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FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO - UNICAMP
EE-833 - ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
MÓDULO 3
APLICAÇÃO DE "TRIAC" NO CONTROLE DE TEMPERATURA:
CONTROLE POR CICLOS INTEIROS
ASPECTOS TEÓRICOS
3.1 Introdução
O TRIAC desempenha a função de 2 SCRs numa operação de onda completa. A Fig. mostra a característica estática de um TRIAC e o seu símbolo. Esta curva mostra a corrente através do TRIAC como uma função da tensão aplicada entre os terminais principais "1" e "2" e da corrente de porta (gate).
V
Ia Von
I
I (^) L H
Vbo
Ig2 > Ig1 > Ig=
Von
Ig=0 <^ Ig1 < Ig
1
2
(^21) G
I
III
Figura 3.1. Característica estática de triac e seu símbolo.
No quadrante (I), a polaridade no terminal principal "2" é positiva em relação ao terminal principal "1". No quadrante (III), a tensão no terminal principal "2" é negativa em relação ao terminal principal "1". Aumentando a tensão positiva aplicada ao terminal "2", como mostra a curva no quadrante (I), atinge-se a tensão de "break-over" V (^) BO na qual o dispositivo comuta de um estado de bloqueio para um estado de condução. O TRIAC permanece no estado ligado até que a corrente "Ia" caia abaixo da corrente de manutenção (I ) quando então ele seH desliga. Se a tensão V21 é invertida (V21<0), a mesma ação comutação ocorre ,como mostra a curva no quadrante (III). Assim, o TRIAC é capaz de chavear do estado ligado para o estado desligado e vice-versa, para qualquer polaridade de V. 21 Os modos de operação mais utilizados são (I)+ e (III)- que correspondem, respectivamente, a: V21 > 0 e i > 0G V21 < 0 e i < 0G Além disso, podem ser usados os modos (I)- e (III)+ que correspondem, respectivamente, a:
V21 > 0 e (^) Gi < 0; V21 < 0 e i >0,G
sendo menos preferido pelo fato de exigirem uma maior corrente de porta. A Fig. 2 mostra a estrutura interna de um TRIAC. Observe que todas as metalizações dos terminais fazem contato tanto com uma região N como com uma região P, de modo a permitir a bidirecionalidade do dispositivo.
Fig. 3.2 Estrutura interna (simplificada) de TRIAC e seu símbolo (reproduzido de GE SCR manual).
O DIAC tem comportamento análogo mas, por não dispor do terminal de gate, só é acionado quando é atingida a tensão de ruptura. É um componente de baixa potência (baixa corrente) usado, normalmente, em circuitos de disparo de TRIACS e SCRs.
3.2 Interferência Eletromagnética- IEM
Os elevados valores de dv/dt e di/dt (taxas de variação de tensão e de corrente no tempo, respectivamente) produzidos pelo controle de fase, conforme visto na experiência anterior, são uma fonte potencial de problemas de interferência eletromagnética, quer seja irradiada, quer seja conduzida pela rede de alimentação. É bastante comum captar-se esta interferência nos rádios receptores, principalmente em AM (modulação em amplitude). Como as amplitudes das harmônicas diminuem com a freqüência, a interferência nas faixas de TV e FM é, em geral, desprezível. Quando a interferência se propaga pela rede ela pode produzir mau-funcionamento de outros equipamentos conectados à mesma instalação. Diversas normas internacionais estabelecem limites para os níveis de IEM produzidos por aparelhos elétricos e eletrônicos. Uma alternativa ao controle de fase utilizado em tiristores é o controle por ciclos inteiros, no qual a entrada e a saída de condução do tiristor (seja ele um SCR ou um TRIAC), ocorre sempre quando tensão e/ou corrente são nulas, eliminando o dv/dt e/ou o di/dt. Ou seja os instantes de entrada ou saída de condução podem ocorrer apenas a cada semi-ciclo, o que faz com que este seja um tipo de controle discreto e não contínuo, como é o controle de fase. Para que seja possível um controle aceitável da variável de interesse, a variável a ser controlada no sistema deve apresentar uma constante de tempo suficientemente grande para que as comutações de baixa freqüência resultantes não afetem o processo. Exemplificando, não se usa controle de ciclos inteiros para ajustar o brilho médio de uma lâmpada incandescente, uma vez que ela se comportaria como um pisca-pisca. Mas pode-se utilizá-lo no controle de temperatura de um forno, que tem grande inércia térmica.
Vc
Vrampa
Tensão sobre a carga
Figura 3.3 Operação de controle proporcional por ciclos inteiros.
Limitador Fonte Interna
Circuito de Proteção
Driver
Detetor de zero
Comparador
4
3
12
5
2 1 14
13 8 7
9 1 0 11 6
p/ gate p/ catodo
Figura 3.4. Diagrama de blocos do circuito interno do CA3059.
