Acionamentos eletrônicos

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ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Tiristor -SCR (Silicon Controlled Rectifier) Retificador Controlado de Silício CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DO SCR Tiristor é o nome genérico dado à família dos componentes compostos por quatro camadas semicondutoras (PNPN). O Tiristor SCR (Silicon Controlled Rectifier) é o mais conhecido e aplicado dos tiristores existentes. Foi desenvolvido em 1957 por um grupo de engenheiros do Bell Telephone Laboratory (EUA). Os Tiristores SCR’s funcionam analogamente a um diodo, porém possuem um terceiro terminal conhecido como Gatilho (Gate ou Porta). Este terminal é responsável pelo controle da condução (disparo). Em condições normais de operação, para um SCR conduzir, além de polarizado adequadamente (tensão positiva no Ânodo), deve receber um sinal de corrente no gatilho, geralmente um pulso. A principal aplicação que os SCR têm é a conversão e o controle de grandes quantidades de potência em sistemas CC e CA, utilizando apenas uma pequena potência para o controle. Isso se deve à sua ação de chaveamento rápido, ao seu pequeno porte e aos altos valores nominais de corrente e tensão em que podem operar. Algumas características dos SCR’s: São chaves estáticas bi-estáveis, ou seja, trabalham em dois estados: não condução e condução, com a possibilidade de controle. Em muitas aplicações podem ser considerados chaves ideais, mas há limitações e características na prática. São compostos por 4 camadas semicondutoras (P-N-P-N), três junções (P-N) e 3 terminais (Ânodo, Cátodo e Gatilho). São semicondutores de silício. O uso do silício foi utilizado devido a sua alta capacidade de potência e capacidade de suportar altas temperaturas. Apresentam alta velocidade de comutação e elevada vida útil. Possuem resistência elétrica variável com a temperatura, portanto, dependem da potência que estiverem conduzindo. São aplicados em controles de relés, fontes de tensão reguladas, controles de motores, Choppers (variadores de tensão CC), Inversores CC-CA, Ciclo-conversores (variadores de freqüência), carregadores de baterias, circuitos de proteção, controles de iluminação e de aquecedores e controles de fase, entre outras. A figura 1 apresenta a simbologia utilizada e as camadas, junções e terminais, enquanto a figura 2 apresenta um tipo de estrutura construtiva para as camadas de um SCR. A figura 3 mostra a aparência do encapsulamento tipo TO de um SCR muito utilizado, já acoplado a um dissipador de calor. A figura 4 mostra alguns SCR de alta potência com encapsulamento tipo rosca e tipo disco. 1

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ACIONAMENTOS ELETRNICOS

Tiristor -SCR(Silicon Controlled Rectifier) Retificador Controlado de SilcioCARACTERSTICAS BSICAS DO SCRTiristor o nome genrico dado famlia dos componentes compostos por quatro camadas semicondutoras (PNPN).

O Tiristor SCR (Silicon Controlled Rectifier) o mais conhecido e aplicado dos tiristores existentes. Foi desenvolvido em 1957 por um grupo de engenheiros do Bell Telephone Laboratory (EUA).

Os Tiristores SCRs funcionam analogamente a um diodo, porm possuem um terceiro terminal conhecido como Gatilho (Gate ou Porta). Este terminal responsvel pelo controle da conduo (disparo). Em condies normais de operao, para um SCR conduzir, alm de polarizado adequadamente (tenso positiva no nodo), deve receber um sinal de corrente no gatilho, geralmente um pulso.

A principal aplicao que os SCR tm a converso e o controle de grandes quantidades de potncia em sistemas CC e CA, utilizando apenas uma pequena potncia para o controle. Isso se deve sua ao de chaveamento rpido, ao seu pequeno porte e aos altos valores nominais de corrente e tenso em que podem operar.

Algumas caractersticas dos SCRs:

So chaves estticas bi-estveis, ou seja, trabalham em dois estados: no conduo e conduo, com a possibilidade de controle.

Em muitas aplicaes podem ser considerados chaves ideais, mas h limitaes e caractersticas na prtica.

So compostos por 4 camadas semicondutoras (P-N-P-N), trs junes (P-N) e 3 terminais (nodo, Ctodo e Gatilho).

So semicondutores de silcio. O uso do silcio foi utilizado devido a sua alta capacidade de potncia e capacidade de suportar altas temperaturas.

Apresentam alta velocidade de comutao e elevada vida til.

Possuem resistncia eltrica varivel com a temperatura, portanto, dependem da potncia que estiverem conduzindo.

So aplicados em controles de rels, fontes de tenso reguladas, controles de motores,

Choppers (variadores de tenso CC), Inversores CC-CA, Ciclo-conversores (variadores de freqncia), carregadores de baterias, circuitos de proteo, controles de iluminao e de aquecedores e controles de fase, entre outras.

A figura 1 apresenta a simbologia utilizada e as camadas, junes e terminais, enquanto a figura 2 apresenta um tipo de estrutura construtiva para as camadas de um SCR. A figura 3 mostra a aparncia do encapsulamento tipo TO de um SCR muito utilizado, j acoplado a um dissipador de calor. A figura 4 mostra alguns SCR de alta potncia com encapsulamento tipo rosca e tipo disco.

Figura 1 SCR: Simbologia, Camadas e Junes

Figura 2 Um tipo de estrutura interna das camadas de um SCR

Figura 3 Encapsulamento tipo TO para SCR, com dissipador de calor.

Figura 4 SCR com encapsulamentos tipo rosca e tipo disco para altas potncias.

SCR IDEAL:

Um SCR ideal se comportaria com uma chave ideal, ou seja, enquanto no recebesse um sinal de corrente no gatilho, seria capaz de bloquear tenses de valor infinito, tanto com polarizao direta como reversa. Bloqueado, o SCR ideal no conduziria qualquer valor de corrente. Tal caracterstica representada pelas retas 1 e 2 na Figura 5.

Quando disparado, ou seja, quando comandado por uma corrente de gatilho IGK, o SCR ideal se comportaria como um diodo ideal, como podemos observar nas retas 1 e 3. Nesta condio, o SCR ideal seria capaz de bloquear tenses reversas infinitas e conduzir, quando diretamente polarizado, correntes infinitas sem queda de tenso e perdas de energia por Efeito Joule.

Assim como para os diodos, tais caractersticas seriam ideais e no se obtm na prtica. Os SCR reais tm, portanto, limitaes de bloqueio de tenso direta e reversa e apresentam fuga de corrente quando bloqueados. Quando habilitados tm limitaes de conduo de corrente, pois apresentam uma pequena resistncia circulao de corrente e queda de tenso na barreira de potencial das junes que provocam perdas de energia por Efeito Joule e conseqente aquecimento do componente.

Figura 5 - (a) polarizao direta (b) caractersticas estticas de um SCR ideal. [ref. 1]

POLARIZAO DIRETA:

A figura 6 apresenta um circuito de polarizao direta de um SCR onde podemos verificar:

Tenso do nodo positiva em relao ao Ctodo

J1 e J3 polarizadas diretamente

J2 polarizada reversamente: apresenta maior barreira de potencial

Flui pequena Corrente de Fuga Direta de nodo para Ctodo, IF (Forward Current)

Bloqueio Direto DESLIGADO

Figura 6 a) SCR bloqueado em polarizao direta; b) analogia com diodos c) efeito da polarizao direta nas junes;

POLARIZAO REVERSA:

A figura 7 apresenta um circuito de polarizao direta de um SCR onde podemos verificar:

Tenso de Ctodo positiva em relao ao nodo

J2 diretamente polarizada

J1 e J3 reversamente polarizadas: apresentam maiores barreiras de potencial

Flui pequena Corrente de Fuga Reversa de Ctodo para nodo, IR (Reverse Current)

Bloqueio Reverso DESLIGADO

Figura 7 a) SCR bloqueado em polarizao reversa; b) analogia com diodos

c) efeito da polarizao reversa nas junes

MODOS DE DISPARO DE UM SCR:

Um SCR disparado (entra em conduo) quando aumenta a Corrente de nodo IA, atravs de uma das seguintes maneiras:

Corrente de Gatilho IGK:

o procedimento normal de disparo do SCR. Quando estiver polarizado diretamente, a injeo de um sinal de corrente de gatilho para o ctodo (IG ou IGK), geralmente na forma de um pulso, leva o SCR ao estado de conduo. A medida que aumenta a corrente de gatilho para ctodo, a tenso de bloqueio direta diminui at que o SCR passa ao estado de conduo.

A Figura 8 apresenta um circuito para disparo do SCR. Enquanto diretamente polarizado o SCR s comea a conduzir se receber um comando atravs de um sinal de corrente (geralmente um pulso) em seu terminal de gatilho (Gate ou Porta). Esse pulso polariza diretamente o segundo diodo formado pelas camada N e P e possibilita a conduo.

Enquanto tivermos corrente entre nodo e ctodo o SCR continua conduzindo, sendo ele cortado (bloqueado) somente quando a mesma for praticamente extinta. Nesta condio, as barreiras de potencial formam-se novamente e o SCR precisar de um novo sinal de corrente no gatilho para voltar ao estado de conduo.

Polarizado reversamente o SCR funciona como um diodo, bloqueando a passagem de corrente, mesmo quando efetuado um pulso em seu Gatilho.

A caracterstica gatilho-ctodo de um SCR se assemelha a uma juno PN, variando, portanto, de acordo com a temperatura e caractersticas individuais do componente, um exemplo de curva de disparo pode ser encontrado no anexo deste documento.

Figura 8 Disparo de um SCR

Como entre o gatilho e o ctodo h uma juno PN, temos uma tenso de aproximadamente 0,7V. Desta forma, analisando o circuito da figura.9 podemos determinar os requisitos para o circuito de disparo do SCR.

Figura 9 Circuito para disparo do SCR

Assim, a tenso VDISPARO necessria para proporcionar a corrente de disparo IG atravs da resistncia limitadora RG pode ser dada por:

Um SCR pode disparar por rudo de corrente no gatilho. Para evitar estes disparos indesejveis devemos utilizar um resistor RGK entre o gatilho e o ctodo que desviar parte do rudo, como indica a figura 10. Em alguns tipos de SCR, a resistncia RGK j vem internamente no componente para diminuir sua sensibilidade.

Figura 10 Resistncia para evitar disparos por rudos no gatilho

Corrente de Reteno e Corrente de Manuteno

Para entrar em conduo o SCR deve conduzir uma corrente suficiente, cujo valor mnimo recebe o nome de Corrente de Reteno IL (Latching Current). O SCR no entrar em conduo se a Corrente de Gatilho IGK for suprimida antes que a Corrente de nodo IA atinja o valor da Corrente de Reteno IL.

Uma vez retirada a corrente de gatilho, a mnima Corrente de nodo IA para manter o SCR em conduo chamada Corrente de Manuteno IH (Holding Current). Se a Corrente de nodo for menor que a Corrente de Manuteno, as barreiras de potencial formam-se novamente e o SCR entrar em Bloqueio.

A Corrente de Reteno maior que a Corrente de Manuteno (IL > IH). O valor de IL em geral de duas a trs vezes a corrente de manuteno IH. Ambas diminuem com o aumento da temperatura e vice-versa.

por este motivo que dizemos que o SCR uma Chave de Reteno (ou Travamento) porque uma vez em conduo, permanece neste estado enquanto a Corrente de nodo IA for maior que a Corrente de Manuteno (IA > IH), mesmo sem corrente no gatilho (IGK).

Sobretemperatura:

O aumento brusco da temperatura aumenta o nmero de pares eltrons-lacunas no semicondutor provocando maior corrente de fuga, o que pode levar o SCR ao estado de conduo. O disparo por aumento de temperatura deve ser evitado.

