Circuito para controle microcontrolado de Tiristor e Triac

7/23/2019 Circuito para controle microcontrolado de Tiristor e Triac

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CENTRO UNIVERSITRIO DE BRASLIA - UniCEUB

CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAO

FERNANDO DE MELO MACIEL

CIRCUITO PARA REGULAGEM DE POTNCIA UTILIZANDO TIRISTOR TRIAC E

MICROCONTROLADOR 8051

Orientador: Prof. Jos Julim Bezerra Junior

Braslia

novembro, 2010


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FERNANDO DE MELO MACIEL

CIRCUITO PARA REGULAGEM DE POTNCIA UTILIZANDO TIRISTOR TRIAC E

MICROCONTROLADOR 8051

Trabalho apresentado ao CentroUniversitrio de Braslia(UniCEUB) como pr-requisito

para a obteno de Certificado deConcluso de Curso de Engenhariade Computao.

Orientador: Prof. Jos JulimBezerra Junior

Braslia

novembro, 2010


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NOME DO ALUNO

TTULO DO TRABALHO

Subttulo (se houver)

Trabalho apresentado ao CentroUniversitrio de Braslia(UniCEUB) como pr-requisito

para a obteno de Certificado deConcluso de Curso de Engenhariade Computao.Orientador: Prof. Jos Julim

Bezerra Jnior

Este Trabalho foi julgado adequado para a obteno do Ttulo de Engenheiro de Computao,

e aprovado em sua forma final pela Faculdade de Tecnologia e Cincias Sociais Aplicadas -

FATECS.

____________________________

Prof. Abiezer Amarilia FernandezCoordenador do Curso

Banca Examinadora:

________________________

Prof. Jos Julim Bezerra JniorOrientador

________________________Prof. Vera Lcia Farini Alves Duarte

Mestre em Matemtica

________________________

Prof. Clber da Silva PinheiroDoutor em Fsica

________________________

Prof. Joo Marcos Souza CostaEspecialista em Matemtica


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Agradecimentos

Agradeo a todos que possibilitaram a realizao deste projeto.

Agradeo a Deus, por no me deixar perder as foras quando tudo parecia perdido.

Agradeo aos meus pais, Denilse e Mariosan, pelo carinho, compreenso, apoio, sucos e

biscoitos.

Agradeo aos meus irmos pelo suporte, apoio e pacincia.

Agradeo a algum pelo apoio e compreenso.

Agradeo ao professor Julim pela orientao e cobrana.

Agradeo ao Gil pelas idias e orientaes.

Agradeo pelo material fornecido.

Agradeo ao frum pelos momentos de descontrao.

Agradeo a um almoo aleatrio de sexta-feira.

Agradeo tambm a uma pasta perdida.

E agradeo a todos que merecem e que no foram mencionados.


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SUMRIO

SUMRIO .................................................................................................................................. 5LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................ 6LISTA DE EQUAES ............................................................................................................ 8LISTA DE QUADROS .............................................................................................................. 9RESUMO ................................................................................................................................. 10ABSTRACT ............................................................................................................................. 11

CAPTULO 1INTRODUO ............................................................................................. 121.1. Motivao .......................................................................................................................... 121.2. Objetivo ............................................................................................................................. 121.3. Viso Geral do Projeto ...................................................................................................... 13

1.4. ESCOPO ............................................................................................................................ 14

CAPTULO 2REFERENCIAL TECNOLGICO ............................................................... 162.1. Controle de Potncia .......................................................................................................... 16

2.2. TRIAC ............................................................................................................................... 202.2.1. Dispositivo Semicondutor .............................................................................................. 212.2.2. Tiristor ............................................................................................................................ 222.2.3. SCR (Silicon Controlled RectifierRetificador Controlado de Silcio)........................ 222.2.4. TRIAC TIC246D ............................................................................................................ 252.3. Fotoacoplador MOC3020 .................................................................................................. 26

2.4. Microcontrolador ATMEL AT89C4051-24PU ................................................................. 282.5. Comparador analgico ....................................................................................................... 31

CAPTULO 3 - DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ........................................................ 33

3.1 Viso geral .......................................................................................................................... 333.2. Circuito de controle de potncia ........................................................................................ 343.2.1 Segmento de regulador de tenso .................................................................................... 363.2.2 Segmento de disparo do triac .......................................................................................... 393.2.3 Segmento do comparador analgico................................................................................ 403.2.4 Segmento de sincronismo e reset do microcontrolador .................................................. 433.2.5 Segmento de exibio de dados ....................................................................................... 443.2.6 Segmento de entrada de dados......................................................................................... 45

3.2.7 Segmento do microcontrolador ....................................................................................... 463.3 Mtodo de controle ............................................................................................................. 47

3.4 Software de controle ........................................................................................................... 503.5 Testes .................................................................................................................................. 61CAPTULO 4 - CONCLUSO ................................................................................................ 69REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ..................................................................................... 71

APNDICE ICDIGO FONTE DO SOFTWARE DE CONTROLE RANGE 10%.......... 73


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LISTA DE FIGURAS

Figura 1. 1 - Esquema geral do projeto .................................................................................... 13Figura 2. 1 - Senide de tenso com disparos no zero ............................................................. 18Figura 2. 2 - Disparos do TRIAC em tempos diferentes de zero ............................................. 18Figura 2. 3Senide de tenso em momento diferente de zero .............................................. 19Figura 2. 4 - Simbologia do TRIAC ......................................................................................... 20Figura 2. 5 - Equivalente do TRIAC com 2 SCRs em antiparalelo ......................................... 21Figura 2. 6 - Estrutura interna de um SCR ............................................................................... 23

Figura 2. 7 - SCR comparado a dois transistores ..................................................................... 23Figura 2. 8 - Transistores PNP e NPN ...................................................................................... 24Figura 2. 9 - Equivalente do TRIAC em SCR .......................................................................... 25Figura 2. 10 - Fotoacoplador de 6 pinos ................................................................................... 27

Figura 2. 11 - Pinagem interna do MOC3020 .......................................................................... 27

Figura 2. 12 - Pinagem do microcontrolador AT89C4051-24PU ............................................ 30Figura 2. 13 - Amplificador operacional .................................................................................. 31

Figura 3. 1 - Esquema do circuito............................................................................................. 33Figura 3. 2 - Diagrama de blocos do projeto ............................................................................ 34Figura 3. 3 - Circuito completo de controle de potncia .......................................................... 35Figura 3. 4 - Segmento regulador de tenso ............................................................................. 37Figura 3. 5 - Onda de tenso retificada pulsante ...................................................................... 38Figura 3. 6 - Onda regulada ...................................................................................................... 38

Figura 3. 7 - Sinal regulado ...................................................................................................... 39Figura 3. 8 - Segmento de disparo do TRIAC .......................................................................... 39

Figura 3. 9 - Segmento do comparador analgico .................................................................... 41

Figura 3. 10 - Diagrama de blocos do comparador analgico .................................................. 42Figura 3. 11 - Sada do comparador analgico ......................................................................... 42Figura 3. 12 - Sinal de sada do comparador analgico............................................................ 43Figura 3. 13 - Segmento de sincronismo do microcontrolador ................................................ 43Figura 3. 14 - Circuito de reset do microcontrolador ............................................................... 44Figura 3. 15 - Segmento de exibio de dados ......................................................................... 45Figura 3. 16 - Segmento de entrada de dados ........................................................................... 46Figura 3. 17 - Pinagem do microcontrolador ............................................................................ 47

Figura 3. 18 - Perodo da senide de tenso ............................................................................. 48Figura 3. 19 - Diagrama de blocos do software ........................................................................ 51

Figura 3. 20 - Cabealho do programa ..................................................................................... 54Figura 3. 21 - Rotinas de configurao do display ................................................................... 54Figura 3. 22 - Converso BCD e ASCII ................................................................................... 55Figura 3. 23 - Rotinas de exibio de mensagens..................................................................... 56

Figura 3. 24 - Rotinas do dimer ................................................................................................ 57Figura 3. 25 - Rotinas de delay ................................................................................................. 57

Figura 3. 26 - Controle de luminosidade .................................................................................. 58Figura 3. 27 - Tabela de atribuio de valores ......................................................................... 59Figura 3. 28 - Kernel principal ................................................................................................. 59

Figura 3. 29 - Programa compilado .......................................................................................... 60

Figura 3. 30 - Arquivo gravado em buffer................................................................................ 60Figura 3. 31 - Tela de gravao do microcontrolador .............................................................. 61


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Figura 3. 32 - Circuito desligado .............................................................................................. 61Figura 3. 33 - Mensagem de apresentao ............................................................................... 62Figura 3. 34 - Mensagem de feedback ...................................................................................... 62Figura 3. 35 - Potncia aplicada de 100% ................................................................................ 63

Figura 3. 36 - Senide chaveada em 10% ................................................................................ 63Figura 3. 37 - Senide chaveada em 30% ................................................................................ 64

Figura 3. 38 - Senide chaveada em 50% ................................................................................ 64

Figura 3. 39 - Senide chaveada em 70% ............................................................................... 65Figura 3. 40 - Senide chaveada em 100% .............................................................................. 65Figura 3. 41 - Sada do transformador ...................................................................................... 66Figura 3. 42 - Pulsos TRIAC para 10% .................................................................................... 66Figura 3. 43 - Pulsos TRIAC para 30% .................................................................................... 67Figura 3. 44 - Pulsos TRIAC para 50% .................................................................................... 67Figura 3. 45 - Pulsos TRIAC para 70% .................................................................................... 68


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LISTA DE EQUAES

Equao 2.1Potncia instantnea .......................................................................................... 14Equao 2.2Potncia mdia .................................................................................................. 15Equao 2.3 - Percentual de potncia para 75% da tenso eficaz ............................................ 17Equao 3.1Clculo da freqncia ....................................................................................... 45


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LISTA DE QUADROS

Quadro 3.1Valores calculados e medidos com range de 10% .............................................. 48Quadro 3.2Valores de R5 nos endereos de memria de R1 ............................................... 50


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RESUMO

Este projeto consiste em controlar a potncia da carga de um circuito resistivo por meio de

rotinas de programao em assembly, gravadas em um microcontrolador ATMEL

AT89C4051 e disparos no gatilho do dispositivo de chaveamento de tenso, o TRIAC

TIC246D. A carga resistiva representada por uma lmpada. O TRIAC um dispositivo

eletrnico que tem a finalidade de variar a tenso eficaz aplicada carga mediante a aplicao

de pulsos no gate desse dispositivo. A aplicao dos pulsos controlada pelo

microcontrolador. Este recebe informaes da rede de energia eltrica e calcula o momentoexato do disparo para uma dada potncia requerida pelo usurio. A variao da potncia pode

ser constatada pela variao da tenso eficaz e, conseqentemente, pela alterao no brilho da

lmpada.