O limitador de tensão entre os pinos de entrada (5) e (7) grampeia a tensão CA de entrada entre + 6 V pela ação de dois diodos zener ligados "costa a costa". A tensão limitada é aproveitada para se obter uma tensão DC positiva em relação ao pino (7). Esta tensão é usada para alimentar o restante do CI. No semi-ciclo positivo, a regulação é obtida pelo diodo zener e por um capacitor externo (1000 F, 16V) que deve ser ligado à saída da fonte (pino (2)). No semi-ciclo negativo, a regulação depende somente do capacitor C. Para melhorar a estabilidadeF desta tensão e permitir alimentar outros circuitos, pode-se conectar uma fonte externa entre os pinos 2 (+) e 7 (GND). O detetor de cruzamento de zeros deve dar uma indicação toda vez que a tensão de linha cruza o zero. O comparador compara a tensão entre os terminais (9) e (13). No ponto 9 aplica-se, externamente, a onda triangular. A tensão de controle é conectada ao ponto 13.
O circuito de disparo do TRIAC fornece em sua saída (pino (4)) pulsos nos instantes de cruzamento de zero enquanto a tensão V (^) SENSOR (V )S entre os pinos (13) e (7) for maior que a tensão de referência V entre osR terminais (9) e (7). Os demais pinos têm funções específicas que estão descritas no manual. O diagrama completo do circuito de teste está mostrado na figura 4. O CI 555 é utilizado como temporizador, produzindo a onda triangular utilizada como base de tempo do sistema. O transistor PNP funciona como uma fonte de corrente que carrega o capacitor C, fazendo com que a tensão sobre ele varie linearmente. Quando esta tensão atinge 2/3 da tensão de alimentação do CI, o C é descarregado via o pino 7, até que a tensão caia a 1/3R da alimentação, quando se reinicia o processo de carga. Para regulação de temperatura precisa, a base de tempo da rampa deve ser menor que a constante térmica do sistema mas maior que o período da tensão de linha (60Hz).
3.5 Sensores de Temperatura
Uma vez que neste experimento se deseja controlar a temperatura de um sistema, é necessário que se disponha de um elemento que tenha algum parâmetro elétrico que se altere com a temperatura. Um dos elementos mais utilizados industrialmente para esta função é o termo-par. A junção de dois materiais diferentes como, por exemplo, cobre e ferro, quando submetida a uma dada temperatura, apresenta uma diferença de potencial, a qual pode ser detectada nas extremidades livres dos condutores. Esta ddp varia de acordo com a temperatura. Esta relação entre temperatura e ddp é não linear. Outro elemento sensor, desta vez utilizado tipicamente em sistemas em torno da temperatura ambiente, é o termistor. Neste caso tem-se uma variação da resistência elétrica com a temperatura, de forma não-linear. Um NTC reduz sua resistência com o aumento da temperatura, enquanto um PTC funciona de maneira oposta.
Figura 3.5. Característica de termistor (NTC).
Se a razão entre as densidades de corrente dos transistores for constante, por exemplo mantendo a mesma corrente de coletor nos dois transistores, que por sua vez têm áreas de emissor distintas, então fica evidente a RELAÇÃO LINEAR que há entre VBE e a temperatura absoluta T. Esta relação linear favorece o uso de um par de transistores BJT como dispositivo sensor (linear) de temperatura. No intervalo térmico mais extenso de operação dos circuitos integrados em Silício: (-55 C a +125 C) a razão de áreaso^ o permanece constante e desde que a razão entre as correntes de coletor seja, também mantida constante, a tensão corresponde a diferença entre os VBE será proporcional a T.
3.5.2 Circuito Sensor de Temperatura com Saída em Corrente PTAT (Proportional To the Absolute Temperature)
Em aplicações onde o dispositivo sensor está conectado à fonte de alimentação e ao sistema de monitoração e controle através de fios longos, havendo a possibilidade do surgimento de sensíveis resistências de contato e/ou de trajeto, a conversão da Temperatura em Corrente é mais apropriada do que em Tensão. O esquema simplificado de um circuito que realiza esta conversão é mostrado na figura 8 [19]. Os transistores Q6 e Q8 reproduzem a corrente de Q7 com um ganho estabelecido pela razão de suas áreas de emissor. Constituem, dessa forma duas fontes de corrente iguais, alimentando os coletores de Q1 e Q3. O equilíbrio da estrutura é estabelecido pelo amplificador diferencial formado por Q4, Q5, Q2 e Q7 que assegura a igualdade das correntes de coletor em Q1 e Q3, controlando a diferença de potencial em seus coletores. Assim, a corrente de coletor em Q1 será PTAT e dada por:
Ic
kT qR1.
(^1) l n 8 (3.7)
Como Q2 e Q3 operam sob a mesma tensão Vbe, a corrente nos terminais do circuito será três vezes a corrente IC , ou seja: 1
Itemp
kT q R
n 1
8 . l (3.8)
Trata-se, portanto de um dispositivo sensor de temperatura com saída em corrente, calibrado em Kelvin. O desempenho do circuito é diretamente influenciado pela qualidade do resistor R1, sendo necessário que tenha baixo coeficiente térmico e alta estabilidade de longo tempo. Naturalmente estão excluídos os resistores difundidos e de polisilício que têm coeficiente térmico da ordem de 1000ppm/K. Resistores de filme-fino são os mais apropriados.
