Acionamento de Triacs

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Uso de Microcontrolador para acionamento deTiristoresProf. Dr. Marcelo FernandesUniversidade Estadual de CampinasUnisal CampinasProf. Francisco FambriniFaculdade de EngenhariaUniversidade Anhanguera Plo Santa Brbara do OesteKeywords:Triac, SCR, microcontroller, Pulse Position Modulation, PPM, digital control, PIC, CCSCompiler, Bresenham AlgorithmPalavras-chave:Triac, SCR, Microcontroladores, Modulao por Posio de Pulsos, PPM, controle digital,PIC, Compilador CCS, Algoritmo de BresenhamResumo:Neste artigo, os autores descrevem duas tcnicas para controle de potncia em SistemasMonofsicos A .C., atravs do uso de tiristores para Corrente Alternada (Triacs), partindode Microcontroladores PIC.De fato, o uso de microcontrolador no controle do disparo dos triacs assunto discutidocom interesse e pouca literatura tem sido escrita a respeito, porque tal envolvetemporizaes precisas no controle do ngulo de disparo dos semicondutores.O primeiro mtodo descreve o controle angular da senide e faz uso do timer doMicrocontrolador e de rotinas de interrupo escritas em Linguagem C.Este mtodo tambm chamado PPM ( Modulao por Posio de Pulso ).O segundo mtodo envolve o conceito de ciclos completos de onda e baseado noAlgoritmo de Bresenham visando a equipartio da Energia dentro de um perodo de tempopr-fixado.Ambas as tcnicas foram testadas pelo autor em laboratrio e os cdigos gravados nomicrocontrolador foram escritos em linguagem C, utilizando-se o compilador PCWHfabricado pela CCS.Sistemas de filtros (snubber, LC ) so tambm discutidos como necessidade a serimplementada devido emisso de harmnicas e EMI ocasionadas pelo rpidochaveamento dos triacs.Abstract:In this paper, the authors describes two techniques for power control in the AC singlephase system, through the use of thyristors for AC (Triacs), from PIC Microcontrollers.In fact, the use of microcontroller to control the shot of the triacs are subject discussed withinterest and little literature has been written about it, because it involves precise timing incontrolling the shot angle of the semiconductor.The first method describes the angular control of the sinusoid and makes use of themicrocontroller and timer interrupt routines written in language C.This method is also called PPM (Pulse Position Modulation).The second method involves the concept of complete cycles of the wave and is based on theBresenham algorithm.Both techniques were tested by the author in the laboratory and the codes written to themicrocontroller was written in C language, using the compiler PCWH manufactured byCCS.Filter systems (snubber, LC) are also discussed as a need to be implemented due to theemission of harmonics and EMI caused by the rapid switching of the triacs.INTRODUO:1. PPM uma sigla que significa Pulse Position Modulation, ou Modulao por Posio dePulso. a forma de modulao de sinal na qual os M bits de uma mensagem socodificados transmitindo-se um nico pulso em uma das 2^M trocas de tempo possveis.Isto repetido a cada T segundos, tal que a taxa de bits transmitidos seja M/T bits porsegundo. A caracterstica de um sistema do tipo PPM que dentro de um perodo de tempoT, apenas um pulso gerado. O que muda o instante no qual tal pulso produzido.Figura 1 Grfico ilustrando o sistema PPMO sistema PPM foi o adotado nesse Controlador porque o elemento resistivo deaquecimento funciona diretamente na rede AC de 127 volts.Como necessita-se controlar tenso alternada, a escolha recaiu sobre um TRIAC dotipo TIC263 D.Figura 2 - TRIAC controlando resistncia de carga, disparado pelo sinal PPMOs Triacs (Tiristores para Corrente Alternada) e os SCR (Retificadores Controladosde Silcio), uma vez que recebem um pulso de disparo no seu terminal G (gate)permanecem na condio de disparo (conduzindo a corrente) at que a senide da redecruze novamente o zero.Assim, basta apenas um breve pulso de disparo no gate do TRIAC para que este comece aconduzir, s desligando ao final de um ciclo da senide.A figura abaixo ilustra o uso do PPM para controle do ngulo de disparo do TRIAC em funo da senide de 60 Hz (perodo aproximado de 16,666 ms ):Figura 3 Efeito do PPM sobre o momento de disparo do triac2. Detetor de Passagem pelo Zero (Zero-Crossing)A funo desta etapa do circuito produzir uma onda retangular a cada vez que asenide da rede passar pelo zero, para proporcionar o adequado sincronismo no disparo doTriac. Fornece uma amostra da senide da rede para que o Microcontrolador decida omomento adequado de iniciar o timer que controlar o PPM.A soluo encontrada, levando-se em conta a segurana no isolamento do circuitodo controlador da rede de energia, faz uso de um acoplador ptico do tipo TIL111 daNational Semiconductors, conforme mostrada no esquema