Lab_Electronica_Potencia_2001.pdf

R10

R12

R11

R13

R14

IC4

+V

-V

R16

-V -V

TR1

TR2IC5

C5IC6.1

R17

R18

C6

IC7

C7

TR3

TR4

R20

R19

Amostragem -Io

+V

+Vesp

+V

+Vesp+Vesp

+Vesp

+Vdd

-Vss-Vss-Vss

-Vss

-Vss

-Vss

R15

D3

D4

D5

D6 D9

D10

D8

D7

L1Sada

IC6.2IC6.3D11

IC6.4R22

R23R24

R25C9

C10

C8 R21

-Vss -Vss -Vss -Vss

+VespD12

4

2

3

7

5,6

89

10

11

12

13 2

1

3

5

7

6

12

3

12 1113 8 10

9 5 46

C4

LABORATRIOS DE

ELECTRNICA DE POTNCIA

CURSO DE ENGENHARIA ELECTROTCNICA AUTOMAO E ELECTRNICA INDUSTRIAL

CEEI - 2001

Pelo Eng. Galhardo Baptista

LABORATRIOS DE ELECTRNICA DE POTNCIA A cadeira de Electrnica de Potncia pretende apresentar aos alunos algumas montagens electrnicas simples de comando e controlo e despertar o interesse para a utilizao de circuitos com semicondutores nos circuitos de potncia. A frequncia desta cadeira pressupe a frequncia anterior nas cadeiras de Electrnica I e II. Os trabalhos obrigatrios so : - rectificao monofsica, bifsica e trifsica com carga RL - rectificao monofsica controlada - controlo de fase AC monofsico e SSR - inversor monofsico com TJB

- inversor monofsico com MOS FET - chopper com MOS-FET

- chopper com SCR - amplificador PWM - cicloconversor monofsico - controlo de motor passo a passo Os trabalhos facultativos podem ser executados segundo sugesto dos alunos ou do assistente e orientados tambm por este ltimo ou podero ser escolhidos de entre os seguintes : - carregador de baterias - fonte comutada de tenso - controlo de motor DC - controlo de motor sncrono - controlo de motor assncrono - forno de induo

- balastros electrnicos etc

VALORES NORMAIS

SERIE E6 E12 E24 E48

FACTOR 106 =1,46 1012 =1,21 1024 =1,10 1048 =1,04

TOLERANCIA 20% 12% 5% 2%

10 10 10 100 105 11 110 115 12 12 121 127 13 133 140 15 15 15 147 154 16 162 169 18 18 178 187 20 196 205 22 22 22 215 226 24 237 249 27 27 261 274 30 287 301 33 33 33 316

VALORES 332 36 348 365 39 39 383 402 43 422 442 47 47 47 464 487 51 511 536 56 56 562 590 62 619 649 68 68 68 681 715 75 750 787 82 82 825 866 91 909 953

Electrnica de Potncia CEEI DEEA AGalhardo 1

RECTIFIO MONOFSICA, BIFSICA E TRIFSICA

COM CARGA RL Material: um transformador trifsico, dois transformadores 220V:2x24V, trs transformadores 220V:2x12V (ou 2x15V), 1 resistncia de 100 5 W, outra de 1K 5 W, outra de 470 5W e trs resistncias de 1. 1. RECTIFICAO MONOFSICA DE MEIA ONDA Ligue os componentes segundo o esquema indicado. a) Ligue o primrio do segundo transformador como bobine L e coloque a resistncia de 100. Observe e anote a forma de onda da tenso de entrada (48V) e das tenses Ud e Vr=Id, de Vl e de Vd. Explique as formas de onda encontradas. b) Substitua a resistncia pela de 1K. Observe e anote a forma de onda da tenso de entrada (48V) e das tenses Ud e Vr=Id. Explique as diferenas encontrada em relao alnea anterior.

2. RECTIFICAO BIFSICA Ligue os componentes segundo o esquema indicado. Utilize como bobine L o primrio do segundo transformador e utilize uma resistncia de 100. Observe e anote a forma de onda da tenso de entrada (24V) e das tenses Ud e Vr=Id, e seguidamente de Vr=Ifase e de Vd. Compreenda e explique as formas de onda encontradas. Qual a relao entre a tenso de alimentao U=24V e Ud?. Qual o valor eficaz da corrente em cada fase? Qual a potncia do transformador?

220 Vac

Ud

Vr

24 Vac

24 Vac

L

R

Id

Vl

Vd

220 Vac

Ud

Vr

24 Vac

24 Vac

L

R

Id

1 ohm

Vr Vd


3. RECTIFICAO BIFSICA COM TENSO USURPADA Intercale agora duas bobines (enrolamentos de 12V,ou 15V, de transformadores) como Lk. a) Observe e anote a forma de onda da tenso de entrada (24V) e das tenses Ud e Vr=Id, e seguidamente de Vr=Ifase e Vd. Compreenda e explique as formas de onda encontradas. b) Duplique a indutncia da bobine Lk intercalando dois enrolamentos do secundrio (enrolamentos 2x12V, ou 2x15V). Anote a forma de onda da tenso de entrada (24V) e das tenses Ud e Vr=Id, e seguidamente de Vr=Ifase e Vd. Compreenda e explique a alterao das formas de onda encontradas em relao s da alnea anterior. c) Substitua a resistncia de 100 por uma de 1K. Anote a forma de onda da tenso de entrada (24V) e das tenses Ud e Vr=Id, e seguidamente de Vr=Ifase e Vd. Compreenda e explique a alterao das formas de onda encontradas em relao s das alneas anteriores. Como calcula a tenso usurpada?

4. RECTIFICAO TRIFSICA Monte os componentes como indicado na figura utilizando a reistncia de 470. Observe e anote a tenso numa fase, as tenses Ud e Vr=Id, e seguidamente a tenso Vr=Ifase e Vd. Que relao existe entre a tensa de entrada (110V) e a tenso Ud?

220 Vac

Ud

Vr

24 Vac

24 Vac

L

R

Id

1 ohmLk

Vr Vd

220 Vac

Ud

Vr

110 Vac

L

R

Id

1 ohm D1

D2

D3

Vr Vd


5. RECTIFICAO TRIFSICA EM PONTE Monte os componentes como indicado na figura utilizando a reistncia de 470. a) Observe e anote a tenso numa fase, as tenses Ud e Vr=Id, e seguidamente a tenso Vr=Ifase e Vr=Idodo1, Vr=Idodo4 e Vd. Anote os valores mdios da tenso e da corrente na carga. Que relao existe entre a tenso de entrada (110V) e a tenso Ud? E que relao existe entre as correntes nos dodos e da fase em relao corrente na carga? Quais os seus valores eficazes e mdios? Qual a potncia do transformador? b) Substitua a resistncia de 470 por outra de 1K 5W. Mea os novos valores de tenso e corrente na carga. Desenhe a caracterstica de sada do rectificador.

220 Vac

Ud

Vr

110 Vac

L

R

Id

1 ohm

D1 D2 D3

1 ohm

D4 D5 D6

1 ohm

Vr

Vd

Vr

Vr


RECTIFICAO CONTROLADA

1. INTRODUO O controlo de fase um conversor que tem por finalidade regular a potncia fornecida a uma carga DC por um gerador AC. Utilizando os tirstores e aplicando impulsos s gates, estes passaro ao estado de conduo permitindo ao conversor o controlo, atrasando o instante em que se inicia a conduo na carga, atravs do ngulo de disparo . Se a carga for resistiva a forma de onda de sada do tipo seguinte. O ngulo de conduo menor que 180.

Se a carga for indutiva, e a ponte totalmente controlada e o regime contnuo, a forma de onda da tenso de sada do tipo seguinte. O ngulo de conduo de 180 e o valor mdio da tenso zero para um ngulo de disparo de 90.

2. ESQUEMA DE BLOCOS O controlador de fase DC poder ser representado pelo seguinte esquema de blocos.

Circuito de potencia

Comparador Gerador deImpulsosDectector de

zeroGerador de

RampaPonte

Rectificadora

Potencial deReferencia


Ponte rectificadora: Fornecer ao circuito de comando uma tenso sinusodal de 12 Volts, que ser rectificada atravs de uma ponte de dodos, obtendo-se uma rectificao de onda completa. Detector de zeros: Sempre que o sinal rectificado passar por zero, o transistor ( Q1 ) passar ao estado de corte, gerando-se um impulso na base do transstor seguinte ( Q2 ). Gerador de rampa: Sempre que Q2 estiver ao corte o condensador estar a carregar de forma linear, atravs da fonte de corrente formada por Q3. Quando Q2 recebe na sua base o impulso, passar conduo, obrigando o condensador a descarregar de forma rpida. Gera-se assim uma onda em forma de dente de serra. Comparador: A tenso obtida no gerador de rampa ir ser comparada com uma tenso de referncia contnua que est ligada entrada inversora do Ampop. Quando a tenso do gerador de rampa superior tenso de referncia, obtm-se na sada do Ampop o sinal "1" (+15V). Quando a tenso do gerador de rampa inferior tenso de referncia, obtm-se na sada do "Ampop" o sinal "0" (-15V). Gerador de impulsos: O sinal de sada do comparador modulado por um sinal de frequncia elevada gerado por um oscilador. Este sinal de frequncia elevada multiplicado pelo sinal de sada do comparador e de seguida invertido (tudo isto no 1 "NAND"). Teremos que inverter novamente este sinal para ficarmos com o sinal desejado (esta inverso feita no 2 "NAND"). Esse sinal transmitido por intermdio de transformadores de impulsos s gates dos tiristores. Circuito de potncia: Constitudo por uma ponte monofsica controlada. 3. ESQUEMA ELCTRICO Circuito de Comando

220/12 V

TR 1

PR 1 R0

13 K

R1 56 K

Q 1 BC 140

R 2 5K6

C 1 2200n

R 547 R

Q 3 BC 308 A

R4 10 K

D1 3 V

R 6 270 R

R 3 10 K

Q 2BC140

U2D

4093

12

13

10

U2C 8

9

4093

2k2 R7 C2 100 n

VCC +15 V

2

VCC +15 V

U2A 1

2

3 R8

33K Q4

BC140

2 x TR IMP 1:1:1 D2 1N4148

R9 150 R

VCC +15V

11 RV 1 10 K

VCC +15V

AB

C

D

E

F

G

H

C3470

7

4 6

3-

+

VCC +15V

VCC +15V


Circuito de Potncia

4. FUNCIONAMENTO E ENSAIO A partir dos esquemas elctricos pode identificar-se os componentes constituintes de cada bloco . Assim pode-se dizer que do transformador ao ponto A ser a ponte rectificadora; do ponto A ao ponto B ser o detector de zeros; o ponto C ser o gerador de rampa; o ponto D a tenso de referncia; do ponto D+C at ao ponto E ser o comparador; a partir do ponto E ser o gerador de impulsos. a) Observe e desenhe a forma de onda das tenses nos pontos: A,B,C,D,E,F,G,H. b) Repita as medies para nova posio do potencimetro. c) Observe e anote a forma de onda da tenso de sada para cargas resistivas e indutivas. 5. APLICAES E CONCLUSES a) Explique sucintamente o funcionamento do circuito estudado. b) A partir da explicao dada, justifique as formas de onda obtidas. c) Que aplicaes pensa que este circuito possa ter? d) Que vantagens e desvantagens pensa que este circuito possu comparativamente a outros circuitos com igual finalidade? e) Tire outras concluses que achar pertinentes.

