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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.
[email protected], 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
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GH
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S7
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S8 D
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1
MCLR
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S3
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1
DS
2
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3
DS
4
DS
5
DS
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7
DS
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SW2
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LED4
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D3
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D4
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LED2
LED1
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IN-
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EF
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EF
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2/C
S/A
N7
27
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PP
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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.
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