0
0,
0,
0,
0,
1
1,
0 100 200 30 0 400 500 600 TEMPERATURA [K]
Vbe[V]
Vbe2 Vbe
Vbe1-Vbe
Figura 3.7: Diferença entre Vbe’s
Figura 3.8: Circuito sensor de temperatura com saída em corrente calibrada em Kelvin
Apesar das inúmeras vantagens que apresenta a saída em corrente calibrada em Kelvin, há o inconveniente de não ser um padrão industrial de interface. A comunicação entre sensores remotos e os equipamentos de monitoração e controle, em uma planta industrial, obedece, na grande maioria dos casos, ao padrão 4-20mA [20]. O ajuste do sinal produzido por transistores numa certa faixa de temperatura ao intervalo de 4-20mA de saída, requer a implementação de um circuito razoavelmente complexo de condicionamento do sinal.
Na parte experimental, a realimentação será feita utilizado um termistor do tipo NTC, cuja característica é mostrada na figura 3.5. Tem-se também montado um sensor do tipo fonte de corrente, o qual permitirá um estudo da não-linearidade do NTC.
3.7 Controle da temperatura
Será utilizada uma lâmpada como carga para que seja visualizado o chaveamento produzido pelo circuito de controle. A temperatura a ser controlada será a do bulbo da lâmpada, sobre o qual serão instalados os sensores de temperatura, conforme indica a figura 3.9. O NTC (de 2,2 k ) será conectado à placa a fim de realizar a operação em malha fechada. O sensor tipo fonte de corrente que fornece 1 A/K, deve ser alimentado e ter sua corrente medida pelo multímetro.
Placa de Teste
Fontes CC 6V 10V
Carga
A
Sensores
NTC
Fonte de corrente
(lâmpada)
Figura 3.9. Diagrama de conexões para operação em Malha Fechada.
g) A carga de aquecimento é uma lâmpada que está instalada no “tunel”. No bulbo estão fixados os elementos sensores de temperatura. Ligue os terminais do ventilador na rede (127V). O uso do ventilador é importante para acelerar o processo de troca de calor com o ambiente, de modo a reduzir a constante de tempo térmica do sistema, permitindo visualizar mais facilmente a evolução das variáveis do sistema. Coloque a montagem na posição vertical, com o ventilador na parte inferior.
A operação em malha fechada (MF) será feita verificando a resposta do sistema a com um controlador PI (proporcional + integral). Tal função de compensação é implementada utilizando um amplificador operacional, como mostrado na figura 3.10. Vref é a tensão de referência, Vs é a tensão proveniente do sensor de temperatura. Vc é a tensão de saída do compensador e que determina o intervalo de alimentação da carga (triac ligado).
R
R
Vref +
Vs (^) Vc
Proporcional + Integral
C
Figura 3.10. Implementação de compensador PI.
i) Desconecte a carga (lâmpada) da placa de testes. Antes de passar a chave para a posição MF, ajuste a referência para um valor próximo a 2,2V. No circuito há um resistor de 180 k ^ na entrada do operacional. Coloque um resistor de 1,5M em série com um capacitor de 10uF na realimentação, implementando um controlador tipo PI. Observe os sinais nos pontos 6 e 7 (sensor), colocando-os numa mesma referência e escala vertical (500 mV/div., por exemplo). Utilize uma escala de tempo de 10 s/div., para poder visualizar a evolução do sinal do sensor
(no modelo de osciloscópio TDS3XX, no “menu horizontal”, ajuste o parâmetro “fit to screen” em “ON”). Quando o sinal do sensor estabilizar, conecte a carga e passe a chave para a posição MF. Observe, registre e comente o comportamento do sistema.
Item opcional: Característica do NTC j) Com a chave na posição MA, ajuste a referência para seu valor máximo. Desligue o ventilador. Conecte novamente a carga e deixe a temperatura se estabilizar em seu valor máximo. Meça a tensão do NTC (ponto 6) com o osciloscópio (use uma base de tempo de 10ms/div.). Desconecte a carga e vá anotando os valores correspondentes à tensão no ponto 6 e a corrente no amperímetro (que dá a temperatura em graus Kelvin). Levante uma curva que relacione a tensão do sensor (ponto 6) com a temperatura. Tome pontos, por exemplo, a cada 0,5V. A partir destes dados obtenha a curva da resistência do NTC contra a temperatura. Comente estes resultados.
Figura 7. Diagrama elétrico do circuito de teste.
RELATÓRIO:
Apresente as formas de onda e comente os resultados obtidos na Parte Experimental. O relatório deve ser entregue no início da próxima aula.
PREPARAÇÃO PARA A 4ª EXPERIÊNCIA:
Apresente os resultados relativos ao exercício preparatório da 4ª experiência
2 3
1
6 7
8
5
