Como Montar Um Inversor No-break Ou UPS 12VDC X 220VAC/110VAC - Projeto Versátil Old School Para Uso Em Emergências

Faz tempo que brinco com um circuito de inversor e faz mas tempo ainda que tenho vontade de montar um inversor pra chamar de meu - assim como aconteceu lá em 2017 com o projeto do amplificador de potência classe A Pur'A. Então, vamos definir aqui alguns pontos desse inversor:

• Entrada AC 110V/220V selecionável via chave
• Bateria interna 12V X 7A 
• Saída 110VAC ou 220VAC selecionável via chave
• Portas USB 5V de alta corrente via bateria (não usa o inversor)
• Carregador inteligente integrado ao projeto
• Conector para banco de baterias auxiliares externo (máximo 28A, ou 3 baterias externas + 1 interna)
• Monitor digital de carga da bateria com chave de liga/desliga - para poupar a bateria no modo inversor
• Forma de onda modificada (ainda não mensurei qual a frequência exata de saída)

A ideia é montar tudo numa caixa de ferramentas para tornar o transporte mais fácil, prático e para proteger o circuito, fornecendo ao projeto maior robustez na montagem. Mais adiante, vou disponibilizar o circuito de base desse projeto, que permite diversas melhorias e outras aplicações também.

Big big session.

Há muito tempo não me dedicava a um projeto novo. O último foi lá em novembro de 2022, a fonte de bancada com LM317 e TIP36, que está firme e forte até hoje, e confesso que já estava sentindo falta disso : )

Como eu falei antes, faz muito tempo que quero montar um projeto de inversor para uso em emergências, como estar no meio do nada e precisar carregar um celular, acender lâmpadas, usar um ferro de solda em locais onde não tem energia elétrica - como um box de garagem, na manutenção do carro, por exemplo - e que fosse portátil e versátil. Não apenas se limitando a isso, o inversor também deveria apresentar um comportamento de um no-break, permitindo seu uso permanente (sempre conectado à rede elétrica) para sustentação de outros equipamentos, já que contamos com um circuito completo de chaveamento, carga e flutuação de baterias. A única ressalva aqui foi que omiti um circuito relevante para um no-break, que pode ser facilmente implementado se essa for a sua necessidade, e que falarei mais adiante sobre ele.

Partindo dessa premissa, fui esboçando cada detalhe do que viria a ser o primeiro projeto de inversor DC/AC diyPowered. E por ser o primeiro, não poderia ser feito de qualquer jeito: precisava ser do jeito diyPowered de criar.

Se você chegou aqui agora e nunca tinha ouvido falar de mim nem do diyPowered, vou tentar explicar de forma rápida o que seria esse jeito diyPowered de criar: 

• respeitar os limites dos componentes: trabalhar com margem de segurança mesmo que o componente suporte situações atípicas
• projetar com segurança: prever aquecimentos excessivos e minimizá-los ao máximo possível, gerenciar a proteção dos circuitos e do operador, organizar painéis intuitivos e de fácil leitura
• reciclagem de lixo eletrônico: reaproveitar componentes em novos projetos, absorvendo parte do lixo gerado por empresas e por pessoas

Existem outros propósitos envolvidos aqui, mas um dia desses eu dedico um post somente para isso. Vamos ao que interessa agora!

Características do projeto

Como sempre, utilizei componentes fáceis de serem encontrados num circuito de baixa manutenção - e que fosse de fácil manutenção quando necessário - com um esquema elétrico que permitisse upgrades dinâmicos, como por exemplo, aumentar a potência do inversor apenas alterando o transformador e os MOSFETS da saída. Também foi previsto uma possível recarga de baterias automotivas, de forma emergencial, visto que a corrente de carga do inversor não é do tipo 'carga rápida' e pode levar algumas horas para que a carga esteja completa ou seja suficiente para a partida do motor.

Sobre o gabinete escolhido: resistente, compacto e que permitisse uma manutenção fácil e descomplicada, praticamente um tool-less, acessível por um fecho de pressão. A ideia inicial seria montar o inversor numa caixa de ferramentas bem forte, mas como eu não pretendia gastar com isso e também por se tratar de um protótipo, resolvi sacrificar meu porta-componentes - que já foi um porta-joias um dia. Se você for montar esse projeto, recomendo um gabinete bastante resistente para que suporte o peso da bateria e do transformador.