Palavras chave: potncia, circuito resistivo, assembly, microcontrolador AT89C4051, TRIAC

TIC246D.


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ABSTRACT

This project is based in controlling the power under the load of a resistive circuit using

assembly programming routines, recorded on a microcontroller ATMEL AT89C4051 that

triggers the switching tension device, TRIAC TIC246D. The resistive load is represented by a

lamp. TRIAC is an electronic device which is intended to vary the effective voltage applied

on the load by shooting pulses at the gate of this device. The pulses are controlled by a

microcontroller. It receives information from the power grid and calculates the exact time of

triggering for a specific power required by user. The variation of power can be verifiedcontrolling the effective voltage and, consequently, changing de lamp brightness.

Keywords: power, resistive circuit, assembly, microcontroller AT89C4051, TRIAC

TIC246D.


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CAPTULO 1INTRODUO

Este projeto consiste em desenvolver um circuito de controle de potncia em uma

carga resistiva, controlado por um microcontrolador ATMEL AT89C4051-24PU, da famlia

8051, e por um TRIAC TIC246D. A variao da potncia da carga representada pela

alterao na luminosidade gerada por uma lmpada de 60 watts. Com este circuito, pode-se

controlar a potncia variando a tenso aplicada carga.

1.1. Motivao

A motivao deste projeto surgiu a partir da idia de se controlar a aplicao medida

de tenses em cargas resistivas, como em um dimmer. Como resultado deste projeto

especfico apresentado, na prtica, um dimmereletrnico.

1.2. Objetivo

O objetivo controlar a potncia de uma carga resistiva. A carga escolhida foi uma

lmpada incandescente de 60 watts, em razo da sua caracterstica resistiva e do seu brilho

variar de acordo com a tenso aplicada. Dessa forma, a variao de potncia da carga

percebida de modo visual.


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1.3. Viso Geral do Projeto

Este projeto composto basicamente por trs segmentos: uma fonte de alimentao,

um circuito de controle de potncia e um circuito de potncia, todos gerenciados pelo

microcontrolador. Por meio de push-buttons e um display de cristal lquido, definido o

percentual de potncia necessrio para que a lmpada de 60 watts tenha o brilho desejado,

exemplificando assim a potncia aplicada carga.

Figura 1. 1 - Esquema geral do projeto

Conforme ilustrado na Figura 1.1, o circuito ligado a uma rede de alimentao de

220 volts, de corrente alternada. Por meio de um transformador, a tenso da rede

transformada em 12 volts. Amostras desta tenso so utilizadas para o clculo do tempo de

disparo do TRIAC, com base no perodo da tenso alternada. Por meio da anlise destas

amostras de tenso, o microcontrolador executa rotinas de programao e utiliza os dadosfornecidos pelo usurio para calcular o tempo que o TRIAC necessita para controlar a tenso


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aplicada sobre a carga. Para alimentar os dispositivos do circuito, utiliza-se uma fonte de

alimentao de 5 volts.

Outros dispositivos fazem a intermediao entre os citados acima. Para o controle da

potncia aplicada carga, utilizado um TRIAC TIC246D, um fotoacoplador MOC3020,

para ligao entre o TRIAC e o microcontrolador ATMEL AT89C4051-24PU. Entre o

microcontrolador e o transformador de 200 miliampres existe um amplificador operacional

LM324N para transformar o sinal senoidal proveniente da rede eltrica em uma onda

quadrada, lida por uma porta do microcontrolador. A funo do comparador informar aomicrocontrolador o momento que a onda senoidal passa pelo valor zero. A carga utilizada

uma lmpada de 60 watts incandescente comum. Para a alimentao do circuito e dispositivos

eletrnicos empregados na construo do projeto, tem-se o transformador, que modifica a

tenso da rede de 220 volts em uma tenso de 12 volts e uma fonte de alimentao de 5 volts,

alimentando os dispositivos eletricamente.

O usurio poder variar a potncia ao alterar o valor eficaz da tenso. Para isso, ajusta-

se, por intermdio dos botes, o valor percentual de zeta(%), mostrado na figura 1.1. Este

valor de variao possui um range de 10%.

1.4. ESCOPO

O captulo 2 aborda o referencial tecnolgico do projeto, ou seja, os conceitos e

definies mais importantes, tais como o funcionamento dos componentes eletrnicos

utilizados, o acoplamento entre esses componentes, os conceitos relevantes de eletrnica,

entre outros assuntos pertinentes ao entendimento do projeto.


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O captulo 3 refere-se ao desenvolvimento do projeto. Neste captulo demonstrado o

modo como o projeto foi implementado. Tambm so descritos os testes realizados,

resultados obtidos e as rotinas de programao desenvolvidas.

O captulo 4 o captulo de concluso. Nele mostrado o resultado do projeto,

problemas enfrentados e superados e sugestes de projetos futuros.


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CAPTULO 2REFERENCIAL TECNOLGICO

A proposta deste projeto realizar o controle da potncia aplicada a uma carga

determinada, uma lmpada de 60 watts, por meio dos disparos de um tiristor TRIAC,

controlados por um microcontrolador da famlia 8051. Para tanto, deve-se primeiramente

conhecer o funcionamento dos componentes mais importantes do circuito.

Neste captulo aborda-se a teoria relacionada a este projeto. O item 2.1 refere-se

forma como ser controlada a potncia aplicada lmpada, o item 2.2 ao TRIAC e aos

conceitos fundamentais para o entendimento de seu funcionamento, o item 2.3 ao dispositivo

fotoacoplador, o item 2.4 ao microcontrolador e utilizao de suas portas e pinos e o item

2.5 ao comparador analgico interno ao amplificador operacional.

2.1. Controle de Potncia

O objetivo deste projeto determinar a potncia mdia P aplicada a uma carga

resistiva especfica. Em outras palavras, determinar quanto de energia ser dispendida nesta

carga gerando trabalho, ou seja, a luminosidade da lmpada empregada como carga resistiva.

Em termos numricos, a potncia instantnea P(t) calculada multiplicando-se o valor da

corrente instantnea i(t)pelo valor da tenso instantnea v(t), como mostra a equao 2.1 [8].

Se a corrente estiver em ampres e a tenso em volts, o valor da potncia ser dado em Watts.

)()()( tvtitP

Equao 2. 1 Potncia instantnea


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O valor da potncia mdia de um circuito resistivo calculado pelo quociente do valor

de tenso eficaz elevado a 2 potncia pela resistncia da carga, conforme mostra a equao

2.2 [9]. R a resistncia da carga, ou seja, a resistncia do filamento metlico da lmpada.

RVP rms /

Equao 2. 2 - Potncia mdia

A luminosidade gerada pela lmpada provm da potncia gerada pela tenso aplicada

ao circuito. Variando-se a tenso sobre a carga resistiva, varia-se conseqentemente o valor da

potncia. Desta forma, para se controlar a potncia aplicada lmpada, realizado o controle

do valor de tenso, baseado no perodo de sua senide.

Em uma rede de corrente alternada (CA), a tenso da rede assume dois sinais em seu

ciclo de 360. Meio ciclo de corrente ser positivo, enquanto o outro meio ciclo ser negativo

[9]. O TRIAC, que um dispositivo de chaveamento detalhado em tpicos seguintes, tem

como caracterstica principal a possibilidade de disparar ou chavear a tenso

independentemente do sinal do meio ciclo.

Para se chavear toda a tenso disponvel, considera-se o primeiro disparo do TRIAC

exatamente sobre o ponto zero da senide de tenso, que o momento em que toca a linha

horizontal, conforme ilustra a figura 2.1. Ao se aplicar a tenso no gatilho do TRIAC, caso

seja alcanado o valor mnimo de corrente (corrente de reteno), este entrar em modo de

conduo. Contudo, apenas conduzir enquanto a corrente que passa pelo TRIAC estiver

acima do valor de corrente de manuteno. Como a senide passar pelo ponto zero a cada

meio ciclo de tenso, a corrente do TRIAC cair abaixo deste limite mnimo de corrente de

manuteno, sendo necessrio novamente o disparo do TRIAC [9]. A Figura 2.1 ilustra a

senide de tenso com os disparos no momento em que toca a linha horizontal. Caso este

novo disparo venha a ocorrer no momento em que a senide de tenso passar pelo zero, a


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tenso liberada ser equivalente a outro meio ciclo, ou meio perodo, fornecendo assim a

potncia mxima para a lmpada.

