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IFF campus Macaé
Informática Industrial
Trabalho – P1 – Assunto 2
Érick AlexandreJackelyne SoaresIlana CostaRaphael Ribeiro
14/10/2010
Sumário
Índice de ilustrações........................................................................................................4
Introdução.......................................................................................................................5
TRIAC...............................................................................................................................5
O TRIAC........................................................................................................................5
Vantagens e Desvantagens..........................................................................................6
As vantagens:...........................................................................................................6
As desvantagens:.....................................................................................................7
Aplicações....................................................................................................................7
Interruptor de Potência...........................................................................................8
Interruptor de meia onda........................................................................................9
Chave remota isolada..............................................................................................9
Usando Optoacoplador..........................................................................................10
EMI........................................................................................................................11
Sensores de proximidade..............................................................................................13
Sensores de Proximidade Indutivos...........................................................................13
Características.......................................................................................................13
Estrutura do Sensor de Proximidade Indutivo.......................................................13
Montagem do Sensor de Proximidade Indutivo....................................................14
Fatores de correção...............................................................................................15
Vantagens e Desvantagens da Proximidade Indutiva............................................15
Aplicações típicas...................................................................................................16
Sensores de Proximidade Capacitivos........................................................................16
Características:......................................................................................................16
Estrutura do sensor capacitivo..............................................................................17
Vantagens e Desvantagens da Proximidade Capacitiva.........................................17
Aplicações típicas...................................................................................................18
2
Sensor de Proximidade Óptico..................................................................................18
Sensores Ópticos Reflexivo....................................................................................18
Sensor de Proximidade Ultrassônico.........................................................................19
Características :......................................................................................................20
Aplicações :............................................................................................................20
Conclusão......................................................................................................................21
Bibliografia.....................................................................................................................21
3
Índice de ilustrações
Figura 1 - Estrutura básica de um TRIAC..........................................................................5
Figura 2 - Curva característica de um TRIAC....................................................................5
Figura 3 - Repique devido a carga indutiva......................................................................7
Figura 4 - Aplicação típica de um TRIAC...........................................................................8
Figura 5 - Com o sinal de disparo antes ou após a carga.................................................8
Figura 6 - Aplicação prática de disparo antes ou após a carga........................................8
Figura 7 - Pulso de disparo em metade dos semiciclos de tensão CA..............................9
Figura 8 - Chave remota isolada......................................................................................9
Figura 9 - Opto-diac para uso no disparo de TRIAC.......................................................10
Figura 10 - Opto-disc MOC 3010 para a rede de 220V...................................................10
Figura 11 - Opto-disc MOC 3020 para a rede de 220V...................................................11
Figura 12 - Intensidade irradiada X frequencia..............................................................11
Figura 13 - Circuito de filtros usado em eletrodomésticos............................................12
Figura 14 - Ligação do filtro antes da carga com TRIAC.................................................12
Figura 15 - Filtro RLC em série-paralelo com o TRIAC....................................................12
Figura 16 - Esquema de um sensor indutivo..................................................................13
Figura 17 - Estrutura interna de um sensor indutivo.....................................................14
Figura 18 - Montagem do Sensor Indutivo....................................................................14
Figura 19 - Distâncias operacionais...............................................................................15
Figura 20 - Detecção da presença de bucha em um pistão...........................................16
Figura 21 - Esquema de um sensor capacitivo...............................................................17
Figura 22 - Estrutura do sensor capacitivo.....................................................................17
Figura 23 - Detecção de Nível em um tanque................................................................18
Figura 24 - Exemplo de sensor óptico............................................................................18
Figura 25 - Um sensor óptico reflexivo..........................................................................19
Figura 26 - Exemplo de sensor ultrassônico..................................................................20
4
Introdução
Neste trabalho estão descritos e exemplificados a entrada do tipo TRIAC. Incluindo os
tipos, com suas respectivas imagens, e indicação de uso para as chaves de fim de curso.
