Controle de potência digital (ART777)

Descrevemos um circuito que pode controlar cargas de alta potência como motores, aquecedores, sistemas de iluminação a partir de sinais digitais provenientes de um oscilador. A potência aplicada no circuito de carga vai depender do ciclo ativo deste oscilador. Controlando o oscilador por processadores de sinais de um transdutor temos um eficiente automatismo para sistemas industriais.(1994)

A idéia envolvida neste projeto é bastante interessante podendo ser aproveitada em diversos tipos de controles industriais e mesmo em automatismos para uso doméstico.

Pelo ciclo ativo de um oscilador é possível controlar uma carga de alta potência ligada à rede de energia. Como o controle se faz por meio de um acoplador óptico, o oscilador pode ser baseado em tecnologia digital (TTL ou CMOS) o que significa uma ampliação muito grande de suas possíveis aplicações.

Dentre as aplicações que podemos sugerir para este aparelho citamos as seguintes:

a) Controle de temperatura de um elemento de aquecimento numa estufa. Neste caso, basta ter um oscilador cujo ciclo ativo dependa da temperatura do ambiente, captada por meio de um sensor. No decorrer do artigo daremos sugestões de como obter isso.

b) Controle de velocidade de um motor, quando a velocidade deste motor pode ser sentida por meio um transdutor de qualquer tipo (hall, por exemplo) e controlar o ciclo ativo de um oscilador.

c) Controle de iluminação ambiente, aumentando a intensidade da luz fornecida por lâmpadas à medida que o sol for se pondo, o que pode ser sentido por um LDR no controle do ciclo ativo de um oscilador.

d) Controle digital a partir de um programa de computador. O nível de excitação do acoplador usado neste circuito pode ser determinado diretamente por um programa de computador o que permite usá-lo em automatismos industriais mais complexos.

É claro que, além destas aplicações, indicadas no diagrama de blocos da figura 1 podemos ter muitas outras que só dependem da imaginação dos projetistas.

O controle de potência pode controlar cargas de vários ampères a partir de sinais de vários tipos de transdutores.

O circuito opera tanto na rede de 110V como 220V e a corrente máxima na carga vai depender do Triac utilizado. Todos os componentes empregados no projeto são comuns no nosso mercado. O único componente algo incomum que é o transformador de pulsos para disparo do Triac pode ser enrolado pelo montador.

CARACTERÍSTICAS

* Tensão de alimentação: 110/220 VCA

* Corrente máxima: 8 A (com o TIC226B ou D)

* Faixa de controle de potência: 5 a 95% (aprox.)

* Corrente de controle: 20 mA (tip.)

* Tensão mínima de controle: 3 V

COMO FUNCIONA

Os controles de potência com dispositivos semicondutores como os Triacs e SCRs se baseiam em sua maioria no disparo e condução em determinados pontos dos semiciclos da tensão da rede de energia, conforme mostra a figura 2.

Se o disparo for feito no início do semiciclo temos maior condução e maior potência; se for feito no final, a potência aplicada à carga é menor.

Retardando por meio de uma rede RC o instante em que estes dispositivos disparo na vinda dos semiciclos da tensão da rede de energia, podemos dosar a potência que vai ser aplicada à carga.

Com o disparo no início de um semiciclo, o dispositivo semicondutor conduz quase todo o semiciclo, e assim a potência aplicada à carga se aproxima de 100%. Por outro lado, se o disparo for feito no final do semiciclo, a potência aplicada será muito menor.

Normalmente mantém-se C do circuito de retardo fixo e varia-se R para que possamos ter um controle do instante do disparo e portanto da potência aplicada na carga.

No nosso caso, o que vamos fazer é variar R através do ciclo ativo de um oscilador ou ainda pela corrente que circula num LED.

Desta forma, temos um transistor unijunção (Q1) que vai gerar o pulso de disparo do SCR pela descarga do capacitor C1.

Assim, quando o semiciclo a ser controlado tem sua tensão em subida, o capacitor C1 se carrega via R2 e pela resistência apresentada por um foto-transistor existente num acoplador óptico (CI-1).

Conforme mostra a figura 3, este acoplador óptico contém um foto-transistor e um LED infravermelho no mesmo invólucro, dispostos de tal maneira a se defrontarem. Desta forma, a luz do LED pode controlar a resistência apresentada pelo foto-transistor.

Um acoplador óptico é um foto-sensor excitado por um LED infravermelho. Não há contacto entre eles, o que significa a possibilidade de se transferir sinais de um para o outro com total isolamento elétrico.

Isso significa que o tempo de carga de C1 e, portanto o retardo do disparo de Q1 e do Triac num semiciclo depende do grau de iluminação do foto-transistor existente no acoplador óptico. Ora, como este grau de iluminação depende do brilho do LED, o qual é controlado por um circuito externo, o circuito externo é que vai comandar este disparo.

Se o LED estiver com um brilho elevado, a resistência do foto-transistor será baixa e o disparo pode ocorrer logo no início do semiciclo. A potência aplicada a carga será máxima.

O brilho do LED pode ser controlado de diversas formas.

Uma delas consiste na sua alimentação por um oscilador cujo ciclo ativo pode ser controlado como mostra a figura 4.