Sobretenso:

Se a tenso direta nodo-ctodo VAK for maior que o valor da tenso de ruptura direta mxima VDRM (VBO), fluir uma corrente de fuga suficiente para levar o SCR ao estado de conduo.

Isto acontece porque o aumento da tenso VAK em polarizao direta acelera os portadores de carga na juno J2 que est reversamente polarizada, podendo atingir energia suficiente para provocar a avalanche e disparar o SCR. Este fenmeno faz com que muitos eltrons choquem-se e saiam das rbitas dos tomos do semicondutor ficando disponveis para conduo e permitindo o aumento da corrente de fuga no SCR e levando-o ao estado de conduo.

O disparo por sobretenso direta diminui a vida til do componente e, portanto, deve ser evitado.

A aplicao de uma sobretenso reversa, ou seja, uma tenso nodo-ctodo maior que o valor da tenso de ruptura reversa mxima (VRRM ou VBR) danificar o componente.

Degrau de Tenso dv/dt (V/t):

Se a taxa de crescimento da tenso nodo-ctodo VAK no tempo for alta (subida muito rpida da tenso VAK) pode levar o SCR ao estado de conduo. Em polarizao direta a Juno J2 est reversamente polarizada e se comporta como um capacitor carregado, como podemos observar na figura 11.

Figura 11 Disparo por degrau de tenso

Num capacitor a corrente de carga relaciona-se com a tenso pela expresso:

Assim, quando for aplicada uma tenso VAK a capacitncia da Juno J2 far circular uma corrente no gatilho tanto maior quanto maior for a variao da tenso no tempo (v/t). Esta corrente no gatilho pode ser suficiente para disparar o SCR.O valor mximo de dv/dt dado pelo fabricante em catlogos. O disparo por degrau de tenso deve ser evitado pois pode provocar queima do componente ou disparo intempestivo. O circuito de proteo chamado de Snubber e ser estudado adiante.

Luz ou Radiao:

Se for permitida a penetrao de energia luminosa (luz) ou radiante (ftons, raios gama, nutrons, prtons, eltrons ou raios X) nas junes do semicondutor, haver maior combinao de pares eltrons-lacunas, provocando maior corrente de fuga, o que pode levar o SCR ao estado de conduo. o caso do SCR ativado por luz, chamado foto-SCR ou LASCR (Light-Activated Silicon Controlled Rectifier).ANALOGIA COM 2 TRANSISTORES:

A figura 12 apresenta um circuito com dois transistores complementares (PNP e NPN) que permitem uma analogia ao funcionamento do SCR e demonstra a ao de reteno (travamento) devido realimentao positiva no circuito.

De uma maneira simplificada, com polarizao direta, a injeo de um sinal de corrente no gatilho do circuito provoca um efeito de realimentao em que o aumento da corrente na base de Q2 aumenta a corrente de fuga no coletor de Q2 e da base de Q1 e, conseqentemente, a corrente de coletor de Q1. Esta, por sua vez, realimenta a corrente de base de Q2 e assim sucessivamente at ambos os transistores entrarem em saturao.

Figura 12 Modelo de um SCR com dois transistores complementares

BLOQUEIO OU COMUTAO DO SCR

O desligamento de um SCR chamado de Bloqueio ou Comutao. O SCR uma chave de reteno, ou seja, uma vez disparado e conduzindo, o gatilho perde o controle. A nica forma de bloquear um SCR reduzir a corrente de nodo IA para um valor menor que o valor da corrente de manuteno IH durante um certo tempo. Este o tempo necessrio para o desligamento do SCR, toff.

Devemos portanto lembrar:

Diodos e SCRs somente bloqueiam quando praticamente extinta a corrente entre nodo-ctodo e no por aplicao de tenso reversa.

Para um SCR comutar, ou seja, passar do estado de conduo para o estado de no conduo, tambm chamado de bloqueio, a Corrente de nodo IA deve ser reduzida a um valor abaixo do valor da corrente de manuteno IH, durante um certo tempo (tempo de desligamento tq).

O tempo de desligamento da ordem de 50 a 100s para os SCR normais e de 5 a 10s para os SCR rpidos.

Comutao Natural:

A Comutao Natural acontece quando a Corrente de nodo IA for reduzida a um valor abaixo da Corrente de Manuteno IH. A Corrente de Manuteno cerca de 1000 vezes menor que a corrente nominal do SCR.

Em circuitos de corrente alternada a corrente passa por zero em algum momento do ciclo. Isso j suficiente para o bloqueio do SCR em freqncias comerciais (50 ou 60Hz). A figura 13 apresenta um circuito em que ocorre a Comutao Natural. Fechada a chave Ch1 e pulsando a chave Ch2 o SCR entra em conduo e permanece at que o momento em que a corrente passe por zero no ciclo alternado. Nesse momento IA < IH e o SCR bloqueia.

Figura 13 Circuito para comutao natural do SCR

Comutao Forada:

Em circuitos de corrente contnua a tenso permanece positiva no nodo. Como a corrente no diminui naturalmente, deve-se provocar a reduo da Corrente de nodo atravs da Comutao Forada. H duas formas para isso:

Desviando-se a corrente por um caminho de menor impedncia provocando IA < IH;

Aplicando-se tenso reversa e forando-se a operao na regio de polarizao reversa.

Note que isso tambm far IA < IH.

A figura 14 apresenta um circuito para Comutao Forada onde a chave Ch1 permitir um caminho que drenar a corrente do SCR levando-o ao bloqueio.

Figura 14 Comutao forada por chave

A Figura 15 apresenta um circuito para Comutao Forada atravs de um capacitor.

Quando a chave Ch1 for fechada, o capacitor aplicar tenso reversa levando o SCR ao bloqueio.

Devemos lembrar que o SCR dever conduzir durante o tempo necessrio para que o capacitor esteja totalmente carregado e que a chave pode ser um outro semicondutor (um outro SCR ou um transistor, por exemplo).

Figura 15 Comutao forada por capacitor

CARACTERSTICAS ESTTICAS DO SCR:

Existem limites de tenso e corrente que um SCR pode suportar. Tais limites constituem as caractersticas estticas reais como mostra a Figura 16. As curvas 1 e 2 apresentam as caractersticas para o SCR no estado de bloqueio, enquanto as curvas 1 e 3 mostram as caractersticas para o SCR com Corrente de Gatilho IGK, para ambas as polarizaes. Podemos, ento, verificar na Figura 8.1, que a curva caracterstica de um SCR real apresenta trs regies distintas:

Bloqueio em Polarizao Reversa curva 1

Bloqueio em Polarizao Direta curva 2

Conduo em Polarizao Direta curva 3

Figura 16 Caractersticas estticas reais do SCR.A Tabela 1 apresenta os principais parmetros nominais dos SCR.

CARACTERSTICAS DINMICAS DO SCR

As caractersticas dinmicas do SCR esto ligadas diretamente com o comportamento transitrio do componente durante os processos de entrada em conduo e de bloqueio.

Caractersticas Dinmicas no Disparo:

A figura 17 mostra o circuito para o estudo do disparo do SCR, onde VCC a fonte que alimentar a resistncia de carga atravs do SCR. A fonte VG fornecer a corrente de gatilho IGK atravs da resistncia limitadora RG.Considere que no instante inicial t0 a chave Ch1 fechada e a fonte VG fornece a corrente IGK ao gatilho.

Figura 17 Circuito para o estudo do disparo do SCR

As formas de onda de interesse para o disparo so mostradas na figura 18. Entre o fechamento da chave Ch e a efetiva conduo do SCR h um tempo necessrio para que a corrente de gatilho IGK provoque o decaimento da tenso nodo-ctodo VAK e a elevao da corrente de nodo IA. O tempo de retardo chamado de td (delay time) e o tempo de decaimento tr.

O tempo de fechamento ton = td + tr, o tempo necessrio para que o SCR comece a conduzir efetivamente a partir do disparo.

O tempo de retardo td (delay time) a maior componente do tempo de fechamento e depende principalmente da amplitude da corrente de gatilho IGK e da velocidade de crescimento da referida corrente.

O tempo de decaimento da tenso nodo-ctodo tr independe da corrente IGK. Apenas as caractersticas de fabricao do componente interferem no decaimento de VAK.

Figura 18 - Representao do atraso no disparo do SCR.

Caractersticas Dinmicas no Bloqueio:

Para o estudo da dinmica de bloqueio utilizamos o circuito da figura 19, que acrescenta uma fonte de tenso reversa Vr e a chave Ch2 ao circuito da Figura X. O indutor Lp representa uma indutncia parasita que influencia no decaimento da corrente do SCR.

Figura 19 Circuito para estudo do bloqueio do SCR

Enquanto o SCR conduz a corrente de carga, a chave Ch2 encontra-se aberta. Quando, em t = t0 , a chave Ch2 fechada, inicia-se o processo de bloqueio do SCR. No instante t = t1, a chave Ch2 novamente aberta e o SCR encontra-se bloqueado.

Podemos observar o processo dinmico de bloqueio do SCR pela figura 20. Aps o tempo de recuperao do SCR trr, para que o SCR possa bloquear efetivamente necessrio manter a tenso reversa por um tempo igual ou maior do que tq. Isto necessrio para que o SCR possa alcanar o equilbrio trmico e permanecer bloqueado at ser aplicada corrente em seu gatilho. A corrente reversa mxima (IRM) tem valor limitado e que depende das caractersticas do SCR e do circuito.

O tempo tq varia desde 5 s para os SCR rpidos (SCR Inversores) at 50 a 400 s para os SCR lentos (SCR Controladores de Fase).

Portanto, a freqncia de operao, ou velocidade de chaveamento requerida num circuito definir o tipo de SCR a ser utilizado. Os fabricantes fornecem os valores nominais associados velocidade atravs da freqncia mxima fmax bem como os tempos de ligao ton e de desligamento tq ou toff.

Figura 20 - Caracterstica dinmica de bloqueio do SCR, mostrando o tempo mnimo de aplicao

de tenso inversa tq.

PERDAS TRMICAS EM CONDUO:

Durante o ciclo de chaveamento, um SCR apresenta as seguintes perdas de potncia (e, conseqentemente de energia): Perdas de Potncia em Conduo

Perdas de Potncia em Bloqueio (direto e reverso)

Perdas de Potncia por Chaveamento (comutao)

Perdas de Potncia por Acionamento do Gatilho

Em Geral, sob condies normais de operao as Perdas em Bloqueio e por Acionamento do Gatilho so pequenas o suficiente para serem desprezadas. Em baixas freqncias ( ton.

Evitar ocorrncia de disparos indesejados por sinais falsos ou rudos;

O sinal de gatilho deve ser removido aps o disparo. Sinal contnuo aumenta as perdas de potncia, levando ao sobre-aquecimento o que reduz a vida til do componente.

Quando reversamente polarizado desaconselhvel haver sinal de gatilho, pois o componente pode queimar pelo aumento da corrente de fuga reversa.

O controle dever ser suficientemente preciso;

Em circuitos trifsicos, garantir a defasagem de 120o nos sinais dos gatilhos.

Em associaes de SCR, garantir o acionamento simultneo.

Basicamente, existem 3 tipos usuais de sinais de disparo:

Sinais CC;

Sinais AC;

Sinais Pulsados.

CIRCUITOS DE DISPARO COM SINAIS CC

Geralmente os parmetros de acionamento de um SCR so fornecidos em relao tenso e corrente mdias CC.