abaixoFigura 1 - Circuito detetor de passagem pelo zero (zero-crossing) importante frisar que existe isolamento galvnico entre a rede de 127 volts e o circuitodigital, observando que os terras de um lado e de outro do opto-acoplador so diferentes.Tal isolamento torna o sistema seguro e robusto com relao aos picos de energia queeventualmente podem ser originados a partir da rede.O circuito acima produz uma onda muito prxima de retangular nos instantes exatosem que a senide da rede atravessa o zero, servindo como tima referncia para o momentode disparo do Triac.Ponte RetificadoraA CK ETIL 11122KR1127 VACR2+5V3. MicrocontroladorA escolha recaiu para o modelo PIC18F4550 do fabricante Microchip(www.microchip.com) por ser um dispositivo de tecnologia RISC de ltima gerao na dataem que este trabalho foi desenvolvido. Figura 4- Pinagem do Microcontrolador usado na implementao.Algumas caractersticas deste dispositivo so:- 40 pinos em encapsulamento DIP, com 35 I/Os (entradas/sadas);- Alta Performance, com tecnologia Nanowatt para baixo consumo de energia;- Hardware preparado para comunicao USB 2.0- Memria Flash avanada, com mais de 100.000 ciclos de leitura e apagamento;- Arquitetura otimizada para compilador C;- 32 Kbytes de Memria de programa interna;- 2048 bytes de memria RAM embutida;- 256 bytes de memria para dados no volteis;- clock mximo de at 48 MHz, com velocidade de at 12 MIPs;- Conversor AD interno com resoluo de 8 ou 10 bits, multiplexado com at 13canais de leitura; - WatchDogTimer, 2 canais de PWM por hardware, 3 timers independentes;Existem muitos pinos que possuem funes mltiplas (compartilhadas).Por exemplo: os pinos 23 e 24, alm de serem pinos normais de I/O (entrada ousaida) tambm so os pinos D+ e D- para conexo ao conector USB, caso se desejassefazer este tipo de comunicao serial.A foto abaixo ilustra o aspecto fsico deste Microcontrolador, que pode serencontrado em encapsulamento dip, facilitando a construo de prottipos artesanais:Figura 2 - Aspecto fsicoEste micrococontrolador admite vrias opes de clock. Nessa implementao, foiescolhido um oscilador interno com cristal de quartzo externo de frequncia 20 MHz, coma opo PLL habilitada, o que faz com que o clock interno deste microcontrolador seja de48 MHz.4. Acionamento do Triac e mdulo de PotnciaPara controlar a resistncia de aquecimento AC foi implementado um controledigital do ngulo de disparo do TRIAC, entre 0 e 180 graus.O momento do disparo determinado pelo microcontrolador PIC.O circuito de acionamento da parte de potncia mostrado abaixo:Foi utilizado no prottipo um triac modelo TIC263-D, capaz de suportar correntesde at 25 ampres e tenses de at 600 volts.Figura 5 Circuito de acionamento do Triac com opto-diac MOC30205. Controle da Potncia na carga ACO circuito com o tiristor TIC263D entrega carga uma senide recortada, que aoosciloscpio se assemelha figura abaixo: Figura 6 - Senide recortada pela ao do tiristorA potncia instantnea fornecida pelo Triac resistncia do aquecedor, cuja unidade o watt (W), dada pelo produto da tenso aplicada pela corrente que flui no aquecedor:onde v(t) e i(t) so respectivamente a tenso e a intensidade de corrente no instante t.A potncia instntanea pode tambm ser escrita como:Definindo-se a Funo X(t) como:E lembrando-se da definio de Potncia Mdia ao longo de um semi-ciclo deperodo pi:) ( ). ( ) ( t i t v t p =[Eq. 1]R t v t p / ) ( ) (2=Rt vt X) () ( ==0) ( ). (1wt d wt p Pmedia[Eq. 2][Eq. 3][Eq. 4]( )=oTTomdia dt tTAP . 120 sen22[Eq. 7]Onde w = 2 .pi .F a frequncia angular da senide, dada em radianos/segundoA Potncia Mdia entregue carga pode ser calculada, no intervalo entre 0 e To,por :no domnio do tempo.Por outro lado, a tenso instantnea v(t) pode ser expressa por:Onde :A: amplitude da senide em volts (V) e que resulta, substituindo na Eq. 5:Usando-se a identidade trigonomtrica:Substituindo na Eq. 7 e resolvendo a integral para o intervalo To< t 100) e um capacitorde 100 nF com isolao mnima de 400 volts.As equaes que descrevem o filtro acima sugerido, onde fo a frequncia centralde sintonia, so :Este filtro tem um plo duplo na frequncia de 35 kHz, que suficientemente maisalto do que a frequncia da rede AC (60 Hz) para prevenir algum desvio de fase adicionalou alguma atenuao da tenso da linha.9 - Outra forma de controle de Potncia:Uma outra maneira para prevenir distores na senide da linha de energia AC usar pacotes de ondas. Ao invs de se disparar o triac continuamente em ngulo de fasevarivel, entrega-se carga semi-ciclos inteiros de senide.kHzLCfoLCoLC ss H 6 . 35121 111) (2 = = = +=Eq. [12]Este mtodo tem a desvantangem de produzir um controle nada suave de energia nacarga: uma lmpada, por exemplo, ao invs de ter sua luminosidade variandocontinuamente, passaria a piscar. Entretanto, este efeito irre