Além disso, estão apresentadas imagens, indicações e contra indicações de aplicação,
para os sensores de proximidade indutivos, capacitivos, óticos e de ultrassom.
TRIAC
O TRIAC
O TRIAC é um dispositivo semicondutor de quatro camadas da família dos tiristores,
tendo a estrutura básica mostrada na figura 1.
Figura 1 - Estrutura básica de um TRIAC.
Se bem que possamos compará-lo a dois SCRs ligados em paralelo e contrafase com
um gate comum, na prática seu comportamento não equivale a esta configuração.
Um TRIAC apresenta a curva característica mostrada na figura 2.
Figura 2 - Curva característica de um TRIAC.
Para disparar o TRIAC existem 4 possibilidade ou 4 modos que dependem do
quadrante em que ele vai funcionar, conforme mostra a tabela:
5
As sensibilidades nos diferentes modos de operação variam, sendo os modos I+ e III-
aqueles em que se obtém mais sensibilidade.
Nos casos típicos, a corrente típica necessária ao disparo nestes quadrantes pode ser
de 4 a 5 vezes menor do que aquela exigida para o disparo nos outros quadrantes.
Por este motivo, na maioria das aplicações práticas, os TRIACs são usados com circuitos
de disparo nestes quadrantes.
Vantagens e Desvantagens
Quando usados como relés, os empregados apresentam tanto desvantagens como
vantagens em relação aos relés de contatos mecânicos.
As vantagens:
a) Não há repique: quando os contatos de um relé abrem ou fecham, eles levam
uma fração de segundo para completar esta operação, e durante este
intervalo fortes variações da corrente podem ser geradas. Em cargas
fortemente indutivas, estes repiques podem causar a geração de pulsos de alta
tensão, e em muitos circuitos também são geradas interferências
eletromagnéticas (EMI), conforme exemplifica a figura 3. Num TRIAC o
estabelecimento da corrente ou sua interrupção ocorrem de forma constante.
b) Não há formação de arco: nos relés de contatos mecânicos que controlem
cargas fortemente indutivas a abertura do circuito pode fazer com que tensões
muito altas sejam geradas provocando o aparecimento de faiscas ou arcos.
Estas faiscas ou arcos reduzem a vida útil dos contatos causando
posteriormente falhas de funcionamento. Nos circuitos com Triac isso não
acontece.
c) Não existem partes móveis: os relés possuem parte móveis que estão sujeitas
a falhas de funcionamento, o que não sucede no caso dos TRIACs.
d) Maior velocidade: os contatos mecânicos precisam de um tempo muito maior
para abrir ou fechar o circuito do que os TRIAC. A velocidade de operação
destes Triacs é muito maior.
e) Maior rendimento: os relés exigem mais potência aplicada à bobina do que o
TRIAC à comporta para comutar uma carga de determinada potência. Isso
ocorre porque nos relés é preciso haver uma força mecânica mínima aplicada
aos contatos para mantê-los firmes, fechados, a qual determina a corrente de
disparo. No TRIAC a potência necessária ao disparo é menor.
6
Figura 3 - Repique devido a carga indutiva.
As desvantagens:
a) Maior sensibilidade a sobrecarga: os TRIACs são mais sensíveis a uma
sobrecarga do que os relés. Eles podem queimar-se com muito mais facilidade.
b) Sensível a curto-circuito: os TRIACs são danificados com muito mais facilidade
do que os relés, se ocorrer um curto-circuito no circuito da carga que está
sendo controlada.
c) Disparo por transientes: os TRIACs são muito mais sensíveis a transientes no
circuito de disparo que pode levar a um falso disparo. Os relés, por exigirem
mais potência e por serem fortemente indutivos são menos sensíveis a estes
transientes.
d) Queda de tensão maior: nos relés a queda de tensão nos contatos é
praticamente nula e, portanto, quase nenhuma potência é dissipada. Nos
TRIACs existe uma queda de tensão da ordem de 2 V no disparo que faz com
que tanto potência seja dissipada na forma de calor que também uma certa
perda seja introduzida no circuito.