Os circuitos de disparo com sinais CC podem fazer uso da prpria fonte de tenso que alimenta a carga, se ela for CC, ou ter uma fonte prpria, como mostra a figura 24.

Figura 24 a) Circuito de Disparo CC com a mesma fonte da carga; b) Circuito de Disparo CC com fonte prpria.

Ao fecharmos a chave Ch1 o SCR entra em conduo pois uma corrente CC aplicada no gatilho, que est diretamente polarizado pela fonte VCC. Uma vez conduzindo, o sinal de gatilho pode ser removido pela abertura da chave Ch1. O resistor Rg limita a corrente no gatilho e o diodo D limita a amplitude de um possvel sinal negativo no gatilho em aproximadamente 1V. Em alguns casos, o diodo D pode ser substitudo por um resistor RGK com a funo de proteo do gatilho, como visto no item sobre proteo do SCR.

No recomendado o uso de sinal de gatilho CC para disparar SCR em aplicaes CA porque um sinal positivo durante o semiciclo negativo aumenta a corrente de fuga reversa IR e pode danificar o componente.

Aplicando a Lei das Tenses de Kirchhoff podemos determinar o valor da resistncia Rg para limitar a corrente de gatilho, em funo da fonte Vg e da tenso mxima de gatilho admitida pelo componente:

Exemplo1:

O SCR da figura 24(a) apresenta uma corrente mxima de gatilho de 100mA e mxima tenso VGK de 2V. Sendo a tenso VG de 15V, determine a resistncia RG que fornecer corrente suficiente para o disparo.

Assim, uma resistncia mnima de 130 dever ser conectada.

CIRCUITOS DE DISPARO COM SINAIS CA CONTROLE DE FASE:

Um circuito de disparo sincronizado para o controle de fase capaz de gerar e injetar uma corrente no gatilho do SCR para dispar-lo, quando polarizado diretamente, com a possibilidade de controlar o instante em que essa corrente ser injetada no gatilho.

O mtodo mais comum em aplicaes de corrente alternada derivar o sinal de disparo a partir da prpria fonte principal CA. A grande vantagem que este processo mantm o sinal de gatilho sincronizado com o ciclo de acionamento do tiristor, pripiciando o controle do ngulo de fase onde o SCR dispara. o chamado CONTROLE DE FASE.

Circuito de Disparo CA com Rede Resistiva

A figura 25 mostra um circuito bastante simples para o controle de fase a partir do sinal CA e de uma rede resistiva no gatilho. Durante o semiciclo positivo o SCR est em bloqueio direto.

Num dado instante a tenso VCA proporciona uma tenso e, conseqentemente, uma corrente no gatilho suficiente para disparar o SCR. Esse instante pode ser controlado pelo potencimetro R1.

Figura 25 Circuito de disparo CA com rede resistivaExemplo:

Para o circuito de disparo CA com rede resistiva da figura 16.1, determinar o valor da resistncia R1 e do potencimetro P1 tal que proporcionem uma corrente no gatilho suficiente para disparar o SCR em 2o, 15o, 30o, 60o e 90.

Dados:

Soluo:

O objetivo determinar as resistncias que fazem com que a tenso em RGK seja suficiente para provocar a corrente mnima para disparo do SCR, IGK.

Usando a tcnica do Equivalente Thvenin para os ramos do circuito de controle, temos o circuito equivalente da figura 26.

Figura 26 Equivalente Thvenin no gatilho do SCR

Seja Rx = R1 + R2 e aplicando a tcnica do Equivalente Thvenin, temos:

Como queremos determinar o valor de Rx que suprem a corrente necessria IGK para o disparo do SCR, analisando a malha do Equivalente Thvenin, determinamos a corrente que ele fornece ao gatilho:

Substituindo nesta equao as equaes para o clculo de Vth e de Rth e isolando Rx, encontramos:

Substituindo os valores conhecidos de RGK , IGK e VGK, encontramos;

Concluimos, ento, que a resistncia necessria funo da tenso instantnea v(t).

Como queremos disparar o SCR em diversos ngulos, basta determinarmos qual o valor da tenso instantnea nestes ngulos e finalmente a resistncia Rx que proporciona a corrente de disparo nestes mesmos ngulos:

( )v ( t ) VRx ( )

26,37,13

1546,557,38

3089,8111,5

60155,5193,62

90179,6223,75

Desta tabela, podemos deduzir os valores mnimos e mximos para a resistncia Rx:

Rx mnimo = 7,13

Rx mximo = 223,75

O valor mnimo dado pelo resistor R1 e o valor mximo pela soma das resistncias R1+R2, ou seja, R2 ser o valor de Rx R1:

Dentre os valores comerciais disponveis, podemos determinar finalmente o valor dos

componentes:

R1 = 6,8k

R2 = 220k

Circuito de Disparo CA com Rede Defasadora RC:

No circuito RC da figura 27 a tenso no gatilho est atrasada da tenso de alimentao devido o capacitor e as resistncias do resistor e do potencimetro. O potencimetro controla a defasagem e o tempo em que a tenso no capacitor leva para atingir o valor suficiente para disparar o SCR. O objetivo atrasar a tenso que ir comandar o disparo do tiristor. A tenso se disparo ocorrer mais tarde no semiciclo, como indicam as formas de onda na figura 28, onde:

- ngulo de disparo proporcionando pela senide da fonte

- ngulo de disparo proporcionado pela rede defasadora (RC)

- atraso proporcionado pela rede defasadora (RC)

- defasagem entre o ngulo de disparo normal e o ngulo de disparo com rede defasadora

Assim: = +

Figura 27 Circuito de disparo CA com rede defasadora RC

Figura 28 Formas de Onda para o circuito da figura 14.13 [ref. 4]

Durante o semi-ciclo negativo o SCR se mantm em bloqueio reverso. O diodo em srie com o gatilho garante a unidirecionalidade do sinal de disparo evitando assim, sinais no gatilho no semi-ciclo negativo.

A tenso de disparo, sobre o capacitor, est atrasada em relao tenso da rede, por um ngulo . O valor dessa defasagem depende da constante de tempo de carga do capacitor:

= R.C = (R1 + R2).C1.

Variando R2 varia o ngulo e portanto varia tambm o ngulo de disparo do SCR.

D1 garante que s haver corrente no gatilho no semi-ciclo positivo, preservando o SCR.

D2 conduz no semi-ciclo negativo, carregando C1 com tenso negativa. Isso garante que no incio de cada semiciclo positivo, o capacitor sempre esteja carregado com uma tenso fixa (negativa), mantendo a regularidade do disparo.

Circuito de Disparo CA com Diodo Schokley ou Diac:

O Diodo Schokley um componente semicondutor de quatro camadas (PNPN). Seu comportamento de um SCR sem gatilho preparado para disparar por sobretenso direta. Ou seja, reversamente polarizado no conduz. Diretamente polarizado s entra em conduo quando a tenso atingir um determinado valor, a chamada Tenso Schokley, como indica a sua curva caracterstica na figura abaixo. Quando conduzindo sua tenso bem menor que a tenso de disparo, como podemos observar na curva caracterstica da figura 29.

Figura 29 Curva caracterstica do Diodo Schokley

A figura 30 apresenta um circuito de disparo com sinal CA usando um diodo Schokley.

Enquanto a tenso no capacitor for menor que a tenso Schokley, o diodo estar cortado e o SCR no entrar em conduo.

Figura 30 Circuito de disparo CA com Diodo Schokley

Quando a tenso no capacitor atingir a tenso Schokley, o diodo entrar em conduo e proporcionar um caminho de baixa impedncia para a descarga do capacitor atravs do gatilho do SCR. O capacitor provocar um pulso de corrente suficiente para disparar o SCR. Controlando a defasagem entre a tenso da rede e a tenso no capacitor, varia-se o ngulo de disparo .

O Diac se comporta como um Diodo Schokley bidirecional, ou seja, como um Triac semgatilho, preparado para disparar tanto por sobretenso direta como reversa. Assim, o diodo Schokley no circuito da figura 30 pode ser substitudo por um Diac. A figura 31 mostra o smbolo e a curva caracterstica do Diac. Os terminais so identificados por terminal 1 e 2 (Main Terminal).

Figura 31 Smbolo e curva caracterstica do Diac

CIRCUITOS DE DISPARO COM SINAIS PULSADOS:

Para reduzir a dissipao de potncia no gatilho, aconselhvel que os circuitos de disparo de SCR, em vez de um sinal CC contnuo, gerem um nico pulso, ou um trem de pulsos. Isto apresenta algumas vantagens tais como:

permite controle mais preciso do ponto de disparo do tiristor

facilita o acoplamento e o isolamento eltrico entre o circuito de disparo e o circuito de potncia que o SCR aciona. O isolamento eltrico pode ser feito atravs de transformadores de pulso ou de acopladores pticos.

reduzir rudos e transitrios que podem disparar intempestivamente o componente.

Para o controle de fase adequado, os circuitos de disparo com sinais pulsados devem ser sincronizados com o sinal senoidal, ou seja, devem oscilar em relao ao zero da senide.

Oscilador de Relaxao com Transistor Unijuno

O Transistor Unijuno (Unijunction Transistor), fabricado desde 1948, apresenta trs terminais: Emissor (E), Base 1 (B1) e Base 2 (B2). A figura 32 apresenta o smbolo, o diagrama equivalente e a estrutura interna do transistor unijuno.

Figura 32 Simbologia, diagrama equivalente e estrutura interna do TUJ

O transistor unijuno atua como uma chave controlada por tenso. Quando a tenso de emissor atingir a tenso de pico do transistor unijuno, este dispara conduzindo entre emissor e base 1, na regio de resistncia negativa. Quando a tenso de emissor decair ao ponto de vale, o transistor unijuno corta. Entre B1 e B2 o transistor unijuno apresenta uma resistncia na faixa de 4,7 a 9,1k. A figura 33 apresenta a curva caracterstica para um transistor unijuno..

Figura 33 Curva caracterstica do Transistor Unijuno [ref. 4]

A tabela 2 mostra um procedimento simplificado de teste com a funo ohmmetro de um multmetro para o transistor unijuno.

Tabela 2 Teste de um Transistor Unijuno com Multmetro

Ponteira Positiva (+)Ponteira Negativa (-)Resistncia

B2B1RB1 + RB2

B1B2RB1 + RB2

EB1RB1

B1EAberto ()

EB2RB2

B2EAberto ()

Um oscilador de relaxao com transistor unijuno, apresentado na figura 34 um circuito comum para a produo de pulsos para disparo de SCR. Ele produz um trem de pulsos estreitos na base 1. O carregamento do capacitor C1 se d atravs da fonte Vcc e controlado pelo resistor Rf e o potencimetro P1. Quando a tenso no capacitor atingir o valor da tenso de pico do transistor unijuno, este entra em conduo entre emissor e base1, fluindo uma corrente de emissor para o primrio do transformador de pulso e aplicando um sinal no gatilho do SCR.

Quando a tenso no capacitor C1 cair para o valor da tenso de vale, o transistor unijuno corta e o processo se repete. A figura 35 mostra as formas de onda para este oscilador. A largura do pulso dada pelo valor do capacitor. A desvantagem deste circuito a curta durao dos pulsos, o que pode levar um SCR a no se manter em conduo. Isto pode ser solucionado pelo circuito snubber RC, j estudado.