Luminária universal

Outra característica seria permitir que fossem instaladas lâmpadas - preferencialmente LED - comerciais diretamente no inversor, para utilização como luminária. A única observação é quanto ao range de operação: precisa ser bivolt, já que o inversor pode operar tanto em 110V quanto em 220V.

Portas USB 5V 1A

Permite a carga de até dois dispositivos de forma simultânea sem a utilização do inversor, ou seja, a carga acontece diretamente da bateria para os dispositivos. A corrente máxima é de 1A e esta corrente é dividida quando dois dispositivos são conectados.

Bateria interna

Uma bateria de 12V x 7A foi adicionada ao circuito e pode ser acessada facilmente apenas levantando a tampa superior do inversor, facilitando a manutenção. Baterias de mesmo formato com correntes maiores podem ser adicionadas, o que aumentará o tempo de carga de forma proporcional, também ampliando a autonomia do inversor.

Conexão de engate rápido para baterias externas

É possível adicionar baterias externas ao inversor, bem como carregar baterias automotivas em casos extremos. A carga é lenta, mas segura e controlada. Outra possibilidade é utilizar o inversor somente com baterias externas, por exemplo, numa situação atípica onde se conecta o borne externo do inversor diretamente à bateria de um veículo.

Bivolt manual

O inversor pode operar em redes 110V e 220V e a tensão de saída no modo bateria será a mesma selecionada na chave traseira. Ou seja, se a rede elétrica for 110V, a saída do inversor em modo bateria será 110V e vice-versa.

Fusíveis de proteção AC e DC

Para aumentar a segurança de operação do inversor, foram adicionados dois fusíveis principais, um para a entrada de energia elétrica e outro para as baterias. Um LED no painel frontal é iluminado caso o fusível das baterias se rompa, indicando a falha.

Conector de força padronizado

Por ser portátil, o cabo de força é removível. Qualquer cabo com mesmo padrão pode ser utilizado, facilitando a reposição caso necessário.

Cooler interno autogerenciado

Em situações extremas - temperatura ambiente acima dos 28º C, carga de múltiplas baterias ou de baterias automotivas - um cooler interno pode ser acionado de forma automática para manutenção da temperatura de trabalho do conjunto. Esse cooler não permanece ativo todo o tempo, sendo acionado somente se for necessário e é alimentado pela fonte auxiliar.

Circuito carregador inteligente

Tensão regulada e controlada com corrente segura, permite o carregamento total com posterior flutuação, mantendo as baterias sempre prontas para uso. Quando chaveado em modo normal - rede elétrica presente - o enrolamento do transformador é dedicado ao circuito carregador, fornecendo uma tensão de 16,4V em aberto que é regulada para 14,4V e gerenciada pelo controlador de carga, alternando a bateria para flutuação de forma automática quando a tensão final alcança os 14,2V - a tensão final de carga pode alcançar 14,4V até 14,6V de acordo com a maioria dos fabricantes de baterias do tipo chumbo-ácida, mas optei por um cut off antecipado para evitar desgastes prematuros. Um voltímetro digital foi adicionado para permitir o monitoramento da carga da bateria.

Chaveamento AC/DC inteligente

Quando o inversor está em modo bateria, nenhum dos relés está atracado, reduzindo ao máximo qualquer carga extra. Também foram aplicados LEDs vermelhos nessa condição, por serem de baixo consumo e o cooler não é utilizado em modo bateria, visto que o circuito inversor não gera aquecimento que justifique a aplicação de ventilação forçada.

Painel frontal e indicadores visuais

O painel do inversor permite controle total sobre as funcionalidades com chave geral, que corta totalmente o contato da bateria. Dessa forma, não existe corrente de stand by. Alguns LEDs foram adicionados para auxiliar a leitura da operação - rede elétrica presente, modo bateria, carga completa, USB ativa e fusível DC aberto - e outras duas chaves permitem ligar/desligar o inversor e as portas USB. 