e) Falha de comutação: os TRIACs podem falhar ao ligar ou desligar sob
determinadas condições o que é mais difícil de acontecer com os relés.
f) Necessidade de dissipador de calor: pela queda de tensão que ocorre na
condução, os TRIACs precisam ser montados em dissipadores de calor cujas
dimensões dependem da potência da carga controlada.
g) Isolamento: não há isolamento elétrico entre o circuito de disparo e o circuito
controlado. Para que este isolamento seja obtido, é preciso usar circuitos
adicionais tais como transformadores de disparo, opto-acopladores, etc.
Aplicações
Na aplicação, típica o TRIAC tem a carga ligada em série com o terminal MT2 enquanto
que o sinal de disparo é aplicado entre a comporta e o terminal MT 1 que está aterrado, veja na
figura 4.
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Figura 4 - Aplicação típica de um TRIAC.
O sinal para o disparo pode ser retirado antes ou depois da carga, conforme mostra a
figura 5.
Figura 5 - Com o sinal de disparo antes ou após a carga.
Com este procedimento temos a operação nos quadrantes I+ ou III+ em que se obtém
maior sensibilidade.
Interruptor de Potência
Uma primeira aplicação prática para um TRIAC como os da série TIC é apresentada na
figura 6.
Figura 6 - Aplicação prática de disparo antes ou após a carga.
Neste circuito a corrente de disparo é limitada pelo interruptor (S 1) ficando em
algumas dezenas de mA.
Podemos colocar em lugar do interruptor um reed-switch, um reedrelay ou outro
sensor mecânico de baixa corrente.
O TRIAC deve ser dotado de radiador de calor compatível com a potência da carga que
deve ser controlada.
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Interruptor de meia onda
Na figura 7 temos uma aplicação interessante em que o pulso de disparo é aplicado em
somente metade dos semiciclos da tensão alternada da rede de energia.
Figura 7 - Pulso de disparo em metade dos semiciclos de tensão CA.
Com isso, temos a aplicação de metade da potência na carga a ser controlada.
Podemos usar esta configuração para ter duas potências num chuveiro, num elemento de
aquecimento ou numa lâmpada incandescente.
Outra aplicação é como controle de duas velocidades para um motor universal.
Chave remota isolada
Uma aplicação muito interessante para TRIACs e com utilidade na indústria é o
interruptor remoto seguro usando um TRIAC, que é mostrado na figura 8.
Figura 8 - Chave remota isolada.
Neste circuito, ajusta-se o trimpot para que a tensão aplicada a comporta do TRIAC
fique no limiar do disparo quando o interruptor remoto está aberto.
Quando o interruptor é fechado ele põe em curto o enrolamento de baixa tensão do
transformador levando-o a se refletir no enrolamento primário como uma queda de
impedância. Isso faz com que a tensão na comporta do TRIAC suba e ele dispare alimentando a
carga.
Vantagens importantes podem ser citadas para este circuito:
A corrente no interruptor de controle é muito baixa assim como a tensão.
O circuito do interruptor é totalmente isolado do circuito de carga pelo
transformador.
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O interruptor pode ser colocado em lugar remoto conectado por fios comuns
de baixa corrente.
Usando Optoacoplador
Os acopladores ópticos oferecem uma opção importante para os projetos que
envolvem o uso de triacs como relés de estado sólido.
Com o emprego destes acopladores adicionamos o isolamento entre o circuito de
controle e o circuito controlado que é uma das desvantagens do uso do TRIAC sozinho, em
relação aos relés comuns.
Para este tipo de aplicação existem acopladores ópticos que utlizam como elementos
sensíveis optodiacs, ou seja, diacs sensíveis à luz, como no caso do MOC3010 (110 V) e
MOC3020 (220 V).
Conforme revela a figura 9, estes dispositivos têm características de disparo que os
tornam ideais para levar os TRIACs à condução rapidamente, aumentando assim sua eficiência.
