Controle de potência para equipamento de foto-oxidação (dimmer temporizado de alta potência) (ART994)

Os equipamentos de foto-oxidação utilizam uma lâmpada de alta potência (1,5 kW) que deve ser temporizada para funcionar em intervalos de até 99 horas. O projeto descrito neste artigo foi desenvolvido para controlar um equipamento de foto-oxidação que se encontra em funcionamento no Instituto de Oceanografia da Universidade de São Paulo. No entanto, o mesmo circuito pode também ser utilizado no controle de outras cargas de alta potência de forma temporizada.

Newton C. Braga

Elisabete de Santis Braga (*)


Os sistemas aquáticos abrigam diversas formas de vida, entre elas organismos microscópicos, vegetais e animais. Estes organismos possuem processos metabólicos que incorporam substâncias orgânicas à matéria, ou eliminam estas substâncias como produto de seu metabolismo interno.

O interesse na determinação dos teores de substâncias orgânicas dissolvidas em sistemas hídricos naturais é bastante antigo e começou a ser desenvolvido via métodos de oxidação química, por processos trabalhosos, com diversas etapas durante as análises, expostas a contaminações frequentes.

A determinação de substâncias orgânicas em sistemas de água doce e/ou salgada representa ainda importante fonte de informação sobre a qualidade dos sistemas aquáticos, principalmente nos estudos de poluição. Atualmente, sabe-se que as substâncias dissolvidas de origem orgânica representam uma importante forma de poluição, atingindo os sistemas hídricos principalmente via esgotos urbanos, contribuindo na diminuição e até mesmo no esgotamento do oxigênio dissolvido na água e em alguns casos, exagerados

"florescimentos de algas", prejudiciais ao ecossistema, processo conhecido pelo nome de eutrofização.

A matéria orgânica presente na água doce e na água do mar pode ser oxidada expondo-se a amostra de água, acondicionada em tubos de quartzo, à radiação de uma lâmpada com média pressão de vapor de mercúrio, a qual emite radiação ultravioleta (UV) em torno de 2500 Angstrons (250 nm), assegurando-se a disponibilidade de oxigênio na amostra pela adição de algumas gotas de peróxido de hidrogênio à água. Nestas condições, ocorre oxidação, muitas vezes total, após 8 a 12 horas de exposição UV através de um processo bastante eficiente e livre de contaminações frequentes nos métodos de oxidação química (via úmida). Os produtos de oxidação então formados, como gás carbônico, nitrato, fosfato e outros podem ser facilmente analisados seguindo métodos químicos clássicos, os quais atualmente encontram-se adaptados a instrumentos de análise automática.

A eliminação das diversas etapas intermediárias de análise durante a oxidação química pela utilização da foto-oxidação, ou seja, processo de oxidação usando a energia da luz, representa um avanço no método analítico para a determinação da matéria orgânica dissolvida em sistemas hídricos naturais. A associação da técnica de foto-oxidação a dispositivos modernos de controle de temperatura e de tempo de exposição das amostras à radiação UV, possibilitam um trabalho de análise limpo e fácil, servindo-se assim de sistema automatizado, o que facilita a manipulação das amostras, melhorando ainda mais a eficiência e precisão analítica do método. Maiores detalhes sobre a metodologia fotoquímica podem ser encontrados em Armstrong et al., 1966 ou em contato com a autora, Elisabete Santis Braga (E-mail para este site)

O equipamento que se encontra em funcionamento no IO (Instituto Oceanográfico da USP - Universidade de São Paulo) tem sua estrutura ilustrada na figura 1(a, b e c).







É para este equipamento que descrevemos o controle eletrônico para a lâmpada de ultravioleta.


O PROJETO ELETRÔNICO

Uma das dificuldades na temporização e controle de um equipamento de foto-oxidação está na elevada potência da lâmpada.

Projetamos, assim um temporizador programado digitalmente de 0 a 99 horas que pode atuar diretamente sobre um TRIAC de alta potência, que tem por carga a própria lâmpada ultravioleta (UV) de alta potência.

Na figura 2 temos o circuito completo do temporizador, que funciona da seguinte maneira:



Um oscilador divisor com o circuito integrado CMOS 4060 utiliza um cristal para fornecer uma base de tempo segura. Gerando pulsos na frequência de 1 Hz, e depois a divisão por 3 600 de modo a se obter um pulso por hora, aplicamos este sinal num contador programável de 0 a 99 empregando dois circuitos integrados 4017.

