ANUÁRIO DO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA

INDUSTRIAL

Utilização de Microcontrolador para Acionamento e Controle de Cargas em Corrente

Alternada Utilizando Zero Crossing.

Leomar Besen1,

1 Introdução

Há alguns anos muitos dos equipamentos eletrônicos dotados de alguma forma

deprocessamento digital continha um microprocessador ou microcontrolador que geralmente

eraprogramado em assembly. Com o crescimento do mercado de equipamentos eletrônicos, a

difusão àinternet, os equipamentos dedicados necessitam reagir a maior quantidade de

periféricos externos (OLIVEIRA, ANDRADE, 2006).

Os sistemas necessitam de um componente que forneça um desempenho a toda

estasofisticação dos equipamentos. Hoje se encontram sistemas embarcados em quase todos

osequipamentos do dia-a-dia. Esta necessidade popularizou outras formas de sistemas

embarcados,que há muito tempo eram utilizadas somente em aplicações específicas, muitas

aplicaçõesindustriais para equipamentos com recursos onde a eletrônica tem um papel

importante no controledo processo e aplicações com menor complexidade chamadas

domésticas (OLIVEIRA,ANDRADE, 2006).

Em sua dissertação (SANTOS, 2001) descreve que o progresso da eletrônica de

potência após osurgimento dos tiristores, entre 1960 e 1970, a construção de dispositivos

dimmer pequenos, baratose com boa eficiência, comparados aos reostatos utilizados

anteriormente, tornou-se bastante fácil.Atualmente os tiristores ainda são largamente

utilizados, uma vez que se pode contar com acomutação natural. Em aplicações de baixa

potência pode-se fazer uso de TRIACs, enquanto parapotência mais elevada utilizam-se dois

SCRs em antiparalelo.

Entretanto estes dispositivos eletrônicos são utilizados comutando abruptamente

corrente deentrada, passando a surgir vários problemas de interferências eletromagnéticas,

distorçõesharmônicas e ruídos audíveis que precisam ser cuidadosamente resolvidos.

1leomar.controle@gmail.com, docente na Faculdade Anhanguera de Jaraguá do Sul

Este trabalho propõe o estudo de técnicas e componentes eletrônicos para o

acionamento dostiristores amplamente usadas na indústria, minimizando as interferências do

tipo EMI geradas emantendo o controle da potência aplicada à carga.

.

2 Material e Métodos

Após a invenção dos transistores, a implementação de circuitos digitais tornou-se cada

vez mais complexa, com isto veio à necessidade de reduzir o tamanho dos circuitos

eletrônicos, surgindo então o circuito integrado.

Segundo Oliveira e Andrade (2006) os sistemas embarcados são compostos por uma

unidade de processamento, que é um circuito integrado, fixado a um circuito impresso. Este

circuito integrado possui um software para rodar a aplicação chamado de firmware, e estará

interagindo com o processo através das entradas e saídas com os sinais que poderão ser

analógicas ou digitais.

Os microcontroladores em geral possuem todos os periféricos necessários em um único

encapsulamento, seu tamanho é reduzido podendo ser encontrado com diversos números de

terminais e drivers internos específicos para diversas aplicações. Seu desempenho é menor

que os microprocessadores, porém podem ser usados em aplicações que necessitam de

menores dimensões e menor custo. Para este estudo utilizaremos o PIC18F4520.

O microcontrolador PIC18F4520 representado na Figura 2, objeto deste estudo inclui

uma CPU de 16.384 palavras de memória flash (32.768 bytes), 1.536 bytes de memória RAM

e 256 bytes de memória EEPROM. O PIC18F4520 é uma versão revisada e modernizada do

PIC18F452, que por sua vez é uma versão melhorada do PIC16F877.

Dentre seus periféricos internos podemos citar:

• 36 pinos, divididos em cinco portas de entradas ou saídas (I/Os);

• Três pinos de interrupção interna e quatro pinos com detecção de mudança de

estado;

• Porta paralela escrava para transferência de 8 bits em alta velocidade;

• Um timer de 8 bits e três times de 16 bits;

• Dois módulos de captura, comparação ou PWM (CCP);

• Módulo de comunicação serial síncrona (MSSP, SPI/I2C);

• Conversor analógico digital com resolução de 10 bits e 13 canais de entrada;

• Módulo oscilador interno de 8MHz;

• Módulo de detecção de baixa tensão e WDT controlável por software;

• Disponibilidade em encapsulamento DIP 40, TQFP 44, QFN 44.