O ciclo ativo é a porcentagem do tempo de duração de um ciclo em que o sinal permanece no nível alto.

Alterando então a largura do pulso, podemos fazer com que o brilho do LED aumente ou diminua. Para um pulso mais estreita, temos menor potência aplicada ao LED e, portanto seu brilho é menor. Para um pulso mais largo, temos maior potência e com isso maior brilho para o LED.

Na figura 5 mostramos um circuito simples em que se pode modificar o ciclo ativo de um oscilador 555 que alimenta o LED.

As resistências de controle deste circuito não podem ser menores que l000 ?.

Na figura 6 temos um exemplo de circuito em que o ciclo ativo de um oscilador e, portanto o brilho do LED ligado em sua saída depende da resistência de um transdutor (que pode ser um LDR ou um NTC com resistência na faixa de 10 000 a 100 000 ?).

Neste oscilador o intervalo entre os pulsos depende de R1 e a sua largura depende da resistência de R2 somada a resistência do transdutor.

Uma outra forma de controlar o brilho do LED é direta, bastando utilizar um potenciômetro ou ainda um controle transistorizado, conforme mostra a figura 7.

Com estes circuitos é possível controlar linearmente o brilho do LED e com isso o ponto de disparo do Triac.

É importante observar que o LED precisa de uma faixa de correntes de operação muito baixa e que tensões a partir de 3 V podem ser usadas. Isso significa compatibilidade com a saída de circuitos de baixas potências.

A alimentação para o setor de disparo do triac é feita por um redutor de tensão com base num divisor formado por R3 e R4.

MONTAGEM

Na figura 8 temos o diagrama completo do aparelho.

Diagrama completo do aparelho. O setor de excitação do LED vai depender da aplicação.

Na figura 9 temos a disposição dos componentes numa placa de circuito impresso.

O circuito que controla o LED do foto-acoplador pode ser incluído na mesma placa para maior facilidade de projeto.

O TRIAC usado pode ser o TIC226 sufixo B para a rede de 110 V e sufixo D para a rede de 220V o qual pode controlar correntes de até 8 ampères. Este componente precisa ser montado em radiador de calor e os fios de conexão aos seus terminais MT1 e MT2 devem ser grossos, compatíveis com a potência da carga controlada.

O transistor unijunção não admite equivalentes, mas para o acoplador óptico podemos ter equivalentes desde que tenha foto-transistor como sensor.

O resistor R3 deve ser de fio com pelo menos 10 W de dissipação e C1 tanto pode ser de poliéster como cerâmico. Na verdade, C1 e R2 podem necessitar de pequenas alterações de modo a se obter a faixa desejada de potências de controle.

O resistor R depende da tensão do circuito de controle. A seguinte tabela pode servir como referência, com pequenas alterações em função do ciclo ativo do circuito ou com a finalidade de compensar as tolerâncias dos componentes.

Tensão de Controle - R

3 V - 100 ?

5 V - 330 ?

6 V - 470 ?

9 V - 680 ?

12 V - 1 k ?

15 V - 1,2 k ?

O fusível de entrada depende da corrente da carga. Para cargas indutivas pode ser necessário ligar entre MT1 e MT2 do triac um resistor de 330 ? em série com um capacitor de 100 nF x 400V no sentido de amortecer pulsos de comutação que podem gerar transientes.

O transformador de pulsos T1 é do tipo 1:1 para disparo de Triacs (Thornton ou equivalente) podendo ser enrolado pelo montado em caso de dificuldades de obtenção.

Num bastão de ferrite de 0,5 a 0,8 cm de diâmetro e 5 cm de comprimento, enrole duas bobinas de 150 voltas de fio 28 para obter os dois enrolamentos deste transformador. Observe que é preciso seguir a posição do início dos enrolamentos na conexão, marcadas pelas pintas no símbolo. Se ele for invertido o Triac não dispara.

PROVA E USO

A prova pode ser feita com a ligação de uma lâmpada em X1 e com a aplicação de uma tensão variável de 2 a 5V entre A e B e utilizando para R um resistor de 330 ?. Nesta variação devemos ter o brilho da lâmpada indo de zero ao máximo.

Se a faixa de variação for diferente, altere R2 e C1.

Observe que o LED do foto-acoplador começa a conduzir com aproximadamente 1,6 V o que significa que na faixa de tensões contínuas aplicadas de 0 a 1,6V o circuito "não responde" ao comando, por isso o processo de controle por ciclo ativo, onde a tensão se mantém constante permite que se obtenha uma faixa de variação mais linear.

Na figura 10 temos um interessante circuito para ser usado como termostato onde o sensor é um diodo comum.

O potenciômetro ajusta a temperatura em que o sistema se mantém, conforme a sensibilidade do sensor.

Uma vez comprovado o funcionamento e determinada a faixa de tensões de controle ou ciclo ativo para a potência na saída, é só usar o aparelho.

Veja que existe um isolamento total da entrada de controle em relação à rede que torna o aparelho bastante seguro, mas no setor de alta potência temos a conexão à rede de energia. O montador deve, portanto tomar o máximo de cuidado com os isolamentos deste setor.