Figura 34 Oscilador de Relaxao com Transistor Unijuno - TUJ

Figura 35 Formas de Onda para o Oscilador de Relaxao

No circuito da figura 36, quando o pulso proveniente do transistor unijuno Q1 for aplicado base do transistor bipolar Q2, este satura e a tenso de alimentao ser aplicada ao primrio do transformador de pulso, induzindo um sinal no gatilho do tiristor. Quando o transistor unijuno Q1 cortar, o transistor bipolar Q2 corta e cessa o sinal no gatilho. O diodo D1 um diodo com efeito roda-livre, para desmagnetizar o transformador de pulso. O transistor Q2 opera como um driver de corrente. Este circuito melhora a largura do pulso e o seu tempo de subida.

Figura 36 Oscilador de Relaxao com TUJ e driver de corrente

A figura 37 apresenta uma etapa de sincronismo a ser conectada como fonte de alimentao para o oscilador. O diodo D1 retifica em meia onda o sinal do secundrio do transformador e o diodo Zener DZ mantm a tenso a ser aplicada ao oscilador que ser praticamente uma onda quadrada, sincronizada com a senide do secundrio. O resistor RZ limita a corrente no Zener. O circuito oscilar somente enquanto houver tenso aplicada e o disparo do tiristor ser no primeiro pulso gerado no instante determinado pelo tempo de carga controlado pelo potencimetro do oscilador. A figura 38 mostra o oscilador gerando os pulsos sincronizados com o sinal senoidal aplicado.

Figura 37 Etapa de sincronismo para controle de fase

Figura 38 Forma onda do oscilador sincronizado

Oscilador com Diodo Schokley e com Diac

O circuito da figura 39 apresenta um oscilador para o disparo de um SCR utilizando um Diac. A constante RC define o tempo de carga do capacitor atravs da fonte de tenso Vcc.

Quando carregado com a tenso de disparo do Schokley (ou do Diac), se descarrega atravs deste injetando uma corrente de disparo no SCR. Rapidamente o capacitor se descarrega e faz o Schokley (ou o Diac) cortar, repetindo o processo. As formas de onda so semelhantes s da figura 35.

Este circuito requer baixa potncia da fonte Vcc para carregar o capacitor e fornece uma potncia alta em um curto intervalo de tempo, garantindo assim, o disparo do SCR.

Figura 39 Disparo de SCR usando um Diac

Outros Circuitos Pulsados

Existem muitos outros circuitos pulsados para o disparo de tiristores, como por exemplo:

Oscilador com o circuito integrado 555;

Circuito Integrado dedicado a disparos de tiristores TCA-785 da Siemens;

Via programao (software) em circuitos microcontrolados e microprocessados;

outros

ISOLAMENTO E ACOPLAMENTO

Em circuitos tiristorizados existem diferentes tenses em diversos pontos. O circuito de potncia que o tiristor controla submetido a tenses elevadas, geralmente maiores de 100V. J o circuito de controle do disparo alimentado com baixas tenses, tipicamente at 30V.

Portanto, necessrio um circuito que isole eletricamente o tiristor e seu circuito de controle e os mantenha acoplados.

A isolao e o acoplamento podem ser feitos por:

Acopladores Magnticos: transformadores de pulso (pulse transformers)

Acopladores pticos: opto-acopladores (opto-couplers)

Acoplamento Magntico

O isolamento eltrico e o acoplamento magntico feito atravs de Transformadores de Pulso. Os transformadores de pulso tm a vantagem de proporcionar um circuito de controle simplificado e isolado eletricamente do circuito de potncia, evitando disparos indesejveis gerados por realimentao do circuito de potncia para o comando. Transferem os pulsos com baixas perdas, pequenas dimenses e enrolamentos isolados.

Construtivamente, os transformadores de pulso so semelhantes aos transformadores comuns: possuem dois (ou mais) enrolamentos eletricamente isolados. A diferena que o ncleo de ferrite e a relao de transformao geralmente de 1:1 ou de 1:2.

A figura 40 apresenta um circuito para acoplamento magntico. Quando um pulso aplicado base do transistor chaveador Q1, este satura e a tenso Vcc aplicada ao primrio do transformador de pulso induzindo uma tenso pulsada no secundrio que aplicada entre o gatilho e o ctodo do SCR. Quando o pulso for removido, Q1 corta e uma tenso de polaridade oposta induzida no primrio. O diodo DRL (diodo de roda livre) conduz para desmagnetizar o transformador de pulso. Durante este processo uma tenso reversa correspondente induzida no secundrio. Um capacitor para aumentar a largura do pulso pode ser ligado em paralelo com R1.

O ncleo do transformador de pulso saturar devido corrente CC aplicada. Portanto, esse tipo de acoplamento adequado para pulsos de 50 a 110s, tipicamente.

Figura 40 Circuito para Acoplamento Magntico

Acoplamento ptico

Os acopladores pticos foram desenvolvidos na dcada de 70 com a finalidade de acoplar e isolar circuitos que operam com diferentes nveis de potncia. Consistem de uma fonte de radiao (luz), o foto-emissor, e de um elemento foto-sensor (foto-receptor), com alta sensibilidade na faixa de freqncia da radiao emitida. A luz acoplada ao sensor atravs de um material isolante transparente ao atravs do ar.

Um circuito gerador de pulsos ligado no foto-emissor do opto-acoplador, geralmente um LED, que disparar o foto-receptor, que pode ser um foto-transistor, um foto-diodo, um foto-SCR, um foto-DIAC, etc.

Esse tipo de acoplamento requer uma fonte auxiliar Vcc para alimentar o opto-acoplador, o que aumenta o volume, peso e custo do circuito. A figura 41 apresenta um circuito para o acoplamento ptico a partir de uma fonte VCC. A figura 42 apresenta o acoplamento ptico a partir da prpria fonte do circuito de potncia VCA.

Figura 41 Acoplamento ptico com fonte VCC dedicada

Figura 42 Acoplamento ptico a partir da fonte VCA

Proteo do Gatilho

Os circuitos de disparo e os acopladores devem ser conectados aos gatilhos dos SCR atravs de um ou mais componentes de proteo, cada qual com sua funo, como indica a figura

43.

Figura 43 Componentes de proteo do gatilho do SCR

Na figura 43 cada componente possui uma ou mais funes, sendo:

RGK -aumenta a capacidade de degrau de tenso (dv/dt)

-reduz o tempo de desligamento

-aumenta as correntes de reteno e de manuteno

DGK -protege o gatilho contra tenses negativas

CGK -remove componentes de rudos de alta freqncia

-aumenta a capacidade de degrau de tenso (dv/dt)

R1 -limita a corrente de gatilho

-amortece quaisquer oscilaes transitrias

D1 -garante a unidirecionalidade (um s sentido) da corrente de disparo

PROBLEMAS PROPOSTOS

P.1. Sabendo que a corrente mnima para disparo de um SCR de 15mA e que o circuito proporciona uma tenso de 5V, qual o valor comercial da resistncia RG a ser conectada ao gatilho? Explique.

P.2. Determine o valor mximo da resistncia de carga que vai assegurar a conduo do SCR no circuito abaixo. O SCR tem uma corrente de manuteno de 200mA. Explique.

Resp.: 1040.

P.3. Uma fonte de tenso de 220Vef aciona uma resistncia de carga de 10 atravs de um SCR. Determine o valor de uma indutncia L a ser includa no circuito para limitar o degrau de corrente em 20A/s. Resp.: 15,6HP.4. Determine a corrente eficaz em um circuito com um SCR quando um ampermetro CC indica 100A com um ngulo de conduo de 60o. Resp.: 270A.P.5. Um SCR tem VDRM de 600V, degrau de tenso mximo de 25V/s, degrau de corrente mximo de 30A/s e usado para acionar uma carga resistiva de 100. Dimensione os valores mnimos para o circuito snubber para que no ocorra acionamento intempestivo.

Sendo a tenso aplicada de 311V, qual a resistncia mnima para limitar a descarga em 5A? Explique. Resp.: 0,24F; 4,5m; 62,2.

P.6. Obtenha os parmetros da tabela 8.1 para os seguintes SCR: TIC-106D, TIC-116E, Aegis A1N60.10.H, Aegis A5F1000.20HY, Semikron SKT16/04C e BT151-500R.

P.7. Compare um SCR a um Diodo de Potncia;

P.8. Cite as condies necessrias para disparo e para o bloqueio de um SCR;

P.9. Como deve ser o sinal adequado de disparo de um SCR? Porque?

P.10. Qual a relao entre a tenso de disparo e a corrente de gatilho?

P.11. Como pode haver disparos intempestivos? Como evitar?

P.12. Qual a relao entre a corrente de reteno e manuteno?

P.13. O que e como se evitam os degraus de tenso e de corrente?

P.14. Qual o valor mnimo da indutncia L para proteger um SCR contra dv/dt sendo seu valor de 10A/s e a tenso de 220V? Como deve ser conectado?

P.15. Determine os valores dos componentes de um circuito snubber para as condies:

VRRM = 200V

(dv/dt)max = 200V/s

(di/dt)max = 100A/s

Rcarga = 10

a) Explique sua conexo e funcionamento.

b) Desenhe os esquemas para conectar quatro SCR em srie e em paralelo. Quais as vantagens?

P.16. Descreva os circuitos de disparo;

P.17. Descreva os circuitos de comutao;

P.18. O que tempo de desligamento de um SCR?

P.19. Em um teste com multmetro, quais as condies que um SCR pode estar defeituoso? Porque?

P.20. Quais os tipos de proteo adequados para um SCR?

P.21. Considerando o circuito de fase com SCR da figura 16.1, onde RGK=1,5k, a carga uma

lmpada de 220V/100W e o SCR o TIC116D:

a) calcule R1 e R2 para os seguintes ngulos de disparo do SCR: 5; 20; 45; 60; 90 e 150 graus;

b) simule em computador para obter as formas de onda das tenses na lmpada para cada ngulo de disparo do SCR;

c) calcule a tenso mdia e eficaz, bem como a potncia mdia na lmpada, para cada ngulo de disparo do SCR (considere que a lmpada mantm a sua resistncia nominal)

Dados:

TIC 116 D

IGK = 5mA (min) e 20mA (mx)

VGK = 1,5V

P.22. Em que condies de teste um transistor unijuno apresenta defeito?

P.23. Explique como e porque se pode controlar a freqncia de um oscilador de relaxao com transistor unijuno.

P.24. Como se pode sincronizar os circuitos de disparo com sinais pulsados para se fazer o controle de fase adequado?

TCA785

Introduo: Um dos C.I.s desenvolvidos para controlar o ngulo de disparo de tiristores em retificao controlada o TCA 785, produzido inicialmente pela Siemens e atualmente encontrado sob vrias outras marcas.

O TCA 785 um circuito integrado com estrutura interna monoltica, sendo parte linear e parte digital. Ele entendido como um CI de Controle de Fase, neste caso isto significa simplesmente que ele produz em suas sadas, pulsos que so sincronizados com a CA da rede, podendo estes pulsos ser deslocados desde 0 at 180. O CI possui 16 pinos em encapsulamento dual in-line, distribudos e caracterizados como mostra a seguir:

Pinagem do TCA 785: Entrada de alimentao: Provido por fonte externa ligada ao pino 16 (VCC) e 1 (GND). Aceita valores na faixa de 8V a 18V; Alimentao tpica: 15V.

Sada de 3.1V regulada: Internamente ao TCA 785 existe um circuito regulador de tenso, o qual a partir da tenso de VCC externa, tem sua sada regulada para 3.1V. O objetivo deste regulador interno :

Ser usado internamente na fonte de corrente constante para carga do capacitor de rampa (ver item: Gerao e Calibrao da rampa); Ser disponibilizado para uso externo ao CI, na sada de 3.1V regulado, pino 8. Neste caso normalmente usado para alimentar o potencimetro da tenso de controle (potencimetro que varia o ngulo de disparo).

