Controle de potência com SCR (ART807)

Que tal poder controlar a velocidade de furadeiras, serras tico-tico e outras ferramentas de pequeno porte numa faixa total de potências? E o que dizer da possibilidade de se controlar a temperatura de ferros de soldar, pequenas estufas, aquecedores e outros eletrodomésticos com elementos resistivos? Evidentemente, a idéia de um controle total de tais aparelhos agrada aos leitores que gostam de equipar sua casa ou bancada com utilidades eletrônicas. Visando atender a estes leitores descrevemos um excelente controle de potência com SCR que usa componentes de baixos custos e é fácil de montar.

A idéia de se poder ajustar a velocidade de ferramentas elétricas ou ainda a temperatura de eletrodomésticos com elementos de aquecimento é bastante interessante, mas sem o emprego de recursos eletrônicos é bastante problemática.

De fato, a solução mais simples que pode passar pela mente do leitor com algum conhecimento de eletricidade é a ligação de um resistor variável em série (reostato), conforme mostra a figura 1.

Figura 1 - Controle simples, porém ineficiente, de potência

No entanto, se o eletrodoméstico ou a ferramenta tiver alto consumo o reostato além de ter de controlar uma corrente muito intensa, vai dissipar uma boa parte dessa potência, aquecendo e desperdiçando energia.

Outra solução, que é usada em muitos eletrodomésticos que possuem várias velocidades ou potências é o emprego de motores ou elementos de aquecimento com derivações, conforme mostra a figura 2.

Controle por passos com chave que realciona derivações.

Quanto mais "curto" o enrolamento ou resistência selecionada, maior será a potência ou aquecimento. No entanto, esta solução também tem seus inconvenientes, como por exemplo a mudança de velocidades ou potência somente em saltos além de se necessitar de uma chave cheia de conexões.

A solução eletrônica, sem dúvida é a melhor, por eliminar esses inconvenientes.

Usando um dispositivo de estado sólido como o SCR (Silicon Controlled Rectfier ou Diodo Controlado de Silício), esse tupo de controle tem as seguintes vantagens a serem consideradas:

* Não há perda considerável de energia no circuito de controle, o que significa pequeno aquecimento e portanto muito mais facilidade de instalação.

* A faixa de controles que vai de 0 a perto de 98% é linear, o que significa um ajuste para qualquer valor, sem os saltos que as derivações exigem.

* O dispositivo usado no ajuste trabalha com uma corrente muito baixa o que é importante para o custo e para a segurança.

No nosso projeto teremos a possibilidade de controlar eletrodomésticos de mais de 500 watts na rede de 110V e o dobro na rede de 220V, na versão básica. Com a escolha de SCRs mais potentes, a capacidade poderá ser multiplicada.

Além do SCR como dispositivo semicondutor de disparo também faremos uso de um transistor unijunção, de modo a obter características excelentes de estabilidade que significam para os eletrodomésticos com motor a manutenção do torque mesmo em baixas velocidades.

Características:

* Tensão de alimentação: 110/220 VCA

* Potência máxima: 500 W (110V) ou 1000W (220V) com possibilidade de até 1200 W em 110V ou 2400 W em 220V mediante alterações dos SCRs.

* Faixa de controle: 0 a 98% (tip)

COMO FUNCIONA

A idéia básica deste projeto é fazer o controle direto da parcela de cada semiciclo da tensão da rede de energia que é aplicado a carga.

Partimos então da forma de onda obtida na rede de energia que é senoidal de 60 Hz, mostrada na figura 3 em (a).

Formas de onda no circuito.

Se um SCR for ligado diretamente em série com uma carga, conforme mostra a figura 4, como se trata de dispositivo que conduz unilateralmente a corrente, só teremos o controle de meia onda.

Os SCRs são controles de meia-onda.

Evidentemente, com esse tipo de controle, no máximo só podemos aplicar 50% da potência máxima de uma carga controlada, o que não nos interessa.

Para obter um controle de onda completa, devemos usar uma ponte retificadora com 4 diodos, na ligação que é mostrada na figura 5.

Onda completa com 4 diodos e um SCR.

Com esta ponte, supondo que o SCR esteja plenamente em condução, teremos na carga uma forma de onda conforme a mostrada na figura 3-b.

Uma outra solução interessante, que é a que adotamos neste circuito e que elimina a necessidade de 4 diodos é a que faz uso de dois SCRs na ponte de modo que um conduza nos semiciclos positivos da rede e o outro nos semiciclos negativos, conforme mostrado na figura 6.

Modo de obter um controle de onda completa com dois SCRs e dois diodos.

Quando disparamos o SCR1, a corrente circula por este componente e pelo diodo D2, fechando assim o percurso com a rede de energia. Quando disparamos SCR2, a corrente passa por este componente e pelo diodo D1. A figura 7 mostra os percursos das correntes em cada semiciclo.

Corrente no circuito nos dois semiciclos.

O que fazemos então, para controlar a potência aplicada na carga ou circuito controlado é determinar o instante, em cada semiciclo em que cada SCR dispara. Se dispararmos no início de cada semiciclo, conforme mostra a figura 3-c, a maior parte deste semiciclo será conduzida para a carga e ela recebe mais potência.

Por outro lado, se dispararmos os SCRs no final de cada semiciclo apenas uma pequena parcela de potência vai ser conduzida para a carga e ela funciona com pequena potência.