D1IN4148

TR1

BT151

D2 IN4148

TR2

V+ OUT

110 Vac

SCR 2

V- OUT

BT151

D4 IN4148

BT151

D3 IN4148

SCR 3

SCR 1

SCR 4


CONTROLO DE FASE AC E SSR

1. INTRODUO Este trabalho visa fazer um estudo sobre o circuito de controlo de fase em AC, fazendo o controlo de uma carga atravs de comandos de disparo. Tambm visa o estudo de um rel do estado slido. Em muitos casos desejvel controlar continuamente a quantidade de potncia dissipada na carga, fazendo um controlo da tenso da rede AC. O circuito de controlo de fase determina quando o triac disparado, ligando a tenso da rede carga. Certas aplicaes requerem alimentao em AC com o valor eficaz da tenso regulvel, o que corresponde a potncia absorvida regulvel, continuando frequncia da rede. o caso de um sistema de iluminao com lmpada de incandescncia cujo nvel possa variar continuamente. Existem dois mtodos de variar o valor eficaz da tenso alternada aplicada a uma carga a partir duma fonte onde o valor eficaz fixo: Com o controle de fase o conversor aplica a alimentao carga durante uma parte de cada alternncia. A potncia entregue carga ser tanto maior quanto maior for o intervalo (ou ngulo de conduo) , ou menor for o ngulo de disparo . Os dispositivos mais usados neste gnero de conversores so, para potncias mais elevadas dois tirstores ligados em anti-paralelo, e para potncias relativamente baixas um triac, permitindo assim a conduo em qualquer dos sentidos desde que sejam disparados.

Com o controle on-off, em que o conversor deixa passar um certo nmero de alternncias e bloqueia durante outro intervalo de tempo, repetindo sempre o mesmo processo. Funciona como um interruptor ou contactor bastante rpido, podendo ser um rel do estado slido, SSR. Em geral feito de maneira a s actuar quando a tenso est a passar por zero. Para aplicar a carga mxima tem-se de deixar passar todos as alternncias sem intervalos de bloqueio; enquanto a potncia mnima conseguida com um bloqueio permanente.

Vamos incidir este estudo sobre o comportamento da carga para dois circuitos de comando diferentes (como veremos nas figuras representadas nos esquemas elctricos).


2. ESQUEMA DE BLOCOS Esquema de blocos do controlo de fase

Filtro EMI, baseado em C1; L1, tem por finalidade a reduo de emisses electromagnticas. Circuito Snubber, baseado em C2; R1, tem como objectivo reduzir o contedo harmnico das correntes na rede. Potncia, baseado no triac que o elemento comutador. Disparo, bloco responsvel pela aplicao de um impulso de disparo na gate do triac, com base no diac. Desfasador, bloco que gera uma forma de onda atrasada de modo ao diac atingir a sua zona de resistncia negativa, e consequentemente disparar o triac, com um tempo de atraso controlado, baseado em C3; C4; P1; P2; R3; R4 Esquema de blocos do SSR

Filtro EMI Circuito Snubber Potncia

Disparo

Desfasador

Filtro EMI Circuito Snubber Potncia

DisparoRectificadorIsoladorComando


Alm dos blocos comuns observam-se: Rectificador, que rectifica a corrente de modo a poder ser controlada pelo transistor TR2, que efectua ou no uma reduo da tenso presente ao diac, conforme o controlo fornecido pelo isolador ptico. Isolador, que isola o sinal de controlo, 0 ou +15V, do circuito de potncia. Comando, o sinal de 0 ou +15V que contola o processo 3. ESQUEMA ELCTRICO Esquema elctrico do controlo de fase

Esquema elctrico do SSR

1

2

3

P21 M P1

2M2

R322K

R422K

R210K

C447nF C347nF

D1DIAC TRC1

TIC226M

R147

C247nF

C1100nF

L1170 uH

CARGA

S2

S1

220 V

A

B C

D

S3

R4390

R3100K

R2100K

C347nF

D1DIAC

L1170 uH

C247nF

C1100nF

TriacTIC226

Carga

220 V

Optocoupler

TR22N221915 Vdc

S1

S2

R147


Circuito impresso.


4. FUNCIONAMENTO E ENSAIO Controlo de fase O circuito mostra um dispositivo que regula a intensidade de luz numa lmpada de 100 W de potncia. A potncia de sada e portanto a intensidade de luz so variadas controlando a fase de conduo do triac O ngulo de disparo do triac, define-se como o atraso do momento de incio de conduo em relao ao instante de passagem da tenso da rede por zero. E conseguido atravs do circuito de comando, neste caso composto pelos potencimetros P1 e P2, em que o potencimetro P1 vai efectuar o ajuste fino do brilho, enquanto o potencimetro P2 faz o ajuste grosso, e os condensadores C4 e C3. A tenso, de atraso controlado, apresentada ao diac atinge assim mais cedo ou mais tarde o valor da tenso necessria para que o diac entre na sua zona de resistncia negativa, gerando um impulso de corrente, descarregando C3, e disparando o triac. Se o triac for disparado logo aps a passagem da tenso por zero ele comea a conduzir e s cessa quando a corrente se anula naturalmente. A partir desse instante passa a conduzir na outra alternncia at que a corrente volte outra vez a anular-se. Neste caso o intervalo de conduo do triac de 180 e nestas condies aplica-se carga a mxima potncia, o que corresponde a ter a fonte permanentemente ligada carga. Se o disparo for efectuado com um angulo < 180 de atraso em relao passagem da tenso por zero os intervalos de conduo valem = 180 - .

Corrente na carga: R

UI 00 =

Potncia activa na carga:

R

UP

20=

( ) ==

dxUsenxdtu

TU

T2

0

20

20 2

11, com x = t

+==

22

12 22

22

0

senUxdxsen

UU

22

10sen

UU +=

Pelo que:

+=

22

12 sen

RU

P

Variando assim de 0 a 180 tem-se uma variao uniforme da tenso e da corrente e, portanto da potncia entregue carga. Embora parea que a potncia em jogo seja toda activa, na realidade vista da rede, o conjunto conversor/carga, para ngulos de disparo maiores que zero, recebe uma potncia aparente maior que a potncia activa entregue carga. Potncia activa entregue pela rede: 20RIP =


Potncia aparente entregue pela rede: 0IUS = Vistos da rede tambm se define:

Factor de potncia: SP=

Potncia reactiva: 22 PSQ = SSR Actuando no interruptor S3 assim o darlington de sada do optocupler est saturao ou ao corte. Se estiver saturao o TR2 estar ao corte fazendo com que a tenso apresentada ao diac tenha valor suficiente para a sua actuao e consequente disparo do triac. Este processo repete-se em todas as alternncias, quer positivas quer negativas. A carga receber ento a potncia mxima. Se o darlington estiver ao corte o TR2 estar saturao pelo que reduzir a um valor de cerca de 2 a 3V a tenso apresentada ao diac, pelo que o triac no disparar. Na carga no circular corrente. a) Prepare a alimentao dos circuitos, com uma lmpada de 100W, como carga. b) Ligue o circuito de controlo de fase. c) Observe e anote as formas de onda que julgue mais importantes (por exemplo na entrada, no diac , no triac e na carga), para a posio mnima do potencimetro P2. d) Varie o potencimetro P2 para uma posio intermdia, observe e anote as ondas obtidas. e) Agora coloque o potencimetro para a posio de resistncia mxima e anote as formas de onda. f) Que alteraes observou com a variao do potencimetro. g) Explique a utilizao dos seus componentes, nomeadamente os potencimetros, os condensadores, o diac e o triac. h) Altere o circuito para o modo SSR, actuando no interruptor (S1/S2). i) Anote as formas de onda fundamentais, com o interruptor S3 ligado e desligado. j) Indique a influncia deste interruptor no funcionamento do circuito. 5. APLICAES E CONCLUSES Faa as concluses finais sobre os ensaios, referindo tambm as aplicaes e utilidades, as vantagens e desvantagens da utilizao de um ou outro sistema, em comparao com outros circuitos de utilizao anloga.


AMPLIFICADOR PWM COM OPAMPS

1. INTRODUO Um amplificador modulador por largura de impulso ( PWM-Pulse Width Modulation) um aparelho que permite variar a tenso de sada num determinado circuito. Este aparelho pode ser utilizado como controlador de velocidade de um motor de corrente contnua, como regulador de iluminao, como fonte de tenso ou corrente, etc. O mosfet de potncia o componente que permite a modulao por largura de impulso. Este funciona por comutao entre dois estados, aberto ou fechado como um interruptor. Com este componente consegue-se reduzir substancialmente as perdas de potncia, pois o mosfet de potncia quando est em canal aberto a sua resistncia praticamente nula e quando tem o canal fechado apresenta uma resistncia muito elevada sendo a corrente praticamente nula. Assim as perdas de potncia esto apenas na comutao entre estados, em que o produto da tenso a diminuir aos terminais do mosfet pela corrente a aumentar no mesmo d origem a uma potncia de perdas como se mostra na figura seguinte.

A principal vantagem do PWM em relao a um controlador resistivo de potncia a eficincia: Estando o PWM a trabalhar a 50% este usa 50% da potncia total ou seja, o PWM consegue transmitir praticamente a potncia total carga desprezando as perdas existentes na comutao do transistor. Se utilizarmos um controlador resistivo a funcionar a 50% da potncia este ir consumir cerca de 71% da potncia total ou seja 50% da potncia transmitida para a carga e os restantes 21% so dissipados na resistncia de controlo. Os potencimetros utilizados permitem controlar uma grande variedade de cargas, no entanto num controlador resistivo so necessrias resistncias de elevada potncia e de grandes dimenses, apresentando assim o PWM uma proposta mais econmica e mais prtica em termos de manuseamento. As principais desvantagens do PWM a possibilidade de provocar interferncias com frequncias radio (RFI). Estas interferncias podem ser minimizadas se colocar-mos o circuito PWM o mais prximo possvel da carga, utilizarmos boa filtragem ou comutao suave.


