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Electronica de potência
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Engenharia Eletrotcnica e de Computadores
Trabalho Prtico II Eletrnica de Potncia
22-06-2013 Instituto Politcnico do Cvado e do Ave
Grupo D
Pedro Ribeiro N4804
Hlder Amorim N4935 Joo Gonalves N5287
Filipe Fontes N6142
Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II
i
ndice
1 Introduo ............................................................................................................. 1
2 Descrio Equipamentos ...................................................................................... 2
2.1 Transformador Toroidal ....................................................................................... 2
2.2 TRIAC ..................................................................................................................... 3
2.3 TCA 785 .................................................................................................................. 4
2.4 Tirstor .................................................................................................................... 7
3 Desenvolvimento ................................................................................................... 9
3.1 Circuito Equivalente do TRIAC ......................................................................... 11
3.2 Disparos com TRIAC BT137 .............................................................................. 12
3.3 Disparos com Tirstor BT151 .............................................................................. 16
4 Concluses ........................................................................................................... 20
5 Referencias .......................................................................................................... 21
Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II
ii
ndice de Figuras
Figura 1 Transformador Toroidal ......................................................................................................... 2
Figura 2 - Terminais do Transformador utilizado ................................................................................... 2
Figura 3- Smbolo, estrutura e circuito equivalente do TRIAC ................................................................ 3
Figura 4- Curva caracterstica do TRIAC ................................................................................................ 3
Figura 5- Configurao dos Pinos do TCA 785 ....................................................................................... 4
Figura 6 Diagrama de blocos do TCA 785 ........................................................................................... 5
Figura 7- Principais formas de onda do TCA 785 ................................................................................... 6
Figura 8-Estrutura interna e Smbolo do tirstor ..................................................................................... 7
Figura 9- Curva caracterstica do tirstor ................................................................................................ 8
Figura 10- Corrente de Gate vista no datasheet .................................................................................... 10
Figura 11- Corrente sncrona de entrada no pino 5 .............................................................................. 10
Figura 12 - Variao da tenso no pino 11............................................................................................ 11
Figura 13- Circuito equivalente Montado no trabalho .......................................................................... 11
Figura 14- Circuito montado em laboratrio ......................................................................................... 12
Figura 15- Rampa do C1 ligado a porta 10 ........................................................................................... 13
Figura 16- Impulsos nos pinos 14 e 15 .................................................................................................. 13
Figura 17- Onda de entrada e do sensor ................................................................................................ 14
Figura 18- Carga com TRIAC Resistiva ................................................................................................ 14
Figura 19- Carga com TRIAC Resistiva ................................................................................................ 15
Figura 20- Circuito equivalente com tirstor ......................................................................................... 16
Figura 21- Circuito montado em laboratrio ......................................................................................... 16
Figura 22- Tirstor com Carga Resistiva ............................................................................................... 17
Figura 23- Tirstor com Carga Resistiva ............................................................................................... 18
Figura 24- Tirstor com Resistiva e Condensador em paralelo ............................................................. 19
Figura 25- Tirstor com Resistiva e Bobine em serie ............................................................................. 19
Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II
iii
ndice de Tabelas
Tabela 1- Caratersticas dos Tirstores .................................................................................................... 8
Tabela 2 Exemplos de ngulo de disparo do TCA para Tenses no pino 11 ......................................... 16
Tabela 3 Exemplos de ngulo de disparo do TCA para Tenses no pino 11 ......................................... 18
Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II
Grupo D 1
1 Introduo
Este trabalho efetuado no mbito da unidade curricular de Eletrnica de
Potncia, visa a obteno de um controlador de fase, sendo que, para a sua
execuo foi efetuada uma compreenso dos vrios constituintes, assim como
interao entre eles.
Neste relatrio so descritos e apresentados os equipamentos utilizados no
trabalho nomeadamente, o controlador de fase TCA-785 que utilizamos com um
tirstor e com TRIAC para verificar os seus comportamento segundo os ngulos de
disparo do controlador, para alm de verificar os valores da corrente utilizando o
circuito do transdutor, presente no relatrio I do nosso grupo da unidade curricular.
feita uma breve descrio dos componentes fundamentais na realizao do
trabalho. So mencionados os clculos realizados para a projeo do esquema de
montagem do circuito, assim como especificaes tcnicas dos componentes.
Todas as medies efetuadas nos diferentes pontos do circuito so
apresentadas para os diferentes tipos de cargas quer com a utilizao do tirstor ou
TRIAC.
Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II
Grupo D 2
2 Descrio Equipamentos
2.1 Transformador Toroidal
Os transformadores toroidais tm baixo campo magntico, com baixas perdas
no ncleo de ferro devido a inexistncia de GAPs no seu ncleo, tornando o assim
num transformador mais eficiente. So tambm transformadores pequenos e mais
leves que os convencionais laminados.
O toroidal utilizado tinha na sada dois terminais de 15V e dois neutros, sendo
possvel criar na sada uma tenso de 30V atravs de uma ligao entre o Preto e
Amarelo. A entrada poder de igual modo funcionar a 115V ou 230V com a ligao
do Violeta com o Cinza.
Figura 1 Transformador Toroidal
Figura 2 - Terminais do Transformador utilizado
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Grupo D 3
2.2 TRIAC
O TRIAC um componente formado por dois SCRs (Silicon Controled Rectifier)
internos ligados em antiparalelo, os TRIACs no possuem Ctodo, mas sim Anodo1 e
Anodo2.
Figura 3- Smbolo, estrutura e circuito equivalente do TRIAC
O TRIAC utilizado para a comutao de corrente alternada, pode ser
disparado tanto por uma tenso positiva como negativa aplicada no eltrodo de
disparo (gate). Uma vez ativado, continua a conduzir at que a corrente eltrica
desa abaixo do valor de corte.
utilizado para controlar dispositivos de corrente alterna, permitindo um
controlo de ativao de potncias elevadas a partir de correntes na ordem dos
miliamperes. Substitui com grandes vantagens os rels na maior parte dos casos. O
TRIAC de baixa potncia tambm utilizado em diversas aplicaes.
Quando usado com cargas indutivas, como motores eltricos, tem de se
assegurar que o TRIAC desligue corretamente no final de cada semi ciclo de
alimentao eltrica.
Depois de um impulso na gate o TRIAC vai ativar,
sendo a tenso aos seus terminais (A1 e A2) superior a
VDROM (referente ao grfico), vai desativar quando a
corrente for inferior ao IH (grfico). IH a corrente de
manuteno, a corrente mnima que o dispositivo pode
conduzir depois de ativado sem que desative.
Figura 4- Curva caracterstica do TRIAC
Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II
Grupo D 4
2.3 TCA 785
O TCA 785 um componente integrado projetado para o controle de tirstores,
TRIACs e transstores. Este componente produz um pulso de corrente na Gate para
que ocorra o acionamento dos tirstores. Os pulsos de disparo podem ser deslocados
em ngulos de fase de 0 a 180 graus o que garante um controlo total em circuitos
AC.
Devido sua versatilidade, permite inmeras aplicaes dentro da eletrnica,
apesar de ser um componente dedicado construo de circuitos de disparos para
Tirstores em geral.
Figura 5- Configurao dos Pinos do TCA 785
Por se tratar de um circuito integrado, dedicado a circuitos de disparo para
acionamento de tirstores em geral, a preocupao maior a de fornecer os disparos
nos instantes desejados, e posteriormente conectar os circuitos de disparo e o de
potncia, de modo a evitar curtos-circuitos.
Pino 1 Terra (GND)
Pino 2 Sada complementar (negada) ao pino 15
Pino 3 Sada de pulso positivo, em coletor aberto
Pino 4 Sada complementar (negada) ao pino 14
Pino 5 Entrada de Sincronismo
Pino 6 Inibe todas as sadas
Pino 7 Sada em coletor aberto para acionar triacs
Pino 8 Tenso eficaz (fornece 3,1V)
Pino 9 Potencimetro para ajuste de rampa
Pino 10 Condensador de formao de rampa
Pino 11 Entrada de tenso de controlo
Pino 12 Controlo de largura dos pulsos de sada 14 e 15
Pino 13 Controlo de largura dos pulsos de sada 14 e 15
Pino 14 Sada de pulso positivo no semi ciclo negativo
Pino 15 Sada de pulso positivo no semi ciclo positivo
Pino 16 Tenso de alimentao (CC)
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Grupo D 5
Figura 6 Diagrama de blocos do TCA 785
O princpio bsico de funcionamento do circuito integrado comea por, a
entrada da tenso sinusoidal da rede (pino 5), assim que for detetada a tenso
sinusoidal comea a ser gerada uma rampa que ir ser comparada com uma tenso
de controlo (pino 11). O comparador compara a tenso de rampa com a tenso de
controlo, quando estas forem iguais, envia pulsos nas sadas. obtida, ento, no
pino 15, pulsos positivos no semi ciclo positivo da tenso de sincronismo e no pino
14, pulsos positivos no semi ciclo negativo da tenso de sincronismo, desfasados
entre si 180. Esses pulsos tm as larguras determinadas pela conexo de um
condensador externo, entre o pino 12 e o comum e amplitudes iguais tenso de
alimentao do pino 16.
