recentes já utilizam algumas técnicas para gerar uma senoide na saída. E se essa senoide tiver uma tensão RMS de 127V e oscilar 60 vezes por segundo, ela será igual ao sinal que recebemos em casa. Pois o sinal que recebemos em casa, chamado fase, tem tensão RMS de 127V e uma frequência de 60Hz.


Funcionamento

Ideia

Considere o seguinte circuito:

Inversor de Tensão Funcionamento

Primeiro eu ligo a chave 1 e a chave 4. O que teremos na carga é uma tensão contínua e constante. E se ligarmos apenas o outro par de chaves (S2 e S3), o mesmo acontece. Porém, a diferença está na corrente. No primeiro caso ela flui da esquerda para a direita da carga e no segundo da direita para a esquerda da carga.

Ou seja, se ficássemos comutando as chaves entre S1, S4 e S2, S3 teríamos, em cima da carga, uma tensão alternada. Isso porque a tensão mudaria entre +Vcc e -Vcc devido a mudança no sentido da corrente. Porém, é inviável trocar manualmente. E para a nossa sorte, o transistor atua como uma excelente chave eletrônica para comutar o circuito.

Comutação automática

Nesse caso, usa-se o MOSFET, já que ele possui a vantagem de ter uma alta velocidade de comutação quando comparado a outros transistores. Portanto, as chaves podem ser substituídas por transistores:

Inversor de Tensão com Mosfet

Recomendo ver essa simulação para entender o funcionamento do MOSFET.

Agora, basta ligar algo no GATE do MOSFET para fazer o controle da tensão. É possível fazer uma lógica que ligue e desligue o MOSFET de um modo que a tensão na carga seja um PWM. E isso gera uma onda semelhante a senoidal, porém com degraus (parecida com a imagem abaixo).

sinal analógico conversão pra digital

Esse controle dos MOSFET’s pode ser feito com comparadores ou com circuitos inteligentes (tópico abaixo). No caso de usar comparadores, um comparador controlaria o MOSFET 1 e 3 e outro controlaria o 2 e o 4. Sendo que o 3 está negado em relação ao 1 e o 4 está negado em relação ao 2. Isto é, usa-se uma porta NOT na entrada do GATE do MOSFET 3 e 4. Desse modo, o circuito previne que Q1 e Q3 estejam ligados ao mesmo tempo (ou Q2 e Q4) para impedir curto-circuito.

Os comparadores irão basicamente comparar uma onda triangular e uma onda senoidal e essa diferença entre as duas gera um PWM que forma uma onda semelhante a mostrada na imagem acima. Por fim, para que a onda seja aproximada de uma senoide, usa-se capacitores e indutores, criando assim filtros passivos.


Inversor de tensão usando o Arduino

Com o propósito de teste, resolvi controlar os MOSFET’s usando um Arduino, de modo que a cada 1 segundo eu comutava entre dois pares de chaves. Na imagem abaixo é possível ver o resultado.

Inversor de Tensão com Arduino

O circuito foi exatamente o mesmo, alimentando o MOSFET com o 5v e o GND do Arduino. E o GATE do MOSFET foi ligado nos pinos digitais 2-5. Desconsidere a ultima parte da onda, pois o osciloscópio do TinkerCad (site que simulei) possui um certo atraso.

O resultado foi de acordo com o esperado, já que o osciloscópio indicou que a tensão alternou entre negativa e positiva. A tensão lida pelo multímetro (-196mV) é a tensão em cima da carga, e ela está baixa devido a queda de tensão no MOSFET. Então o ideal serial alimentar os MOSFET’s com uma fonte externa para conseguir uma tensão maior.

Clique aqui para poder testar o circuito acima.


Aplicações

Como dito anteriormente, o inversor de tensão pode ser usado para:

  • Circuitos de painéis solares
    • A tensão gerada por um painel solar é armazenada em uma bateria. E essa bateria precisa alimentar uma residência, por exemplo. Pra isso, converte-se a tensão da bateria para CA e conecta ela na rede.
  • No-break
    • O no-break possui uma bateria que mantem a energia durante um tempo caso aconteça algum apagão. E, para que essa bateria continue alimentando seus aparelhos, é necessário usar um inversor.
  • Bateria comandar o motor de indução de um carro elétrico
  • Demais casos onde seja necessária a conversão CC -> CA.