Figura 2. 1 - Senide de tenso com disparos no zero

Caso estes disparos venham a ocorrer em qualquer outro ponto alm do ponto zero da

senide, como mostra a Figura 2.2, a tenso liberada no mais ser a tenso mxima, e sim

uma tenso inversamente proporcional ao tempo de atraso do disparo do TRIAC [9].

Figura 2. 2 - Disparos do TRIAC em tempos diferentes de zero

Por exemplo, se aps passar pelo zero o gatilho do TRIAC for disparado decorridos

25% do tempo do meio perodo da senide de tenso, ento 75% da tenso eficaz mxima

ser aplicada carga. Conseqentemente, a lmpada funcionar com 56% da potncia

mxima, como mostra a Equao 2.3.


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max

22 56,0/56,0/)75,0( PRVRVP rmsrms

Equao 2. 3Percentual de potncia para 75% da tenso eficaz

Controlando estes tempos de disparo pode-se controlar a tenso aplicada lmpada,

conforme pode ser visto na figura 2.3, que ilustra a senide de tenso aplicada carga em um

momento de disparo do TRIAC diferente de zero. Caso o ponto de disparo seja, por exemplo,

de 20%, um tempo igual a 80% do tempo de meio ciclo da senide ser aguardado para que o

TRIAC chaveie a corrente alternada. Neste caso, tm-se a forma de onda presente na figura2.3.

Figura 2. 3 - Senide de tenso em momento diferente de zero

O disparo ideal, exatamente sobre o zero da senide, no pode ser aplicado na prtica,

pois no ponto em que a tenso passa do seu valor positivo para seu valor negativo e em suas

proximidades, a tenso do nodo sobre o ctodo do dispositivo tambm zero, no

conduzindo corrente [9].

O objetivo deste projeto realizar o controle dos disparos nos dois meio ciclos,

positivo e negativo. Ao se realizar o controle do ponto onde a tenso tem valor prximo

zero, pode-se realizar os disparos do gatilho do dispositivo em todos os semi-ciclos. Isso

demonstrado no captulo Desenvolvimento do Projeto.


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2.2. TRIAC

O TRIAC, ou TRiode for Alternating Current, um componente eletrnico

semicondutor amplamente utilizado para realizar o controle da passagem de corrente em

circuitos de corrente alternada devido sua capacidade de conduo nos dois sentidos,

positivo e negativo. Isto significa que, independentemente da polarizao percebida em seus

terminais MT1 ou MT2, ele pode ser disparado com um pulso de tenso positiva ou negativa

[9]. Metaforicamente, internamente ele composto por dois dispositivos SCR (Silicon

Controled RectifierRetificador Controlado de Silcio) ligados em antiparalelo, ou seja, um

ao contrrio do outro, com suas polaridades invertidas. Na Figura 2.4 mostrada a simbologia

mais usual para o TRIAC.

Figura 2. 4 - Simbologia do TRIAC

Por estarem ligados em antiparalelo, os SCR metaforicamente internos do TRIAC

conduziro a corrente em sentido positivo ou negativo. Cada SCR conduzir em um dos

sentidos. Por se tratar de um circuito que realiza o controle da potncia por meio de corrente

alternada, os ciclos de corrente sero sempre alternados. Por esta razo o TRIAC empregado

para o controle em circuitos de corrente alternada. Caso fosse empregado um SCR apenas

para este controle, a corrente seria conduzida em 180, ou seja, apenas em meio ciclo de

tenso, sendo metade do perodo da senide desconsiderada. A Figura 2.5 mostra o

equivalente do TRIAC com dois SCRs ligados em antiparalelo.


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Figura 2. 5 - Equivalente do TRIAC com 2 SCRs em antiparalelo

O TRIAC possui em sua estrutura interna trs terminais: MT1, MT2 e Gate. O

primeiro chamado de Terminal Principal 1, o segundo chamado de Terminal Principal 2 e

o terceiro chamado de Gatilho (Gate) do TRIAC. Para conduzir a corrente em qualquer

sentido, deve ser aplicado um sinal eltrico nogatedo TRIAC at que seja alcanado o valor

de corrente de reteno, que o menor valor instantneo de corrente entre o nodo e o ctodo

para que o dispositivo entre em modo de conduo. Aps este disparo, a corrente que circula

no TRIAC dever ser sempre maior do que a corrente mnima necessria para que a conduo

no cesse, chamada de corrente de manuteno. Caso a corrente circulante seja menor que

este valor, o TRIAC pra de conduzir. Estes valores de corrente so informados nas

especificaes do dispositivo.

2.2.1. Dispositivo Semicondutor

Semicondutores so slidos cristalinos que temperatura de zero kelvin se comportam

como materiais isolantes, ou seja, no conduzem corrente eltrica por no terem eltrons

livres ou lacunas existentes na camada de valncia, que a ltima camada de energia de um

tomo [10].


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temperatura ambiente, um material no condutor pode, por meio da excitao de

alguns dos seus eltrons da camada de valncia, vir a conduzir corrente eltrica. Aos

dispositivos construdos deste tipo de material se d o nome de dispositivos semicondutores,

j que no so to eficientes quanto os condutores (dispositivos que sempre tm lacunas ou

eltrons livres na camada de valncia), e nem isolantes (dispositivos formados por materiais

que precisam de uma energia muito grande para perder um eltron da camada de valncia e

conduzir eletricidade) [11].

2.2.2. Tiristor

Tiristores so dispositivos bi-estveis que possuem trs ou mais junes e que podem

mudar de estado condutor para estado no-condutor quando a corrente ou tenso alterada

sobre o dispositivo. Basicamente so aplicados no chaveamento de corrente em circuitos decorrente alternada. Como exemplo de tiristores pode-se citar o SCR e o TRIAC, que

abordado neste projeto [10].

2.2.3. SCR (Silicon Controlled RectifierRetificador Controlado de Silcio)

O SCR, ou retificador controlado de silcio, um dispositivo semicondutor formado

por trs junes de camadas de silcio internas, PNPN, conforme mostra a Figura 2.6. Sua

funo atuar como um dispositivo chaveador no-mecnico de corrente. Desta forma, a

tenso aplicada a uma carga por meio de um SCR controlada pela freqncia que a chave

ligada ou desligada, podendo isso acontecer milhares de vezes por segundo, dependendo das

especificaes do dispositivo [9].


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Figura 2. 6 - Estrutura interna de um SCR

A estrutura interna de um SCR bem similar a de um diodo, porm sua funcionalidade

pode ser mais bem explicada se comparada ao funcionamento de dois transistores, PNP e

NPN, em conjunto. A figura 2.7 mostra o arranjo de dois transistores funcionalmente como

um SCR.

Figura 2. 7 - SCR comparado a dois transistores

Na Figura 2.8 mostrado um transistor atuando como um SCR. Na parte superior

encontrado o nodo. Na parte inferior nota-se o ctodo. O gatilho est na camada positiva do

transistor NPN e Q1 e Q2 so os prprios transistores.


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Figura 2. 8 - Transistores PNP e NPN

Para que o SCR seja disparado e comece a conduzir, deve existir um sinal de

corrente no gatilho para o ctodo quando estiver polarizado diretamente, ou seja, quando a

tenso no nodo maior que a tenso no ctodo. Esta corrente, normalmente, um pulso

aplicado a fim de efetuar este disparo. Se esta corrente aplicada no gatilho for suficiente para

disparar o dispositivo, o SCR entrar em modo de conduo. Para que esta conduo se

efetive, a corrente aplicada ao gatilho do SCR deve ser suficiente para que o dispositivo

conduza uma corrente mnima, a corrente de reteno. Caso o disparo seja efetuado e seja

tambm suficiente para gerar a corrente mnima para que o dispositivo possa conduzir

corrente, esta deve permanecer maior do que a corrente de manuteno, que o menor valor

de corrente necessria para que as barreiras de potencial internas do dispositivo no se

formem, impedindo assim a conduo [9].

O SCR conduzir enquanto existir corrente entre o nodo e o ctodo, cortando

este fluxo apenas se a corrente for praticamente nula ou se a tenso for zero em um

determinado momento. Por este motivo chamado de chave de reteno, pois uma vez em

conduo permanece neste estado at que a corrente seja menor que a corrente de

manuteno. Quando polarizado reversamente, o SCR atua como um diodo, no permitindo a

passagem de corrente mesmo se forem efetuados pulsos em seu gatilho.


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Existe ainda outro meio de um SCR entrar em modo de conduo. Se aplicada

a chamada tenso de ruptura, ou tenso de breakover, o dispositivo passar a conduzir. Este

tipo de conduo pode danificar o dispositivo. Tenses muito prximas tenso de breakover

devem ser evitadas [9]. Esta tenso informada pelo fabricante do SCR.

Em circuitos de corrente alternada, ao final de cada semi-ciclo de tenso o SCR

ser cortado, parando assim de conduzir, pois a corrente chegar a zero. Para que a conduo

no cesse, necessrio que disparos sejam efetuados no gatilho do SCR toda vez que a

corrente ou tenso chegarem zero, lembrando que o SCR conduzir corrente apenas emmeio ciclo de tenso.