Internamente, o integrado alimentado por uma tenso regulada de 3.1V,
assegurando assim independncias das variaes possveis na alimentao externa
que estimada entre 8V e 18V.
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Grupo D 6
O circuito de disparo em retificao controlada, deve ser sincronizado com a
rede, de modo a que no ocorra o disparo aleatrio dos tirstores. Um ponto de
referncia para o sincronismo a passagem da rede por zero, por isso que o
TCA785 apresenta um detetor de passagem por zero, que gera um pulso de
sincronismo sempre que a tenso da rede passa por zero.
Figura 7- Principais formas de onda do TCA 785
Condies mximas de operao
Tenso de alimentao: 18 V
Corrente mxima nos pinos 14 e 15: 400 mA
Corrente de sincronismo: +/- 200 A
Correntes sadas nos pinos 2, 3, 4 e 7: 10 mA
Condies recomendadas de operao:
Tenso de alimentao: 8 a 18 V
Frequncia de operao: 10 a 500 Hz
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Grupo D 7
2.4 Tirstor
O tirstor mais utilizado conhecido pela designao de SCR (Retificador de
Silcio Controlado), tm como funo principal ligar e desligar circuitos com
grandes cargas, motores, eletromanes, aquecedores, etc. Os tirstores trabalham
sempre entre dois estados de funcionamento: o corte e a conduo, so por isso
dispositivos de comutao. basicamente constitudo por quatro camadas de
semicondutor, formando uma estrutura p-n-p-n que possui 3 eltrodos (um nodo,
um ctodo e um eltrodo de controle "comando", designado por gate). O seu
funcionamento assemelha-se em alguns aspetos ao de um dodo pelo fato da
corrente fluir pelo componente apenas num sentido, entrando pelo terminal do
nodo e saindo pelo terminal do ctodo.
Figura 8-Estrutura interna e Smbolo do tirstor
O funcionamento do tirstor semelhante a um dodo devido a corrente poder
fluir pelo dispositivo num nico sentido, entra pelo terminal nodo e sai pelo
terminal ctodo. Quando o tirstor est diretamente polarizado, este no entra em
conduo, enquanto no receber o sinal na gate.
Os tirstores so comutados atravs de um pulso ao terminal da gate, uma vez
comutado para o estado de ligado, o tirstor permanecer por tempo indefinido
neste estado, enquanto o dispositivo estiver diretamente polarizado e a corrente de
nodo (IH) se mantiver acima de um patamar mnimo.
Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II
Grupo D 8
Figura 9- Curva caracterstica do tirstor
Os tirstores so utilizados em circuitos de corrente alternada como
retificadores controlados, e em corrente contnua, comportam-se como chaves. As
principais caratersticas tcnicas um Tirstor, encontram-se descritas na tabela 1.
VDRM Tenso mxima repetitiva em estado de no conduo.
ITRMS Corrente eficaz mxima em conduo.
IGT Corrente mxima de disparo de gate.
VGT Tenso mxima de disparo na gate.
IH Corrente de manuteno.
ITSM Corrente mxima transitria.
Tabela 1- Caratersticas dos Tirstores
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Grupo D 9
3 Desenvolvimento
Nesta seco esto os resultados e clculos realizados para a concluso do
trabalho, juntamento com os respetivos esquemas, simulaes e testes do trabalho.
Material Utilizado para a realizao do trabalho:
TCA 785
TRIAC (BT137)
Tirstor (BT151)
6 Resistncias (10K, 180k, 47K, 4.7k, 150, 22R@47W (carga))
Potencimetro (10K)
Dodos
3 Condensadores (47nF, 100nf, 1000F (Carga))
1 Bobine (61.9mH)
Breadboard
Transformador
Para a montagem do nosso circuito foram realizados alguns clculos para o seu
dimensionamento que so exemplificados a seguir.
( ) ( )
Uf Tenso na fonte
Qd Queda do Dodo
Ugt Queda da gate
U Tenso que iremos ter nas sadas 14 e 15
Este clculo referente a tenso que entra na porta 11 do nosso TCA 785. Esta
tenso vai ser a mesma que sai nas portas 14 e 15.