Para as aplicações práticas, existem duas famílias de optodiacs da Motorola que são
extremamente importantes para os projetistas.
Figura 9 - Opto-diac para uso no disparo de TRIAC.
A primeira é a do MOC3010 para a rede de 110 V a qual pode controlar diretamente
TRIACs da série TIC de até 32 ampères ou mesmo mais, conforme mostra a figura 10.
Figura 10 - Opto-disc MOC 3010 para a rede de 220V.
Para a rede de 220 V, controlando os mesmos TRIACs, mas com tensões maiores,
temos a série MOC3020 que é exibida na figura 11.
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Figura 11 - Opto-disc MOC 3020 para a rede de 220V.
O disparo é obtido quando uma corrente de 8 mA no MOC3010 (ou 15 mA no
MOC3020) circula pelo diodo emissor de infravermelho (LED) do acoplador.
Nas mesmas famílias lá acopladores mais sensíveis como o MOC3012 para 110 V que
precisa de apenas 3 mA no LED e o MOC3023 que precisa de 5 mA nos circuitos de 220 V.
Estas características permitem que estes acopladores sejam disparados diretamente
pela saída de circuitos lógicos digitais das famílias TTL e CMOS sem a necessidade de etapas de
amplificação de corrente.
EMI
A comutação rápida dos TRIACs passando da condução para a não condução em
tempos extremamente curtos faz com que interferência eletromagnética (EMI) seja gerada
podendo afetar equipamentos de telecomunicações, rádios, televisores, etc nas proximidades.
Normalmente, os sinais gerados pelos circuitos com TRIACs possuem um espectro de
interferência que tem as características mostradas na figura 12, com a intensidade irradiada
diminuindo muito acima dos 30 MHz.
Figura 12 - Intensidade irradiada X frequencia.
Para amortecer os pulsos de altas frequências que são gerados pelos TRIACs existem
diversas técnicas que podem ser adotadas para se evitar problemas com este tipo de
componente.
Na figura 13 temos um primeiro circuito de filtro bastante comum em
eletrodomésticos que evita que a interferência gerada se propague pela linha de alimentação
chegando a outros equipamentos ligados à mesma rede ou mesmo evitando que esta linha
funcione como antena irradiando os sinais.
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Figura 13 - Circuito de filtros usado em eletrodomésticos.
As bobinas normalmente são formadas por algumas espiras de fio de espessura
compatível com a corrente do equipamento num núcleo de ferrite que pode ser (ou não)
toroidal.
Os núcleos toroidais, em especial, são muito mais eficientes neste tipo de aplicação.
Os capacitores usados são de poliéster, com tensão de trabalho de pelo menos 200 V
na rede de 110 V e pelo menos 400 V na rede de 220 V.
A ligação à terra para oferecer um percurso aos sinais de alta frequência é muito
importante para aumentar a eficiência do filtro.
Sem o fio terra, os capacitores põem em curto os sinais enquanto que com o terra o
sinal é desviado para a terra, conforme ilustra a figura 14.
Figura 14 - Ligação do filtro antes da carga com TRIAC.
Outro tipo de filtro é visto na figura 15 que é formado por uma rede RLC em série-
paralelo com o TRIAC.
Figura 15 - Filtro RLC em série-paralelo com o TRIAC.
Este circuito amortece os pulsos gerados na comutação do Triac evitando que eles
gerem sinais irradiados ou que se propaguem pela rede de alimentação até outros
equipamentos.
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A bobina é formada por 70 espiras de fio esmaltado num bastão de ferrite. O fio usado
deve estar de acordo com a intensidade de corrente no circuito.
Este tipo de filtro é recomendado para cargas inferiores a 1 kW.
Sensores de proximidade
Sensores de Proximidade Indutivos
Os sensores de proximidade indutivos são dispositivos de estado sólido, projetados
para detectar objetos metálicos.
