COMO FUNCIONA:
EL CONVERTIDOR PORTÁTIL DE VOLTAJE
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José Luis Giordano
Agosto 14, 2006 (Última revisión: Mayo 7, 2007)



1-QUÉ ES

Los aparatos eléctricos que funcionan con las redes de alimentación domiciliarias de corriente alterna (AC, altern current), reciben un voltaje que cambia senoidalmente (V(t) = Vmax sin(w t), w = 2 p f). Según el país, la frecuencia es f = 50 ó 60 Hz (hertz, ciclos por segundo), y la amplitud (el valor máximo) de esta onda senoidal de voltaje suele ser igual o similar a Vmax = 156 V (= 110 V x raíz cuadrada de 2) ó 311 V (= 220 V x raíz cuadrada de 2).

Cuando se menciona el voltaje de una red eléctrica, no se hace referencia a la amplitud, sino al voltaje efectivo o voltaje eficaz Vrms en volt-rms, Vrms (rms, root mean square). Para una onda senoidal V(t), el voltaje eficaz Vrms es la amplitud Vmax dividida por la raíz cuadrada de 2 (aproximadamente el 71% de Vmax). Hay redes eléctricas AC de Vrms = 110 Vrms a 60 Hz en USA, 120 Vrms a 60 Hz en Canadá, 220 Vrms a 50 Hz en Argentina, Chile y Europa Continental, y 240 Vrms a 50 Hz en UK.

El llamado convertidor portátil de voltaje o de potencia (denominado a veces transformador electrónico) en realidad no es un transformador y ni siquiera convierte el voltaje eficaz de 220 a 110 V. Es un aparato electrónico que se conecta a la red eléctrica de 220/240Vrms para hacer funcionar ciertos artefactos (no cualquiera) de 110/120 Vrms, y que hace que el artefacto disipe una potencia similar en la red de 220/240Vrms, a la que disipa conectado directamente en la red de 110/120Vrms.


En qué se diferencia de un transformador

Hay 4 diferencias esenciales. La primera es que la onda salida de un transformador AC es senoidal, y por lo tanto, el transformador sirve para cualquier artefacto AC (de la potencia y voltaje correspondientes). Esto no sucede con el convertidor portátil de voltaje, cuya onda no es senoidal. Esto es una gran desventaja del convertidor.

Otra diferencia importante, es que aunque el artefacto conectado al transformador estuviese apagado, el transformador de todos modos se calentaría un poco (consumiría energía), ya que una parte (el bobinado primario), estaría conectado a la red de alimentación eléctrica, dejando pasar una corriente. El convertidor no; su circuito solo funciona cuando se enciende el artefacto. Esto es una ventaja del convertidor portátil de voltaje.

Las otras dos diferencias son ventajas importantes del convertidor, que están relacionadas por la densidad del material: la muy baja masa y peso, y el reducido volumen. Un transformador de 220V a 110V es relativamente pesado y voluminoso, porque tiene alambres de cobre y un núcleo de hierro o de ferrita (materiales de unos 7-9 g/cm3), cuya masa debe ser mayor mientras mayor sea la potencia que debe suministrar. Por lo tanto, también a mayor potencia, mayor será su volumen.



Por ejemplo, un transformador de los más chicos que se suelen ver es el MINWA MW50R Foreign Travel AC-Converter (de 220/240V a 110/120V, 50/60Hz) para artefactos de hasta solo 50W, que mide unos 3 cm x 4 cm x 6 cm y pesa unos 0.3 kg. En la Figura anterior se muestran dos transformadores de estos, uno conectado a un cargador de 4 baterías, y el otro conectado a un soldador de 30W. Como comparación, se muestra un transformador de 220V a 125V para artefactos de hasta 500W, que pesa unos 2 kg.

Por el contrario, los convertidores portátiles de voltaje son livianos (pesan menos de 150 g), pequeños (4 cm x 5 cm x 6 cm aprox.), y su peso y volumen cambian muy poco entre un modelo para 120 W y otro para 1200 W.