Igt Corrente mxima de impulso na gate
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Grupo D 10
Esta corrente de Igt tem de ser vista no datasheet do TRIAC. Na nossa
montagem decidimos utilizar uma resistncia de 150 visto que poderamos usar
qualquer resistncia desde que fosse abaixo dos 365 que era a mxima que
podamos usar. Ento optamos por pr a mesma que vinha no datasheet do TCA
785.
Figura 10- Corrente de Gate vista no datasheet
U Tenso do transformador;
Is Corrente sincronizada de entrada do pino 5
A corrente mxima no pino 5 de 200A, por isso para calcular R2. Decidimos
considerar para os clculos uma corrente entre 150A e 180A. Depois dos
resultados obtidos em cima resolvemos usar uma resistncia de 180K.
Figura 11- Corrente sncrona de entrada no pino 5
Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II
Grupo D 11
Figura 12 - Variao da tenso no pino 11
( )
( )
A queda de tenso resistncia R5 de 4,8V, para a calcularmos usamos um
divisor de tenso, logo o potencimetro s vai variar entre os 11,2V e os 0V. Como
temos 15 V na fonte menos a queda de tenso em R5 d 11,2V.
3.1 Circuito Equivalente do TRIAC
Figura 13- Circuito equivalente Montado no trabalho
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Grupo D 12
Este circuito que foi concebido serve para controlar o disparo do TRIAC, para
correntes de disparo at 50mA. Este circuito de controlo de fase atua diretamente
na gate do TRIAC e pode ser ajustado continuamente entre os 0 e os 180 atravs
de um potencimetro de 10K. Este tipo de circuito pode ser utilizado para controlar
o brilho de um sistema de lmpadas incandescentes de alta potncia (dimmer), um
aquecedor ou controlar a temperatura da gua de um chuveiro.
Uma das caractersticas mais interessantes deste projeto que mesmo no semi
ciclo negativo da alimentao o TRIAC recebe um impulso de disparo positivo pelo
pino 14 na sua gate, que permite controlar o funcionamento mesmo em onda
completa sem um sistema retificador. O pino 15 tambm d um pulso de disparo
positivo mas no semi ciclo positivo.
Este circuito contm um trimmer regulador para aproveitar o mximo do
potencimetro.
3.2 Disparos com TRIAC BT137
Figura 14- Circuito montado em laboratrio
O TCA tem um gerador de rampa que consiste numa fonte controlada de
corrente constante que carrega linearmente. A corrente dessa fonte determinada
pela resistncia do pino 9. O tempo de subida da nossa rampa assim determinado
pela combinao RC.
Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II
Grupo D 13
O sinal da rampa exemplificada na figura 15 faz com que o TCA internamente
perceba que quando foi feita a passagem por 0.
Figura 15- Rampa do C1 ligado a porta 10
Na figura 16 podemos visualizar os nossos disparos na sada dos dois terminais,
que vo ativar a Gate do TRIAC, at a passagem por 0. Podemos denotar que na
figura os disparos esto em zonas diferentes, isto porque foi regulado o
potencimetro do pino 11 para avanar ou recuar o disparo, para regular a tenso
fornecida a carga resistiva, tal como podemos identificar pela figura 17.
Figura 16- Impulsos nos pinos 14 e 15
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Figura 17- Onda de entrada e do sensor
Estando a tenso na nossa sada 11 relacionada com o disparo, podemos
calcular o ngulo de desfasamento criado atravs dessa tenso.
Considerando a figura abaixo, comeamos por calcular a que instante feito o
disparo, e a que ngulo corresponde.
Figura 18- Carga com TRIAC Resistiva
Sabendo que o disparo feito aos e que a nossa onda faz
um ciclo de 360 ao fim de 20ms, podemos concluir a que ngulo feito o disparo no
ciclo positivo, sendo que no negativo ser (180+ ngulo calculado).
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Sabendo que a tenso no terminal 11 era de 1,43V, podemos calcular o ngulo
para outras tenses.
Para confirmar este valor utilizamos a figura seguinte que corresponde a uma
tenso de entrada no pino 11 de 3,75V.
Figura 19- Carga com TRIAC Resistiva
Sabendo que o disparo feito aos e que a nossa onda faz
um ciclo de 360 ao fim de 20ms, podemos concluir a que ngulo feito o
disparo.
Podemos concluir que os valores esto corretos, apenas existe um pequeno
desfasamento devido ao tempo utilizado ( ) ser um valor aproximado do
tempo de disparo.
