UNIVATES

CURSO DE TCNICO DE ELETRNICADE NVEL MDIO,COM

NFASE EM MANUTENO DE TELEMTICA

DISCIPLINA: ELETRNICA INDUSTRIAL

CONTEDOS

A) AMPLIFICADORES E COMPARADORESB) TIRISTORES C) SCRSD) TRIACSE) TUJSF) CIS 555G) CIS PLLH) CONTROLADORESI) CIS ESPECIAIS

Carga Horria Total : 60 horas

Professor: Robson Schaeffer

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Esta disciplina representa a continuao dos estudos de eletrnica,iniciados em Eletrnica I e seguidos da II. Aqui vamos conhecer maisalguns componentes alm dos j conhecidos resistores, capacitores,indutores, diodos, transistores e amplificadores operacionais. Oscomponentes que vamos estudar em Eletrnica Indust rial so os aplicadosna interface dos sistemas de controle com as mquinas e dispositivos deuso industrial. Tambm veremos, alm dos componentes, algunsequipamentos de uso industrial.

A) AMPLIFICADORES E COMPARADORESRecapitulando o que vimos : Amplificadores operacionais socomponentes muito versteis, que tem aplicaes bem variadas, sendoteis em toda eletrnica de controle. As cinco caractersticas fundamentaisdos operacionais so:

Impedncia de entrada infinita; Impedncia de sada zero; Ganho infinito em lao aberto; Banda passante infinita; Balanceamento perfeito entre as entradas.

Existem operacionais dedicados a aplicaes especficas, com construointerna diferenciada para atender requisitos determinados de performance,tais como banda larga, baixo rudo, alto slew rate , etc. Uma classeespecial de amplificadores operacionais a dos comparadores.

J vimos os amplificadores diferenciais, que usam as duas entradas,inversora e no- inversora, e amplificam a diferena. Podemos consideraros comparadores como um tipo especial de amplificador diferencial. Elesservem como blocos teis em sistemas analgicos ou hbridos(analgicos /digitais) respondendo pergunta: A entrada analgica maiorou menor que o sinal analgico de referncia ?

Um comparador pode ser feito a partir de um operacional padro, tipo o741, desde que o usemos sem realimentao, ou seja em lao aberto. Nestaconfigurao o ganho elevadssimo e qualquer diferena entre as duasentradas do Opamp ser amplificada milhares de vezes. Assim semantivermos, por exemplo a entrada inversora aterrada, basta uma tensomuito pequena na entrada no- inversora para levar o operacional saturao. Em Eletrnica II vimos que um 741 alimentado por + e - 10Vtem sua sada limitada em +/ - 9 V. Tambm vimos que seu AVOL =100000. Portanto, para termos a sada limitada em 9V, basta termos naentrada no- inversora 9V/100000 = 90 V. O que significa que basta a

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entrada + estar 90 V acima do terra para levar o 741 saturao positivaou estar a 90 V abaixo do terra para levar o 741 saturao negativa.

A figura abaixo ilustra o circuito tpico do comparador com operacional.

V s a i V i n

+

Figura 1 - Comparador

O grfico direita ilustra a sada em funo da entrada. Como a entradainversora esta aterrada (em zero volts), a comutao da sada acontece emtorno do zero. Por isto chamamos este circuito de detetor de passagem porzero. Podemos facilmente alterar este ponto de mudana de estado docomparador simplesmente conectando um divisor de tenso entradainversora. Desta forma quando Vin for maior que a tenso de refernciaaplicada entrada inversora, a sada do comparador ser positiva. Atenso de referncia para fins de comparao pode ser positiva ounegativa, se dispusermos de alimentaes simtricas. Os sinais de entradae de referncia podem ser tenses ou correntes. Este circuito comumentechamado de detetor de limite, pois nos diz se a entrada superior ouinferior a um limite (a tenso de referncia).

Nos casos de alimentao com fonte nica (carros, etc..) podemos usar asmesmas tcnicas, s que a sada do operacional ficar limitada entre algoacima do zero e um pouco abaixo do VCC, como ilustra o grfico abaixo:

Vsai

Vin Fig 2 - Comparador com fonte nica Vref

Quando a entrada for superior referncia, a sada vai a nvel alto (1) eesta sada pode ser usada como entrada numa porta lgica, por exemplo,ou para acionar algum elemento de controle ou mecanismo de segurana.

3

Vin

Vsai

Os comparadores so muito usados como interfaces entre o mundoanalgico e o digital.