En la foto siguiente se muestra un producto especial: el Foreign Voltage Adaptor, (de RCA, USA), que trae en una caja varios adaptadores de enchufes (no mostrados en la foto) para poder conectarlo en los enchufes de diversos países. El convertidor (Dual Wattage Converter) es poco común porque en realidad es una caja con las dos opciones: un transformador para baja potencia, y un convertidor para artefactos de mayor consumo. El transformador es similar a los mostrados en la Figura anterior, para artefactos de no más de 50 W, y el convertidor -no transformador- es para lámparas, calefactores o motores de potencia hasta 1200 W. Ambos dispositivos, se encuentran en la misma cajita y se conmutan con una llave (de color rojo, en la foto).



Un detalle importante acerca del nombre "Dual Wattage Converter" es que el transformador es un "Voltage Converter", mientras que el aparato del que trata este artículo es más parecido a un "Wattage Adapter".


2-PARA QUÉ SIRVE

Las personas que viajan de un sitio a otro, además de encontrar la desagradable sorpresa que para hacer funcionar sus aparatos necesitan diferentes enchufes y conectores, encuentran también verdaderas pesadillas de compatibilidad entre las normas, como las normas de TV-Color (NTSC en USA, Canadá, Chile, ..., Pal-B en Alemania, España, UK, Italia, ... , Pal-N en Argentina, Pal-M en Brasil, SECAM en Francia, ...), la región de los DVD´s (1 USA, Canadá, 2 Europa Occ., Japón, Sudáfrica, 3 Asia, 4 Australia, Centro y Sudamérica, 5 Rusia, Europa del Este y África, 6 China), la frecuencia (50 ó de 60 Hz) y el voltaje eficaz (110/120 ó 220/240 Vrms) de la red de alimentación eléctrica domiciliaria.

Los aparatos que tienen solo un motor (como afeitadoras), un transformador (como los cargadores de baterías), una resistencia (como soldadores, hornos, planchas y hervidores) o un filamento (como las ampolletas), y la mayoría de las radios AM-FM, reproductores de cassettes, de CD´s, y reproductores de DVD´s (usados con los DVD´s del sitio original), el único problema que suelen tener (además del enchufe) es el voltaje: Si son de 220/240Vrms y se usan en 110/120Vrms, no funcionan bien o no funcionan; pero al revés es peor, pues si son de 110/120Vrms y se usan en 220/240Vrms, se queman y hasta pueden producir un incendio!

Por lo tanto, el convertidor de voltaje -no transformador-, sirve para usar algunos de los artefactos (como los mencionados en el párrafo anterior) fabricados para países de 110/120 Vrms, en redes eléctricas de 220/240 Vrms.

En la foto siguiente se muestra el Dual Wattage Converter de 50 W y 1200 W mencionado antes, conectado a un calefactor de 90 W (de un "alisador de pelo"). Por supuesto, para esta aplicación donde el artefacto supera los 50 W de potencia del transformador, está seleccionado el convertidor -no transformador- de 1200 W.




3-DE QUÉ ESTÁ HECHO

El convertidor portátil de voltaje es un aparato cuyo circuito es muy simple. Además de los componentes electrónicos típicos (como resistencias, bobinas y condensadores) está compuesto por dos componentes de estado sólido: un dispositivo de disparo en AC denominado DIAC, y un dispositivo de conmutación en AC denominado TRIAC.

Los circuitos de los convertidores portátiles de voltaje para 120 y 1200W por ejemplo, tienen un triac de respectivamente menor y mayor capacidad de conducción y disipación, y esto, en general, cambia muy poco el peso y el volumen del convertidor (a diferencia de lo que ocurre con los transformadores). En la Figura siguiente se muestra sobre la esquina superior derecha de la página de un libro, un triac BT136-600 que mide menos de 3 cm, y que podría usarse tanto en el circuito de un convertidor para artefactos de hasta 120W como en los de 1200W.



