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Drives de Potência - Cuidados ao Projetar (ART1320)

Uma grande quantidade de equipamentos eletrônicos modernos utiliza etapas de potência que excitam cargas dos mais diversos tipos tais como lâmpadas, LEDs, motores, solenóides, relés, etc. O projeto dessas etapas exige cuidados especiais, pois cada uma delas se comporta de uma maneira diferente quando comutada. Um descuido na consideração desse fato pode levar a problemas como a queima dos dispositivos excitadores. Veja nesse artigo o que deve ser considerado no projeto de uma etapa excitadora de potência.

Uma boa quantidade de aplicativos interfaceia circuitos de controle como microcontroladores e outros com dispositivos de potência tais como relés, lâmpadas, solenóides, motores, etc.

Este interfaceamento utiliza dispositivos semicondutores que são sensíveis, podendo sofrer danos em caso de sobrecorrentes ou sobretensões.

Isso significa que, no projeto dessas interfaces de excitação ou circuitos excitadores de potência, o projetista deve tomar muito cuidado na escolha do componente usado, levando em conta as características da carga que vai ser comutada.

Assim, para efeito de análise, podemos dividir as cargas em três categorias, quanto ao modo como elas se comportam num circuito:

* Resistivas

* Capacitivas

* Indutivas

 

As cargas resistivas seriam as que menos problemas poderiam causar a um projetista se não fosse um fato: não existe uma carga resistiva ideal.

Uma carga resistiva ideal, não apresentaria variações de corrente ou tensão quando comutada, conforme mostra a figura 1.

 

Figura 1
Figura 1

 

Na prática, entretanto, isso não ocorre a não ser em alguns casos raros. Podemos citar como exemplo, de carga resistiva que na realidade não é ideal e por isso não é linear, uma lâmpada incandescente comum.

Quando o filamento está frio sua resistência é mais baixa do que quando está quente, ou seja, quando a corrente nominal é atingida. Isso significa que na comutação, temos uma curva de resposta como a mostrada na figura 2.

 

Figura 2
Figura 2

 

O pico de corrente quando uma lâmpada é ligada pode chegar a mais de 3 vezes a corrente nominal. A duração desse pico e o valor de sua queda vão determina a energia que vai ser dissipada no processo de aquecimento pelo dispositivo comutador.

Assim numa aplicação intermitente (um pisca-pisca, por exemplo) esses picos de corrente podem ser importante para a determinação da potência que o dispositivo comutador vai ter de dissipar.

Um elemento de aquecimento de uma estufa, por exemplo, ou um secador de objetos já não tem um pico de corrente tão elevado, pois a variação da temperatura e, portanto, da resistência é menor. No entanto a curva de comportamento é semelhante e deve ser considerada no projeto de uma etapa excitadora.

As cargas capacitivas são mais raras, mas deve-se considerar que, quando um capacitor é conectado a uma fonte de alimentação, temos uma corrente inicial de carga elevada, o que de certo modo resulta numa curva semelhante á das lâmpadas incandescentes. Nesse caso entretanto, a variação ou queda da corrente até o valor nominal (que pode ser determinado por outros componentes do circuito) vai depender da capacitância associada.

De qualquer forma, excitando uma carga capacitiva o projetista deve estar muito atento para esse problema da corrente inicial que eventualmente pode ser limitada por algum recurso de circuito.

Tanto para cargas resistivas como para cargas capacitivas, uma maneira de se obter uma limitação de corrente no momento da comutação é através da conexão de um resistor limitador em série, conforme mostra a figura 3.

 

Figura 3
Figura 3

 

No caso das cargas resistivas deve-se levar em conta que esse resistor, estando em série, vai permanecer dissipando uma certa energia quando a carga estiver ligada, representando um gasto adicional de energia e que também, ele "divide" a tensão com a carga que passa a receber um pouco menos que a tensão nominal.

No caso das cargas capacitivas, é preciso levar em conta que a presença desse elemento aumenta a constante do tempo do circuito que passa a responder à comutação de uma forma mais lenta, conforme mostra a figura 4.