Entrada para tenso de controle: Valor de tenso de entrada ajustvel que fornecido ao pino 11, podendo ser diretamente por um potencimetro (o que o caso do mdulo MP-4) ou, no caso de sistemas de controles realimentados, por circuitos reguladores feitos com amplificadores operacionais; Normalmente varia de 0V at o valor de topo da rampa.

Entrada de sincronizao; Para que o TCA possa prover os pulsos de disparo dentro da faixa de operao adequada e no momento angular preciso necessrio que ele receba no pino 5 uma amostra do sinal da rede de C.A.; Esta amostra obtida atravs de um Circuito Ceifador (um resistor em srie e dois diodos contrapostos em paralelo) e fornecida ao circuito Detector de Zero;

O sinal no pino 5 tem uma forma de onda prxima forma de onda quadrada, com amplitude indo de + 0,7Vp at 0,7Vp. A passagem por 0V tanto na borda de subida quanto na borda de descida determinar o incio da rampa;

Gerao e Calibrao da rampa (Trimpot: Rampa): O TCA 785 possui internamente uma fonte de corrente constante a qual fornece uma corrente que sai pelo pino 10, provocando o carregamento do capacitor que se encontra externamente conectado ao pino 10;

O fato de o capacitor do pino 10 se carregar por meio de uma fonte de corrente constante faz com que tenso sobre o capacitor durante o transitrio de carga tenha um comportamento linear em funo do tempo, ou seja, tenha a forma de uma rampa linear, diferentemente do que observado quando um capacitor carregado por uma fonte de tenso constante em srie com um resistor, quando a tenso sobre o capacitor tem um crescimento de formato logartmico natural;

O capacitor comea a se carregar o momento em que detectada a passagem por zero do sinal de sincronismo, ou seja, no exato instante que se inicia um determinado semiciclo, a rampa comea a ascender e continuar ascendendo linearmente at o final deste semiciclo, quando o sinal de sincronismo mudar novamente de estado (uma nova passagem por zero);

Nesta nova passagem por zero do sinal de sincronismo o registrador de sincronismo comanda a base do transistor de descarga (ambos se encontram no interior do CI TCA 785), colocando este em conduo plena (saturao). Deste modo o capacitor descarregado abruptamente, fazendo com que a tenso da rampa caia instantaneamente de seu valor mximo para zero.

O tempo que dura o estado de conduo do transistor de descarga muitssimo pequeno, pois assim que a carga do capacitor chega a zero, imediatamente o monitor de carga de C10 avisa ao registrador de sincronismo, e este imediatamente corta o transistor de descarga. Desde modo o processo de carga do capacitor automaticamente se reinicia, a fim de gerar nova rampa.

Assim a rampa passa a ser executada periodicamente (como um dente de serra), repetindo-se para cada semiciclo da C.A. da rede;

A inclinao da ascendncia da rampa depende do valor do prprio capacitor do pino 10, que deve ser 0,5 F, e, do resistor do pino 9, cujo valor dever ser: 20K R9 500K ;

Em srie com o resistor fixo do pino 9 normalmente existe um trimpot que nos permite calibrar a inclinao da rampa, ou seja, que nos permite determinar a amplitude da rampa entre seus valores mnimo e mximo (Vpp da rampa);

Um valor timo para calibrao da amplitude Vpp da rampa que o seu valor seja igual a faixa de ajuste da tenso de controle (tenso do potencimetro pino 11), para que possamos exercer, teoricamente, o controle em sua mais ampla extenso (desde 0 at 180);

Sadas de disparo: Internamente ao TCA, o comparador de controle compara a tenso da rampa que vem do pino 10 com a tenso de controle que vem do pino 11, e atua sobre a Unidade Lgica produzindo o pulso de disparo;

O comparador de controle um amplificador operacional operando como comparador de tenso cujo principio de funcionamento baseia-se em um amplificador diferencial (um Amp Op essencialmente um amplificador diferencial que possui duas entradas e a tenso de sada uma cpia amplificada da diferena entre as tenses de entrada);

Este amplificador diferencial opera em malha aberta, ou seja, sem um resistor de realimentao que limite e determine o seu ganho. Por operar em malha aberta, o ganho do amplificador altssimo, limitado apenas pelas caractersticas construtivas internas do amplificador operacional, digamos que o ganho algo em torno de 106. Assim qualquer diferena entre as tenses de entrada, por menor que seja esta diferena, levar a tenso de sada ao seu valor extremo (saturao da sada);

Imagine a tenso de controle que est presente no pino 11 (que vem do potencimetro) como um valor de tenso contnua constante (digamos que o eixo do potencimetro se encontra imvel em uma posio qualquer). Por outro lado a tenso da rampa que vem do pino 10 esta permanentemente variando de valor, desde seu valor mnimo at seu valor mximo, nunca se estabilizando em valor algum;

Deste modo temos duas situaes possveis:

A tenso da rampa menor que a tenso de controle;

A tenso da rampa maior que a tenso de controle; Assim a sada do comparador de controle ter um comportamento digital, ou seja, nvel lgico 1 ou nvel lgico 0, respectivamente, para cada uma das situaes alistadas;

Figura 44

Os pulsos de sada do comparador de controle comandam a lgica de controle de modo que os pulsos de disparo para os tiristores ocorram nas sadas A1 e A2 no exato instante que ocorre a borda de descida do sinal de comando, ou seja, no exato instante em que a rampa, ascendendo atinja um valor igual ao presente na entrada da tenso de controle; No semiciclo positivo o pulso para disparo enviado atravs da sada A2 (pino 15) e no semiciclo negativo atravs da sada A1 (pino 14);

As sadas A1 e A2 so do tipo seguidor de emissor podendo fornecer at 80 mA.

Definio da largura dos pulsos: A largura de pulso padro de 30 s nas sadas A1 e A2;

Inserindo-se um capacitor ao pino 12 pode-se expandir a largura dos pulsos para disparo nas sadas A1 e A2;

Capacitor do pino 12 ( pF) 100 220 330 680 1000

Largura do pulso (s) 80 130 200 370 550

Pode-se expandir a largura dos pulsos nas sadas A1 e A2 para um valor mximo (com durao de desde de o incio do disparo at o fim do semi-ciclo), ligando-se o pino 12 ao terra.

Sadas A1 e A2 ( barrados ): Pino 4 e pino 2 respectivamente, so do tipo coletor aberto, necessitando de um resistor para VCC e de baixa potncia, limitado para 1,5 mA. Apresentam os pulsos para disparo invertidos;

Inserindo-se um resistor do pino 13 ao VCC pode-se expandir a largura dos pulsos de disparo na sada A1 e A2 ( barrados); Pode-se expandir a largura dos pulsos de A1 e A2 ( barrados 0 para um valor mximo (com durao que vai desde de o incio do disparo at o fim do semi-ciclo), ligando-se o pino 13 ao terra.

Para trabalhar com triacs podemos utilizar a sada Z (pino 7), que a NO-OU de A1 e A2 ( barrados ).

Habilitao das sadas: As sadas podem ser inibidas, conectando-se o pino 6 ao terra (GND).

Diagrama Eltrico TCA 785 e Componentes Perifricos: O circuito integrado TCA 785 e seus componentes perifricos (diagrama do mdulo produzido pela Probit com alteraes: (ver notas)).

Figura 45(1) Includo para evitar danos ao C.I. que por ventura venham a decorrer da inverso da polaridade da fonte externa de alimentao.

(2) Alterado de 22 k. para 120 k., para permitir ajustes do topo de rampa para valores menores que 3.1v, uma vez que a sada da fonte regulada de 3.1v (disponvel no pino 8 do C.I.), usualmente usada realimentando a entrada da tenso de controle (via POT1).Funes resumidas pino a pino:

- PINO 01 Terra.

- PINO 02 Sada complementar do pino 15, em coletor aberto.

- PINO 03 Sada de pulso positivo, em coletor aberto.

- PINO 04 Sada complementar do pino 14, em coletor aberto.

- PINO 05 Entrada de Sincronismo (diodos em antiparalelo).

- PINO 06 Inibe todas as sadas (quando aterrado).

- PINO 07 Sada em coletor aberto para acionar Triacs.

- PINO 08 Fornece 3.1V estabilizado.

- PINO 09 Potencimetro de ajuste de rampa ( 20500K).

- PINO 10 Capacitor de formao de rampa (C10 0.5F ).

- PINO 11 Entrada de Tenso de controle (nvel/CC).

- PINO 12 Controla a largura dos pulsos de sadas 14 e 15.

- PINO 13 Controla a largura dos pulsos de sadas 14 e 15.

- PINO 14 Sada de pulso positivo no semiciclo positivo.

- PINO 15 Sada de pulso positivo no semiciclo negativo.

- PINO 16 Alimentao CC, no necessariamente estabilizada.Dados tcnicos de operao

- Tenso de Alimentao

CC 08 a 18 V

- Freqncia de trabalho

10 a 50 Hz

- Temperatura ambiente

0 a 70- Tenso de controle (pino 11)

02 a 15 V

- Corrente de consumo (sem carga) 05 a 10mA

- Corrente de carga

I10 = (1,25Vef)/R9

- Tenso de rampa

V10 = (1,25tVef )/(R9C10)

Diagrama de tempos do TCA 785:

Figura 47

Circuito de Acoplamento dos Sinais de Disparo: Como no convm que as sadas dos pulsos de disparos (pinos 14 e 15 do CI) sejam ligadas diretamente aos gates dos tiristores da unidade de potncia. Assim sendo os transformadores de pulso TR1 e TR2 provm uma isolao galvnica entre o delicado circuito de comando de disparo e o circuito de potncia, o qual pode estar manipulando mesmo correntes de at centenas de ampres, tendo-se assim um acoplamento indutivo. O transformador de pulso um transformador especial, com enrolamentos construdos sobre um ncleo de ferrite de formato toroidal (anel circular fechado), o qual prove o atributo de alta velocidade para a induo eletromagntica.

Os transistores Q1 e Q2 atuam como acionadores do transformador de pulso, excitando o enrolamento do primrio sempre que entram em conduo. O diodo D2 (ou D6) atua, juntamente com o diodo zener DZ1 (ou DZ2), como um circuito grampeador, o qual limita a elevao da tenso no coletor do transistor Q1 (ou Q2), no momento do corte.O diagrama completo do circuito de acoplamento entre as sadas de pulsos do CI e os terminais de gate dos tiristores dado a seguir:

Figura 48

A fig.49 mostra um circuito de polarizao para o TCA 785, sugerido pelo fabricante e baseada nas caractersticas eltricas do componente.

Fig.49 Circuito de polarizao para o TCA 785

Para garantir a conduo do tiristor, uma vez que, dada a natureza indutiva da carga o tiristor no conduza no exato instante de disparo , aplica-se um trem de pulso (e no apenas um pulso) aps o instante . A figura 50 mostra a incluso do oscilador 555 que gera um trem de pulso a partir do ngulo de disparo .

Fig.50 Circuito de disparo do TCA que gera trem de pulso a partir de IGBT

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

O IGBT alia a facilidade de acionamento dos MOSFET com as pequenas perdas em conduo dos TBP. Sua velocidade de chaveamento, em princpio semelhante dos transistores bipolares, tem crescido nos ltimos anos, permitindo operao em dezenas de kHz, nos componentes para correntes na faixa de algumas dezenas de Ampres.