2.2.4. TRIAC TIC246D

O TRIAC, como dito anteriormente, funciona como dois SCRs ligados, onde o nodo

do primeiro SCR o ctodo do segundo, e o ctodo do primeiro o nodo do segundo. O

gatilho de cada um dos SCR comum ao gatilho do outro. Na Figura 2.9 mostrado um

exemplo de dois SCR ligados.

Figura 2. 9 - Equivalente do TRIAC em SCR


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O TRIAC funciona exatamente da mesma forma que um SCR, porm conduzir

corrente nos dois sentidos, positivo e negativo. Isto se d pelo fato de sua estrutura interna ser

semelhante a dois SCRs ligados. Quando um estiver diretamente polarizado e apto a conduzir

corrente, o outro estar reversamente polarizado, no permitindo a passagem de corrente,

mesmo com disparos efetuados no gatilho do dispositivo. A cada passagem pelo zero da

corrente alternada esta configurao se modifica, e cada SCR ser polarizado de modo que o

que estava diretamente polarizado ficar inversamente polarizado, e o que estava

inversamente polarizado ficar diretamente polarizado e apto a conduzir corrente.

O TRIAC utilizado no circuito um TRIAC TIC246D. Sua corrente de reteno de

80 miliampres. Sua corrente de manuteno de 40 miliampres. O valor que deve ser

aplicado no gatilho para o disparo de 50 miliampres ou 2 volts para corrente e tenso,

respectivamente.

2.3. Fotoacoplador MOC3020

Um dispositivo fotoacoplador um componente que tem em sua estrutura interna um

LED (light emissor diode- diodo emissor de luz) e um fototriac, montados internamente a um

circuito integrado (CI). Sua funo transmitir impulsos eltricos sem contato fsico entre os

componentes, por meio de emisso de luz.

Internamente funciona da seguinte forma: ao se aplicar uma tenso nos pinos do LED,

este se acende e polariza a base do fototriac existente no CI. Desta forma, o fototriac conduz

corrente pelo segundo circuito, que isolado do primeiro.


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No circuito deste projeto utilizado um fotoacoplador MOC3020. Ele foi aplicado

especificamente para proteger o microcontrolador de eventuais picos de tenso, podendo

assim queimar o dispositivo. A Figura 2.10 mostra um fotoacoplador de seis pinos.

Figura 2. 10 - Fotoacoplador de 6 pinos

Conforme observado na figura 2.11, o LED est com seus terminais alocados nos

pinos um e dois, enquanto o fototriac tem seus terminais localizados nos pinos quatro e seis.

Os pinos trs e cinco no devem ser utilizados. A corrente necessria para se ativar o LED

de 15 miliampres.

Figura 2. 11 - Pinagem interna do MOC3020


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2.4. Microcontrolador ATMEL AT89C4051-24PU

Um microcontrolador um pequeno dispositivo eletrnico programvel para atender a

tarefas especficas ou dedicadas. Geralmente so embutidos em outros produtos, para

automao e controle de perifricos.

Os microcontroladores englobam diversas caractersticas dos microprocessadores,

como componentes lgicos e aritmticos, porm tm componentes adicionais em sua

estrutura, como processador, memria de programa e de dados, conversores analgicos e

digitais, portas para recebimento e envio de dados, temporizadores (ou timer), funes de

entrada e sada, dentre outros. Com todos estes componentes embutidos em um nico circuito

interno (CI) a confiabilidade aumenta, visto que a quantidade de componentes externos ao CI

diminui [4], minimizando assim a influncia de fatores externos nos componentes. Sua

capacidade de armazenamento de memria bastante reduzida se comparada aos

computadores atuais, podendo ter memrias Flash, EEPROM (Electrically-Erasable

Programmable Read-Only Memory) ou RAM (Random Access Memory). Sua freqncia de

clock da ordem de megahertz (MHz), sendo, desta forma, bem mais lentos que os

microprocessadores atuais.

Uma vantagem dos microprocessadores o baixo consumo de energia, visto que

podem hibernar caso fiquem ociosos, ou at que algum evento requisite o processamento de

alguma instruo. Porm, alguns microcontroladores j possuem esta funcionalidade, podendo

entrar em modo de espera aguardando por um evento externo ou interrupo, tornando-os

ideais em aplicaes onde o baixo consumo de energia crucial. Tambm so utilizados em

projetos onde o superdimensionamento de um componente um problema. Isto normalmente

ocorre em projetos comerciais de larga escala, onde cada custo excedido (ou desperdcio)

multiplicado por cada unidade fabricada do produto.


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Todo microcontrolador programvel. Isto significa dizer que adaptvel para

diversos fins. Cada vez que o dispositivo ligado, o programa gravado em sua memria

executado. Como em um microprocessador, todas as instrues matemticas e de lgica so

executadas pela ULA (Unidade Lgica e Aritmtica). Quanto maior e mais robusta for a

ULA, mais rpido seu processamento, maior seu consumo de energia e mais calor

dissipado. Desta forma, deve ser determinado pelo fabricante do produto qual a relao

entre o custo e o benefcio do microcontrolador e sua finalidade.

Existem diversas empresas fabricantes de microcontroladores. Cada um pode serutilizado para fins especficos com arquiteturas internas diferenciadas, determinados por sua

documentao, com vantagens e limitaes. Entre eles encontram-se os microcontroladores

fabricados pela empresa Atmel, um deles escolhido para este projeto. Mais especificamente,

utilizado para o controle do circuito um microcontrolador da famlia MSC-51, denominado

AT89C4051-24PU, que nada mais que uma verso de 20 pinos do microcontrolador 8051.

Este microcontrolador tem oito bits, o que significa que pode realizar operaes de

dados de oito bits de uma s vez. Segundo seu datasheet, dotado de uma memria flashde

quatro kilobytes, cento e vinte e oito bytesde memria RAM, quinze portas de entrada e sada

de dados, dois temporizadores ou contadores de dezesseis bits, uma porta serial full-duplexe

um comparador analgico interno. Seu modo de espera interrompe o funcionamento do

processador enquanto ainda habilita a memria RAM, temporizadores e contadores e portas

seriais para que o sistema continue em funcionamento. A figura 2.12 mostra o

microcontrolador descrito. O AT89C4051-24PU tem 20 pinos, cada um com uma funo

especfica.


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Figura 2. 12 - Pinagem do microcontrolador AT89C4051-24PU

A porta RST o pino de reset. Todas as portas so inicializadas com o valor um

assim que este pino acionado. Caso seja acionado por dois ciclos de mquina, o

microcontrolador reinicializado.

A porta trs abrange os pinos de P3.0 a P3.7, excetuando-se o pino P3.6. So pinos de

entrada e sada bidirecionais, dependendo da forma em que forem programados. A porta P3.6

a porta do comparador analgico e no acessvel normalmente como as outras portas.

A porta VCC a porta de alimentao do microcontrolador. A voltagem aqui aplicada

de 5 volts.

A porta um uma porta de entrada e sada bidirecional de oito bits. Os pinos P1.2 a

P1.7 fornecem pull-ups internos (se adequam a nveis lgicos mesmo que dispositivos

externos sejam desconectados), enquanto os pinos P1.0 e P1.1 necessitam de pull-ups

externos (necessitam de dispositivos externos para adequarem seus nveis lgicos), tambm

sendo utilizados como entrada positiva (AIN0) e negativa (AIN1), respectivamente, do

comparador analgico presente no microcontrolador. A sada da porta nmero um pode

acionar diodos emissores de luz (LED) diretamente. Quando so programados com o valor

um, so usados como entrada de dados.


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A porta GND utilizada como aterramento do microcontrolador, enquanto as portas

XTAL1 e XTAL2 so, respectivamente, entrada e sada do circuito de sincronismo acoplado

ao microcontrolador. Cristais de quartzo ou de cermica podem ser utilizados. No h

exigncia do ciclo de clock externo do cristal, desde que as voltagens mximas e mnimas

especificadas sejam seguidas.

2.5. Comparador analgico

Um comparador analgico um pequeno dispositivo com duas entradas e uma sada.

Consiste em duas portas de entrada analgicas e uma sada digital binria. Este dispositivo l

o sinal recebido em suas portas de entrada. Caso o sinal recebido seja maior que o sinal de

referncia ou aterramento, tem sua porta de sada saturada e envia um sinal eltrico. Quando o

valor recebido em sua porta de entrada igual ou inferior ao valor de referncia, cessa o enviodeste sinal. O resultado uma sada binria de dois nveis, um e zero. Para se obter tal

resultado, foi utilizado um amplificador operacional com comparadores analgicos internos.

A figura 2.13 mostra os pinos do amplificador operacional utilizado, o LM324N.

Figura 2. 13 - Amplificador operacional


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O amplificador operacional mostrado na figura 2.13 tem, na verdade, quatro

comparadores analgicos internos. Cada um deles com suas respectivas e independentes

portas de entrada e sada. Os pinos trs, cinco, dez e doze so as entradas positivas, enquanto

os pinos dois, seis, nove e treze so as entradas negativas. Os pinos um, sete, oito e quatorze

so as sadas de cada comparador analgico interno. O pino quatro a alimentao do

dispositivo, e o pino onze deve ser utilizado para aterramento.


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CAPTULO 3 - DESENVOLVIMENTO DO PROJETO

Neste captulo abordada a forma de implementao do circuito proposto, a relao

entre os dispositivos utilizados, os testes realizados e o desenvolvimento da programao do

microcontrolador, responsvel por todo o controle lgico da potncia aplicada carga.