Además del triac y el diac, el circuito de un convertidor suele tener un filtro RLC de interferencias, una etapa de disparo del triac, implementada a través de una constante de tiempo RC y del diac, y una rama "snubber RC" de protección del triac, para evitar su autodestrucción y falsos disparos.


4-CÓMO FUNCIONA

Los aparatos de 110/120Vrms conectados a 220/240Vrms, en general se queman por exceso de disipación, no porque haya ruptura de la aislación dieléctrica (Es decir, no se queman porque salte una chispa debida al exceso de voltaje). Esto sucede porque el doble de voltios no es suficiente, en general, para romper la aislación, pero el doble de voltaje hace que los aparatos tiendan a disipar cuatro veces más potencia que la especificada. Por lo tanto, lo que hace el convertidor de voltaje, es que en una red del doble de voltaje, el aparato disipe solamente la potencia para la cual ha sido fabricado. En el área de la Electrónica, este convertidor es un circuito que se conoce como adaptador de 220 V a 110 V por ángulo de conducción. Más específicamente, es un control de potencia por ángulo de conducción, pero fijo para un solo caso: suministrar a partir de 220Vrms una cuarta parte de la potencia, equivalentemente a que el voltaje fuese senoidal de 110Vrms.

Un transformador de 220V a 110V recibe una onda senoidal con una amplitud de 311 V y la transforma (por inducción electromagnética) en una onda senoidal de la misma frecuencia, pero con amplitud de unos 156 V. Además, el transformador va suministrando la potencia de forma continua, con el voltaje oscilando y cruzando por cero en cada semiciclo (de 10 ms) de voltaje de la red (de 50 Hz), cuando la onda senoidal va por 0 y por 180 grados. Del mismo modo, la corriente de alimentación que fluye a través del artefacto alimentado por un transformador, cambia suavemente, en general, de forma sinusoidal.

En el convertidor de voltaje -no transformador-, el TRIAC actúa como un interruptor de la red de alimentación de 220/240Vrms, que conecta al artefacto diseñado para funcionar en 110/120Vrms, solo el tiempo necesario al final de cada semiciclo de 220/240Vrms, para que la potencia disipada sea la que ese aparato debe disipar. Esta es la clave del funcionamiento del convertidor.

Lamentablemente, cuando el triac se dispara y conduce, la corriente en el artefacto comienza a circular súbitamente. Un análisis de Fourier de la corriente muestra que eso genera armónicos (ondas de frecuencias múltiplos de f). El ruido generado es acústico (2f, 3f, ..., 300f) que produce vibraciones mecánicas, y electromagnético, con ondas que escapan del circuito. Para las altas frecuencias, las dimensiones del circuito hacen que éste se comporte como una antena, irradiando energía electromagnética al espacio, y haciendo, entre otras cosas, que no se cumpla la Ley de Kirchhoff del voltaje (debido a la no conservación de la energía en el circuito). Este ruido electromagnético puede afectar a equipos cercanos que trabajen con señales, como radios, televisores, computadores y reproductores música e imagen. Por lo tanto, el circuito del convertidor portátil de voltaje suele tener filtros de interferencia electromagnética. Esto limita la utilización de estos convertidores a artefactos que no utilicen señales sonido, ni imagen ni datos. Por eso se utiliza solamente con motores, transformadores, calefactores y lámparas de iluminación.





REFERENCIAS

(1) Lilen H 1973 Thiristors et Triacs; Seconde édition (Paris: Radio)
Traducción al Castellano: 1976 Tiristores y Triacs (Barcelona: Marcombo)

(2) Motorola Inc. 1989 Thyristor Device Data; Serie C, 3rd Printing DL 137 REV 3 (USA: Motorola)





AGRADECIMIENTOS

A mi sobrina, Tatiana Verrillo, por prestarme los elementos de las fotos.



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