Características
Não estão sujeitos à avaria ou desgaste mecânicos;
Não são afetados pelo acúmulo de contaminantes tais como: pó, graxa, óleo
ou fuligem, na face sensora;
Detectam tanto os metais ferrosos (que contêm ferro) quanto os não ferrosos.
Seu princípio de funcionamento baseia-se na geração de um campo eletromagnético.
Quando um objeto metálico penetra nesse campo, correntes de superfície são induzidas no
objeto metálico, o que resulta na perda de energia no circuito do oscilador e,
consequentemente, há uma redução na amplitude de oscilação. O circuito acionador detecta
essa alteração e gera um sinal para comutar a saída em LIGAR ou DESLIGAR. Quando o objeto
se afasta da área do campo eletromagnético, o oscilador se regenera e o sensor retorna ao seu
estado normal.
Figura 16 - Esquema de um sensor indutivo.
Estrutura do Sensor de Proximidade Indutivo
Conjunto de Núcleo de Bobina e Ferrite;
Oscilador;
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Circuito acionador;
Circuito de saída.
Figura 17 - Estrutura interna de um sensor indutivo.
Montagem do Sensor de Proximidade Indutivo
Figura 18 - Montagem do Sensor Indutivo.
Na primeira imagem da figura 18, o sensor aparece embutido e na segunda imagem
ele é aparente.
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Fatores de correção
Figura 19 - Distâncias operacionais.
Vantagens e Desvantagens da Proximidade Indutiva
Vantagens:
Não são afetados pela umidade;
Não são afetados pelos ambientes com poeira/sujeira;
Sem partes móveis/sem desgaste mecânico;
Não dependem de cor;
Menor superfície dependente do que outras tecnologias de sensores;
Sem zona cega.
Desvantagens
Detectam somente a presença de alvos metálicos;
A amplitude operacional é menor do que em outras tecnologias sensoras;
Podem ser afetados por campos eletromagnéticos fortes.
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Aplicações típicas
Figura 20 - Detecção da presença de bucha em um pistão.
Sensores de Proximidade Capacitivos
Detecção capacitiva é uma tecnologia própria para detectar não metais, sólidos e
líquidos. Pode detectar metais, porém o custo é mais elevado que o indutivo.
Características:
Os sensores de proximidade capacitivos são semelhantes aos sensores de proximidade
indutivos em tamanho, forma e conceito. Entretanto, enquanto os sensores indutivos usam
campos magnéticos indutivos para detectar objetos, os sensores de proximidade capacitivos
reagem às alterações do campo eletrostático.
Na face sensora há uma placa de capacitor. No momento em que a alimentação é
aplicada ao sensor, um campo eletrostático é gerado e reage às alterações de capacitância.
Quando o objeto está fora do campo eletrostático, o oscilador fica desativado. À medida que o
objeto se aproxima, a capacitância varia e quando alcança um limite determinado, o oscilador
é ativado, acionando o circuito de saída para comutar os estados entre LIGADO (ON) e
DESLIGADO (OFF).
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Figura 21 - Esquema de um sensor capacitivo.
Estrutura do sensor capacitivo
Figura 22 - Estrutura do sensor capacitivo.
Vantagens e Desvantagens da Proximidade Capacitiva
Vantagens:
Detectam metais e não metais, líquidos e sólidos;
Podem "ver através" de certos materiais (caixas de produto);
Estado sólido, vida útil longa;
Diversas configurações de montagem.
Desvantagens:
Distância sensora curta (1 polegada ou menos) varia amplamente de acordo
com o material a ser detectado;
Muito sensível aos fatores ambientais, umidade em climas litorâneos pode
afetar o resultado da detecção;
Nem um pouco seletivo em relação ao alvo - o controle do que se
aproxima do sensor é essencial.
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Aplicações típicas
Figura 23 - Detecção de Nível em um tanque.