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Grupo D 16
Tenso ngulo de disparo
3,75V 118
3 94,4
2,46 71,12
1,43 45
1 31,47
0 0
Tabela 2 Exemplos de ngulo de disparo do TCA para Tenses no pino 11
3.3 Disparos com Tirstor BT151
Figura 20- Circuito equivalente com tirstor
Figura 21- Circuito montado em laboratrio
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Grupo D 17
Na figura 16 esto apresentados os disparos nas sadas dos terminais, que
vo ativar a Gate do TRIAC, at a passagem por 0. No caso do tirstor apenas
conduzir no ciclo positivo da onda. Estas apenas vo conduzir no ciclo positivo
embora continua a existir pulsos no semi ciclo negativo.
Considerando uma carga resistiva, obtemos os seguintes resultados com o
tirstor.
Figura 22- Tirstor com Carga Resistiva
Sabendo que o disparo feito aos e que a nossa onda faz
um ciclo de 360 ao fim de 20ms, podemos concluir a que ngulo feito o disparo no
ciclo positivo, sendo que no ciclo negativo no existe disparo do tirstor.
Sabendo que a tenso no terminal 11 era de 3,1V, podemos calcular o ngulo
para outras tenses.
Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II
Grupo D 18
Para confirmar este valor utilizamos a figura seguinte que corresponde a uma
tenso de entrada no pino 11 de 4,26V.
Figura 23- Tirstor com Carga Resistiva
Sabendo que o disparo feito aos e que a nossa onda faz um
ciclo de 360 ao fim de 20ms, podemos concluir a que ngulo feito o disparo.
Podemos concluir que os valores esto corretos, apenas existe um pequeno
desfasamento devido ao tempo utilizado ( ) ser um valor aproximado do tempo
de disparo.
Tenso ngulo de disparo
5,50V 175
4,26V 136
3,10V 99
1,50V 48
1,00V 32
0V 0
Tabela 3 Exemplos de ngulo de disparo do TCA para Tenses no pino 11
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Grupo D 19
Considerando uma carga com uma resistncia e condensador em paralelo,
obtemos os seguintes resultados com o tirstor.
Figura 24- Tirstor com Resistiva e Condensador em paralelo
Observando a figura 24, podemos ver dois disparos em tempos diferentes,
sendo o disparo da imagem a esquerda mais cedo do que o da direita. Podemos
verificar que o nosso sensor chega a um ponto de saturao por ter um limite de 3 A.
Considerando uma carga com uma resistncia e bobine em serie, obtemos os
seguintes resultados com o tirstor.
Figura 25- Tirstor com Resistiva e Bobine em serie
Observando as figuras acima indicadas, podemos ver trs disparos em tempos
diferentes, sendo o disparo da imagem a esquerda mais cedo do que o da direita.
Analisando podemos dizer que a nossa corrente de passagem no sensor vai reduzir
muito consoante o ngulo de disparo.
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Grupo D 20
4 Concluses
Este trabalho foi bastante interessante e lucrativo, uma vez que levou a
consolidao dos conhecimentos adquiridos ao longo da Unidade curricular.
No incio do trabalho existiram alguns problemas, tais como a compreenso do
circuito e a implementao das massas do transformador toroidal e do TCA 785, ou
seja, se deviam ser independentes ou comuns. Aps algumas pesquisas e com a
ajuda do docente resolvemos o problema e ficamos a ter noo do funcionamento
do circuito
O facto de a montagem em laboratrio utilizar como componentes principais o
transformador toroidal, o TRIAC, o tirstor, permitiu ganhar sensibilidade com estes
componentes que at agora no tinha existido.
Depois de alguma pesquisa vimos que o circuito que realizamos tem bastante
utilidade no dia-a-dia, como em controlar o brilho de um sistema de lmpadas, um
aquecedor ou controlar a temperatura da gua de um chuveiro, etc.
Em suma, este trabalho foi muito interessante em ser realizado, de salientar
o facto de existir to pouco tempo para a realizao de todos os circuitos propostos
pelo docente, o que nos levou a no conseguirmos realizar o sistema com tirstor em
antiparalelo.
Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II
Grupo D 21
5 Referencias
Controlador de fase bipolar,TCA785. Consultado a Junho 2013.
http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/002d/0900766b8002d06b.pdf
TRIAC 600V 8A porta sensvel TO220AB. Consultado a Junho 2013.
http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/0f29/0900766b80f29368.pdf
Tiristor,BT151-800R 12A. Consultado a Junho 2013.
http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/0468/0900766b804686cf.pdf
Tirstor TRIAC. Consultado a Junho 2013.
http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/131/37/
Funcionamento do circuito Transdutor. Relatrio TP I do Grupo D do Diurno.