3.1 Viso geral

Para o desenvolvimento do projeto do circuito de controle de potncia, foi utilizada

uma placa de circuito impresso. A figura 3.1 mostra o esquema do circuito.

Figura 3. 1 - Esquema do circuito

Para o desenvolvimento e implementao do circuito, foi utilizado um

microcontrolador ATMEL AT89C4051-24PU, um fotoacoplador MOC3020, um amplificador

operacional LM324N, um transformador de 200 miliampres, um TRIAC TIC246D, dois

botes push-buttons e um display de cristal lquido, alm de componentes eletrnicos

auxiliares. Como carga resistiva, foi utilizada uma lmpada incandescente de 60 watts.

Para o controle lgico da potncia, foi utilizada a linguagem de programao

Assembly, com o cdigo-fonte gravado no microcontrolador utilizando-se uma gravadora

MACSYM para microcontroladores AT89CX051, com um compilador (assemblador)

AVMAC51. A figura 3.2 mostra o diagrama de blocos simplificado do projeto. O diagramade blocos do software desenvolvido ser mostrado em tpicos seguintes.


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Figura 3. 2 - Diagrama de blocos do projeto

3.2. Circuito de controle de potncia

A figura 3.3 mostra o circuito desenvolvido por completo. Para efeitos didticos aexplicao ser segmentada, cada parte imprescindvel para o bom entendimento do

desenvolvimento do projeto.


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Figura 3. 3 - Circuito completo de controle de potncia


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Inicialmente, existia apenas a idia de controle de potncia em uma carga resistiva.

Para se realizar este controle, a corrente oriunda da rede de 220 volts seria chaveada por um

dispositivo eltrico, o TRIAC. Um microcontrolador enviaria os comandos de chaveamento,

que trataria os dados inseridos pelo usurio por meio de botes. Estes botes e o

microcontrolador deveriam ser alimentados eletricamente com corrente contnua. Para tanto,

deveria ser adotado um circuito regulador de tenso. A corrente chaveada pelo TRIAC

deveria alimentar uma carga resistiva. Escolheu-se, portando, uma lmpada de 60 watts, pela

praticidade e visualizao dos efeitos da corrente na carga. A sada de dados deveria existir

como um feedbackpara o usurio, que poderia ser dado por meio de um displayde cristal

lquido. Para evitar danos ao microcontrolador durante o envio do sinal de disparo ao TRIAC,

um acoplador ptico deveria tambm seria implementado. Para a transformao da tenso de220 volts da rede eltrica para 5 volts, necessria para alimentar os dispositivos do circuito,

foi includo no projeto um transformador.

A linha de raciocnio acima explica a necessidade de incluso de cada um dos

dispositivos do projeto. Nos tpicos seguintes ser mostrado como cada parte do circuito foi

desenvolvida.

3.2.1 Segmento de regulador de tenso

Para a alimentao eltrica dos dispositivos existentes no projeto e explicados adiante,

foi implementada uma fonte de alimentao que baixa a tenso de 12 volts da sada do

transformador para 5 volts, que a tenso de alimentao do circuito. O segmento do circuito

tratado neste tpico o segmento responsvel pela regulagem de tenso, ou seja, responsvel

por retirar a tenso de 220 volts da rede eltrica e retific-la em uma tenso de alimentao

interna do circuito de 5 volts. A figura 3.4 mostra o segmento regulador de tenso do circuito.


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Figura 3. 4 - Segmento regulador de tenso

Na tomada, ou seja, na fonte de alimentao externa, a tenso medida de 220 volts.

O transformador de 200 miliampres reduz esta tenso para 12 volts. Seria possvel baixar a

tenso diretamente para 5 volts, caso o transformador comercial utilizado tivesse estas

caractersticas.

Os diodos em ponte iro tratar esta tenso de 12 volts e retific-la. Retificar uma

tenso significa dizer que o circuito retificador de onda completa em ponte ir converter os

sinais negativos de tenso da senide em sinais positivos. O resultado deste processo uma

tenso retificada pulsante de 12 volts.

No meio ciclo positivo da tenso, o diodo D1 recebe um potencial positivo em seu

nodo e o diodo D2 recebe um potencial negativo no ctodo. Conseqentemente, D1 e D4

entram em modo de conduo, enquanto D2 e D3 ficam reversamente polarizados. No meio

ciclo negativo a situao se inverte. D1 e D4 ficam reversamente polarizados, enquanto D2 e

D3 conduzem corrente. O resultado final desta retificao uma onda de tenso pulsante,

conforme exemplificado na figura 3.5.


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Figura 3. 5 - Onda de tenso retificada pulsante

A tenso no circuito, que agora uma tenso retificada pulsante de 12 volts, ser

amortecida pelo capacitor C10 de 1000 uF (micro faraday). Desta forma, a tenso serposteriormente regulada para a alimentao dos componentes do circuito.

A fim de regular a tenso do circuito e alimentar os dispositivos, utilizou-se um

regulador de tenso. Sua funo baixar a tenso de 12 volts para 5 volts e regul-la como

corrente contnua. Os capacitores C5 e C6 presentes no circuito de 100nF (nano Faraday) e

30nF, respectivaqmente, so recomendaes do datasheetdo dispositivo regulador de tenso,

e servem para evitar oscilaes no mesmo. O resistor R10 de 1k existe apenas para assegurar

o acendimento do LED presente no segmento do circuito. Segue na figura 3.6 a forma da ondaregulada ideal.

Figura 3. 6 - Onda regulada

Ao final do segmento de alimentao do circuito, notamos a presena de um capacitor

C11 de 1000uF. Sua funo eliminar quaisquer rampas que possam existir na corrente

regulada de 5 volts, que usada para alimentar eletricamente os dispositivos. A figura 3.7


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mostra o sinal regulado obtido e testado em laboratrio, usado para alimentar os dispositivos

eltricos do projeto.

Figura 3. 7 - Sinal regulado

3.2.2 Segmento de disparo do triac

Os disparos do TRIAC, por meio de comandos emitidos pelo microcontrolador, so

realizados por meio do segmento do circuito mostrado na figura 3.8.

Figura 3. 8 - Segmento de disparo do TRIAC

O microcontrolador emite um sinal no pino dois (porta P3.0) no momento em que

requisitado o disparo do TRIAC. O microcontrolador est na outra ponta do barramento onde

se encontra o LED e os resistores R8 e R9. Estas resistncias de 330 limitam a corrente que

enviada ao MOC3020. Como a porta do microcontrolador no tem pull-up externo, o


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resistor R8 alimentado com 5 volts. Por estar em srie com o Resistor R9 e com o LED1,

segundo a lei de Ohm, a corrente ser igual ao quociente do valor da tenso neste ponto do

circuito, ou seja, 4,3 volts, pela soma das resistncias de 330, ou seja, aproximadamente 6

miliampres.

Quando o sinal de corrente excita o MOC, o LED interno se acende, polarizando a

base do fototriac presente em sua estrutura interna. Desta forma, este fototriac conduz

corrente pelo restante do circuito, sem contato entre o microcontrolador e o TRIAC. Esta

corrente suficiente para disparar o gatilho do TRIAC, e deve ser de 50 miliampres, segundo

seu datasheet. Ento, dependendo do tempo de disparo do TRIAC aps o ponto em que a

senide de tenso da rede passa por seu ponto zero, a potncia aplicada carga controlada.

O segmento do circuito formado pela resistncia R14 de 10e o capacitor C7 de 100nF um

circuito snubber, e serve para controlar a taxa de variao da tenso, fazendo com que o

TRIAC apresente um menor pico de tenso e no tenha disparos aleatrios indesejados. O

resistor R13 serve para limitar a corrente sobre ogatedo TRIAC.

Quando a senide de tenso chegar ao ponto zero novamente, a corrente que passa no

TRIAC chegar zero, sendo inferior corrente mnima de manuteno, interrompendo a

conduo no dispositivo. Aps este ponto, um novo sinal deve ser emitido pelo

microcontrolador a fim de excitar novamente o fototriac que, por sua vez, disparar o TRIAC,

permitindo novamente a passagem de corrente e controlando a potncia aplicada carga.

3.2.3 Segmento do comparador analgico

A fim de controlar o tempo de disparo do TRIAC em relao fase da tenso da rede,

usado o amplificador operacional LM324N, com um comparador analgico interno. A

figura abaixo mostra o segmento do circuito onde este dispositivo est alocado.


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Figura 3. 9 - Segmento do comparador analgico

Aps a tenso ser baixada de 220 volts para 12 volts, o sinal desta tenso enviado ao

comparador analgico LM324N para o pino dois. O comparador consiste em duas portas de

entrada analgicas e uma sada digital binria. Uma de suas duas entradas est aterrada (pino

trs), enquanto a outra alimentada com 12 volts (pino dois). Os valores lidos de tenso sero

comparados com a tenso de referncia. Caso o valor da entrada seja maior que a tenso de

referncia, a sada do comparador analgico ir saturar para o valor um. Se esta tenso for

igual ou menor ao valor do aterramento, o valor de sada ser zero. A figura 3.10 mostra o

diagrama de blocos do comparador analgico.


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Figura 3. 10 - Diagrama de blocos do comparador analgico

Desta forma, tem-se uma onda quadrada binria na sada do comparador, de mesma

fase que a onda de corrente alternada da entrada. Na figura 3.11 mostrado o sinal de sada

ideal do comparador analgico, enviado a uma das portas do microcontrolador.

