convertidor de voltaje es un convertidor de energía eléctrica que cambia el voltaje de una fuente de energía eléctrica. Se puede combinar con otros componentes para crear una fuente de alimentación .
AC y DC [ editar ]
La conversión de voltaje de CA utiliza un transformador . La conversión de un voltaje de CC a otro requiere un circuito electrónico ( se requería equipo electromecánico antes del desarrollo de la electrónica de semiconductores ), como un convertidor de CC-CC . La red eléctrica (llamada corriente doméstica en los EE. UU.) Es universalmente AC.
Convertidores de voltaje prácticos [ editar ]
Convertidores de red [ editar ]
Un uso común del convertidor de voltaje es para un dispositivo que permite que los dispositivos hechos para el voltaje de red de una región geográfica operen en un área con diferente voltaje. Tal dispositivo puede llamarse convertidor de voltaje , convertidor de potencia , adaptador de viaje , etc. La mayoría de las tomas de corriente alterna monofásicas en el mundo suministran energía a 210–240 V o a 100–120 V. Un transformador o autotransformadorpuede ser usado; Los transformadores (automáticos) son inherentemente reversibles, por lo que se puede usar el mismo transformador para aumentar el voltaje o reducirlo en la misma proporción. Se pueden fabricar dispositivos más ligeros y pequeños utilizando circuitos electrónicos; reducir el voltaje electrónicamente es más simple y más barato que aumentarlo. Están disponibles adaptadores de viaje pequeños y económicos adecuados para dispositivos de baja potencia, como máquinas de afeitar eléctricas , pero no, por ejemplo, secadores de pelo ; Los adaptadores de viaje generalmente incluyen adaptadores de enchufe para los diferentes estándares utilizados en diferentes países. Se usaría un transformador para mayor potencia.
Los transformadores no cambian la frecuencia de la electricidad; En muchas regiones con 100–120 V, la electricidad se suministra a 60 Hz , y las regiones de 210–240 V tienden a usar 50 Hz. Esto puede afectar el funcionamiento de los dispositivos que dependen de la frecuencia de la red (algunos giradiscos de audio y relojes eléctricos de red, etc., aunque es menos probable que los equipos modernos dependan de la frecuencia de la red). Los equipos con motores de alta potencia o transformadores internos diseñados para funcionar a 60 Hz pueden sobrecalentarse a 50 Hz incluso si el voltaje suministrado es correcto.
La mayoría de los equipos eléctricos alimentados por la red, aunque pueden especificar un solo voltaje nominal, en realidad tienen un rango de tolerancia por encima y por debajo de ese punto. Por lo tanto, los dispositivos generalmente se pueden usar con cualquier voltaje de aprox. 100 a 120 V, o cualquier voltaje de aprox. 210 a 240 V. En tales casos, los convertidores de voltaje solo necesitan especificarse para convertir cualquier voltaje dentro de un rango, a un voltaje dentro del otro, en lugar de necesitar convertidores separados para todos los pares posibles de voltajes nominales (110–220, 117– 220, 110–230, etc.)
Convertidores para dispositivos [ editar ]
Convertidores de red [ editar ]
Otro requisito es proporcionar electricidad de bajo voltaje a un dispositivo desde la red eléctrica; esto se haría por lo que generalmente se llama una fuente de alimentación . La mayoría de los dispositivos electrónicos modernos requieren entre 1.5 y 24 voltios DC; Los dispositivos de baja potencia a estos voltajes a menudo pueden funcionar con baterías o con la red eléctrica. Algunos dispositivos incorporan una fuente de alimentación y simplemente se conectan a la red eléctrica. Otros usan una fuente de alimentación externa que comprende un transformador y rectificador, o circuitos electrónicos. Fuentes de alimentación conmutadasse han generalizado a principios del siglo XXI; son más pequeños y livianos que los convertidores de transformadores que alguna vez fueron universales, y a menudo están diseñados para funcionar desde la red de CA a cualquier voltaje entre 100 y 250 V. Además, debido a que generalmente se rectifican para operar a un voltaje de CC, se ven mínimamente afectados por La frecuencia de la red eléctrica (50 vs 60 Hz). Los detalles sobre la operación se dan en el artículo sobre fuentes de alimentación .