Princpio de funcionamento

A estrutura do IGBT similar do MOSFET, mas com a incluso de uma camada P+ que forma o coletor do IGBT, como se v na figura 51.Em termos simplificados pode-se analisar o IGBT como um MOSFET no qual a regio N- tem sua condutividade modulada pela injeo de portadores minoritrios (lacunas), a partir da regio P+, uma vez que J1 est diretamente polarizada. Esta maior condutividade produz uma menor queda de tenso em comparao a um MOSFET similar.O controle de componente anlogo ao do MOSFET, ou seja, pela aplicao de uma polarizao entre gate e emissor. Tambm para o IGBT o acionamento feito por tenso.A mxima tenso suportvel determinada pela juno J2 (polarizao direta) e por J1 (polarizao reversa). Como J1 divide 2 regies muito dopadas, conclui-se que um IGBT no suporta tenses elevadas quando polarizado reversamente.Os IGBTs apresentam um tiristor parasita. A construo do dispositivo deve ser tal que evite o acionamento deste tiristor, especialmente devido s capacitncias associadas regio P, a qual relaciona-se regio do gate do tiristor parasita. Os modernos componentes no apresentam problemas relativos a este elemento indesejado.

Figura 51 - Estrutura bsica de IGBT.

Caractersticas de chaveamento

A entrada em conduo similar ao MOSFET, sendo um pouco mais lenta a queda da tenso Vce, uma vez que isto depende da chegada dos portadores vindos da regio P+.Para o desligamento, no entanto, tais portadores devem ser retirados. Nos TBPs isto se d pela drenagem dos portadores via base, o que no possvel nos IGBTs, devido ao acionamento isolado. A soluo encontrada foi a incluso de uma camada N+, na qual a taxa de recombinao bastante mais elevada do que na regio N-. Desta forma, as lacunas presentes em N+ recombinam-se com muita rapidez, fazendo com que, por difuso, as lacunas existentes na regio N- refluam, apressando a extino da carga acumulada na regio N-, possibilitando o restabelecimento da barreira de potencial e o bloqueio do componente.

Alguns critrios de seleo entre transistores

Um primeiro critrio o dos limites de tenso e de corrente. Os MOSFET possuem uma faixa mais reduzida de valores, ficando, tipicamente entre: 100V/200A e 1000V/20A.J os TBP e IGBT atingem potncias mais elevadas, indo at 1200V/500A. Tais limites, especialmente para os IGBTs tm se ampliado rapidamente em funo do intenso trabalho de desenvolvimento que tem sido realizado.Como o acionamento do IGBT muito mais fcil do que o do TBP, seu uso tem sido crescente, em detrimento dos TBP.Outro importante critrio para a seleo refere-se s perdas de potncia no componente. Assim, aplicaes em alta freqncia (acima de 50kHz) devem ser utilizados MOSFETs. Em freqncias mais baixas, qualquer dos 3 componentes podem responder satisfatoriamente.No entanto, as perdas em conduo dos TBPs e dos IGBTs so sensivelmente menores que as dos MOSFET.Como regra bsica: em alta freqncia: MOSFET

em baixa freqncia: IGBT

Retificadores Controlados Trifsicos

Introduo:

Deve-se optar por retificadores trifsicos controlados a medida que precisando-se manipular a tenso na sada do retificador (VCMED), passa-se a trabalhar com cargas que exijam maior potncia.

Se num retificador trifsico todos os diodos (ou ao menos trs deles), forem substitudos por tiristores, resultaro em circuitos retificadores controlados, os quais podem ser:

De meia onda;

Em Ponte Semicontrolada;

Em Ponte Totalmente Controlada.

Retificador Trifsico Controlado de Meia-Onda: denominado tambm de retificador controlado em estrela e de retificador trifsico controlado unidirecional pois todo retorno de corrente feito pelo neutro, tendo assim a inconvenincia de saturar mais facilmente o ncleo do transformador.

Apenas um dos tiristores estar em conduo de cada vez, conduzindo a corrente a partir de uma das fases.

Figura 52 -

A anlise ser feita para uma carga altamente indutiva, uma vez que normalmente, esse tipo de circuito empregado para suprir alimentao para motores de CC.

Cada um dos tiristores poder ser disparado a qualquer instante, mas somente a partir do momento que ocorre o ponto de comutao natural (ex.: =30 para a fase R) ou seja, momento em que a fase relacionada se torne a mais positiva dentre as trs fases e que pode ser visto no grfico da figura a seguir como sendo o momento da interseco entre duas fases (T e R). Por esse motivo se faz necessrio ajustar o incio dos disparos no circuito de comando de disparo.

Note que para uma carga resistiva pura a faixa de comando deve se restringir de =0 at =150, quando a respectiva fase deixa de ser positiva com relao ao neutro, e a corrente direta j no mais possvel.

A chamada faixa de comando de um retificador controlado a faixa dentro da qual o disparo cclico dos tiristores pode ser ajustado, pois existe sobre os respectivos tiristores tenso positiva para que o mesmo possa permitir fluir uma corrente direta de valor igual ou superior a corrente de manuteno (IH) para o tiristor.

Apenas para cargas indutivas o disparo pode ser retardado at o momento em que a respectiva fase passe a ser mais negativa dentre as trs fases, assim a faixa de comando vai desde =0 (que corresponde a =30) at =180 (que corresponde a =210).

Vale lembrar que, apesar da tenso ser negativa, aps =180, a corrente continua a fluir no tiristor no sentido direto, por fora da reao da carga altamente indutiva, que atrasa a corrente em relao tenso. Mas devido ao tempo de durao da comutao do tiristor no tecnicamente recomendvel que os disparos ocorram muito prximos de =180, bom que se reserve uma pequena margem de segurana.

A figura a seguir representa na parte escura a faixa de comando para carga indutiva.

Assim o instante mais cedo para que um tiristor seja disparado o instante da comutao natural, onde:

Para a fase 1 (R) = 0 quando = 30;

Para a fase 2 (S) = 0 quando = 150;

Para a fase 3 (T) = 0 quando = 270.

J o instante mais tarde possvel teoricamente quando =150 (=180), para carga resistiva. J para cargas indutivas, o instante mais tarde =180 (=210).

10.2.1 Operao: O valor mdio da tenso na carga varia em funo do ngulo de disparo . Disparando-se o tiristor T1 em um momento qualquer dentro da sua faixa de comando, a corrente fluir pela fase 1 (R), passando pelo tiristor T1, em seguida pela resistncia de carga e prosseguindo retorna pelo neutro para o transformador.

Fato semelhante ocorre para os demais tiristores e para as demais fases, respectivamente T2 e fase 2 (S), T3 e fase 3 (T), assim teremos no intervalo total de 360, trs pulsos de tenso retificados na carga.

Se todos os tiristores, cada qual em sua prpria faixa de comando, forem disparados em = 0, ou seja, no exato instante da comutao natural, obtm-se a mxima tenso contnua, e, neste caso temos que o comando esta permitindo retificar 100% da tenso possvel.

Neste caso, o valor da tenso contnua mdia pode ser dado pela expresso:

Para cargas indutivas, o valor da tenso mdia varia de um valor mximo positivo em =0 (=30) at um valor mximo negativo em =180 (=210), passando pelo valor 0 V em =90 (=120), sendo que em =90, a poro negativa da forma de onda de VCMED igual poro positiva, da o fato da tenso mdia ser igual a zero.

Embora, para cargas indutivas, tenhamos uma poro da forma de onda da tenso sobre a carga negativa, a corrente apresentar um comportamento contnuo, no sendo possvel a reverso do sentido da corrente, pois os tiristores s conduzem em um sentido.

A corrente ainda quase constante, quase CC pura, quando se trata de uma carga altamente indutiva.

Como a corrente, para cargas indutivas, praticamente constante, e, como a potncia o produto da tenso pela corrente, ento, a potncia tem um comportamento similar ao da tenso sendo que:

De =0 at =90 ela positiva, e o retificador est enviando energia da rede para a carga indutiva (motor) e,

De =90 at =180 a potncia negativa, pois temos o motor em processo de frenagem, devolvendo energia para a rede eltrica atravs do retificador.

A seguir apresentada uma figura representando a forma de onde de VCMED para =90, considerando que se tem uma carga altamente indutiva na sadas do retificador.

Figura 53 - Retificador Trifsico em Ponte Totalmente Controlado:

Este circuito de grande importncia devido ao seu largo emprego em acionamentos de mquinas CC, incluindo mquinas de maior porte.

composto de seis tiristores e difere parcialmente de funcionamento em relao ao retificador unidirecional devido ausncia de conexo com o neutro.

No entanto pode operar igualmente como retificador, transmitindo energia da rede carga ou como inversor, devolvendo energia da carga para a rede.

O instante de comutao natural ( =30) a referncia para o ngulo de disparo ( = 0), ou seja, =0 no instante do perodo da CA em que um diodo no lugar do tiristor assumiria a conduo natural.

Alimentando um motor CC, a corrente de sada do retificador praticamente constante, mas a tenso dependente do ngulo de disparo.

Figura 54 - A cada perodo de 360, cada tiristor ser disparado duas vezes. Observe o diagrama a seguir:

Primeiramente o tiristor T1 disparado (G1) em R=0, ou seja, no instante em que a fase em que o mesmo est ligado (R) se torna a mais positiva dentre as trs fases. No entanto como nenhum tiristor da parte superior da ponte poderia conduzir sem que um tiristor da parte inferior conduza juntamente, dispara-se ento tambm o tiristor T6 (G6), que est ligado fase (S) que ora a mais negativa dentre as trs fases. Assim teremos corrente vindo da fase R, passando por T1, pela carga e retornando por T6, para a fase S.

Figura 55 - Decorridos 60, ocorre da fase T se tornar mais negativa que a fase S, assim, dispara-se o tiristor T2 (G2). O disparo de T2 provoca tenso reversa em T6, e por falta de corrente de manuteno T6 corta automaticamente. Simultaneamente, um novo pulso de disparo dado em T1 (G1) para garantir que na troca de caminho de T6 por T2, T1 no deixe de conduzir. Agora temos corrente vindo da fase R, passando por T1, pela carga e retornando por T4 fase T.

Assim, o tiristor T1 sofreu dois disparos, um inicial em =0 e outro de garantia em =60. O tiristor T1 no mais sofrer disparos at que se termine totalmente o atual ciclo da CA.

Repare que no instante em que a fase S se torna mais positiva (S=0) que a fase R, T3 ser disparado (G3). Com T3 disparando, automaticamente faz com que T1 corte. Simultaneamente a re-ignio de T2 feita para garantir a manuteno de sua conduo.

Repare que, seguindo essa lgica, a cada 60 um par de tiristores disparado, ou seja h sempre dois tiristores conduzindo conjuntamente, e que cada tiristor e mantido em conduo por dois intervalos consecutivos de 60 de durao cada. Em cada um dos dois intervalos de 60 que lhe compete conduzir, um dado tiristor usa diferentes parceiros condutores. Ex: o tiristor T1 conduz por 120, sendo que os primeiros 60 a conduo ocorre em conjunto com o tiristor T6 e os 60 restantes a conduo ocorre junto com o tiristor T2.

Uma outra tcnica de disparos, evita a necessidade da re-ignio, por gerar pulsos de disparo longos, de durao maior que 60, assim, cada tiristor disparado uma nica vez em cada perodo da CA, sendo que a corrente em seu gate sustentada at aps que haja a troca de seu parceiro condutor.

Em ambos os casos, uma vez definido um valor para o ngulo de disparo , esse valor adotado para todos os tiristores. Mas repare que os tiristores possuem diferentes referncias para =0, devendo para isso ser considerada a fase (R, S ou T) a qual o tiristor est ligado e tambm a qual semiciclo, positivo ou negativo, o mesmo est associado.

A seguir apresentada uma forma de onda representado a forma de onde de VCMED para os tiristores disparados em =0 e com carga puramente resistiva.