Vejam-se duas situaes nas quais possvel obter diferentes ondas de sada e as correspondentes tenses mdias.

A relao de largura de impulso obtida da seguinte forma:

Tt=carazoccli

A tenso mdia na carga ser:

Tt

.UUaverage =

Se o impulso for de maior durao obtm-se a seguinte forma de onda.

A relao de largura de impulso so obtidas da mesma forma. Ento podemos concluir que se pode aumentar substancialmente a tenso mdia na carga com o aumento da relao de largura de impulso. importante mencionar que a frequncia da onda se mantm ou seja o perodo T igual para as duas ondas. Veja-se agora como possvel obter as diferentes larguras de impulso. Se uma onda de tenso tringular for comparada com uma onda de tenso contnua podemos obter a forma de onda na carga U0 que conseguida atravs das comutaes do transistor. Observemos ento a figura seguinte:


Se variarmos a onda de referncia por meio do potencimetro existente no circuito obtm-se a seguinte onda de sada. Neste caso diminui-se a tenso da onda de referncia e verificamos que a largura de impulso diminui.


2. ESQUEMA DE BLOCOS

O Gerador de Onda Triangular um bloco composto por dois OpAmps e que tem por funo gerar uma onda triangular, de frequncia fixa, que ser comparada com uma tenso de referncia. A Onda de Referncia o gerador da tenso ou nvel de referncia. Neste circuito obtida por uma simples diviso potenciomtrica, mas em circuitos com realimentao poder ser uma tenso de erro entre o valor pretendido e o valor observado. O Comparador compara essas duas tenses e gera uma onda rectangular de frequncia fixa e de largura de impulso varivel, dependente do nvel de referncia. 3. ESQUEMA ELCTRICO O esquema elctrico o apresentado:

+12 V

1.2K

Carga

1N4002

324+

-

+12 V

+12 V

0.1uF

+12 V

3.9K

10KL in

3.9K

324

10 nF

324

100K

47K

100K

100K

100K

+12 V

3249

10

-

+

5T 1/4"5

6

7

IRFZ34N

G

S

D

LED

2

3

-

+

-

+

13

121

8

4

11

14

A

B C

D

E


O circuito impresso o apresentado: 4. FUNCIONAMENTO E ENSAIO Utilize uma carga RL, com resistncia de100 e 5 W. Aps ter efectuado todas as ligaes necessrias visualize as ondas de tenso nos pontos que considerar mais importantes. Grave todas as ondas visualizadas numa disquete. Varie o potencimetro e observe de novo as formas de onda. 5. APLICAES E CONCLUSES Elabore um relatrio em que responda s seguintes questes: a) Explique sucintamente o funcionamento de um circuito conversor DC / DC. b) Como poderia variar o valor mdio da tenso na carga? c) Como pode variar a frequncia? d) Quais as vantagens e desvantagens que este circuito possui comparativamente a outros circuitos de utilizao anloga? e) Quais so as aplicaes de um Conversor DC / DC?


AMPLIFICADOR PWM COM TEMPORIZADORES

1. INTRODUO Um amplificador modulador por largura de impulso ( PWM-Pulse Width Modulation) um aparelho que permite variar a tenso de sada num determinado circuito. Este aparelho pode ser utilizado como controlador de velocidade de um motor de corrente contnua, como regulador de iluminao, como fonte de tenso ou corrente, etc. Os circuitos deste tipo que funcionam a frequncia fixa precisam de um oscilador para sincronizar os diversos blocos. Este oscilador vai fazer funcionar um gerador de impulsos de largura varivel. Daqui resulta o nome Pulse Width Modulator, impulsos de largura varivel. Este tipo de montagem tem a vantagem de controlar a potncia transferida para a carga com um mnimo de perda de energia, pois o dispositivo que a controla funciona como um interruptor, aberto ou fechado. Quando aberto corrente nula, quando fechado tenso nula, logo aos terminais deste dispositivo vamos ter uma potncia nula teoricamente. Quando a funcionar com um motor teremos um binrio superior ao de outros sistemas de controlo, pois em qualquer ponto de funcionamento teremos o motor a funcionar com a tenso nominal, muito embora por curtos perodos. Este tipo de circuito no tem s vantagens, uma das grandes desvantagens produzir muita RFI (interferncia rdio), podendo esta ser reduzida utilizando filtros ou outras tcnicas. 2. ESQUEMA DE BLOCOS O esquema de blocos pode ser o apresentado de seguida.

O esquema apresentado trabalha a 12 VDC e pode controlar at alguns amperes. O circuito aqui apresentado composto por quatro blocos.

astvel mono estvel potncia

carga

zero speedcut off

controlo PWM


Um circuito Astvel ou oscilador constitudo por metade de um 556, que gera impulsos para a segunda metade do 556 a funcionar como monoestvel. Este circuito integrado, 556 equivalente a ter dois 555 com a alimentao partilhada. Este circuito astvel o responsvel por gerar e manter um sinal de frequncia fixa. Largura do impulso ti

12 CRKti =

R2 resistncia limitador de descarga do condensador K constante que depende das tenses no divisor de tenso interno do 556, no caso vale 0.693,

e dada por 693147.02ln1212lnln

32

31

min ===

=

CC

CC

mxCC

CC

VV

VVVVK

Tempo entre impulsos t ( ) 121693.0 CRRt += R1 resistncia que conjuntamente com R2 limitam a corrente de carga do condensador O perodo ser a soma dos dois tempos. Um bloco Mono estvel que gera um sinal de largura varivel, e controlado pelo operador. O circuito mono estvel vai mudar de estado em cada uma das descidas dos impulsos gerados pelo astvel. Um bloco de Controlo formado por um LM311N. O LM311N funciona como comparador que inibe o funcionamento do mono estvel quando a tenso no seu pino 2 desce abaixo de um certo valor. Alm disso a largura do impulso do mono estvel dependente do valor de tenso que vai estar no pino 11 do NE556. A tenso neste pino o que define a largura do impulso enviado para a gate do MOSFET. Um bloco de Potncia baseado num MOSFET. O MOSFET precisa de um dissipador para trabalhar com cargas que possam absorver alguma corrente, no caso do MOS apresentado podemos ter at 10A. Para poder comutar estas correntes temos que calcular um dissipador. Vamos calcular esse dissipador comeando por calcular a potncia dissipada pelo MOSFET:

rcondensadocmutaoconduot PPPP ++=

rcondensado ao devido dissipada Potncia comutao na dissipada Potncia

corrente de conduo devido dissipada Potncia dissipada totalPotncia

rcondensado

comutao

conduo

t

PPPP

Os MOSFET no seu esquema equivalente so representados por um interruptor uma resistncia e um condensador em paralelo. A potncia dissipada no condensador muito baixa comparada com a potncia de conduo, por este facto vamos despreza-la no clculo da potncia dissipada.


rcondensadoDSdst PTtVI

TtIRP ++= 3'2

62

O factor Tt assume o seu valor mximo quando o MOS est o mximo tempo conduo, sendo t o

tempo de conduo e T perodo.

A razo Tt ' a relao entre o tempo de comutao e o perodo, supondo os tempos de turn-on e

turn-off da mesma ordem de grandeza. V o valor da tenso mxima existente, e I o valor da corrente mxima. O factor 2 devido a existirem duas comutaes por perodo, uma subida e uma descida, e o factor 3 devido carga ser indutiva. Para calcular o dissipador vamos utilizar a seguinte equao:

( )

ambiente dissipador trmicaaResistncidissipador caixa trmicaaResistnci

caixa juno trmicaaResistnciC)(25 ambiente aTemperatur

juno da mxima aTemperatur

++=

da

cd

jc

a

j

dacdjctaj

RR

RT

T

RRRPTT

3. ESQUEMA ELCTRICO

C11 F

R210 K

R11 M

+ 12 V

C20.01 F

C30.05 F

R315 K

+ 12 V + 12 VC4

0.1 F

R51 K

R850 K

R618 K

R71 K

+ 12 V

R910 K

+ 12 V1 42 51/2

NE 5566 3

+ 12 V 14 913 101/2

NE 55612 11

8 7

R4150

C50.01 F

D1

D2

+ 12 VCarga

10K

10K

+ 12 V

12

37

4

-

+

+ 12 V

8

IRF 521

LM311N

A

D F

E

C

B


Em anexo segue o esquema de uma placa de circuito impresso que pode ser utilizada para realizar a montagem descrita e a lista de material.

Desenho da placa de circuito impresso, vista do lado do cobre

Esquema de implementao dos componentes


Lista de material

Referncia no circuito Descrio R1 1M R2 10K R3 15K R4 150 R5 1K R6 18K R7 1K R8 1K R9 10K D1 1N4004 P1 10K P2 10K C1 1F C2 0.01F C3 0.022F C4 0.1F C5 0.01F IC1 NE556 IC2 LM311N IRF521 HEXFET Power MOSFET

International Rectifier 4. FUNCIONAMENTO E ENSAIO Utilize uma carga RL, com resistncia de100 e 5 W. Aps ter efectuado todas as ligaes necessrias visualize as ondas de tenso nos pontos que considerar mais importantes. Grave todas as ondas visualizadas numa disquete. Varie o potencimetro e observe de novo as formas de onda. 5. APLICAES E CONCLUSES Elabore um relatrio em que responda s seguintes questes: a) Explique sucintamente o funcionamento de um circuito conversor DC / DC. b) Como poderia variar o valor mdio da tenso na carga? c) Como pode variar a frequncia? d) Quais as vantagens e desvantagens que este circuito possui comparativamente a outros circuitos de utilizao anloga? e) Quais so as aplicaes de um Conversor DC / DC?


CHOPPER COM CLULA DE COMUTAO

1. INTRODUO Os conversores de corrente contnua, designados pelo termo ingls choppers ou por tracejadores, fazem a converso de uma tenso contnua de valor fixo numa tenso unidireccional de valor mdio varivel. So conversores DC-DC.

Operam como interruptores aplicando e suspendendo ciclicamente a tenso da fonte na carga, provocando uma tenso de sada que, em condies ideais, ter a forma indicada na figura.