Figura 2 - Microcontrolador PIC18F4520

O SCR é um componente da família dos tiristores unidirecional, que conduz corrente

elétrica somente quando for acionado o gatilho, aplicações em corrente continua faz-se

necessário o desligamento do componente por interrupção da corrente. Aplicação em corrente

alternada pode controlar a tensão entregue a carga, controlando desta forma a potência

produzida, em aplicações de baixa potência pode-se fazer uso dos TRIACs. Para o

acionamento dos TRIACs utilizam-se os DIACs que operam em ambas as polaridades de

tensão, desde que seja excedido o valor da tensão de disparo.

Dispositivos dimmer são os métodos mais comuns para controle de potência em cargas

resistivas, e funcionam através do controle de fase em um determinado semiciclo da rede,

onde o tiristor é acionado por um determinado instante, fazendo com que a carga esteja

conectada à entrada por um intervalo de tempo menor ou igual a um semiciclo. Desta forma o

valor da tensão eficaz aplicado à carga é controlado. O tiristores permanece em condução até

que a corrente caia abaixo da corrente de manutenção do componente, para cargas resistivas,

próximo ao cruzamento do zero da tensão de entrada (SANTOS 2001).

As distorções harmônicas e interferências do tipo EMI na rede de alimentação são

causadas por cargas não lineares, onde a tensão e corrente da rede não possuem

proporcionalidade. A principal técnica no controle da potência conhecida como dimerização,

o controle de fase distorce a corrente produzindo componentes harmônicos em diversas

frequências.

O presente trabalho propõe o estudo do acionamento de cargas resistivas com potências

até 1600W utilizando tiristor modelo BTA 16-600. Conforme data sheet o BTA 16-600

suporta uma tensão de pico de 600VCA com uma corrente máxima de 16 Amperes, a corrente

de gate de 10 a 50 mA. De acordo com APLICATION NOTE NA-3004 se o disparo

acontecer exatamente no momento em que a senóide passa pelo valor de tensão igual a zero, a

subida de tensão na carga irá acompanhar a fonte, evitando a emissão de interferências,

reduzindo a geração de harmônicas e diminuindo os problemas que são gerados pelo controle

por fase.

Para o acionamento do BTA-16 utilizaremos um circuito integrado para o disparo na

passagem por zero ou “zero crossing” Figura 3 dentre alguns dispositivos encontrados no

mercado destaca-se a família de opto-isoladores MOC30XX, da Fairchild Semiconductors.

Figura 3 - Circuito Zero Crossing

Os pulsos obtidos pelo circuito detector serão utilizados para os disparos dos TRIACs,

fazendo-os conduzir no exato momento da passagem por zero, o controle da potência se dá

então através do número de ciclos ativos entregues a carga, e não no ângulo de disparo do

tiristor. Utilizando a técnica do PWM podemos controlar a duração do ciclo de trabalho (duty

cycle) que é responsável pela potência da carga. Se considerarmos um ciclo de trabalho de 1

segundo com uma frequência de 60 Hertz, teremos um número máximo de 60 ciclos ativos

(Quadro 1).

Quadro 1 - Potência de saída em função do número de pulsos

Potência Número de ciclos

Desligado 0 Ligado – 60 Desligados

1/4 da Potência total 15 Ligados – 45 Desligados

1/2 da Potência total 30 Ligados – 30 Desligados

3/4 da Potência total 45 Ligados – 15 Desligados

Potência total 60 Ligados – 0 Desligados

Conforme APLICATION NOTE NA-3004 applications of Zero voltage crossing optical

isolated drivers, pode-se calcular o circuito snubber (RC), proteção dv/dt naFigura 4. O sinal

para acionamento será enviado por um microcontrolador PIC18F4520, conforme “data sheet”

do fabricante o circuito integrado MOC3031 garante uma isolação entre a potência e o

circuito de controle com tensão de isolação máxima durante um segundo de 7500VAC.

Figura 4 - Conjunto de uma das entradas com as saídas tiristorizadas

Para encontrar resistor limitador do Triac, considerando que estamos trabalhando com

uma tensão de 220VAC RMS, e a máxima corrente de pico de 1 Ampere, utilizamos a

equação conforme AN3004 da fairchild Semiconductor Eq. (1).

U6

BTA 16

TO220

Zero

Crossing

1

2

6

4

U9

MOC3031M

R18

100R

R1947R

2W

C7100n

600V

fase

Sinal microcontrolador

Carga

𝑅 =𝑉𝑝

𝐼𝑝=

220∗√2

1= 311𝑅 (1)

Para definirmos o circuito Snuber, devemos encontrar a constante de tempo do “data

sheet” do TRIAC as equações da frequência de ressonância Eq. (2), do Capacitor Eq. (3) e do

resistor Eq. (4).