Veja então que, variando o instante de disparo linearmente na faixa de tempos que corresponde aos semiciclos podemos aplicar qualquer parcela da potência total na carga.

Os pulsos de disparo de cada SCR no nosso controle são fornecidos por um circuito com base num transistor unijunção.

No emissor do transistor unijunção temos então um potenciômetro de controle (P1), um resistor limitador (R2) e um capacitor (C1).

A constante de tempo deste circuito vai determinar o instante que o transistor unijunção dispara e produz um o pulso que, por sua vez, dispara o SCR que está polarizado no sentido direto.

Assim, os semiciclos da rede de energia que vão determinar este disparo, em primeiro lugar se tornam todos positivos pela ação de uma ponte de 4 diodos (D5 a D8) num circuito de baixa tensão.

Dependendo então da posição de P1 temos uma carga mais rápida ou mais lenta do capacitor C1, o que vai determinar se o pulso de disparo do unijunção é produzido no início ou no final do semiciclo, ou em qualquer posição intermediária.

Para aplicar os pulsos nos SCRs usamos um transformador de impulsos especial duplo que é feito justamente para esta função pela Thornton.

Veja que a corrente que circula no potenciômetro de controle P1 é extremamente baixa e ainda que o seu circuito está isolado da rede de energia por dois transformadores.

Isso significa segurança e a possibilidade de se usar fios finos na interligação deste componente, o qual pode ficar longe do circuito de controle.

MONTAGEM

O diagrama completo do controle de potência é mostrado na figura 8.

Diagrama completo do controle.

A disposição dos componentes principais numa plava de circuito impresso é mostrada na figura 9. Observe que os diodos e os SCRs ficam fora da placa e devem ser ligados com fios grossos em vista da elevada corrente com que trabalham.

Figura 9 - sugestão de placa.

Os SCRs devem ainda ser dotados de radiadores de calor compatíveis com a potência exigida pela carga.

A seguir damos alguns SCRs que podem ser usados com suas características, lembrando que os que possuem sufixo B são para a rede de 110V e sufixo D para a rede de 220V:

TIC106B/TIC106D - 5 ampères

TIC116B/TIC126B - 8 ampères

TIC126B/TIC226B - 12 ampères

O transformador de pulsos de 1:1:1 da Thorton é um componente crítico, devendo ser usado preferivelmente o original em vista da disposição das ligações na placa de circuito impresso. É muito importante esta ligação, pois uma inversão em qualquer enrolamento impede o disparo normal dos SCRs.

O fusível de entrada deve ser escolhido de acordo com a intensidade da corrente máxima na carga.

O transformador T1 é um pequeno transformador de alimentação com enrolamento primário de acordo com a rede local e secundário de 9+ 9 V ou 12+12 V e corrente entre 100 mA e 500 mA.

Os diodos D1 e D2 devem ter a mesma corrente máxima que os SCRs e uma tensão inversa de pelo menos 200 V se a rede for de 110 V e 400 V se a rede for de 220 V. Para cargas até 200 watts sugerimos o 1N4004 na rede de 110 V e 1N4007 na rede de 220 V, com o dobro da potência. Para cargas de até 400 watts na rede de 110 V sugerimos o 1N5404. Para o dobro da potência na rede de 220 V sugerimos o 1N5407.

Já os diodos de D3 a D6 podem ser os 1N4002 ou equivalentes, pois neste ponto do circuito temos a circulação de correntes pouco intensas, e a tensão também não supera os 20 volts em nenhum instante.

O transistor unijunção não admite equivalente e a observação de sua posição no momento de ligação é importante pois, se houver inversão, ele não funciona.

Os resistores são todos de 1/8 ou 1/4 W e os capacitores podem ser cerâmicos ou de poliéster. Eventualmente será necessário mudar o valor de C1 para compensar tolerâncias de modo a se obter um ajuste perfeito de potência na faixa desejada.

Se o potenciômetro for remoto, pode ser usado fio comum paralelo isolado mesmo fino, pois as possibilidades de que ruídos ou interferências afetem o funcionamento do circuito são mínimas.

A caixa para alojar o circuito deve prever a ventilação dos SCRs. Para maior segurança é interessante que estes componentes fiquem em dissipadores externos, devidamente protegidos contra o toque acidental que pode causar choques perigosos.

PROVA E USO

Para a prova inicialmente de funcionamento e verificações, podemos usar uma lâmpada comum de 40 a 100 W com tensão de acordo com a rede local.

Ligando a unidade com a lâmpada na saída, girando P1 devemos ter a variação da luminosidade de zero até o máximo.

Se a variação só chegar a um máximo de 50% verifique um dos SCRs que pode estar com problemas ou uma eventual inversão de um dos enrolamentos do transformador de pulsos.

A ausência de brilho na lâmpada em qualquer posição do ajuste indica que o unijunção não está disparando. Neste caso, verifique a posição deste componente e as tensões no seu circuito. Se ospulsos estiverem presentes no primário de T1 pode ser necessário fazer a inversão das ligações deste enrolamento.

Se o brilho máximo não for conseguido, reduza o valor de C1 e se o brilho mínimo (zero) não for alcançado, aumente o valor deste mesmo capacitor.

Comprovado o funcionamento com uma lâmpada é só usar o aparelho.

Se ocorrerem interferências em televisores ou rádios próximos use um filtro.