Nestas condies o valor mdio da tenso de sada relaciona-se com a tenso na fonte ( suposta fixa) por Uo=U. em que a razo cclica, e admitindo o funcionamento no lacunar. Se a carga fr do tipo L-R-E a potncia entregue a esta ser P=R.I0RMS2 +E.I0AV onde o I0RMS o valor eficaz de io e I0AV o seu valor mdio. A corrente atravs de um chopper do primeiro quadrante s pode ter o sentido da fonte para a carga. Como a carga normalmente indutiva (LRE), coloca-se um dodo em roda livre do lado da carga para evitar sobretenses perigosas quando da abertura do tiristor. O esquema de princpio est representado na figura abaixo.

i0

u u0

i

Fonte Carga

i0

u u0

i

DC - DC

Fonte Carga

U0

tT T+T 2T

U


O chopper acima representado denomina-se por Chopper de 1 Quadrante pois o valor instantneo na sada de u0 e i0 so positivos ou nulos. Existem igualmente Choppers de 2 , 3 e 4 Quadrante. O chopper de 2 quadrante por exemplo, ter na sada um valor u0 sempre positivo ou nulo e de i0 sempre negativo ou nulo. O agrupamento de dois esquemas de dois quadrantes em oposio, conduz a uma montagem de 4 quadrantes, ou seja, uma operao adicional no 3 quadrante ou no 4 quadrante, conforme as combinaes dos valores de u0 e i0 , positivos ou negativos. O circuito de comutao forada um circuito auxiliar que actua por forma a suspender, ou reduzir abaixo do valor de manuteno, a corrente num tirstor durante um intervalo de tempo superior ao tempo de recuperao inversa do tirstor. H dois tipos de comutao forada: a) Montagens de Comutao paralelo ou em corrente, com as sub-divises Por capacidade; Por capacidades e indutncias; b) Montagens de comutao srie ou em tenso. No primeiro tipo a comutao conseguida fazendo passar temporariamente a corrente de carga por outro caminho que no no tiristor principal. No segundo tipo a comutao resulta de impor momentaneamente uma tenso mais baixa do nodo do que no ctodo do tirstor principal. Em qualquer dos casos, para garantir o bloqueio do tirstor, o circuito auxiliar mantm este polarizado inversamente durante um intervalo maior de que o seu tempo de restabelecimento de bloqueio. Nos modelos normais de tirstores esses tempos de restabelecimentos situam-se geralmente entre 50 e 500s, dependendo do valor da corrente (para maiores intensidades, maiores tempos de restabelecimento ) e da tenso de polarizao inversa (com tenses inversas menores o tempo aumenta ). No entanto existem modelos de tirstores rpidos conseguindo tempos de restabelecimento de bloqueio at 3s, e so geralmente estes que se utilizam em comutao forada. As grandezas e T so aquelas directamente comandadas do exterior para fazer variar a forma da tenso de sada e da corrente. H basicamente 3 modos de actuar sobre e T : a) Modulao de Largura de Impulso (em Ingls : Pulse with Modulation) b) Modulao de frequncia de Impulso c) Modulao de e T Na prtica usam-se todas estas variantes e algumas combinaes entre elas.


2. ESQUEMA DE BLOCOS O chopper constitudo vrios blocos, tendo cada um funes especficas:

O Oscilador 400Hz constitudo pelo condensador C3, a resistncia R2 e uma porta Nand e est ligado ao Clock. A sua funo a de gerar um sinal de frequncia constante que definir a frequncia de operao do chopper. O Monoestvel constitudo pelo circuito integrado 555, C8, C5, R3, R4 e o potencimetro. Este bloco um circuito que permite variar a largura do impulso de um sinal de sada, de frequncia fixa definida pelo. O Oscilador de 10kHz constitudo pelos condensadores C1 e C2, a resistncia R1 e uma porta Nand. Tem a funo de gerar um sinal de frequncia elevada de modo a, modulando o sinal de sada do monoestvel, azer passar os sinais de comando atravs dos transformadores de impulsos. O Modulador constitudo por 4 portas lgicas Nand e tem a funo de, ao multiplicar o sinal de sada do monoestvel pelo sinal do oscilador de 10kHz, gerar impulsos de comando que actuem, atravs dos transformadores de impulsos, os tiristores. Gera tambm um sinal complementar ao sinal de sada do monoestvel, que controlar o tiristor da clula de comutao. As Drives so constitudas pelas resistncias R6, R7, R8 e R9, dois transistores e dois dodos. Servem para amplificar a corrente a fazer circular nos transformadores de impulsos. O bloco Transformador de impulsos constitudo por dois transformadores. A sua funo a separao galvnica, isto , separa o circuito de comando do circuito de potncia e a partir destes que se fornecem impulsos s gates dos tirstores. Por fim, o Circuito de potncia constitudo por dois tiristores, Q1 e Q2, o condensador C7, uma bobine L de 11,2mH e os dodos D5 e D6. A funo deste bloco controlar atravs dos tirstores a a corrente fornecida carga. O circuito constitudo por R5, R10 e C6, e o isolador ptico, tem por utilidade assegurar que o primeiro tiristor a ser disparado o Q2 e iniciar correctamento o processo de comutao.

MONOESTVELCONTROLADO

OSCILADOR400 HZ

MODULADOR

OSCILADOR10 kHZ

DRIVES TRANSFORMADORDE IMPULSOS

CIRCUITO DE POTNCIA220V

Vout


3. ESQUEMA ELCTRICO Circuito de comando

Circuito de potncia

R1

Vcc

+15V

1

2 A

4093

3

1.2K

C1 C2

F 1

GND

1

2 C

4093

1

2 B

4093

5

6 B

4093

3

3

4

12

13 C

4093

11

12

134093

B 11

8

9 C

4093

10

8

9 B

4093

10

GND

GND GND

Vcc

+15V300V DC

5

6 A4

R2

3.3 K

C3

F 2.2

C4

F 1.0

nF100

R3

K10

C8

nF1

2

5

8 4

376

1

C5

nF100

P1

R4 K7.4

K100

R5

R11 22K5W

22K

C6

F2.2 R10 220K

Sada para Q1

Sada para Q2

RTR

CV

Q DISTHR

4093

555

D B

C

E

F

A

ENTRADA Q1

ENTRADA Q2

Vin 300V DC

Vin 0V DC Vout. 0V DC

Vout. 80V A 220V DC

1N4007D6

D51N4007

11,2mH

BT 151

Q2C7

0,47F

Q1

BT 151

GND

R7

1K

R6

1K

GND

BC 140

1N4148

D3

1N4148

D4

TR2

1N4148D2D1

1N4148

R8

1K

TR1

R9

1K

VccVcc+15V +15V

L

G

H

I

J

K

L


Circuito impresso


4. FUNCIONAMENTO E ENSAIO a) Dado o circuito elctrico representado em anexo, observe e registe as formas de onda nos colectores dos transstores TR1 e TR2 e na carga, para o valor mximo do potencimetro P1. b) Repita o procedimento anterior para o valor mnimo do potencimetro P1. c) Tire concluses das diferenas que obteve em relao s ondas para os diferentes valores do potencimetro. d) Compreenda como funciona a clula de comutao. Anote a forma de onda no nodo de Q2. Como o disparo de Q2 provoca o bloqueio de Q1? 5. APLICAES E CONCLUSES Elabore um relatrio em que responda s seguintes questes: a) Explique sucintamente o funcionamento de um circuito chopper de 1 quadrante. b) Como varia o valor mdio da tenso na carga? c) Quais as funes dos dodos D1, D2, D3 e D4 e dos tiristores TR1 e TR2? d) Quais as vantagens e desvantagens que este circuito possui comparativamente a outros circuitos de utilizao anloga? e) Qual a vantagem de disparar um tiristor com um trem de impulsos em detrimento de um nico impulso de maior amplitude? f) O que entende por comutao forada? Quando se utiliza? g) Quais so os modos de controle que existem nos choppers? h) Faa um esboo dos desenvolvimentos das tenses e das correntes quando o chopper est a funcionar em regime contnuo e descontnuo. Diferencie os dois regimes. i) Quais so as aplicaes de um chopper?


CONVERSOR DC/AC 1. INTRODUO Para se transformar uma tenso DC em AC pode utilizar-se por exemplo um esquema do tipo do apresentado a seguir. composto por um transformador com dois enrolamentos, por exemplo de 2x10Vac, e um outro enrolamento, que poder ser de tenso mais elevada, por exemplo de 220Vac. Os dois enrolamentos de baixa tenso sero alimentados por uma forma de onda rectangular, em oposio em cada um dos enrolamentos, que provocar uma variao de fluxo, comutada atravs de dois transistores bipolares, como exemplificado no esquema, ou de dois MOS-FET, IGBT ou SCR.

As formas de onda tipo das tenses nas bases dos transistores, nos colectores e no enrolamento de sada do transformador, ou carga, esto tambm apresentadas na figura.

Transformadorelevador

Carga220Vac

+12 Vdc

Vce1

Vbe1

Vce2

Vbe2

Vbe1

Vce1

Vce2

Vbe2

Vcarga


2. ESQUEMA DE BLOCOS Poder-se-o considerar os seguintes blocos funcionais: A Alimentao o bloco que distribui e isola a alimentao dos restantes blocos. O Oscilador o bloco responsvel pela criao de dois sinais, simtricos, de frequncia varivel. O Drive apenas um conjunto de transistores, montados em darlington, que amplifica em corrente o sinal do Oscilador. O Inversor constitudo por dois tansistores bipolares de potncia, que garantem a comutao da corrente nos dois enrolamentos do primrio. 3. ESQUEMA ELCTRICO O esquema elctrico completo apresentado de seguida.

Z19V1

D11N40004R1

220

C4100nF

C547uF

C2100nF

C347uF

C1470nF +12V

T12N2222

T42N2222

C6100nF

P150K

R1022K

AST

AST

-T

+T

RET

RST

VSSRCC CX RX

VDD

Q

_Q

R41K

R71K

R1100

R2100

R51K

R81K

R668

R968

220 V

D31N4004

D21N4004

T62N30055

T32N30055

T2BD244

T5BD244

10 V

10 V

IC14047

ABC

D

E

F

G

Alimentao

Oscilador Drive Inversor Carga220Vac

Transformadorelevador

12 Vdc


O circuito impresso o apresentado.

4. FUNCIONAMENTO E ENSAIO Prepare a alimentao do circuito a) Ligue o circuito e observe as formas de onda nos pontos A, B, C, D, E, F e G. b) Com base nessas formas de onda explique o funcionamento do circuito. c) Calcule a potncia de entrada e a de sada. d) Como explica que nos colectores dos transistores de sada se observe uma tenso superior de alimentao? 5. APLICAES E CONCLUSES Elabore um relatrio em que responda s seguintes questes: a) Explique sucintamente o funcionamento de um circuito conversor DC / AC. b) Como poderia variar o valor eficaz da tenso na carga? c) Qual o contedo harmnico da onda de sada? d) Como o poderia reduzir? e) Como pode variar a frequncia? f) Quais as vantagens e desvantagens que este circuito possui comparativamente a outros circuitos de utilizao anloga? g) Quais so as aplicaes de um Conversor DC / AC?