Convertidores móviles [ editar ]
Los convertidores de voltaje se pueden usar en vehículos con salidas de 12 V CC. Se puede usar un simple cuentagotas de voltaje para reducir el voltaje de los dispositivos de baja potencia; Si se requieren más de 12 V, o para dispositivos de alta potencia, se utiliza una fuente de alimentación de modo conmutado. La salida generalmente será de CC en el rango de 1.5–24 V. Hay disponibles fuentes de alimentación que producen 100–120 V CA o 210–240 V CA; se llaman inversores , debido a la conversión de CC a CA en lugar del cambio de voltaje. La frecuencia de salida y la forma de onda de un inversor pueden no replicar con precisión la suministrada por la red eléctrica, aunque esto no suele ser un problema.
convertidor de CA a CA de estado sólido convierte una forma de onda de CA en otra forma de onda de CA, donde el voltaje y la frecuencia de salida pueden establecerse arbitrariamente.
Categorías [ editar ]
En referencia a la Fig. 1, los convertidores AC-AC se pueden clasificar de la siguiente manera:
- Convertidores indirectos CA-CA (o CA / CC-CA) (es decir, con rectificador, enlace CC e inversor) [2]
- Cicloconvertidores
- Convertidores matriciales híbridos
- Convertidores matriciales (MC).
DC convertidores de enlace [ editar ]
Hay dos tipos de convertidores con enlace de CC:
- Convertidores de inversor de fuente de voltaje (VSI) (Fig. 2): en los convertidores VSI, el rectificador consta de un puente de diodos y el enlace de CC consta de un condensador de derivación.
- Convertidores de inversor de fuente de corriente (CSI) (Fig. 3): en los convertidores CSI, el rectificador consiste en un puente de dispositivo de conmutación controlado por fase y el enlace de CC consta de inductores de 1 o 2 series entre una o ambas patas de la conexión entre el rectificador e inversor.
Cualquier operación de frenado dinámico requerida para el motor puede realizarse mediante el frenado del interruptor de CC y la derivación de resistencia conectadas a través del rectificador. Alternativamente, se debe proporcionar un puente tiristor antiparalelo en la sección del rectificador para alimentar la energía de regreso a la línea de CA. Sin embargo, tales rectificadores basados en tiristores controlados por fase tienen una mayor distorsión de línea de CA y un factor de potencia más bajo a baja carga que los rectificadores basados en diodos.
Un convertidor AC-AC con corrientes de entrada aproximadamente sinusoidales y flujo de potencia bidireccional puede realizarse mediante el acoplamiento de un rectificador de modulación de ancho de pulso (PWM) y un inversor PWM al enlace de CC. La cantidad de enlace de CC queda impresa por un elemento de almacenamiento de energía que es común en ambas etapas, que es un condensador C para el enlace de CC de voltaje o un inductor L para el enlace de CC actual. El rectificador PWM se controla de manera que se extrae una corriente de línea de CA sinusoidal, que está en fase o antifase (para retroalimentación de energía) con el voltaje de fase de línea de CA correspondiente.
Debido al elemento de almacenamiento de enlace de CC, existe la ventaja de que ambas etapas del convertidor están en gran medida desacopladas para fines de control. Además, existe una cantidad de entrada constante, independiente de la línea de CA para la etapa del inversor PWM, lo que resulta en una alta utilización de la capacidad de potencia del convertidor. Por otro lado, el elemento de almacenamiento de energía de enlace de CC tiene un volumen físico relativamente grande, y cuando se usan condensadores electrolíticos, en el caso de un enlace de CC de voltaje, existe potencialmente una vida útil reducida del sistema.
Cicloconvertidores [ editar ]
Un cicloconvertidor construye una forma de onda de salida, de frecuencia variable, aproximadamente sinusoidal, cambiando segmentos de la forma de onda de entrada a la salida; No hay un enlace DC intermedio. Con elementos de conmutación como SCR , la frecuencia de salida debe ser menor que la entrada. Los cicloconvertidores muy grandes (del orden de 10 MW) se fabrican para compresores y unidades de túnel de viento, o para aplicaciones de velocidad variable, como hornos de cemento .
Convertidores matriciales [ editar ]
Para lograr una mayor densidad de potencia y confiabilidad, tiene sentido considerar los convertidores matriciales que logran la conversión trifásica CA-CA sin ningún elemento intermedio de almacenamiento de energía. Los convertidores de matriz directa convencionales (Fig. 4) realizan la conversión de voltaje y corriente en una sola etapa.