Figura 3. 11 - Sada do comparador analgico

A finalidade da leitura deste sinal verificar se a senide de tenso est passando pelo

ponto zero ou no. Com este sinal possvel controlar acionamento do TRIAC, j que os

tempos de seus disparos sero contados a partir do incio de cada meio ciclo da tenso derede, ou seja, toda vez que este sinal passa pelo ponto zero. Por meio da porta P3.1 (pino trs),


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este sinal ser lido digitalmente pelo microcontrolador e os clculos para o disparo do TRIAC

efetuados. A figura 3.12 mostra o sinal percebido na sada do comparador analgico.

Figura 3. 12 - Sinal de sada do comparador analgico

3.2.4 Segmento de sincronismo e reset do microcontrolador

Para estabelecer o sincronismo entre os ciclos de mquina do microcontrolador e as

instrues processadas, devemos utilizar um cristal de sincronismo conectado aos pinos

quatro e cinco do microcontrolador, conforme recomendaes de seu datasheet. Como o

cristal utilizado tem uma freqncia de 12Mhz (megahertz), necessrio um ciclo de mquina

do microcontrolador para executar uma instruo, durando cada uma um microsegundo. Sem

a presena do cristal, o sincronismo do microcontrolador no pode ser realizado. Segue na

figura 3.13 o segmento de sincronismo.

Figura 3. 13 - Segmento de sincronismo do microcontrolador


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Os capacitores C2 e C3 de 27pF (pico Faraday) estabilizam a freqncia do cristal,

diminuindo a margem de erro. Esta recomendao est presente no datasheet do

microcontrolador.

Na porta nmero um do microcontrolador existe o circuito de reset. A resistncia de

10k e o capacitor de 10uF causam o reset do dispositivo toda vez que ligado. H tambm

um boto que causa o reset quando pressionado. No momento do reset, todas as portas do

microcontrolador tm o valor umatribudo, e logo em seguida voltam para o estado original.

Todas as instrues sero reiniciadas aps este procedimento. A figura 3.14 mostra o circuito

descrito.

Figura 3. 14 - Circuito de reset do microcontrolador

3.2.5 Segmento de exibio de dados

Para exibio dos dados inseridos pelo usurio, existe no circuito um displayde cristal

lquido. O software desenvolvido executar rotinas de incremento e decremento dos valoresde tenso aplicados carga. Cada um destes valores ser exibido no displaye mostrado ao

usurio. A figura 3.15 mostra o segmento de exibio de dados ao usurio.


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Figura 3. 15 - Segmento de exibio de dados

De acordo com as rotinas de programao, todos os pinos de um a quatorze so usados

para transmisso dos dados a serem exibidos no display. Pelos pinos um e dois, VSS e VDD,

alimentam eletricamente o dispositivo com 5 volts. O pino trs, VEE, utilizado para regular

o contraste do display. O pino quatro, RS, recebe dados enviados pelo microcontrolador que

indicam se o dado presente no barramento um comando ou um dado. O pino cinco, R/W,

est aterrado, j que no utilizado, e l o sinal enviado pelo microcontrolador e verifica se

um dado ser lido ou gravado no display. O pino seis, E, uma porta de controle, que habilita

o display a aceitar dados ou instrues vindas do microcontrolador. Os pinos de sete a

quatorze recebem os dados enviados pelo microcontrolador.

3.2.6 Segmento de entrada de dados

Este segmento do circuito a interface de entrada de dados do usurio. Por meio dos

botes acoplados ao circuito, a porcentagem de potncia regulada. A figura 3.16 mostra o

segmento citado.


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Figura 3. 16 - Segmento de entrada de dados

Os botes implantados no circuito so do tipo normalmente fechados. Toda vez que

pressionado um boto, o sinal enviado ao microcontrolador por meio dos pinos seis ou sete,

dependendo se o sinal for decremental ou incremental, interrompido. Estes sinais sero

tratados pela rotina de programao como decremento ou incremento do tempo que o TRIAC

aguarda para comear a chavear a tenso.

Os resistores R2 e R3 de 1k foram inseridos para limitar a corrente que ser enviada

ao microcontrolador quando o boto estiver fechado. Pela lei de Ohm, a tenso de entrada no

microcontrolador igual ao produto da resistncia pela corrente. Caso a resistncia no exista,

a corrente que entrar no microcontrolador ser igual diviso da tenso de 5 volts por um

valor prximo a zero, que resultar em uma corrente muito grande, queimando o

microcontrolador. Com a resistncia de 1k, a corrente ser de 5 miliampres.

3.2.7 Segmento do microcontrolador

Este o dispositivo que far o controle dos disparos do TRIAC e, conseqentemente,

o controle da tenso aplicada carga. Suas portas so utilizadas tanto para entrada quanto

para sada de dados. A figura 3.17 mostra a pinagem do microcontrolador.


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Figura 3. 17 - Pinagem do microcontrolador

Cada dispositivo ligado ao microcontrolador conectado por meio de um pino ou

portas, definidas na rotina de programao. Este tpico ser tratado adiante.

3.3 Mtodo de controle

Para se realizar o controle da potncia aplicada carga, utilizado o tempo de disparo

do TRIAC aps o momento em que a senide de tenso passa pelo ponto zero. Para isso,

algumas variveis devem ser consideradas, como fatores no-lineares de funcionamento dos

dispositivos fsicos, a histerese da lmpada e o tempo que as prprias rotinas de programao

gastam para execuo.

Em uma rede de alimentao de 220 volts, a freqncia de oscilao da rede fica em

torno de 60 hertz. Isto significa dizer que a rede tem sessenta ciclos por segundo, ou seja, o

perodo da tenso CA se repete sessenta vezes em um segundo. Pela frmula da freqncia,

temos que esta igual a uma unidade dividida por seu perodo. Desta forma, 0,0167 segundos

o perodo de um ciclo completo de uma senide de tenso, ou 16,6 milisegundos, conforme

mostrado na equao 3.1.

segundosFT 0167.060/1/1

Equao 3. 1 - Clculo da frequncia


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O TRIAC, por ser um tiristor bidirecional, conduzir nos dois sentidos, positivo e

negativo, disparando com qualquer sinal de pulso, positivo ou negativo. Desta forma se

controla o tempo de seu disparo considerando-se apenas meia onda ou um meio ciclo, sendo

os clculos para disparo do dispositivo vlidos tambm no segundo meio ciclo,

independentemente de seu sinal. O perodo ideal da senide de tenso CA mostrado na

figura 3.18.

Figura 3. 18 - Perodo da senide de tenso

Para efetuar o controle, deve-se tambm reconhecer onde a senide passa pelo zero.

Esta mudana de estado pode ser verificada na porta do comparador analgico. Quando ovalor pontual da onda maior que zero, o comparador reconhecer como um, e enviar um

sinal para o microcontrolador. Da mesma forma, quando a senide assumir o valor de zero ou

menor, o comparador cessar este envio de informao. As rotinas de programao capturam

estas informaes por leituras da porta 3.1 (pino trs), para o controle do disparo aps o zero

da senide.

Cada tempo de perodo considerado ser ento de 8.3 milisegundos, que o perodo de

meia onda. Para efeitos de clculo ser utilizado um perodo de meio ciclo igual a 8milisegundos, pois 0,3 milisegundos podem ser desprezados por no causarem grande

variao da tenso aplicada carga e, conseqentemente, na luminosidade da mesma.

Para o clculo de incrementos de potncia, o perodo de meio-ciclo da senide, de 8

milisegundos, foi dividido em 10 partes iguais, cada uma equivalendo a 10% da potncia total

que pode ser aplicada carga resistiva. Desta forma, a cada incremento ou decremento

comandado pelo usurio, tem-se o acrscimo ou decrscimo de 800 microsegundos ao ponto

de disparo do TRIAC aps o reconhecimento do ponto zero.


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Caso o tempo inicial do TRIAC seja zero, e a cada incremento sejam adicionados 800

microsegundos ao clculo de disparo do TRIAC, a potncia aplicada aps o primeiro disparo

seria prxima ao valor mximo. Isto se d pelo fato de que, caso disparado no incio do meio

ciclo de tenso, praticamente toda a senide chaveada, e toda tenso aplicada carga. Para

que isso no ocorra, e para que o primeiro incremento do TRIAC seja prximo do valor

mnimo de tenso aplicada carga, escolheu-se como ponto inicial do disparo o final da onda,

ou seja, o ponto da senide de tenso CA imediatamente anterior a 8 milisegundos, com cada

incremento do boto diminuindo 800 microsegundos desse tempo total. Desta forma, o

usurio, por meio do boto incremental, insere o valor de potncia requerido, e a rotina de

programao ler seu complemento. Caso o valor inserido pelo usurio seja de 25% de

potncia, a rotina reconhecer este valor como seu complemento, e aguardar 75% do tempototal do perodo do semi-ciclo para efetuar o disparo, ou seja, 6 milisegundos a partir do ponto

zero.

Porm, apesar de estar teoricamente correto este clculo, no foi possvel observar os

resultados prticos. Mesmo com os valores corretos e a rotina de programao desenvolvida

de modo satisfatrio, os valores de tenso medidos em cada uma das porcentagens requeridas

pelo usurio no estavam de acordo com a proposta de incrementar de 10% em 10% o valor

da tenso eficaz aplicada carga resistiva.

Para se averiguar o motivo destes valores errneos, o software desenvolvido foi

modificado. O rangede incremento de 10% foi modificado para um range de incremento de

1% apenas. Com isto, pode-se averiguar o motivo pelo qual os valores no esto corretos.