33

CONVERSOR CC/CC (ABAIXADOR)

1. INTRODUO Este trabalho visa fazer um estudo sobre fontes comutadas tendo como objectivo transformar uma tenso contnua varivel entre 12 e 24 Vdc, numa tenso tambm contnua mas de 5 Vdc. As fontes comutadas como o prprio nome indica, funcionam essencialmente atravs da comutao. A comutao utilizada para reduzir as perdas de potncia, em oposio ao funcionamento na zona activa. Essa comutao deve ser efectuada a alta frequncia de modo a reduzir os componentes de filtragem, e portanto os custos. Para transformar esta tenso varivel numa constante, utiliza-se um circuito PWM LM2576, regulador comutado de 5 Vdc. Estes so circuitos integrados monolticos que possibilitam todas as funes para um regulador abaixador, capazes de suportar correntes na ordem dos 3 A, precisam somente de um nmero mnimo de componentes externos e incluem compensao interna de frequncia, bem como uma frequncia de oscilao fixa. 2. ESQUEMA DE BLOCOS Utiliza-se um circuito PWM LM2576, regulador comutado de 5Vdc. O layout o apresentado e a montagem tpica est sugerida a seguir.

34

3. ESQUEMA ELCTRICO

LM2576

0,1 mH

1 mF0,1 mF

1

3 5

2

4

V in entre 12 e 24 VdcVout 5 Vdc

1 ohmAB

C

D

4. FUNCIONAMENTO E ENSAIO Observe e desenhe a forma de onda das tenses em B, C e D, para duas situaes, para 12 e 24 V dc da tenso de entrada. Note que o ponto C apenas para ter uma amostragem da corrente que passa no dodo em roda livre. O condensador Cin (100 F) tem como funo manter a estabilidade, filtrando a corrente de entrada. De modo a aumentar esta estabilidade, dever usar-se um condensador cermico com baixos valores de ESR (Equivalent Series Resistance). O condensador Cout (1000 F) filtra a tenso de sada, reduzindo o ripple em aproximadamente 150 mV. A bobina L1 (100 H) desempenha tambm um papel importante na eliminao da tenso de ripple sada, diminuindo consideravelmente com o aumento da indutncia desta. De salientar o facto de que esta bobina no dever funcionar perto dos seus valores mximos de corrente, sob risco de saturar e fazer com que a indutncia baixe rapidamente e ganhe caractersticas puramente resistivas. O diodo D1 permite um retorno da corrente na bobina quando o switch est OFF. Ele assegura um desempenho melhor do regulador. De forma a manter a estabilidade na tenso de sada, as ligaes massa devero ser de baixa impedncia. 5. APLICAES E CONCLUSES Explique o funcionamento deste circuito. Qual a frequncia de comutao? fixa? Que alterao observou para valores diferentes da tenso de entrada? Que tipo de utilizaes imagina para este tipo de circuito? Descreva quais as vantagens e as desvantagens deste tipo de montagem em comparao com os reguladores srie da srie, por exemplo o 7805.

37

FONTE DE ALIMENTAO COMUTADA

1. INTRODUO Este trabalho visa fazer um estudo sobre fontes comutadas tendo como objectivo transformar uma tenso alternada de 220 V, numa tenso contnua de 9 V. As fontes comutadas como o prprio nome indica, funcionam essencialmente atravs da comutao. A comutao uma passagem muito rpida entre dois estados, o estado de conduo e o estado de corte, feita atravs de vrios dispositivos electrnicos tais como tiristores, dodos, transstores e triacs. Estes dispositivos iro operar como interruptores nos circuitos electrnicos, visto que a electrnica de potncia lida com potncias elevadas e requer rendimentos tambm, pretendendo-se o mnimo de perdas de energia nesses mesmos sistemas ou circuitos conversores. Utilizamos ento a comutao para minimizar as perdas de energia nos circuitos, mas tambm a alta frequncia de modo a reduzirmos as dimenses de alguns componentes dos circuitos como por exemplo transformadores, bobines, condensadores. Mas na realidade os dispositivos que funcionam como interruptores no equivalem a interruptores ideais uma vez que apresentam uma resistncia muito elevada no estado de corte, proporcionando assim correntes de fuga, e resistncia baixa mas no nula no estado de conduo. De referir que a passagem dum estado para o outro no instantneo, h portanto libertao de calor nesses dispositivos, apesar de o seu modo de funcionamento minimizar esse efeito. Relativamente aos tipos de comutao podemos dizer que existem dois tipos de comutao nos circuitos que so classificados quanto maneira como acontece a interrupo da corrente nos interruptores: Comutao natural quando a passagem dos interruptores do estado de conduo para o estado de corte acontece espontaneamente no prprio circuito. Comutao forada quando a passagem dos dispositivos ao estado de corte tem de ser imposta. 2. ESQUEMA DE BLOCOS

220 Vac9 VdcFiltro 50 Hz

Comutador50 kHz

Transformador50 kHz

Filtro50 kHz

38

3. ESQUEMA ELCTRICO

220 V

B E

D

C

A

4. FUNCIONAMENTO E ENSAIO Observe e desenhe a forma de onda das tenses na sada do rectificador inicial de 220 Vac, no interruptor electrnico, e aos terminais da carga.

300

V

V

600

PontoB

PontoC

10 ms

0,006 ms

0,002 ms

t

t

5. APLICAES E CONCLUSES Explique o funcionamento deste circuito. Explique porque observa cerca de 600 V de pico aos terminais do transistor. Que tipo de utilizaes imagina para este tipo de circuito? Descreva quais as vantagens e as desvantagens deste tipo de montagem, em comparao com circuitos rectificadores a 50 ou 100 Hz.


ESTUDO DE UM CICLOCONVERSOR BIFSICO 1. INTRODUO Um cicloconversor um circuito que converte directamente uma tenso alternada noutra tenso alternada com amplitude, nmero de fases e frequncia diferentes. Pode ser monofsico ou polifsico. Estando limitados a uma tenso e frequncia fixas por parte da rede de distribuio, surgiu a necessidade de criar circuitos conversores. Para pequenas potncias utilizavam-se conversores AC / DC (rectificadores) seguidos de conversores DC / AC (inversores) para alterar a frequncia de entrada. Quando se pretendia alterar a amplitude de entrada recorria-se a transformadores. Para grandes potncias a converso era mecnica ou rotativa, transformando primeiramente a energia elctrica em mecnica com auxlio de um motor, e depois para AC com auxlio de um alternador. Todos estes mtodos eram de implementao dispendiosa e com fracos rendimentos (elevadas potncias de Joule , atritos, rudos, factor de desacoplamento significativo , etc). A electrnica de potncia veio resolver este problema com o circuito cicloconversor . Na dcada de 30, os cicloconversores eram utilizados para reduzir frequncia de 50Hz de uma fonte trifsica, para uma frequncia de16 (2/3) Hz de uma fonte monofsica,destinada para fins de traco electrica. Nestecaso os cicloconversores utilizavam rectificadores a arco de mercrio, pois a tecnolgia dos semicondutores ainda no tinha sido desenvolvida. O circuito bsico apresentado de seguida. A alimentao bifsica, L1 e L2.

Como podemos observar temos duas fases. Cada uma delas possui dois tiristores, estes dois tiristores como esto em anti-paralelo cada um vai conduzir nas suas alternncias, isto , por fase temos um tiristor a conduzir na alternncia negativa e outro a conduzir na alternncia positiva. Assim podemos ter o seguinte quadro para melhor entendimento.

Fase Tiristor Alternncia T1 Negativa L1 T2 Positiva T3 Negativa L2 T4 Positiva

O controlo de potncia efectuado pelo disparo dos tiristores em alturas especificas, com um ngulo de atraso, alturas esta que so indicadas no circuito de comando, e por consequncia o valor eficaz da tenso que se pretende.

Tensoalternada

(rede)

Carga

T1

T2

T3

T4

L1

L2


O controlo de frequncia tambm realizado pela entrada ou no conduo dos tiristores pois se quisermos metade da frequncias, por exemplo, basta colocar duas vezes a alternncia positiva e depois duas vezes a alternncia negativa. A figura seguinte ilustra como se pode variar a frequncia da onda de sada. Primeiramente apresentam-se as duas fases disponveis. Seguidamente apresenta-se uma soluo para a onda de sada com metade da frequncia. Os tiristores a disparar so os T2 e T3. Seguidamente apresenta-se outra soluo para a onda de sada, com metade da frequncia, mas agora com maior valor eficaz. Por fim apresenta-se uma soluo para a onda de sada com 1/3 da frequncia.

O controlo do valor eficaz da onda de sada pode ser efectuado por controlo de fase. Na figura seguinte esto exemplificadas duas situaes, para e para 1/3 da frequncia.


A figura seguinte exemplifica outra soluo de controlo com menor contedo harmnico, estando a carregado representada a frequncia fundamental.

Como se observa, se s existirem duas fases para com elas se construir a onda de sada, esta tem contedo harmnico desfaforvel. Se se utilizarem sistemas de alimentao trifsicos ou hexafsicos esse contedo harmnico melhorado. Outra soluo a apresentada a seguir, construindo uma fase partindo de trs fases.

Tambm se podem construir trs fases de sada. O esquema seguinte uma soluo para formar trs fases de sada, partindo de trs fases de entrada.

Circuito de disparo

CARGA

Controlo de sinal de baixafrequncia


2. ESQUEMA DE BLOCOS

O Rectificador, o Detector de Zero, o Gerador de Rampa e o Comparador, so os blocos clssicos do controlo de fase. O Divisor de Frequncia baseado num circuito integrado 4017, cujos sinais com frequncias submltiplas da rede, so seleccionadas pelo Selector de Frequncias. Os sinais so modulados pelo Modulador, amplificados e aplicados nas gates dos tiristores atravs de Transformadores de Impulsos.

R

S

T

A B C

Rectificador Detector dezeroGerador de

rampa

Divisor defrequncia

Selector defrequncia

Comparador

Oscilador

Selector detenso

Modulador

Transformaode

impulsos

Potncia

Out

INVac


3. ESQUEMA ELCTRICO O esquema elctrico do comando do cicloconversor utilizado o seguinte:

T1

R22,2k R1

10k

R33,3k

Tr1BC107

R54,7k

R45,6k

Tr2BC107

Tr32N2905

R63,9k

Dz3 V

C11F

R7330

C012

16

Q911

Q89

Q65

Q51

Q37

RST15

Q24

Q0314

Q12

ENA13

Q410

Q76

4017

CLK

C310 nF

R910k

22F

1M3 x R8

R112,2k

C210 nF

C4100 nF

R1047k

220 AC

9 V

Pon

teR

ectifi

cado

r

+-

Det

ecto

r de

zero

Ger

ador

de

ram

pa

IC1

741

41

5

2 3

7

6

-15

V

Com

para

dor

11 13 12N

1

4073

IC2

D

10

TR4BD139R15100

D4

65

N2

IC3

B 4093

4

IC4

56

4081N3

B

4D

3

VC

C

2 1

4081

3A

1314

N3

N2

N1

4081

C11

IC5

D2

D1

Selec

tor d

e fre

qun

cias

VC

C

3 x

PO

T10

k

Selec

tor d

e te

nsoCo

m1.