O capacitor de 15 nF e o resistor de 10 k ? ligados aos pinos 15 (reset) dos contadores servem para garantir que, ao ser ligado o aparelho, a contagem seja iniciada de 00. Nesses mesmos pinos temos também a ligação de um interruptor de pressão que funciona como "zerador" ou reset, caso se deseje reprogramar a contagem do circuito.

A programação da contagem é feita com duas chaves tipo "Thumbweel" de 0 a 10, que são ligadas às entradas de uma porta AND 4082. Da saída da porta AND temos um inversor e um transistor drive para um TRIAC.

Isso significa que, quando as saídas programadas dos contadores 4017 forem ao nível alto, a saída da porta vai ao nível alto também, do inversor ao nível baixo cortando o transistor e com isso o TRIAC.

Partindo então da situação em que o aparelho é ligado e as saídas do contador no nível baixo disparam o TRIAC mantendo-o disparado, o desligamento ocorre no final da contagem programada.

O TRIAC usado foi TIC263D de 25 ampères para 400 V. No entanto, esse componente depende da carga controlada, podendo ser substituído por outros da mesma série.

Também é importante notar que este tipo de aparelho serve para outras aplicações como, por exemplo, para purificação da água com lâmpada ultravioleta, ou mesmo no controle de estufas e equipamento de secagem ou aquecimento ambiente.


MONTAGEM

A alimentação é feita por uma fonte de 12 V estabilizada incorporada ao circuito.

Se bem que a montagem não seja crítica, é preciso tomar cuidado principalmente com os pontos de alta corrente. O TRIAC deve ser montado em radiador de calor apropriado, sendo observada a existência de um terra comum ao circuito de disparo.

As chaves thumbweel de programação de contagem de tempo são do tipo digital com saídas de 1 a 10. O leitor não deve confundir esta chave com os tipos digitais (BCD) que possuem 4 saídas.

A chave CH1 altera o modo de contagem do tempo com uma divisão por fator menor, que possibilita a programação de intervalos de tempos menores.


PROVA E USO

A prova de funcionamento pode ser feita com a observação das formas de onda no oscilador com 4060, e depois com a verificação da existência dos pulsos de contagem nas saídas dos divisores seguintes com o 4040.

Posteriormente, pode-se fazer um teste com uma carga menor na saída antes da utilização com a carga definitiva.

Um sistema de proteção para o circuito de alta potência é indicada, podendo ser usado fusível ou ainda disjuntor.


Semicondutores:

CI1 - 4060 - circuito integrado CMOS - divisor

CI2, CI3 - 4040 - circuitos integrados CMOS - divisores

CI4 - 4082 - duas portas AND de 4 entradas CMOS - circuito integrado

CI5 4023 - 3 portas NAND de 3 entradas CMOS - circuito integrado

CI6 - 7812 - circuito integrado - regulador de tensão de 12 V

Q1 - 2N2222 ou equivalente - transistor NPN de uso geral

TRIAC - TIC263D ou conforme a potência da carga controlada - TRIAC para 400 V.

CI7, CI8 - 4017 - contador CMOS

D1, D2 - 1N4002 ou equivalentes - diodos retificadores

D3 - 1N4001, 1N4148 ou equivalente - diodo retificador ou de uso geral

Resistores:

R1 - 10 k ? x 1/8 W

R2 - 120 ? x 1/2 W

Capacitores:

C1 - 15 nF - poliéster ou cerâmico

C2 - 100 µF x 16 V - eletrolítico

C3 - 1 000 µF/25 V - eletrolítico

Diversos:

T1 - Transformador com primário de acordo com a rede local e secundário de 12 + 12 V x 500 mA

S1 - Interruptor de pressão NA (zerador)

CH1 - Chave de 1 pólo x 2 posições

CH2, CH3 - Chaves tipo Thumbweel de 10 posições

XTAL - Cristal de 4,193 MHz

F1 - 1 A fusível

Placa de circuito impresso, caixa para montagem, radiador de calor para o TRIAC, fios, solda, etc.



Agradecimentos:

À FAPESP pelo suporte financeiro dado ao projeto correspondente ao Processo 90/3375-1, a ao Sr. Wilsom Natal de Oliveira pelo apoio na elaboração do protótipo.

BRAGA, E.S; TEIXEIRA, C. & BONETO, R.F., 1998 (inventores) - Patente P.I. 9.302.548. Parceria com a USP e FAPESP.

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Geralmente ri por último quem compreendeu a piada por último. (He who toughs lost is generally the last to get the joke.)
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