Neste experimento, verificou-se que os valores de tenso aplicados carga resistiva

no estavam totalmente lineares. Esperava-se, com um incremento de 1% de tenso, que a

diferena de tenso entre um valor e o valor subseqente fosse de 2,2 volts aproximadamente,

para a rede eltrica de 220 volts, o que no foi constatado. Estes valores medidos no

apresentavam aspectos de linearidade. Ao tempo em que os valores iniciais de porcentagem

tinham uma divergncia pequena dos valores ideais, as porcentagens finais tinham diferenas

muito grandes dos valores calculados, indicando um acmulo nos tempos de execuo das

rotinas de programao.

Apesar de os valores de tenso eficaz referentes ao intervalo de 10% a 100% existirem

quando medidos, no correspondiam ao valor de tenso eficaz exibido ao usurio no display.A tabela 3.1 mostra os valores de porcentagem de potncia, os valores exibidos no display de


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porcentagem de tenso eficaz, os valores ideais calculados de tenso eficaz e os valores

medidos de tenso eficaz aps a modificao do programa.

Valor exibido no

display relacionado tenso eficaz(percentual de tenso

eficaz)

Percentualde potncia

mdiacalculado

Valor de tensoeficaz

calculado(volts)

Valor detenso eficaz

medido(volts)

100% 100% 227 22790% 81% 204,3 20480% 64% 181,6 18270% 49% 158,9 16160% 36% 136,2 13650% 25% 113,5 11340% 16% 90,8 9230% 9% 68,1 6920% 4% 45,4 4210% 1% 22,7 220% 0% 0 0

Quadro 3. 1 - Valores calculados e medidos com range de 10%

Para que os valores sejam exibidos no display de forma correta, proporcionalmente ao

valor de tenso eficaz medido, utilizou-se uma tabela interna no programa, referenciando-se

aos valores corretos de tenso aos valores de porcentagem exibidos no display. Desta forma,

quando o display exibe o valor de 70% da tenso eficaz requerida pelo usurio, a rotina de

programao busca o valor referente ao endereo de memria de 70% da tenso calculada

pela rotina, aplicando 161 volts na carga resistiva, conforme proposto inicialmente. Estes

valores so aproximados, pois dependem da variao da prpria rede eltrica e dos tempos das

rotinas de programao.

Estes clculos so transparentes ao usurio. Como feedback, a tenso requerida ser

exibida no displaye a tenso eficaz correta ser aplicada na lmpada.

3.4 Software de controle

O software desenvolvido em assembly tem como finalidade principal o controle dos

disparos do TRIAC por meio das entradas de dados. Tambm usado para clculo do perodo

da tenso alternada, exibio da sada ao usurio por meio do display de cristal lquido e

leitura dos sinais enviados pelo comparador analgico para controle do ponto de disparo. A

figura 3.19 mostra o diagrama de blocos do software do projeto.


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Figura 3. 19 - Diagrama de blocos do software

Para a programao, foi utilizado o editor de textos do Windows e do MS-DOS. O

programa foi gravado no microcontrolador ATMEL AT89C4051-24PU por uma gravadora

MACSYM, com compilador AVMAC51. Devido ao driver do hardware da gravadora, o

ambiente de programao foi o Windows 98. A gravadora utiliza a porta paralela do

computador, e seu driver s funciona no referido sistema operacional por ser antigo e o

fabricante no disponibiliz-lo para verses mais atuais de sistemas operacionais.

Ao se ligar o circuito na rede eltrica, a rotina de programao gravada nomicrocontrolador envia primeiramente sinais de controle para o display para que seja

preparado para receber dados e instrues. At este momento, nenhum dado gravado.


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Tambm so habilitadas as portas P3.1 e P3.3 para leitura dos sinais enviados pelo

comparador analgico e pelo boto incremental, respectivamente, ao mesmo tempo que a

porta 3.0 preparada para enviar sinais para o disparo do TRIAC.

Aps este momento, as primeiras mensagens so gravadas no display. Na primeira

linha passado um parmetro para que a mensagem de boas vindas seja exibida, enquanto a

segunda linha exibe a verso do software gravado. Estes dados podem ser editados pelo

programador.

Em rotinas internas o registrador R6 zerado, que onde os dados exibidos no display

so gravados. Tambm a tabela de valores de tenso criada, onde R1 o registrador que

guarda os valores de porcentagem entre 0% e 100%, a se iniciar no valor de memria 24H,

para 0%, terminando no endereo de memria 2EH, para o valor de 100%. R5 o registrador

que guarda o valor armazenado em cada endereo de memria de R1. por meio de R5 que

os valores exibidos de tenso eficaz no displayso vinculados ao valor de tenso aplicada

carga resistiva. A tabela 3.2 mostra os valores de R5 em cada um dos endereos de R1.

Percentual detenso aplicada

Percentual depotncia aplicada

Endereo dememria de

R1

Valor de R5armazenado no

endereo de R1100% 100% #2E 190% 81% #2D 2880% 64% #2C 3770% 49% #2B 4460% 36% #2A 5150% 25% #29 5840% 16% #28 6430% 9% #27 7120% 4% #26 7910% 1% #25 880% 0% #24 91

Quadro 3. 2Valores de R5 nos endereos de memria de R1

A mensagem acima descrita exibida por 4 segundos. Aps este perodo, a mensagem

inicial de boas vindas e de verso do software substituda pela mensagem de feedbackao

usurio, exibindo o valor percentual de tenso eficaz aplicada lmpada. Com esta mensagem

exibida, as portas referentes aos botes comeam a ser lidas, aguardando a entrada de dados

do usurio.


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Se em um primeiro momento o usurio aperta o boto decremental, mesmo sendo

exibida uma mensagem de 0% de tenso aplicada nada ocorre, j que o software no

possibilita a entrada deste dado invlido. O mesmo ocorre caso haja uma entrada de dado

incremental com a tenso aplicada j em 100%.

Com o pressionamento do boto incremental, os valores de R6, R1 e R5 so

incrementados em uma unidade ou em um endereo de memria, lembrando que o incremento

da mensagem no displayse dar de 10% em 10%. Com isto, os parmetros para controle do

TRIAC so gravados.

Para cada unidade solicitada pelo usurio em R5 por meio do display, sero contados

68 microsegundos, que 1% do perodo de meia onda considerado, 6,8 milisegundos. Como o

tempo do perodo da senide de 16 milisegundos aproximadamente, utilizou-se como base

para os clculos 8 milisegundos, que o perodo de meia onda apenas. Destes 8 milisegundos,

foi constatado empiricamente que os valores mais aproximados dos valores ideais de tenso

aplicada carga se davam quando era desconsiderados 1,2 milisegundos do perodo de meia

onda. Isto se d por fatores no lineares do circuito, e tambm pelo tempo que as rotinas de

programao levam para serem executadas pelo microcontrolador.

Enquanto houver sinal de entrada na porta do comparador analgico o tempo sercontado para o disparo do TRIAC. Assim que o sinal detectado pelo microcontrolador, um

tempo determinado por R5 aguardado, e ento enviado um sinal para que o TRIAC

mantenha-se aberto. O TRIAC mantm-se em seu estado atual enquanto o sinal na porta do

comparador analgico no for modificado, seja disparado ou impedindo o chaveamento da

tenso sobre a lmpada.

Cada vez que o sinal do comparador analgico modificado, ou seja, muda de zero

para um ou vice-versa, os botes so checados, verificando-se assim se o usurio desejaincrementar ou decrementar a tenso aplicada, at que o circuito seja desligado.

Abaixo segue o cdigo brevemente comentado, com algumas caractersticas

importantes dos segmentos do software apresentados salientadas.

Uma mensagem de apresentao exibida no display, contendo o nome do projeto e a

verso do software. Na figura 3.20 mostrado o cabealho do programa, a declarao das

portas do microcontrolador e as mensagens de apresentao.


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Figura 3. 20 - Cabealho do programa

Esta mensagem inicial se mantm por quatro segundos. Aps este perodo, onde as

portas de entrada de dados ainda no esto ativas, mostrado no display uma mensagem

indicando o que exibido, alm do percentual de tenso inicial, zero. Com esta mensagem, as

portas do microcontrolador responsveis por ler os incrementos e decrementos de

porcentagem de tenso inseridos pelo usurio j esto ativas, aguardando a entrada de dados.

Para cada instruo ou dado enviado ao displaypara exibio existe um tempo mnimo para

que a instruo seja reconhecida ou o dado escrito. A figura 3.21 mostra as rotinas para que as

instrues e dados sejam reconhecidos e gravados no display.

Figura 3. 21 - Rotinas de configurao do display


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O display no entende os dados na forma de linguagem humana. Para que sejam

gravados e exibidos, deve se converter os sinais enviados pelo microcontrolador em uma

forma que o displayos entenda e os apresente de forma compreensvel. Para tanto, deve-se

converter os valores em cdigo BCD (Binary-Coded Decimal- Codificao Binria Decimal),

que uma codificao utilizada para representar os nmeros decimais de 0 a 9. Tambm

devem ser convertidos os sinais de cdigo binrio para letras, segundo uma tabela de

converso de valores binrios para decimais e hexadecimais, a tabela ASCII. A figura 3.22

mostra estas rotinas de converso.

Figura 3. 22 - Converso BCD e ASCII

A figura 3.23 mostra as rotinas para gravar e exibir dados requeridos no display.