 

Figura 4
Figura 4

 

Mas, os problemas maiores ocorrem mesmo quando as cargas comutadas são indutivas e justamente é esse tipo de c arga que predomina nas aplicações atuais.

Relés, solenóides e motores são usados numa infinidade de aplicações modernas, sendo comutados por transistores e outros semicondutores a partir de sinais de microcontroladores e outros circuitos.

Para exemplificar o comportamento de um desses dispositivos num circuito comutador vamos tomar inicialmente como exemplo um solenóide. A curva de resposta à comutação desse dispositivo é mostrada na figura 5.

 

Figura 5
Figura 5

 

Observe a curva estranha que mostra os efeitos do movimento do núcleo do solenóide até o ponto em que ele encontra resistência mecânica e, portanto, "reage" com um aumento adicional da corrente. Isso faz com que sejam obtidos dois picos nessa curva e não apenas um.

Evidentemente, a amplitude desses picos e também os tempos envolvidos vão depender da indutância desse elemento e da maneira como ocorre a comutação.

O projetista deve estar bastante atento a esse comportamento, pois os picos de corrente e depois as tensões que são induzidas quando esse componente é desenergizado podem facilmente danificar o componente comutador.

É claro que, para a tensão induzida no desligamento existem as proteções como os diodos ligados em paralelo tanto com a carga comutada como também no caso do dispositivo semicondutor usado na comutação. Lembramos que em muitos casos, os dispositivos comutadores já possuem essa proteção internamente.

Outro caso de carga indutiva "mais bem comportada" é a de um motor de passo, onde temos uma curva de resposta como a mostrada na figura 6.

 

Figura 6
Figura 6

 

Nesse caso, também temos uma corrente que aumenta até o valor de pico suavemente, dependendo da indutância do componente. No entanto, nesse caso não se mostra a tensão que é induzida quando o componente é desligado e que pode afetar o dispositivo comutador, exigindo-se para essa finalidade a utilização de recursos de proteção.

Nesse caso, muito mais perigosa do que a corrente é a tensão que aparece no desligamento.

 

Cuidados a Serem Tomados

Em função do comportamento dos diversos tipos de cargas que vimos, é preciso estar atento às características dos componentes que vão ser utilizados nos circuitos comutadores. Transistores bipolares comuns ou Darlington, Transistores de Efeito de Campo de Potência (MOS), SCRs e outros são sensíveis a surtos intensos de correntes e à tensões inversas elevadas.

Os projetistas devem estar atentos aos seguintes pontos:

* Corrente drenada da fonte ou bateriam incluindo os transientes quando o circuito é ligado ou desligado.

* Tensão na fonte no momento do acionamento e também quando em funcionamento.

* Tipo de saída que o transdutor comutado produz e sua intensidade. Movimento, som, luz, calor, etc.

* Energia que a carga dissipa na forma de calor. Também devem ser consideradas perdas por atrito, magnéticas e outras.

* Energia que retorna ao circuito comutador, por exemplo, os pulsos gerados quando uma carga indutiva é aberta.

 

Com esses pontos, as características do componente usado podem ser determinadas, tais como:

* Corrente contínua entre coletor e emissor ou entre o dreno e a fonte, dependendo do dispositivo comutador utilizado.

* Corrente de pico no coletor ou dreno do dispositivo comutador utilizado.

* Dissipação total de potência na temperatura ambiente.

* Energia dos picos e transientes que devem ser manuseados pelo dispositivo comutador.

* Tensão máxima entre o coletor e o emissor ou entre o dreno e a fonte do dispositivo comutador.

* Resistência apresentada pelo dispositivo comutador em plena condução. Rds(on) para os MOSFETs, por exemplo.

 

Em função disso, o dispositivo apropriado para a comutação da carga pode ser escolhido, sem o perigo de apresentar falhas devido às características de comutação não previstas da carga alimentada. Levem-se em conta as tolerâncias dos componentes, dando uma boa margem de segurança aos seus projetos.

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