Existe la opción alternativa de conversión de energía indirecta empleando el convertidor de matriz indirecta (Fig. 5) o el convertidor de matriz dispersaque fue inventado por el profesor Johann W. Kolar de ETH Zurich. Al igual que con los controladores VSI y CSI basados en enlace de CC (Fig. 2 y Fig. 3), se proporcionan etapas separadas para la conversión de voltaje y corriente, pero el enlace de CC no tiene un elemento de almacenamiento intermedio. En general, al emplear convertidores matriciales, el elemento de almacenamiento en el enlace de CC se elimina a costa de un mayor número de semiconductores. Los convertidores matriciales se consideran a menudo como un concepto futuro para la tecnología de variadores de velocidad, pero a pesar de la intensa investigación realizada durante décadas, hasta ahora solo han logrado una baja penetración industrial. Sin embargo, citando la disponibilidad reciente de semiconductores de bajo costo y alto rendimiento, un fabricante de unidades más grande ha promovido activamente en los últimos años convertidores matriciales.
El convertidor de arco , a veces llamado el transmisor de arco , o el arco de Poulsen después del ingeniero danés Valdemar Poulsen que lo inventó en 1903, [1] [2] era una variedad de transmisor de chispa utilizado en la telegrafía inalámbrica temprana . El convertidor de arco utilizaba un arco eléctrico para convertir la electricidad de corriente continua en corriente alterna de radiofrecuencia . Fue utilizado como transmisor de radio desde 1903 hasta la década de 1920 cuando fue reemplazado por transmisores de tubo de vacío . Uno de los primeros transmisores que podría generarondas sinusoidales continuas , fue una de las primeras tecnologías utilizadas para transmitir sonido ( modulación de amplitud ) por radio. Está en la lista de Hitos IEEE como un logro histórico en ingeniería eléctrica .
Historia [ editar ]
Elihu Thomson descubrió que un arco de carbono derivado con un circuito sintonizado en serie "cantaría". Este "arco de canto" probablemente se limitó a las frecuencias de audio. [4] La Oficina de Normas acredita a William Duddell con el circuito resonante de derivación alrededor de 1900. [5]
El ingeniero inglés William Duddell descubrió cómo hacer un circuito resonante usando una lámpara de arco de carbono . El "arco musical" de Duddell funcionaba con frecuencias de audio , y el propio Duddell concluyó que era imposible hacer que el arco oscilara en las frecuencias de radio .
Valdemar Poulsen logró elevar la eficiencia y la frecuencia al nivel deseado. El arco de Poulsen podría generar frecuencias de hasta 200 kilohercios y fue patentado en 1903.
Después de unos años de desarrollo, la tecnología de arco fue transferida a Alemania y Gran Bretaña en 1906 por Poulsen, su colaborador Peder Oluf Pedersen y sus patrocinadores financieros. En 1909, Cyril Frank Elwell compró las patentes estadounidenses y algunos convertidores de arco . El desarrollo posterior en Europa y los Estados Unidos fue bastante diferente, ya que en Europa hubo muchas dificultades para implementar la tecnología Poulsen durante muchos años, mientras que en los Estados Unidos pronto se estableció un sistema comercial extendido de radiotelegrafía con la Federal Telegraph Company . Luego elLa Marina de los Estados Unidos también adoptó el sistema Poulsen. Solo el convertidor de arco con conversión de frecuencia pasiva era adecuado para uso portátil y marítimo. Esto lo convirtió en el sistema de radio móvil más importante durante aproximadamente una década hasta que fue reemplazado por los sistemas de tubos de vacío .
En 1922, la Oficina de Normas declaró: "el arco es el aparato transmisor más utilizado para trabajos de alta potencia a larga distancia. Se estima que el arco ahora es responsable del 80 por ciento de toda la energía realmente irradiada al espacio para fines de radio durante un tiempo determinado, dejando a las estaciones de aficionados fuera de consideración ". [6]
Descripción [ editar ]
Este nuevo método más refinado para generar señales de radio de onda continua fue desarrollado inicialmente por el inventor danés Valdemar Poulsen . Los transmisores de chispa en uso en ese momento producían una onda amortiguada que desperdiciaba una gran parte de su potencia radiada transmitiendo armónicos fuertes en múltiples frecuencias que llenaban el espectro de RF con interferencia. El convertidor de arco de Poulsen produjo ondas no amortiguadas o continuas (CW) en una sola frecuencia.
Hay tres tipos para un oscilador de arco: [7]
- Arco de Duddell (y otros tipos tempranos)
- En el primer tipo de oscilador de arco, la corriente de CA en el condensador i 0 es mucho menor que la corriente de suministro de CC i 1 , y el arco nunca se extingue durante un ciclo de salida. El arco Duddell es un ejemplo del primer tipo, pero el primer tipo no es práctico para los transmisores de RF.
- Arco de Poulsen
- En el segundo tipo de oscilador de arco, la corriente de descarga de CA del condensador es lo suficientemente grande como para extinguir el arco pero no lo suficientemente grande como para reiniciar el arco en la dirección opuesta. Este segundo tipo es el arco de Poulsen.