𝑇 =𝑉𝐷𝑅𝑀

(𝑑𝑣

𝑑𝑡)𝑚𝑎𝑥

=600𝑉

5𝑉/𝜇𝑠= 120𝜇𝑠 (2)

𝑐 =𝑇

𝑅𝑙=

120𝜇𝑠

1600= 75𝑛𝐹 (3)

𝑅 = √𝑉𝐷𝑅𝑀

(𝑑𝑖

𝑑𝑡)𝑚𝑎𝑥

= √600

3= 14,14𝛺 (4)

Aproximando os valores para componentes comerciais utilizaremos o capacitor de

100nF/630V e resistor de 47R/2W.

3 Resultados e Discussão

Para o acionamento do circuito de potência utilizaremos um microcontrolador

PIC18F4520, efetuando um sistema em malha aberta, com chaves para ajuste da potência em

percentual da tensão e dois níveis de parâmetros, potência e tempo de acionamento. A

visualização das grandezas é efetuada com dois displays de sete segmentos em um barramento

multiplexado. O disparo do TRIAC será através de uma saída PWM do microcontrolador no

MOC3031.

Se ajustarmos o equipamento para 10% da potência o microcontrolador deverá gerar um

sinal PWM com frequência de 10Hz e um tempo de 10 milissegundos ligado e 90

milissegundos desligados, o que resulta na saída somente um ciclo ativo. O Quadro 2

demonstra o percentual de ajuste, tempo ativo e número de ciclos na saída.

Quadro 2 - Número de ciclos na saída em função do tempo ativo do PWM

% da Potência ajustada Tempo ativo (ms) Nº de ciclos na saída

10 10 1

50 50 3

90 90 5,4

100 100 6

A “Figura 6” mostra o sinal na saída do microcontrolador, ensaio realizado com 10% da

potência, pode verificar a frequência de 10 Hertz e os 10 milissegundos de acionamento que

geram somente um ciclo ativo na carga Figura 7. A Figura 8 mostra o sinal do

microcontrolador com ensaio realizado utilizando 50% da potência do equipamento gerando

três ciclos ativos na saída conforme Figura 9.

O timer 1 será responsável pela leitura do teclado, visualização dos display 7 segmentos

e acionamento dos LEDs indicadores do circuito de comando. A fonte para alimentar o

circuito será uma fonte chaveada com entrada de 60 a 240VCA, saída de 12VCC e corrente de

1 A conforme circuito completo da Figura 5.

Figura 5 - Circuito eletrônico completo

AB

CD

EF

GH

JK

BC

DE

FG

HJ

KA

FIL

E N

AM

E:

BY

:

DA

TE

:

PA

GE

:

Ze

ro_

Cro

ss

ing

.DS

N1

6/0

8/2

012

C:\

PO

S\Z

ero

_C

rossin

g.D

SN

PA

TH

:1

of

1

RE

V:

TIM

E:

01:0

9:4

7

DE

SIG

N T

ITL

E:C

:\P

OS

\Ze

ro_

Cro

ss

ing

.DS

N

0 1 2 4 5 6 7 8 9

0 1 2 3 4 5 6 7 8

3

9

SW

1D

S6

SW

2D

S5

SW

3D

S3

CM

1D

S2

CM

2D

S1

SH

2D

S7

SH

3D

S8 D

S4

CM

1

MCLR

LED2

S3

LED1

S2

S1

CM

2

DS

1

DS

2

DS

3

DS

4

DS

5

DS

6

DS

7

DS

8

SW3

SW2

SW1

SH1

SH2

SH3

SH

1

S1

S2

S3

MCLR

LED5

LED4

LED3

LE

D3

LE

D4

LE

D5

LED2

LED1

RA

0/A

N0

/C1

IN-

19

RA

1/A

N1

/C2

IN-

20

RA

2/A

N2

/C2

IN+

/VR

EF

-/C

VR

EF

21

RA

3/A

N3

/C1

IN+

/VR

EF

+22

RA

4/T

0C

KI/C

1O

UT

23

RA

5/A

N4

/SS

/HL

VD

IN/C

2O

UT

24

RA

6/O

SC

2/C

LK

O31

RA

7/O

SC

1/C

LK

I30

RB

0/A

N1

2/F

LT

0/IN

T0

8

RB

1/A

N1

0/IN

T1

9

RB

2/A

N8

/IN

T2

10

RB

3/A

N9

/CC

P2A

11

RB

4/K

BI0

/AN

11

14

RB

5/K

BI1

/PG

M15

RB

6/K

BI2

/PG

C16

RB

7/K

BI3

/PG

D17

RC

0/T

1O

SO

/T1

3C

KI

32

RC

1/T

1O

SI/C

CP

2B

35

RC

2/C

CP

1/P

1A

36

RC

3/S

CK

/SC

L37

RC

4/S

DI/S

DA

42

RC

5/S

DO

43

RC

6/T

X/C

K44

RC

7/R

X/D

T1

RD

0/P

SP

038

RD

1/P

SP

139

RD

2/P

SP

240

RD

3/P

SP

341

RD

4/P

SP

42

RD

5/P

SP

5/P

1B

3

RD

6/P

SP

6/P

1C

4

RD

7/P

SP

7/P

1D

5

RE

0/R

D/A

N5

25

RE

1/W

R/A

N6

26

RE

2/C

S/A

N7

27

RE

3/M

CL

R/V

PP

18

U1

PIC

18

F4

520

D1

00

7S

EG

-C-C

OM

D2

00

7S

EG

-C-C

OM

CH

1

S1

CH

2

S2

CH

3

S3

CH

5

PC

H6

O/L

CH

7

INC

CH

8D

EC

X1

CR

YS

TA

L

C1

33p

C2

33p

VI

1V

O3

GND2

U2

78

05

C3

10

0u

63V

C4

10

0u

63V

C5

10

0n

20

0V

5 V

12 V

D4

LE

DD

5L

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D6

LE

D

D13

LE

DD

14

LE

D

R6

R7

R8

R9

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R11

R12

6 X

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0R

R13

33

0R

1 2 3 4 5

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0k

CH

4

CH

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10

K

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10

K

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10

K

5 V

U3

BT

A1

6

U4

BT

A1

6

U5

BT

A1

6

Zero

Cro

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g

1 2

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MO

C3

031M

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1 2

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031M

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MO

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031M

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10

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R4

47R

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47R

2W R15

47R

2W

R16

47

0R

R17

47

0R

R18

1K

R19

10

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R20

10

0R R21

10

0R

FA

SE

1

CA

RG

A1

FA

SE

2

CA

RG

A2

FA

SE

3

CA

RG

A3

Figura 6 - Pulsos na saída do microcontrolador com 10% de potência

Figura 7- Tensão na saída do tiristor com 10% de potência

O tempo de acionamento é efetuado pelo timer 2 do microcontrolador que estabelece o

valor em segundos no display 7 segmentos e o PWM no MOC 3031 que fornecerá a potência

ajustada na saída do circuito. Mesmo estando o circuito acionando as saídas é possível ligar

ou desligar qualquer saída acionando uma das teclas correspondente, quando o sistema está

acionando a saída não é possível entrar na página de funções para controle de potência e não é

permitido o ajuste do tempo, estes parâmetros somente são ajustados com as saídas desligadas

a Figura 11 mostra o fluxograma simplificado das funções do circuito que ao ser ligado inicia

as configurações do hardware e restaura parâmetros que foram salvos. Verificando se há

alguma tecla acionada, caso a resposta seja negativa verifica se a função se acionar a saída

está ativa, no caso positivo envia o pulso PWM para a saída e volta a testar as chaves. A tecla

saída configura quantas saídas podem ser ativas, a tecla pulso realiza um ciclo na saída com o

valor ajustado no timer. Acionado a tecla função o display 7 segmentos oscilam indicando que

o valor a ser ajustado será a potência de saída, que pode ser configurado pelas teclas INC e

DEC, a tecla função é utilizada para rolas entre os ajustes de potência e tempo.

Figura 8 - Pulsos na saída do microcontrolador com 50% de potência

Figura 9 - Tensão na saída do tiristor com 50% de potência

Os acionamentos em corrente alternada, principalmente para cargas resistivas utilizadas

em fornos e estufas industriais são aplicações simples e de baixo custo inicial, porém muitas

vezes o controle da potência destes equipamentos de diversas tecnologias, somadas à

inadequação das instalações facilita a emissão de energia eletromagnética e com isto podemos

ter problemas de compatibilidade eletromagnética (EMC, habilidade de um equipamento

funcionar satisfatoriamente sem interferir eletromagneticamente nos equipamentos próximos

e ser imune a interferência externa de outros equipamentos e do ambiente), onde o

funcionamento de um equipamento pode afetar o outro.

Figura 11 - Fluxograma simplificado do controle

No Brasil, a compatibilidade eletromagnética é um assunto ainda pouco desenvolvido a

questão deveria ser tratada como um requisito obrigatório para desenvolvimento de produtos e

soluções que atendam o setor industrial sem prejuízos as instalações existentes.

Hoje estão disponíveis ferramentas que facilitam o desenvolvimento de circuitos

eletrônicos de controle e potência dando liberdade ao projetista de escolher os componentes

que melhores adaptam ao seu projeto. Com a utilização do microcontrolador e dispositivos de

zero crossing podemos acionar e controlar cargas em corrente alternadas minimizando os

efeitos e interferências do tipo EMI. O presente trabalho demonstrou uma aplicação para o

circuito de potência com controle digital possibilitando inserção de diversas funções dando

flexibilidade e eficiência ao processo.

Referências

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