Figura 56 -

Cada um dos tiristores poder ser disparado a qualquer instante, a partir da referncia (=0 comutao natural) ou seja, momento da interseco entre duas fases, podendo o disparo (e isso apenas para cargas altamente indutivas) ser retardado para ocorrer no mximo at o momento em que a respectiva fase passe a ser mais negativa dentre as trs fases, assim a faixa de comando vai desde =0 at =180.

Note que para carga resistiva pura a faixa de comando deve se restringir de =0 at =120, quando a respectiva fase deixa de ser positiva com relao fase do outro tiristor que est conduzindo em conjunto, e a corrente direta j no mais possvel.

Como a corrente, para cargas indutivas, praticamente constante, e, como a potncia o produto da tenso pela corrente, ento, a potncia tem um comportamento similar ao da tenso sendo que de =0 at =90 ela positiva, e o retificador est enviando energia da rede para a carga indutiva (motor) e de =90 at =180 a potncia negativa, pois temos o motor em processo de frenagem, devolvendo energia para a rede eltrica atravs do retificador.

Figura 57 -

Para os limites tericos de carga, ou seja, para carga puramente hmica e para carga puramente indutiva, tem-se que, a interdependncia entre o valor da tenso contnua (VCMED) e o ngulo de disparo () pode ainda ser indicada com relativa facilidade:

CONVERSOR CA / CC

Os quatro tipos bsicos de converso de energia so mostrados abaixo:

Figura 58 - A converso de corrente alternada em corrente continua com valores de tenso fixos tanto na entrada quanto na sada do conversor esttico pode ser conseguida com diodos retificadores, que so denominados retificadores no controlados.

Com retificadores controlados pode-se obter de uma tenso alternada constante uma tenso contnua varivel de zero at um valor mximo.

Caso a amplitude e a freqncia da tenso alternada em retificadores ou inversores for definida pela rede, teremos o chamado conversor controlado pela rede.

Conversores cuja freqncia operacional definida pelo prprio conversor so chamados de autocontrolados.

Malhas de Controle de um Conversor CA/CC Regulado

Introduo: O conceito de controle bastante antigo e utilizado a todo o instante pelo ser humano. Se analisarmos nossas atividades do dia-a-dia, percebemos que em todo o momento estamos fazendo um controle das nossas atividades, pois os nossos sentidos (viso, audio, tato, olfato, paladar) nos fornecem a todo instante, instrues para mudarmos os rumos de nossos atos, sejam estes voluntrios (decide vestir um agasalho quando sente frio) ou involuntrios ( o hipotlamo que controla a temperatura corporal - Homeostase no corpo humano).

Os sistemas de controle automtico artificiais funcionam sob esse mesmo princpio: eles recebem em sua entrada duas informaes:

Uma que chamamos de sinal de realimentao, que um sinal provindo de um sensor que informa o estado atual (valor atual) da varivel que o sistema est controlando (varivel controlada); Outra a qual chamamos de sinal de referncia, que um sinal preestabelecido ajustado para informar o valor desejado para a varivel controlada.

Comparando estas duas informaes obtm-se a diferena aritmtica entre elas. A esta diferena chamamos de sinal de erro, o qual pode ter os seguintes comportamentos:

Se a diferena zero (erro igual a zero), isto ocorre porque a varivel controlada tem o valor atual igual ao valor desejado, e a isso chamamos de condio estvel do sistema de controle. Todo trabalho de um sistema de controle consiste em, permanentemente, buscar e manter a condio estvel. Se a diferena diferente de zero, significa que existe erro, ento o comparador produz em sua sada uma informao que significa de que maneira a varivel de sada final do controlador (varivel manipulada) deve responder, ou seja, em quanto a varivel manipulada deve variar de valor e se variar aumentando ou diminuindo, a fim de buscar estabilizar novamente o sistema.Tomemos como exemplo um conversor CA/CC, na forma como o conhecemos at o presente e momento:

A unidade de potncia constituda de componentes controlveis, ou seja, tiristores do tipo SCR; O circuito de disparo permite o ajuste (variao) do ngulo de disparo em uma ampla faixa de operao; Mas o funcionamento em um sistema de malha aberta, ou seja, no existe um sinal de realimentao que informa o estado atual da velocidade do motor.

Este circuito poder com facilidade permitir que se manipule o valor da sua varivel de sada final, ou seja, que se varie o valor a tenso contnua mdia de sada (VCMED), atravs da variao do sinal de referncia (potencimetro), mas importante se notar que: Poder manipular a varivel de sada diferente de se poder, efetivamente, control-la! Um conversor como o descrito acima permite exercer a variao da velocidade de um motor, no entanto sem exercer um efetivo controle sobre tal velocidade. Todavia, num grande nmero de aplicaes industriais, no se deseja apenas poder variar a velocidade, mas sim, efetivamente control-la, de modo a prover uma compensao automtica, a qual combata os efeitos da influncia de perturbaes tpicas do sistema, tais como:

Flutuaes aleatrias da amplitude da tenso da rede eltrica CA; Variaes do conjugado resistente (da carga mecnica do motor); E secundariamente outras compensaes, como por exemplo, compensaes por variaes trmicas.

Isto s conseguido atravs da existncia de sinais de realimentao, os quais retornam informaes da planta para o controlador, informaes estas que so fornecidas por sensores e transdutores.

Sistema de Comando X Sistema de Controle: Sistema de Comando: Consiste em um conjunto de elementos interligados em malha aberta, isto , as informaes processadas nestes elementos apresentam um nico sentido: da entrada para a sada, sem que exista realimentao.

Figura 59 - Sistema de Controle: Consiste num conjunto de elementos interligados em malha fechada, isto , alm do fluxo de informao no sentido direto: da entrada para a sada, existe outro fluxo no sentido contrrio, da sada para a entrada, o qual chamamos de realimentao.

Assim, para que haja um sistema de controle, necessrio que haja no mnimo uma linha de realimentao a partir de um sensor.

Em um conversor CA/CC que aciona um motor, por exemplo, para evitar o centelhamento entre a escova e o coletor do motor necessrio controlar a corrente de armadura (IA). J para evitar sobre-velocidade necessrio monitorar a velocidade real atravs de uma realimentao fornecida, por exemplo, por um taco-gerador.

Figura 60 - Enfim, nas aplicaes com mquinas de CC modernas, as malhas de realimentao de regulao e controle so indispensveis.

Malhas de Controle de um Conversor: Estabelece-se um controle sobre um sistema, sempre que se deseja mant-lo sob certas condies esperadas, as quais podem ser at mesmo a razo da existncia do prprio sistema.O diagrama a seguir representa genericamente a estrutura de um sistema de controle:

Figura 61 -

Figura 62 -

Sistemas de controle mais complexos podem trabalhar com mais de um sinal de realimentao, compondo assim mltiplas malhas de controle, uma para cada sinal de realimentao.

O sistema de controle de um conversor de energia para acionamento de Motor CC tipicamente composto de duas malhas de realimentao:

- Malha de controle de corrente (i);

- Malha de controle de velocidade (n).

Sendo implementado segundo o diagrama a seguir:

Figura 63 - O bloco denominado controle no diagrama acima engloba os blocos comparadores e os blocos reguladores de ambas as malhas bem como o circuito de disparo dos tiristores. Denominamos de bloco controlador a associao de um bloco comparador e um bloco regulador.

Figura 64 - Cada malha de controle possui pelo menos um comparador e um regulador com a funo de:

Realizar a operao de comparao entre os sinais de referncia e de realimentao (funo do comparador); Aplica um determinado tipo de ao com um determinado sentido ao sinal resultante (funo do regulador).

Sistema de Controle Automtico Contnuo: Os sistemas de controle automtico em malha fechada normalmente apresentam um controlador cuja sada varie continuamente, isto , podendo assumir qualquer um dos infinitos valores possveis compreendidos entre os limites mximo e mnimo da zona diferencial.

Dependendo da forma como a informao de erro processada, podemos dispor de um sistema de controle esttico, dinmico ou combinado, englobando um total de seis possveis tipos de ao.

Tipos de Ao dos Reguladores: Em termos de circuitos eletrnicos, um controlador constitudo de blocos, onde se destacam os blocos denominados de reguladores. Geralmente, os reguladores podem ser implementados por circuitos eletrnicos lineares com o emprego de Amplificadores Operacionais (AOs). Entretanto, os mesmos reguladores podem tambm constituir-se por algoritmos implementados em software que rodam em microcontroladores.

Um regulador tipicamente um bloco que recebe em sua entrada um sinal eltrico, o qual passa a ser apresentado na sada aps sofrer instantaneamente uma certa modificao. A modificao sofrida pelo sinal original determinada pelo tipo de ao e pelo sentido da ao empregada pelo regulador.

Em nossos ensaios prticos utilizaremos um equipamento de funcionamento puramente eletrnico linear baseado em Amplificadores Operacionais. Do ponto de vista didtico esta uma opo que propicia uma viso bastante interessante para prover conhecimento sobre os reguladores.

Dependendo de como os componentes externos so ligados ao Amplificador Operacional, eles definiro o tipo de ao do regulador, que poder ser:

- Ao proporcional (P) controle esttico;- Ao Integral (I) controle dinmico;- Ao derivativa (D) controle dinmico;- Ao composta (PI PD PID) controle combinado. Um comparador tambm pode ser provido por um amplificador operacional, implementado no modo de amplificador diferencial e com ganho unitrio. Assim o bloco comparador produzir em sua sada um sinal cuja tenso corresponde diferena algbrica das tenses presentes na entrada. A este sinal chamamos de sinal de erro ().Em instrumentao, utiliza-se controladores de propsito geral. Nestas aplicaes o sinal de referncia comumente denominado de Set-Point, empregando-se a sigla SP. O valor real da varivel controlada (sinal de realimentao) denominado Process Value, cuja sigla PV. J ao sinal de sada do controlador denomina-se Controller Output, ou CO.Um bloco controlador pode entregar o seu sinal de sada para um prximo estagio de bloco controlador, caso que acontece quando se tem um sistema com mltiplas malhas de controle (controle em cascata). Se o controlador for o ltimo estgio, seu sinal de sada pode ser entregue diretamente ao elemento final de controle, ou ser entregue a um circuito que converta a resposta linear em pulsos de comutao, como o caso do conversor que enfocaremos.

Os reguladores feitos a partir de amplificadores operacionais muitas vezes trabalham com fonte de alimentao simtrica (V+ e V-), sendo que sua sada pode assumir qualquer valor compreendido em os valores mnimo e mximo de sada (zona diferencial), operando na regio linear (sem saturar o amplificador)

Circuito Regulador de Ao Proporcional ( P ): O regulador de ao proporcional (P) produz um sinal de sada de amplitude proporcional ao sinal de entrada (sinal de erro = ), segundo a frmula:

O ganho de um regulador pode ser positivo ou negativo. O sinal do ganho define o sentido da ao do regulador, a qual pode ser direta ou reversa e existem reguladores de diferentes sentidos de ao para todos os tipos de ao

Esse regulador pode ser constitudo por um amplificador operacional (AO) que, ao receber em sua entrada um sinal de erro enviado pelo comparador, responde imediatamente acionando os estgios de sada visando re-estabilizar o sistema. Sua resposta no inclui variveis dependentes de tempo.

A sada de um regulador de ao proporcional pode assumir qualquer valor compreendido entre os limites mnimo e mximo da zona diferencial. comum trabalhar-se com percentagem de 0 a 100 % - ao se referir ao valor do sinal de sada de um regulador.