- Brecha de chispas apagadas
- En el tercer tipo de oscilador de arco, el arco se extingue pero puede volver a encenderse cuando se invierte la corriente del condensador. El tercer caso es una brecha de chispa apagada y produce oscilaciones amortiguadas.
Las ondas continuas o 'no amortiguadas' (CW) fueron una característica importante, ya que el uso de ondas amortiguadas de los transmisores de chispa resultó en una menor eficiencia del transmisor y efectividad de las comunicaciones, mientras contaminaba el espectro de RF con interferencia.
El convertidor de arco de Poulsen tenía un circuito sintonizado conectado a través del arco. El convertidor de arco constaba de una cámara en la que el arco se quemaba en gas hidrógeno entre un cátodo de carbono y un ánodo de cobre refrigerado por agua . Encima y debajo de esta cámara había dos bobinas de campo en serie que rodeaban y energizaban los dos polos del circuito magnético. Estos polos se proyectan en la cámara, uno a cada lado del arco para proporcionar un campo magnético .
Fue más exitoso cuando se operaba en el rango de frecuencia de unos pocos kilohercios a unas pocas decenas de kilohercios. La sintonización de la antena tenía que ser lo suficientemente selectiva como para suprimir los armónicos del convertidor de arco .
Keying [ editar ]
Dado que el arco tardó un tiempo en atacar y operar de manera estable, no se pudo usar la activación / desactivación normal . En cambio, se empleó una forma de modulación por desplazamiento de frecuencia . [8] En este método de onda de compensación , el arco funcionaba continuamente, y la tecla alteraba la frecuencia del arco en uno a cinco por ciento. La señal a la frecuencia no deseada se llamaba onda de compensación . En los transmisores de arco de hasta 70 kW, la clave generalmente acorta algunas vueltas en la bobina de la antena. [9] Para arcos más grandes, la salida del arco estaría acoplada por transformador al inductor de antena, y la tecla acortaría algunas vueltas inferiores del secundario conectado a tierra. [10]Por lo tanto, la "marca" (clave cerrada) se envió a una frecuencia y el "espacio" (clave abierta) a otra frecuencia. Si estas frecuencias estuvieran lo suficientemente separadas, y el receptor de la estación receptora tuviera una selectividad adecuada , la estación receptora oiría CW estándar cuando se sintonizara a la frecuencia "marca".
El método de onda de compensación usaba mucho ancho de banda de espectro. No solo transmite en las dos frecuencias previstas, sino también los armónicos de esas frecuencias. Los convertidores de arco son ricos en armónicos. En algún momento alrededor de 1921, la Conferencia Internacional Preliminar de Comunicaciones [11] prohibió el método de onda de compensación porque causaba demasiada interferencia. [4]
El desarrollo de métodos uniwave eliminó la necesidad de emitir señales a dos frecuencias diferentes . [12] En un método uniwave, llamado método de encendido , la incrustación comenzaría y detendría el arco. La cámara de arco tendría una varilla percutora que acortó los dos electrodos a través de una resistencia y extinguió el arco. La llave energizaría un electroimán que movería al delantero y volvería a encender el arco. Para que este método funcionara, la cámara de arco tenía que estar caliente. El método era factible para convertidores de arco de hasta aproximadamente 5 kW.
El segundo método uniwave es el método de absorción , e involucra dos circuitos sintonizados y una clave de un polo, doble tiro , hacer antes de romper. Cuando la tecla está presionada, el arco está conectado a la bobina y antena sintonizadas. Cuando la tecla está arriba, el arco está conectado a una antena simulada sintonizada llamada shunt posterior . La derivación trasera era un segundo circuito sintonizado que constaba de un inductor, un condensador y una resistencia de carga en serie. [13] [14] Este segundo circuito está sintonizado aproximadamente a la misma frecuencia que la frecuencia transmitida; mantiene el arco en funcionamiento y absorbe la potencia del transmisor. El método de absorción aparentemente se debe a WA Eaton. [4]
El diseño del circuito de conmutación para el método de absorción es significativo. Está cambiando un arco de alto voltaje, por lo que los contactos del interruptor deben tener alguna forma de supresión de arco. Eaton tenía los electroimanes de accionamiento de llave de telégrafo que operaban un relé. Ese relé utilizó cuatro conjuntos de contactos de interruptor en serie para cada uno de los dos caminos (uno a la antena y otro a la derivación posterior). Cada contacto de relé fue puenteado por una resistencia. En consecuencia, el interruptor nunca estuvo completamente abierto, pero hubo mucha atenuación.
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