1

VC

C

13 12

IC3

D 409

3

N1

11

Osc

ilado

r

Com

1.2

9 8N

3

IC3

A

4093

3

6 3 5

CLK

J

S

Q

K

R

Q

VC

C

71 2

345

N2

IC2

B

Mod

ulado

r

N1

R1410k

10

TR5BD139R13

100

D5 R1210k

T2

VC

C

VC

C

T3

6

Tran

sform

ador

de im

pulso

s

4073

Alim

enta

o

aos

integ

rado

sV

cc15

V

4 7 7 8 7 8

7 14 14 16 14 16

IC 1

IC 2

IC 3

IC 4

IC 5

IC 6

A

B

C

D

E

F

G H


O esquema de potncia o seguinte:

Tensoalternada

(rede)

Carga

T1

T2

T3

T4

L1

L2

I

J


4. FUNCIONAMENTO E ENSAIO Observe e desenhe a forma de onda das tenses na sada do gerador de rampa, na sada do divisor de frequncia, no colector dos transstores drivers dos transformadores de impulsos e na carga. Varie a posio do comutador, para as outras duas, e repita o ponto 1. Varie a posio dos potencimetros e repita o ponto 1. 5. APLICAES E CONCLUSES Explique o funcionamento deste circuito cicloconversor. Que tipo de utilizaes imagina para este tipo de circuito? Descreva quais as vantagens e as desvantagens deste tipo de montagem. Em introduo terica foi referida que existe uma verso trifsica do cicloconversor. Depois de efectuado este trabalho prtico elabore um esboo de como seriam as formas de onda na carga do ciclo conversor trifsico. Comente a afirmao. possvel obter frequncias no sinal de sada superiores s do sinal de entrada. Se a carga a alimentar fosse indutiva deveramos efectuar alguma alterao no circuito dado? Justifique e desenhe essa alterao no circuito de potncia. Retire outras concluses que julgue importantes neste trabalho.


CHOPPER DE QUATRO QUADRANTES INTRODUO Um chopper, termo ingls correntemente utilizado, representa um regulador de corrente contnua, ou seja, um conversor DC-DC, tambm conhecido por tracejador. Estes dispositivos permitem fazer a converso duma tenso contnua de valor fixo, numa tenso unidireccional de valor mdio varivel. O seu princpio de funcionamento assemelha-se a um interruptor que aplica e suspende ciclicamente a tenso da fonte aos terminais da carga. Desta forma, a carga apresentar uma tenso aos seus terminais com uma forma de onda rectangular, semelhante onda seguidamente representada:

Segundo o esquema apresentado abaixo, o conversor implantado entre a fonte e a carga. Este mesmo dispositivo permite efectuar a regulao da tenso contnua de sada, atravs da regulao do valor da razo cclica .

Assim, a expresso matemtica que relaciona a tenso da fonte U (supostamente fixa, ou com um pequeno ripple, j que no nosso trabalho a tenso da fonte proveniente de uma rectificao), com a tenso de sada U0, ser a seguinte:

Se a carga for do tipo L-R-E, a potncia na mesma ser:

onde I0ef o valor eficaz da corrente fornecida pelo conversor carga (i0) e I0 o valor mdio da mesma corrente. Em aplicaes prticas lidamos maioritariamente com cargas do tipo indutivo (L-R-E). Desta forma, e sobretudo para evitar sobretenses aquando da abertura do interruptor, utiliza-se um dodo em roda livre que funciona em paralelo do lado da carga. Assim, o esquema interno de princpio do conversor DC-DC acoplado ao circuito de utilizao, ser o seguinte:

O tirstor utilizado no chopper apresenta dois terminais de controlo (gates) que se encontram representados no smbolo. Um dos terminais utilizado para passar o tirstor conduo, e o outro terminal utilizado como circuito auxiliar tipo clula de comutao, que por um processo de comutao forada coloca o tirstor no estado de bloqueio.

U U0

L

R

E

i i0

U U0

i i0

CargaConversorFonte

DC - DC

.0 UU =

020 EIRIP ef ++++====

U

0 t

u0

T T T+ T 2T


O tirstor acima descrito poder ser substitudo por um transstor de juno bipolar. Neste caso o comando realizado atravs de uma corrente de base que coloca o transstor na saturao. A ausncia dessa mesma corrente coloca-o na zona do corte. O FET representa outro dos elementos viveis.

Alm dos tirstores, transstores de juno bipolar ou FETs existem ainda mais duas hipteses actualmente mais implementadas. Falamos de MOSFETs do tipo enhancement tipo N ou P, e de IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistor) que renem as melhores qualidades dos MOSFETs e transstores de juno bipolar. O circuito apresentado neste trabalho encontra-se implementado com MOSFETs, mas permite tambm no lugar dos mesmos com dodo em roda livre, a utilizao de IGBTs com dodos em roda livre, para prever situaes de sobretenses, provocadas pelas cargas indutivas.

O IGBT representado acima esquerda, apresenta um esquema interno equivalente ao conjunto MOSFET/Transstor PNP representado direita. Este elemento apresenta uma vantagem sobre qualquer um dos outros dois utilizados separadamente: a tenso de saturao do transstor mais baixa do que a do IGBT, mesmo com correntes fortes; e a queda de tenso aos terminais do MOSFET sobe rapidamente quando aumenta a corrente e a temperatura. ESQUEMA ELCTRICO O esquema elctrico do circuito de controlo est representado de seguida:

G

C

E

G

C

E

+ 15 V

R75,6 k

R85,6 k

P110 k

- 15 V

C11 nF

R256 k

-

+5

6

Ra14,7 k

R10,2 k

R45,6 k

R322 k

Ra222 k

Ra34,7 k

R55,6 k

-

3 +2

R62,2 k

+ 15 V

- 15 V

1

7 9

108

R1010 k

R910 kVa

+ 15 V

- 15 V

D15,6 V

D25,6 V

Vb

IC1B

TL084

IC1A

TL084

TL084

TL084

TL084

TL084

2

31

TL084

+ 15 V

- 15 V

IC1C

IC2A

IC2B5

6

7

Vd

Ve

R1110 k 9

10

R1210 k

R1310 k

R1410 k

8

13

12

14

IC2C

IC2D

Vc

HIN1

LIN1

HIN2

LIN2

-

++

-

+

-

-

+

-

+11

411

4


O esquema do circuito de comando e de potncia :

FUNCIONAMENTO E ENSAIO Considere o esquema de Controlo com o qual se pretende efectuar o comando por tenso em cadeia aberta utilizando como tcnica de comando a modelao por largura de impulso. Identifique os diferentes mdulos funcionais necessrios implementao do comando por PWM. Justifique a utilizao dos diferentes potencimetros na montagem referente ao oscilador triangular. Dimensione-os de modo a obter na sada uma forma de onda de 10 V de pico e 12 kHz de frequncia. Determine a gama de variao da teno Vc. Estabelea em correspondncia temporal os sinais: Va, Vb, HIN1, LIN1, HIN2, LIN2, para uma tenso de comando Vc = 4 V. Identifique o potencial de referncia (massa) dos sinais de sada deste circuito. Considere o esquema da do circuito de Comando onde a cheio se representam as ligaes com interesse para este trabalho. Atendendo ao esquema e catlogos fornecidos descreva e evidencie as caractersticas do mdulo hbrido de potncia e descreva as principais funes do circuito integrado, driver, referindo como se processa o encaminhamento dos sinais de comando para os IGBTs superiores e inferiores, e indicando as suas principais caractersticas.

+15 VV2

V1

HIN1

HIN2

HIN3

LIN1

LIN2

LIN3

E

Rc

Rde

sc.

Rci

s.

0,047 k / 1/4 W

VD1 28

HO1 27

VS1 26

25

VD2 24

HO2 23

VS2 22

21

VD3 20

HO3 19

VS3 18

LO2 15

LO1 16

17

0,047 k / 1/4 W

0,047 k / 1/4 W

0,047 k / 1/4 W

0,047 k / 1/4 W

0,047 k / 1/4 W

1

2

3

4

5

6

7

8

1

2

3

4

5

6

7

8

1

2

3

4

5

6

7

8

1 VCC

2 HIN1

3 HIN2

4 HIN3

5 LIN1

6 LIN2

7 LIN3

8 FAULT

9 ITRIP

10 CA0

11 CA-

12 VSS

13 VSO

14 LO3

2,2k

2,2k

2,2k

2,2k

2,2k

2,2k

FUSE

F1 I1F

N

T

0 V0 V

+5 V

0 V

30 Vdc

0,02k / 2 W

18k / 5 W

Rp

I+ I-p/ Circuito Drivers

LEMLA25NP

IR 2232

IR 2232

IR 2232

ICO3

ICO4

ICO5

IR 2130 ICO0

1N4140

1N4140

1N4140

10 F

10 F

10 F

0,039k / 5W

U

V

W

R L

+15V

-15V

IN

OUTM

Visualizaode 1

0,68k / 1/4W

HE1

HE2

HE3

LG1

LG2

LG3

HG1 HG2 HG3


Efectue uma tabela representativa da lgica de funcionamento do driver, associada ao comando de uma fase, de modo a relacionar os sinais de sada do circuito de comando, com os sinais de ataque das gates dos IGBTs. Descreva o acoplador ptico utilizado explicitando as suas funes. Justifique a necessidade das diferentes fontes de alimentao presentes e identifique as respectivas referncias de massa. Descreva o transdutor de corrente contnua. Anlise de funcionamento do conversor com carga R = 100 L = 1 mH. Estabelea a expresso do valor mdio da tenso de sada do conversor U0 em funo da tenso de comando Vc. Determine em correspondncia temporal as formas de onda da tenso e corrente na carga, Considerando Vc = 4 V. Indique quais os dispositivos que se encontram em cada momento em estado de conduo e os que conduzem. APLICAES E CONCLUSES Este tipo de circuitos serve, para comando de potencia onde necessria comutao muito rpida, como seja o controlo de mquinas ferramentas de alta preciso, soldadura de grande porte onde a corrente de funcionamento muita elevada e h necessidade de rpido e eficaz corte da mesma, em linhas de montagem de automveis onde haja mquinas de fluxo de pintura muito elevado e em inmeras outra aplicaes onde seja necessrio rpida comutao e onde esteja em jogo correntes muito elevadas.