A possibilidade de desligar o inversor pela chave frontal vem da necessidade de manter o inversor conectado à rede elétrica durante a recarga das baterias. Caso falte energia elétrica durante a recarga, o inversor não entrará em operação, mantendo a carga das baterias inalteradas. Já a chave que permite desligar as portas USB, desconecta totalmente o regulador de 5V da bateria, impossibilitando qualquer consumo de stand by.

Outras aplicações para o projeto

Aproveitando o mesmo circuito inversor com a adição de um circuito cut off de proteção contra descargas profundas das baterias, podemos criar outro projeto bastante interessante: um no-break/UPS para sustentar modem, roteador, switch e equipamentos de telefonia, levando em consideração que esses equipamentos possuem consumo baixo e poderiam ser facilmente atendidos com transformadores menores e entregando grande autonomia final.

Outra aplicação interessante é utilizar o inversor em veículos como motor home, ônibus e triciclos para acionamento de cargas AC diretamente pela tensão da bateria. Algumas pequenas alterações e seria possível operar o inversor a partir de 24VDC e até 48VDC, por exemplo. O circuito original é muito versátil e pode ser aproveitado para diversas outras aplicações, servindo como base para diversos outros projetos.

Considerações finais

O esquema elétrico permite alterações para aumentar a potência do inversor, como mencionei anteriormente, basta alterar o transformador e os MOSFETS, caso necessário. Não incluí um feedback, então, aproximando-se da capacidade máxima do transformador, a tensão tende a cair. Não vi necessidade real para implementar o feedback, mas você pode facilmente adaptar um ao circuito atual. Importante manter conexões e fiação compatíveis com as correntes elevadas para evitar danos e aquecimentos desnecessários ao inversor. Aqui vão algumas recomendações relevantes:

• Cuidado com as chaves e porta-fusíveis escolhidos, esses componentes precisam suportar altas correntes sem sofrer danos ou gerar aquecimentos
• O carregador pode ser alterado para fornecer maior corrente, basta adaptar um transistor ao LM317 (no datasheet do LM317 você encontra formas de fazer isso, é excelente para conseguir maiores correntes)
• O transformador principal é chaveado constantemente, então, escolha um que possa suportar o trabalho duro
• Relés de qualidade, por favor! 
• Fiação interna com bitola de acordo com a corrente
• O voltímetro é opcional, mas altamente recomendável
• Não existe um circuito de cut off para proteger as baterias contra descarga profunda e isso é intencional: como é um inversor de emergência, é viável sacrificar as baterias para conseguir carregar um celular, por exemplo (se a sua intenção for montar um no-break/UPS, recomendo implementar o circuito de proteção ao projeto)
• A fonte de alimentação auxiliar pode ser substituída por algum enrolamento do transformador principal, desde que esse possua mais linhas disponíveis, mas vai implicar em algumas adaptações no projeto - por segurança e bom-senso, mantenha essa fonte auxiliar!
• LEDs utilizados são do tipo comuns, se você for usar outros tipos - como de alto brilho, por exemplo - os resistores limitadores podem ser recalculados
• O cooler é opcional: não aplicá-lo no projeto vai exigir que você use um dissipador de calor muito eficiente nos componentes críticos - lembrando que o cooler serviria para resfriar o transformador também
• Ao alterar a potência do inversor e/ou o número de baterias, recalcule os fusíveis de proteção F1 e F2 para manter a segurança da operação

Pretendo fazer uma série de testes com o inversor, para maiores detalhes de comportamento de uso - autonomia máxima, tempos de carga etc. - e os dados serão postados aqui, de forma a complementar as informações de características do projeto.

Antes de qualquer coisa, tenha muito cuidado ao realizar qualquer tipo de reparo, modificação, ajuste ou intervenção em equipamentos elétricos ou eletrônicos. Primeiramente, pela sua segurança. Não me responsabilizo por quaisquer prejuízos que você possa causar ao equipamento, a você e/ou a terceiros. Faça por sua própria conta e risco.

E temos o esquema elétrico sim, claro! Formato PDF disponível para download aqui. Considere apoiar o site para que mais projetos e ideias possam ser compartilhadas por aqui : )