Sensor de Proximidade Óptico
Os sensores de proximidade ópticos detectam a aproximação de qualquer tipo de
objeto, desde que este não seja transparente. A distância de detecção varia de 0 a 100 mm,
dependendo da luminosidade do ambiente. Normalmente, os sensores ópticos por barreira
fotoelétrica são construídos em dois corpos distintos, sendo um emissor de luz (LED ou uma
lâmpada) e outro receptor (fototransistores, fotodiodos ou LDRs). Quando um objeto se coloca
entre os dois, interrompendo a propagação da luz entre eles, um sinal de saída é então
enviado ao circuito elétrico de comando.
Figura 24 - Exemplo de sensor óptico.
Sensores Ópticos Reflexivo
Neste sensor, o emissor e o receptor de luz são montados num único corpo, o que
reduz espaço e facilita sua montagem entre as partes móveis dos equipamentos industriais. A
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distância de detecção é entretanto menor, considerando-se que a luz transmitida pelo emissor
deve refletir no material a ser detectado e penetrar no receptor o qual emitirá o sinal elétrico
de saída.
Figura 25 - Um sensor óptico reflexivo.
Sensor de Proximidade Ultrassônico
Este instrumento tem a função de detectar ou medir a posição de determinado objeto
através da emissão de pulsos de ultrassom.
A superfície plana do alvo reflete o ultrassom, que retorna ao sensor como um eco. A
variável medida é o tempo de trajeto (de ida e volta) do ultrassom entre a face do sensor e a
superfície do objeto, cujo resultado é utilizado no cálculo da distância (levando-se ainda em
conta que a velocidade de propagação do ultrassom no ar é praticamente constante).
A faixa de medição máxima que o sensor pode monitorar é de 1 ou 6 m, dependendo
do modelo escolhido. Apresenta versões com saída PNP (ON/OFF) ou analógica de 4-20 mA ou
0-10 VCC e com invólucro em material termoplástico ou metálico (Aço Inox).
O ponto de atuação do sensor com saída PNP pode ser ajustado em qualquer valor da
faixa nominal de medição. Do mesmo modo, as versões com saídas analógicas permitem ter a
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faixa ajustada (valor mínimo e máximo) em quaisquer pontos dentro da faixa nominal de
medição, podendo inclusive ser invertidas.
Apresentam proteção contra inversão de polaridade, pequeno ângulo de abertura do
feixe de ultrassom (5º) e fácil instalação e configuração, com o auxílio de um magneto de
contato.
Características :
Funcionamento baseado na emissão de pulsos de ultrassom;
Faixas de medição de 1 e 6 m;
Saídas PNP, 4-20 mA ou 0-10 VCC;
Fácil configuração;
Invólucro em PP ou Aço Inox.
Aplicações :
Detecção de presença ou ausência de objetos em esteiras;
Medição da altura de objetos;
Medição da distância em empilhadeiras;
Monitoramento de continuidade;
Aviso de aproximação.
Figura 26 - Exemplo de sensor ultrassônico.
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Conclusão
O uso de TRIACs oferece soluções importantes para projetos de eletrodomésticos e
aplicações industriais. Porém, devemos estar atentos para as deformações que a presença de
um dispositivo deste tipo pode causar na forma de onda da energia fornecida a outros
equipamentos de uma instalação e que podem trazer problemas.
Isso significa que todos os projetistas que pretendam usar TRIACs no controle de
potências elevadas devem estar atentos aos picos e transientes que eles podem gerar e tomar
as devidas precauções para que não venham a influenciar no funcionamento de outros
equipamentos.
Sobre os tipos de sensoriamento, cada tipo possui vantagens e desvantagens, de modo
que deve ser analisado, para cada caso, qual é o tipo ideal.
Bibliografia
Braga, N. C. (2008). Aplicações básicas para TRIACs. Mecatrônica Fácil , 32-36.
Hermini, H. (s.d.). Instalações Industriais. Acesso em 14 de Outubro de 2010, disponível
em Unicamp: http://bit.ly/cRpmUd
Nivetec. (s.d.). Sensor de Proximidade Ultra-sônico. Acesso em 14 de 10 de 2010,
disponível em Nivetec: http://bit.ly/cSGxsI
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