AMPLIFICADOR PWM CONTROLADO POR CORRENTE INTRODUO Para amplificar sinais, controlar cargas de mdia potncia, servomecanismos, etc, usual utilizar-se no andar de sada do amplificador uma montagem AB, que um amplificador que trabalha entre dois extremos definidos pelas classes de amplificadores tipo A e tipo B. O amplificador tipo A tem um ponto de funcionamento que est localizado na parte linear da na curva caracterstica, funcionando essencialmente nessa zona linear. Este tipo de amplificao tem como principais caractersticas um baixo rendimento e uma baixa distoro do sinal de entrada. O amplificador tipo B aquele em que o ponto de funcionamento est localizado no "inicio" da sua caracterstica de maneira que a potncia de repouso seja muito pequena (V e I 0 ) tem como consequncia de s haver amplificao da parte positiva do ciclo. Este tipo de amplificao tem como principais caractersticas um bom rendimento e uma anulao da componente negativa do sinal de entrada. Assim o amplificador AB resulta da juno destes dois tipos de amplificadores com as seguintes caractersticas, em relao distoro devido a corrente de base no ser aprecivel at que a juno de emissor seja polarizada directamente pelo menos com a tenso de limiar V o que resulta na no linearidade da caracterstica de transferencia (ver fig. 1), nas zonas de fracas correntes a sada muito inferior a que seria se a resposta fosse linear. O rendimento desta montagem bastante afectado devido as perdas em vazio.

figura 1


A montagem amplificadora AB usa dois transstores montados como o exemplo esquematizado na figura 2.

figura 2

O transistor T1 amplifica a parte positiva da onda de sinal que aplicada ao amplificador enquanto o transstor T2 amplifica a parte negativa do mesmo sinal. Estes transistores trabalham na zona activa, o que pelas correntes e tenses neles presentes e quando se pretendem potncias de alguns kW, temos tambm uma grande potncia de perdas.

( ) ( ) ( )

( )( )

( ) colector de corrente emissorcolector tenso

perdas de potncia

=

ti

tV

tP

titVtP

c

ce

P

cceP

Assim uma montagem como a da figura anterior no indicada para o controlo de grandes potncias, porque a potncia dissipada nos transstores levaria a grandes perdas de energia e consequentes custos relacionados. Para evitar as perdas dos transstores passou-se em sua substituio a usar outro tipo de componente, o MOSFET de potncia, este a funcionar por comutao entre dois estados, aberto ou fechado como um interruptor. Com esta alterao reduzem-se muito as perdas de potncia, pois o MOSFET de potncia quando est com o canal aberto a sua resistncia quase nula e quando tem o canal fechado a sua resistncia muito elevada sendo a corrente praticamente nula. Assim a suas perdas de potncia esto quase apenas na comutao entre estados, em que o produto da tenso a diminuir aos terminais do MOSFET pela corrente a aumentar neste d origem a uma potncia de perdas, como se mostra no grfico seguinte.

figura 3


carga ser assim aplicada uma tenso comutada entre um valor positivo e um valor igual em mdulo negativo, e controlando cada estado com tempos desiguais, consegue-se um dado valor de corrente aproximada forma pretendida.

figura 4

O valor da janela representado entre +H e -H. A corrente iA a corrente efectiva na carga. A corrente iAc a corrente pretendida na carga. As tenses Ud/2 e -Ud/2 representam as tenses aplicadas carga na comutao. A corrente na carga vai ter um erro, que o valor de meia janela. Se pretendermos diminuir o erro temos que reduzir o valor de janela, este procedimento est limitado pela capacidade de resposta dos mosfet de potncia, que levam um certo tempo a passar da conduo ao corte e assim determinam um perodo mnimo de tempo para o funcionamento do circuito. Se aumentarmos muito a janela ento a corrente na carga vai ter um erro muito grande em relao forma pretendida. 2. ESQUEMA DE BLOCOS O esquema de blocos do circuito a estudar est apresentado de seguida. O bloco Comparador compara o valor pretendido ou imposto da corrente com um sinal de tenso proporcional ao valor medido da corrente na carga. O comparador recebe a onda de tenso Vin que tem a forma pretendida para a corrente na carga, recebe tambm a forma de onda da corrente na carga obtida atravs de uma tenso, esta conseguida pela colocao em srie com a carga de uma resistncia. Este comparador ligeiramente integrador, de modo que ao existirem por qualquer motivo picos de tenso, estes no faro diferena ao normal funcionamento do circuito. Desta comparao resulta uma forma de onda que aplicada a um comparador histertico, este um comparador com ganho infinito mas com uma janela.


O boco Comparador Histertico define a janela permitida para variao da corrente na carga. Assim este comparador tem dois estados, um positivo limitado pela alimentao positiva e outro negativo limitado pela alimentao negativa. Para mudar de estado este comparador necessita de uma tenso aplicada superior a 1/100 da tenso na sua sada, esta relao dada pelo quociente das duas resistncias entre a sada do comparador e a massa. Assim a sada do comparador integrado faz o comparador histertico comutar, quando o valor desta superior ao valor de meia janela. Vejamos em mais pormenor o funcionamento do bloco comparador histertico. O comparador regenerativo da Fig. 5 a) geralmente referido por disparador de Schmitt trigger, a partir do nome do inventor de uma verso deste circuito com vlvulas de vcuo. A tenso de entrada aplica-se ao terminal inversor e a tenso de realimentao ao terminal no-inversor. Admitindo que a resistncia de sada do comparador desprezvel em relao a R1 + R, obtm-se

021

21 VRR

RV

+=

Como v1 = V1 com V2 = 0, verifica-se V0 =Av vi e a anlise de pequenos sinais d a relao de retorno

21

v2

RRAR

T+

=


figura 5 Comparador Regenerativo ( Schmitt Trigger)

a)Esquema do circuito b)Forma de onda na transio +V -V c)Forma de onda na transio V +V d)Tenso de sada de um ciclo (V1-V2)

Evidentemente, com Av > O T < 0, pelo que a retroaco positiva (regenerativa). Para R1=10k, R2 =100 e Av = 14000 calcula-se

1390.110

140000.1T =

+=

Verifica-se facilmente que a retroaco regenerativa. Se a sada aumentar de v0,a realimentao de sinal para o terminal no-inversor, sujeito tenso v1, ser v0R2/(R1 + R2). Por isso, v0 aumentar mais de um valor v0R2Av /(R1 + R2) =- Tv0, indicando que h realimentao positiva. Seja V0=- Vz + VD e admita-se que v2 V1. Esta caracterstica de transferncia est indicada na Fig. b). A tenso no terminal no-inversor para v2 > V1

2A021

2A1 V)V(VRR

RVv +

+=


Com os valores dos parmetros dados na Fig. a e para V0 = 15 V, obtm-se

0.8420.158110.1

160.11V

1.1390.139110.1

140.11V

1

1

===

=+=+=

Note-se que V2 < V1, correspondendo a diferena entre estes dois valores histerese VH:

0.297RR

V2RVVVH

21

0221 =+

==

Se agora v2 diminuir, a sada permanece em V0 at v2 igualar a tenso no terminal 1 ou at que seja v2 = V2. A esta tenso verifica-se uma transio regenerativa, como indica a Fig. c, regressando a sada ao valor + Vo quase instantaneamente. A caracterstica de transferncia completa est indicada na Fig. d, onde as partes sem setas podem ser percorridas em cada um dos sentidos, mas os outros segmentos s podem ser obtidos se v2 variar no sentido das setas. Note-se que, devido histerese, o circuito dispara a uma tenso mais alta para sinais crescentes do que no caso de sinais decrescentes.

Figura 6 Resposta do disparador Schmitt trigger a um sinal de entrada arbitrrio.

O bloco Rectificador apenas transforma o sinal entre 15V e +15V num sinal entre 0V e +15V. O sinal sada do comparador histertico oscila entre o valor +V e -V da alimentao, como so utilizados componentes de lgica e estes funcionam s com tenses positivas ou nulas, que fazer o sinal passar por um rectificador. Este rectificador vai levar o sinal at aos mdulos de atraso, constitudos por um and, um condensador e uma resistncia, e que se destinam a evitar a actuao de um mosfet de potncia enquanto o outro ainda est conduo. O bloco de Atraso atrasa os sinais a fornecer a cada gate dos MOS-FET de modo a garantir que um s passa conduo depois do outro estar ao corte. O bloco Acoplamento/Encravamento refora essa inteno por meio de acopuladores pticos, que isolam o circuito de potncia do circuito de comando, e que fornecem tenso gate de um MOS-FET mas que em simultnea fazem um curto circuito gate do outro MOS-FET. O bloco Comutao compreende os MOS-FET, tendo o do ramo positivo a gate alimentada via acopuladores pticos mas tambm por um boot-strap elevador de tenso. Os transstores que comandam os mosfet de potncia so alimentados por um circuito chamado Bootstrap, que feito por uma fonte que alimenta um condensador atravs de um dodo durante a comutao negativa e alimenta os transstores relativos parte negativa. Quando se d a comutao positiva a alimentao dos respectivos transstores feita pelo condensador anteriormente carregado.


3. ESQUEMA ELCTRICO Circuito de comando


Circuito de potncia


4. FUNCIONAMENTO Para a alimentao do andar de potncia utilize um transformador 2x24V. Como carga utilize um enrolamento do primrio de um transformador de 220/2x24V. No comparador histertico a resistncia de 100 ohm foi alterada para 47 ohm, aumentando assim a frequncia de comutao e reduzindo o erro. Como referncia utilize um sinal sinusoidal de baixa amplitude e de cerca de 10 Hz. Localize no circuito impresso os diversos componentes e os blocos funcionais. Observe e anote as formas de onda fundamentais para a explicao do funcionamento do circuito. 5. APLICAES E CONCLUSES Este tipo de circuito aplicado em todos os stios onde se pretende o controlo de corrente na carga, e isto podem ser amplificadores de potncia para som ou motores de corrente alterna, como exemplo temos o controlo de motores assncronos trifsicos onde se aplicam trs circuitos destes, um por fase:

Electrnica de Potncia CEEI DEEA AGalhardo

CONTROLO DE MOTOR PASSO A PASSO

Introduo

A crescente popularidade dos motores de passo deve-se total adaptao desses dispositivos lgica digital. Vrios perifricos de computadores usam estes motores em inmeras aplicaes, como mesas grficas, unidades de disco, plotters, etc. No s na Informtica, mas tambm na Robtica esses motores esto cada vez mais a ser usados, em sistemas de movimentao de braos mecnicos, etc. Com o auxlio desses motores, pode-se criar interfaces entre o crebro (CPU) e o movimento mecnico, constituindo, em suma, a chave para a Robtica. Existem ainda enormes aplicaes deste tipo de motores na indstria, contribuindo para isso o aumento de potncias disponveis no mercado e a simplificao dos seus sistemas de controlo, por meio de integrados ou mdulos pr-fabricados. As suas caractersticas podem-se resumir: quando parado o rotor est fixo, podendo despender um dado binrio; a gama de variao de velocidade de 100%; o controlo de velocidade no necessita de realimentao.