Conforme dito anteriormente, o display precisa de um determinado tempo para interpretar as

instrues e os dados. Estes tempos so tratados de maneiras diferenciadas, de acordo com a

natureza das requisies, instrues ou dados.


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Figura 3. 23 - Rotinas de exibio de mensagens

A figura 3.24 mostra as rotinas de gravao no display relacionadas s mensagens de

dados e instrues, alm da rotina para exibio dos dados inseridos pelo usurio.


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Figura 3. 24 - Rotinas do dimer

A figura 3.25 mostra as rotinas necessrias para gravao de dados e instrues

requeridas pelo kernelprincipal do software. Estas rotinas so chamadas caso seja necessrio

aguardar um determinado tempo para gravar um dado no display, por exemplo.

Figura 3. 25 - Rotinas de delay


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O controle de passagem da tenso pelo zero mostrado na figura 3.26. L-se a porta

referente aos sinais enviados pelo comparador analgico ao microcontrolador, interpretando o

sinal recebido. A rotina para verificao do zero da senide ativada, que o sincronismo

entre o microcontrolador e a tenso da rede que alimentar a carga resistiva. Desta forma, ao

primeiro comando do usurio, o TRIAC ser disparado via comando do microcontrolador

aps a passagem pelo zero, iniciando-se assim o incremento ou decremento medida que o

usurio inserir os dados. Basicamente a rotina ir ler a porta do microcontrolador referente ao

comparador analgico (3.1) at que um sinal seja percebido nesta porta, ou seja, at encontrar

o ponto de mudana de zero para um. neste ponto que a contagem de disparo do TRIAC

ter incio. Esta verificao ser efetuada em todo meio ciclo da senide de tenso.

Figura 3. 26 - Controle de luminosidade

A figura 3.27 exibe o incio do kernelprincipal e a tabela de atribuio de valores,

citada anteriormente. Os valores corretos de tenso so aqui referenciados por ponteiros,

mostrando corretamente ao usurio a porcentagem requerida e sua devida tenso aplicada

carga resistiva.


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Figura 3. 27 - Tabela de atribuio de valores

Na figura 3.28 mostra-se a seqncia do kernelprincipal desenvolvido. Aqui algumas

outras funes do programa sero requisitadas, como a leitura das portas dos botes de

entrada de dados, gravar dados no display, reconhecimento de aumento ou decaimento detenso efeedbackao usurio.

Figura 3. 28 - Kernel principal


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Para gravar o firmware no microcontolador, primeiramente deve-se compil-lo. Para

tanto, usa-se um programa especfico da gravadora, o AVMAC51, que cria, a partir do

arquivo *.ASM onde o programa est gravado, um arquivo *.BIN para gravao no

microcontrolador. A figura 3.29 mostra a tela do programa compilado.

Figura 3. 29 - Programa compilado

Aps compilado, o arquivo *.BIN gerado. Dentro do programa da gravadora, este

arquivo deve ser colocado em bufferpara ento ser inserido no microcontrolador. A figura

3.30 mostra o programa e o arquivo projeto.binsendo gravado em buffer.

Figura 3. 30 - Arquivo gravado em buffer


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Agora o software est pronto para ser escrito no microcontrolador. Deve-se primeiro

apagar os dados do microcontrolador para ento iniciar a gravao. Aps este procedimento, o

firmware do microcontrolador est nele gravado, conforme mostra a figura 3.31.

Figura 3. 31 - Tela de gravao do microcontrolador

3.5 Testes

Neste tpico trataremos dos testes realizados com o projeto. Com o circuito elaborado

e o programa desenvolvido, alguns testes foram realizados a fim de verificar a eficincia do

circuito. A figura 3.32 mostra o projeto por completo, ainda desligado.

Figura 3. 32 - Circuito desligado


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Ao se ligar o circuito em uma rede de alimentao de 220 volts e ao se acionar a chave

do circuito, a lmpada se mantm apagada, enquanto uma mensagem de apresentao

exibida no display, conforme ilustra a figura 3.33. Isto mostra que, mesmo com a alimentao

ligada, o TRIAC no chaveia a tenso e no h disparos por meio de seu gatilho.

Figura 3. 33 - Mensagem de apresentao

Aps a exibio da mensagem de apresentao o programa mostra no display umamensagem de porcentagem de potncia aplicada carga, como feedbackpara o usurio. De

acordo com o incremento ou decremento exibido no display, a rotina de programao mudar

o ponto de disparo no TRIAC sobre a onda de tenso CA. Na figura 3.34 exibida a

mensagem defeedbackpara o usurio.

Figura 3. 34 - Mensagem de feedback


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Na figura 3.35 exemplifica-se o incremento da tenso na lmpada. Neste caso temos

100% de potncia aplicada lmpada, que corresponde a 227 volts.

Figura 3. 35 - Potncia aplicada de 100%

Medindo-se a tenso nos terminais da lmpada, espera-se que a senide de tensotenha um comportamento parecido com o mostrado na figura 2.3. A figura 3.36 mostra a

senide de tenso chaveada pelo TRIAC para um percentual exibido no display igual a 10%.

Figura 3. 36 - Senide chaveada em 10%


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Da mesma forma, para um valor exibido no display de 30%, temos a senide exibidana figura 3.37.


A figura 3.38 mostra o formato de onda para uma exibio no display de 50%. Oparmetro vertical foi deslocado para baixo no osciloscpio para que o pico da onda fosse

visvel.



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Tambm a figura 3.39 exibe um formato de onda chaveado pelo TRIAC, porm paraum valor no display de 70%.


Finalmente, tem-se o chaveamento de 100% da tenso pelo TRIAC, mostrada nafigura 3.40. Nota-se que a tenso no completa, visto que o TRIAC precisa de uma correntemnima para que possa conduzir corrente, alm dos tempos de execuo das rotinas de

programao. Devido amplitude da senide e a limitao do osciloscpio (400 volts deentrada), no se pode visualizar a senide completa, quando o display mostra 100%.



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No segmento regulador de tenso, a senide de 12 volts medida mostrada na figura

3.41. A senide vista um sinal capturado antes de ser retificado e amortecido pelos diodos

em ponte.

Figura 3. 41 - Sada do transformador

Os pulsos do TRIAC tambm podem ser visualizados. A figura 3.42 mostra os pulsos

para um valor mostrado no display de 10%.

Figura 3. 42 - Pulsos TRIAC para 10%


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A figura 3.43 mostra os pulsos para um valor exibido no display de 30%.


Para pulsos chaveando 50% da onda, tem-se o formato de onda mostrado na figura

3.44.



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Para valores de exibio de 70%, os pulsos do TRIAC so percebidos na figura 3.45.



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CAPTULO 4 - CONCLUSO

Este projeto visa o controle da potncia aplicada a uma carga por meio da utilizao de

um microcontrolador da famlia 8051 e um dispositivo de chaveamento, TRIAC. Por

princpio, este circuito deve atender a uma carga resistiva que seja acoplada ao circuito. Por

meio do controle do tempo de disparo do TRIAC em relao ao perodo da senide de tenso,

podemos aplicar uma determinada potncia carga em questo.

A proposta inicial de se controlar a potncia aplicada a uma carga resistiva foi

alcanada com xito. De acordo com a tenso eficaz aplicada na carga resistiva, os valores de

potncia aplicada podem ser calculados.

Para se chegar a este mtodo de controle, diversas dificuldades foram encontradas. A

primeira delas seria mensurar o circuito, encontrando os componentes ideais para seu

funcionamento e proteo de seus dispositivos. Com alguma consulta a circuitos

desenvolvidos para fins parecidos, esta dificuldade foi superada.

Outro problema foi resultado do uso de displaysde ctodo na sada de dados para o

usurio. Por serem visveis por multiplexao, os LEDs do display consumiam um tempo

demasiadamente grande para que pudessem ser visveis a olho nu, o que acabou levando ao

uso de displayde cristal lquido.

A contabilizao dos tempos de execuo das rotinas de programao foi a maior

dificuldade. Isto levou ao uso de tabelas de referenciamento no software de acordo com

valores empricos medidos, retornando os valores inseridos pelo usurio e os respectivos

valores de tenso eficaz aplicados carga resistiva.Tambm importante citar que o uso de um comparador analgico externo ao

microcontrolador se deu pelo fato de que os resultados obtidos com o comparador interno

este dispositivo no foram satisfatrios. O sinal de sada estava com os semi-ciclos

desproporcionais. Ao se utilizar um comparador analgico externo, o sinal medido ficou

satisfatrio.

O desenvolvimento da prpria rotina de programao foi um desafio parte, j que

seu desenvolvimento exige conhecimentos profundos tanto do software quando do hardware

do que se quer controlar.


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O circuito desenvolvido se mostrou confivel, tendo o controle de potncia uma

margem de erro aceitvel.

Em projetos futuros, existe a possibilidade de se extender a utilizao do circuito para

aplicaes realmente prticas, como o controle do aquecimento da gua de um chuveiro

eltrico, ou o controle de potncia sobre o torque de um motor, ou at mesmo aplicado a

sistemas de iluminao completos, considerando-se as diferenas existentes em um circuito

puramente resistivo e um circuito indutivo.

O software desenvolvido pode ainda ser otimizado, refinando-se o range de feedback

de 10% para 1%, alcanando assim uma maior preciso de controle.


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REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

[1]- ALEXANDER, Charles K. Fundamentos de Circuitos Eltricos. So Paulo: McGraw-

Hill, 2000.

[2]- COM

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Circuito para controle microcontrolado de Tiristor e Triac