Um regulador de ao proporcional que trabalhe com um nico sinal de entrada, nada mais do que um AO configurado como amplificador inversor, cujo ganho negativo e que fornece uma sada de valor VS = 0V no ponto quiescente:

Figura 65 -Em caso de haver mltiplos sinais de entrada, a configurao do AO de um amplificador somador: a sada sempre proporcional somatria das entradas:

Figura 66 -

Algumas literaturas de instrumentao usam ainda o termo banda proporcional ao invs de ganho. A banda proporcional, expressa em percentagem, o inverso do ganho:

Caso o sinal de erro exceda a banda proporcional , o regulador satura (a sada fica limitada em um dos dois extremos da zona diferencial). Isso ocorre tanto para erros positivos como para erros negativos, os quais sejam excedentes.

O ponto quiescente (VS = 0V) corresponde a um valor de sada de 50%, ao passo que, desta forma o regulador tem condies de corrigir erros simetricamente, tanto elevando a sada, at um limite mximo de 100%, quanto reduzindo a sada, at um mnimo de 0%, com VS variando, por exemplo, de +10V at -10V, respectivamente.

Controladores de ao puramente proporcional somente podem ser utilizados em processos que permitam um reposicionamento manual do valor desejado (do sinal de referncia ou Set-Point), pois desta maneira consegue-se eliminar o erro residual que pode ser provocado por sucessivas mudanas de carga.

Circuito Regulador de Ao Integral ( I ):

Os reguladores de ao integral ( I ), so considerados de ao dinmica (contnuos) pois o sinal de sada dos mesmos uma funo do tempo de permanncia da varivel de entrada ().

O sinal de sada de um regulador de ao integral proporcional integral do sinal de erro (), ao longo do tempo de integrao (TI). Sua frmula :

A figura ao lado demonstra para um regulador I de ao direta, como diferentes valores da constante de integrao (KI) produzem diferentes valores de resposta de sada (S) em funo do tempo, para o surgimento repentino um sinal de erro () fixo. Devemos observar que nos casos reais a situao de sinal de erro constante pode ser obtida por manter-se a malha de realimentao aberta 1:

Observa-se que quanto maior for a constante de integrao (KI), tanto menor ser o tempo total da integrao, tornando-se assim, a variao propiciada ao sinal de sada, uma variao de inclinao mais ascendente. Essa comparao de diferentes constantes de integrao feita para um mesmo sinal de erro.

A integrao se inicia no instante que surge o erro, ou seja, em t0.

O sinal de sada tambm pode ser caracterizado como sendo a somatria das reas contidas sob a forma de onda do sinal de entrada em cada instante (definio de integral), dando como resultado uma rampa, a qual pode ser obtida eletronicamente com um circuito regulador integrador com AO, que tem como princpio a constante de tempo de carga e descarga de um circuito RC srie.

Figura 67A presena de um bloco regulador integrador em um sistema provoca uma reao mais lenta na resposta, pois ao aparecer uma tenso de erro na entrada, a tenso no capacitor sai do zero e vai se ajustando gradativamente de acordo com a constante de tempo.

Com exceo do sinal que provm direto de um potencimetro de ajuste de referncia, que deve sofrer uma integrao para evitar variaes bruscas do potencimetro por parte do operador, em controles normalmente no se usa reguladores com ao somente integral, pois isso significaria se querer to somente um controle de atuao lenta. Normalmente a ao integral (I) utilizada em composio com a ao proporcional (P) formando uma atuao - PI, ou ainda uma composio que inclua ao proporcional e derivativa - PID.

(1) Note que em malha fechada, como um sistema de controle de fato normalmente trabalha, a forma de onda seria diferente da apresentada, pois medida que a sada vai se alterando para mais devido ao erro, ocorre que a varivel controlada por sua vez ir se estabilizando. Isso afeta o prprio sinal de erro que conseqentemente vai se tornando cada vez menor. Como conseqncia a ascendncia da rampa do sinal de sada tambm vai se tornando cada vez menos acentuada, formando uma curva logartmica e o prprio erro tende a se tornar uma rampa que retorna a zero.

Circuito Regulador de Ao Derivativa ( D ): Os reguladores de ao derivativa ( D ), tambm so considerados de ao dinmica, sendo o sinal de sada do regulador proporcional velocidade de variao do sinal de erro na entrada. Sua frmula :

Esse tipo de bloco regulador tambm constitudo por amplificador operacional, e, dentro da faixa de variao do erro, pode produzir correes antes que o erro se torne demasiadamente grande.

O circuito do bloco regulador derivativo bsico mostrado a seguir:

Figura 68 - A presena de um regulador derivativo em um sistema torna a resposta do sinal de sada abrupta (a resposta corresponde a um tranco). Este tipo de regulador no usado separadamente, pois a sada deste regulador apresenta sinal de sada zero tanto na situao em que o sinal de erro seja realmente zero, quanto na situao em que o sinal de erro permanece constante por um longo tempo.

Nos sistemas de converso regulada CA/CC para acionamento de motores, devido a caractersticas prprias do sistema, o qual geralmente no pode levar trancos, o controle derivativo, mesmo que combinado com algum outro tipo de ao, seja PD ou PID, normalmente evitado.

O regulador de maior relevncia para o nosso tipo de aplicao o PI (Proporcional Integral).

Circuito Regulador de Ao Proporcional-Integral ( PI ): Este modo de controle resultado da combinao entre os modos proporcional e integral. Sua formula consiste na combinao das equaes que definem a ao integral e a ao proporcional:

Figura 69 - A curva resultante consiste na somatria da curva proporcional com a cutrva integral, fazendo com que o erro retorne a zero. Note que a componente proporcional tem a mesma forma, porem invertida, em relao ao erro.

A principal vantagem deste modo de controle composto PI, a relao de correspondncia ponto a ponto entre o erro e o sinal de sada, definida pela ao proporcional, juntamente com a ausencia da necessidade de reposicionamento (tpico do controle P) devido ao erro residual, que passa a ser compensado pela ao integral.

Este modo de controle pode ser utilizado em processos que possuem como caracterstica uma grande variao de carga, pois no haver erro residual.

No entanto recomendvel que estas variaes de carga no sejam bruscas, pois isto pode provocar oscilaes na varivel controlada, em funo do tempo de integrao.

O diagrama funcional e a frmula do regulador PI baseada nos valores dos componentes do circuito so apresentadas a seguir:

Figura 70 -

Observando as formas de onda do sinal de entrada e sada, vemos que no instante em que aparece o sinal de erro na entrada, a sada responde rapidamente com um valor que proporcional ao da entrada de erro. Deste momento em diante o valor da sada continua aumentando enquanto durar o sinal de erro na entrada.

Quando cessa o sinal de erro na entrada, h uma queda na sada, referente ao proporcional e mantm-se um desnvel que referente ao tempo de durao do erro ocorrido. Esse nvel se mantm na sada devido carga do capacitor.

A figura a seguir mostra dois exemplos de regulador PI de aplicao industrial. A diferena de ambos que o caso da esquerda, ao calibrarmos podemos zerar o valor do potencimetro e ento o regulador se torna de ao puramente integral, coisa que quase sempre no convm. Isso j no ocorre no circuito da direita, este ento mais comum de ser encontrado.

Figura 71 - O ajuste otimizado dos reguladores de velocidade e de corrente e dos filtros, possibilita a operao estvel da mquina nas condies de degraus de conjugados de carga e na referncia de velocidade, possibilitando uma resposta rpida e tima da mquina a estes distrbios.

Malha de Corrente:

composta de um regulador PI o qual efetua o controle da corrente de armadura (iA) e sua sada atua diretamente sobre o circuito de disparo dos tiristores, o qual por sua vez comanda a unidade de potncia, ou seja, o retificador controlado.

A regulao feita pela diferena comparativa entre o valor desejado de corrente, ou seja, o sinal correspondente ao valor de referncia (iREF) e o sinal de realimentao de corrente, a qual corresponde ao valor atual da corrente iA, que pode ser fornecido, por exemplo, pela queda de tenso sobre uma carga resistiva de pequeno valor hmico, sendo que essa se encontra instalada em srie com o enrolamento de armadura do motor. Damos a esta carga resistiva o nome de resistor shunt. H tambm a possibilidade de se utilizar transformador de corrente (TC) para o sensoriamento da corrente IA.

A figura a seguir mostra duas possveis tcnicas de sensoriamento da corrente IA, por resistor shunt e por transformador de corrente (TC):

Figura 72 -

A realimentao da corrente IA a partir de um shunt em srie no circuito de armadura, necessita de um amplificador, pois a D.D.P. fornecida pelo shunt da ordem de milivolts, mesmo quando temos corrente nominal no motor e mesmo que esta corrente seja da ordem de muitas dezenas de ampres.

Faz se necessrio tambm prover uma isolao galvnica entre o shunt e o conversor, isto , desejvel uma isolao galvnica entre a armadura, que trabalha com centenas de volts, e o circuito de controle, onde se encontram os reguladores e circuito de disparo, feitos com circuitos integrados. Esta isolao pode ser provida por um acoplador tico.

Caso utilizemos uma realimentao de corrente provida por um transformador de corrente (TC), a isolao galvnica provida pelo prprio TC, que tem princpio de funcionamento baseado em acoplamento indutivo. Temos uma forma de onda pulsante no primrio do TC, apesar do alisamento da corrente provocado pela alta indutncia do motor. Isso garante a devida induo no secundrio, sendo necessrio um circuito retificador aps o TC, para entregar um sinal de tenso contnua para o regulador.

A sada do regulador da malha de corrente produz um sinal de tenso que atua diretamente no controle do circuito de disparo dos tiristores (no caso, a tenso de controle do CI TCA 785), provocando variao no ngulo de disparo () e conseqentemente manipulando o valor da tenso mdia (VCMED) presente na sada do retificador controlado a qual aplicada ao motor, provocando e determinando a magnitude da corrente de armadura (iA). VCMED e IA, por sua vez, definem a velocidade de operao:

Esta relao verdadeira se considerarmos um motor que tenha intensidade de fluxo (C) constante ( o que ocorre com os motores de im permanente, como o nosso caso), e o motor deve possuir ainda carga mecnica constante.

Podemos, portanto, no regulador de corrente, limitar a velocidade mxima (nMAX) e a velocidade mnima (nMIN) de operao do motor, pelo ngulo de disparo mnimo (MIN) e o ngulo de disparo mximo (MAX) fornecido pelo circuito de disparo, ou seja, pelo nvel mximo e mnimo do sinal fornecido pelo regulador de corrente

Malha de Velocidade: A malha de velocidade (n), assim como a de corrente (i), compe-se de um regulador do tipo PI, que controla a velocidade a partir do comando de referncia (valor desejado), comparando-a com a realimentao vinda do taco gerador (valor atual). Na comparao resulta a diferena entre ambas. Essa diferena o erro (). Na sada do comparador PI, a tenso proporcional a esse erro.

Visando proteger o motor e o conversor contra condies anormais de operao, como por exemplo, ausncia do tacogerador, o que faria com que o regulador forasse a corrente no motor ao extremo, a sada do regulador PI de velocidade est submetida ao regulador PI de corrente, que estar estabelecendo para proteo do sistema um limite de corrente mxima na sada do conversor.

Tacogerador Aplicaes e Construo: O tacogerador projetado para ser aplicado no servocontrole de mquinas operatrizes de controle numrico, de acionamento de mquinas txteis, aceleradores, freio de elevadores, comando e regulagem para ajustes finos que dependem da variao da velocidade e outras aplicaes que requerem velocidade contnua e extremamente controlada. O tacogerador fornece um sinal de tenso contnua correspondente ao valor real da velocidade