Os motores comuns, giram em velocidade constante, pois possuem apenas dois estados de operao, ou seja, parados ou rodando; enquanto os motores de passo se deslocam por impulsos ou passos discretos e exibem trs estados: parados, activos mas com o rotor travado ou rodando em etapas (passos). Este movimento pode ser brusco ou suave, dependendo da frequncia e amplitude dos passos em relao a inrcia em que ele se encontre.

Os motores de passo, sendo diferentes dos motores comuns, tm tambm aplicaes diferentes e especficas, ou seja, em rotaes de eixos num ou vrios passos, dependendo de sinais fornecidos pelos circuitos digitais de comando. Podem ser usados em circuitos abertos, ou seja, sem qualquer realimentao de controlo normalmente proporcionada por potencimetros, codificadores, geradores tacomtricos e assim por diante, evitando com isso, os problemas encontrados nesses sistemas, como instabilidade e ultrapassagem (overshoot), podendo substituir os servomotores CC convencionais.

No que se refere ao funcionamento, os motores de passo podem ser comparados aos sncronos, ou seja, um campo rotativo (nesse caso gerados pela electrnica de controlo) faz girar um rotor magntico. Tais motores foram subdivididos de acordo com a forma em que gerado o campo rotativo (enrolamento unipolar ou bipolar no estator) e com o material utilizado na construo do rotor. Os mais usados so os unipolares, geralmente com quatro bobinas. Neles, cada fase consiste de um enrolamento com derivao central, ou mesmo de dois enrolamentos separados, de forma que o campo magntico possa ser invertido sem a necessidade de se inverter o sentido da corrente. A escolha de um motor de passo recai, em primeiro lugar, sobre os requisitos mecnicos; as caractersticas elctricas, por sua vez, determinam o projecto da electrnica de controlo. Parmetros de grande importncia, a taxa de arranque a mxima acelerao permitida de operao, intimamente relacionada com o momento de inrcia do rotor. Na prtica, deve-se ter em mente que o momento de inrcia aumenta com a inrcia das partes girantes acopladas ao motor, reduzindo, portanto, a taxa de arranque.

Os motores de passo unipolares so controlados facilmente atravs de um transstor apenas por enrolamento, enquanto nos bipolares so necessrios quatro transstores em ponte. possvel, nesse segundo, utilizar-se apenas dois transstores por enrolamento, desde que a fonte seja


simtrica, o que complicaria um pouco o circuito. Mas, em ambos os casos, uma lgica de controlo exigida para que o motor possa girar correctamente.

Uma outra opo para se comandar esses motores atravs de circuitos lgicos discretos que comandaro os transstores de sada e esses as bobinas do motor. Existem, no mercado europeu e americano, alguns ICs especficos para o comando de motores de passo, tais como o SAA 1027, o par L297 / L298, o TL 376 e a srie ULN 2002 ....2005, e mais alguns.

O uso de motores de passo exige o respeito de algumas regras bsicas. preciso levar em conta o carcter indutivo do estator, cuja corrente, ao ser chaveada, gera uma tenso indutiva que chega a ser elevada o bastante para destruir a electrnica de controlo. Isso pode ser evitado com a utilizao de dodos de proteco, nos enrolamentos unipolares, e diodos zener ligados em anti-srie, no caso dos bipolares. As correias dentadas de transmisso so mais indicadas que as engrenagens, devido ao fenmeno da ultrapassagem provocado pelo baixo amortecimento desses motores, que poderiam quebrar ou desgastar rapidamente os dentes. Mas o melhor mesmo , sempre que possvel, utilizar a transmisso directa. Por fim, caso se pretenda posicionar algo com muita preciso, por meio de motores de passo, deve tentar fazer-se com que o nmero de passos, entre o ponto de referncia e a posio desejada, seja proporcional (segundo um nmero inteiro) quantidade de estatores do motor.

Tipos de motores de passo

Relutncia Varivel: Tem um rotor com vrias polaridades feito com ferro doce e um estator laminado. Eles geralmente operam com ngulos de passo de 5 a 15 graus, a taxas de passo relativamente altas e, por no possuir man, quando energizado apresenta binrio esttico nulo. Na figura abaixo, quando a fase A energizada, quatro dentes de rotor alinham-se com os quatro dentes do estator da fase A atravs de atraco magntica. O prximo passo dado quando a fase A desligada e a fase B energizada fazendo o rotor girar 15 graus direita. Continuando a sequncia, a fase C energizada e depois a fase A novamente.

man Permanente: motores de man permanente diferem dos de relutncia varivel pois tm rotores de material alnico ou ferrite sem dentes e magnetizado perpendicularmente ao eixo, devido a isto, o binrio esttico no nulo. Energizando as quatro fases em sequncia, o rotor gira, pois atrado aos plos magnticos. O motor mostrado na figura abaixo dar um passo de 90 graus quando os enrolamentos ABCD forem energizados em sequncia. Geralmente tem ngulos de passo de 45 ou 90 graus a taxas de passo relativamente baixas, mas eles exibem um alto binrio.


Hbrido: Combinando as caractersticas dos de Relutncia Varivel e dos de man Permanente, o Motor Hbrido tem algumas das caractersticas desejveis de cada um. Tm alto binrio, no apresenta binrio esttico nulo e podem operar em velocidades de passo altas. Normalmente, tm ngulos de passo de 0.9 a 5 graus. Geralmente so providos de plos que so formados por dois enrolamentos (como mostrado na figura abaixo), de forma que pode ser utilizada uma nica fonte. Se as fases so energizadas uma de cada vez, na ordem indicada, o rotor giraria em incrementos de 1.8 graus. Este motor tambm pode ser controlado de forma a usar duas fases de cada vez, para obter maior binrio, ou alternadamente, ora uma ora duas fases de cada vez, afim de produzir meios-passos ou incrementos de 0.9 graus.

Funcionamento do motor de passo Para cada passo do motor corresponde-lhe um ngulo de rotao exacto: se para uma rotao

completa (360) so necessrios 200 passos, cada um deles implica uma rotao de 1,8. Isto significa que a posio do eixo de um motor passo pode ser controlada com exactido; alm disso, pode-se mant-lo quieto no ponto desejado, devido corrente de controlo. Tendo presente o que j foi referido atrs apresentamos agora uma descrio mais concreta sobre

o funcionamento do motor. Os estatores so percorridos por corrente com 3 estados: corrente nula, corrente de determinado

valor num sentido e o mesmo valor no outro sentido.


Sempre que a situao de um dos estatores varia, o rotor gira um determinado ngulo at atingir nova posio de equilbrio. Geralmente, o enrolamento do estator apresenta-se dividido em dois para maior facilidade do controlo electrnico, evitando a inverso da corrente nos enrolamentos. So estatores unipolares. Os estatores unipolares necessitam de um inversor electrnico para inverter o sentido de corrente. No esquema seguinte esto apenas representados os enrolamentos de um estator, o A. Os enrolamentos do B so anlogos. O ngulo de passo uma caracterstica fundamental, funo do nmero de plos e de controlo. Os ngulos tpicos so de: 0,l8; 0,45; 0,9; 1,5; 1,8; 2,25; 2,5; 7,5; 15 e 30. Outra caracterstica a variao mxima do nmero de ngulos por minuto ou segundo, ou seja a velocidade. Existem tambm um limite para a acelerao, quer positiva quer negativa.

N

NN

N

SS

SS

SS

A1

A2

SA B1

B2

SB

ESTATOR 1ESTATOR 2

ROTOR

S

N

S

N

N


Outra caracterstica o binrio mximo e a variao desse binrio com a velocidade.

Para os enrolamentos dos estatores, o fabricante fornece o valor da tenso de alimentao e o valor da corrente a fornecer. Vamos anotar algumas sequncias de impulsos simples.

V

A1

A2

B1

B2

i1 i2

1 2


Vejamos uma sequncia na qual apenas um dos estatores est excitado de cada vez:

Outra sequncia, chamada de duas fases:

Esta soluo, a mais usada, apresenta um campo maior em cerca de 41% em relao primeira soluo. Embora o binrio no acompanhe totalmente esse acrscimo, de facto a soluo mais divulgada. Se quando deixarmos de excitar A1 (B1), no excitamos logo A2 (B2); o motor girar metade do ngulo.

A1

B1

A2

B2

A1

B1

A2

B2

A1

A2

B1

B2


A inverso do sentido de rotao faz-se alternando a sequncia de excitao dos enrolamentos. O controlo de velocidade faz-se variando a frequncia dos impulsos.

Em forma de concluso, podemos dizer que estes rotores giram em etapas bem definidas, o rotor de um motor de passo simplesmente um man permanente que atrado, sequencialmente, pelos plos de diversos electromanes estacionrios, como se ilustra:

Funcionamento do circuito de controlo

A seco do IC1, um qudruplo NAND trigger Schmitt, forma com o C1, R1 e R2 um oscilador de onda quadrada e frequncia regulvel, utilizando como referncia para dar cadncia aos passos do motor.

As seces C e D do mesmo IC1 formam um flip-flop set/reset que, quando governado pelo comutador SW1, controla o incio e a paragem do prprio motor, atravs da porta lgica IC1b.


As duas metades do IC2 contm outros tantos flip-flop do tipo D que, devido tambm ao cruzamento dos sinais realizado com os XOR do IC3, geram os sinais de controlo para as quatros fases. Estes sinais dirigem, por sua vez, os controladores de potncia, cada um deles composto por trs transstores (por exemplo T7, T8, T9); observe que o T9 e o T12 nunca conduzem ao mesmo tempo, o mesmo acontece com o T3 e T6. A sequncia da alimentao das fases 0101, 1001, 1010, 0110 quando o boto SW1 est solto (sentido dos ponteiros do relgio); ao passo que 0101, 0110,1010, 1001 quando a tecla est premida (sentido contrrio ao dos ponteiros do relgio).

A seco de potncia do circuito recebe 9 Vcc directamente do

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