At agora falamos de usar operacionais como comparadores, mas existemcircuitos integrados projetados e construdos especificamente parafuncionarem como comparadores. Os operacionais, principalmente os deuso geral como o 741 tentam atender todos os requisitos para amplificaode sinais. Os comparadores tem caractersticas especficas para executarsua funo. Uma das caractersticas mais marcantes para diferenciar umoperacional de um comparador o slew rate. Como os operacionais temque atender requisitos de banda passante e estabilidade do ganho emfreqncia, eles possuem os capacitores de compensao em freqncia.Isto ajuda muito neste aspectos, mas quando queremos que a sada muderapidamente de um a estado a outro, estas capacitncias de compensaocausam um atraso e limitam a taxa de variao do sinal. Num comparadoresta limitao no desejvel. Devido principalmente a este fator os CIscomparadores so fabricados diferentemente dos operacionais.

Outra caracterstica dos comparadores que os diferencia dos Opamp noestgio de sada. Os operacionais no conseguem ir a zero, nem a VCC nasada, por caratersticas internas de seus circuitos. Para garantir uma maiorconfiabilidade nos circuitos de interface, os comparadores tem seu estgiode sada um transistor como chave, em coletor aberto. Isto significa queprecisamos conectar a sada do comparador alimentao (VCC) atravsde um resistor, chamado de pullup resistor. Este resistor eleva a tensode sada VCC quando o transistor de sada estiver cortado. No outroestado, transistor saturado, a sada ser bem prxima de zero (0,2 a 0,3V).Num operacional tipo 741 difcil a sada ir a menos de 1V se ele foralimentado com fonte nica. O circuito abaixo mostra o estgio de sadaem coletor aberto e um resistor tpico de pullup de 1K que ligado do VCCao pino de sada:

S a d a d o d i f e r e n c i a l

P i n o s a d a 1k

+V5V

NPN

Figura 3 - Sada coletor aberto

Um dos comparadores mais populares no mercado mundial o LM339, umCI de 14 pinos com 4 comparadores dentro (quad comparator). Ele possuisada em coletor aberto. Este tipo de comparador tem um tempoaproximado de chaveamento em torno de 1 s.Abaixo mostramos um circuito tpico com o LM339 para interface comsinais digitais CMOS ou TTL.

4

Vsai +10V

+10V

+V5V

R1

R2

1k

Vent LM339

Figura 4 - Circuito tpico de comparador com LM339

Neste circuito a sada ser zero enquanto a tenso de entrada Vent forinferior tenso de referncia Vref dada pelo divisor entre R1 e R2 ( Vref= x 10V). Quando a tenso de entrada ultrapassar Vref a sada vira paranvel 1, neste caso 5V, adequado tanto para TTL como para CMOS.

COMPARADOR DE JANELA (SCHMITT TRIGGER)

Como o comparador muda rapidamente de estado, se o sinal de entradaestiver perto do sinal de referncia e apresentar algum rudo, a sada docomparador pode ficar virando de um estado a outro devido ao rudo. Paraevitar isto e tambm para muitas aplicaes industriais, foi inventado umcircuito de comparador que usa realimentao positiva para causar umamudana brusca de estado na sada, que foi chamado de Schmitt trigger.Este circuito tambm chamado de comparador regenerativo, pois usa arealimentao positiva para assegurar uma mudana de estado rpida.Quando a tenso na entrada atinge o limiar, ou ponto de disparo (trigger) amudana brusca, com tempo de transio muito pequeno. Esta acaracterstica principal do Schmitt trigger. Normalmente a estacaracterstica est associada uma outra chamada de histerese.

HISTERESE = Diferena na resposta de um sistema ou componente a umsinal que est aumentando ou diminuindo. Ou ainda: uma no linearidadena resposta de um sistema pois a resposta (sada) no depende unicamentedas entradas, mas tambm do passado recente da entrada e da sada.

Um comparador Schmitt trigger tambm chamado de comparador dejanela. Este ltimo nome provm da forma de onda da relao entre aentrada e a sada, conforme mostrado abaixo.

+Vs Vsai

Figura 5 Janela- BVs +BVs Vent

- Vs

5

O grfico mostra uma janela que existe entre o caminho de ida e o devolta. Olhando para a figura vemos que, enquanto Vent for negativo a sada positiva (+Vs). Aumentando Vent at ficar positiva, a sada permanecepositiva, at que Vent atinja +BVs. Neste ponto a sada comuta de positivapara negativa (- Vs). No sentido inverso, enquanto Vent for positiva, a sadaser negativa. Seguindo baixando Vent at ficar negativa, a sadapermanece negativa at que Vent atinja - BVs. Neste ponto a sada retorna positiva. Quando a tenso de entrada estiver entre +BVs e - BVs a sadapode estar positiva ou negativa, dependendo de estar Vent aumentando ou diminuindo. Isto a histerese, ou seja o caminho de ida diferente do devolta.

Na ilustrao abaixo temos o circuito tpico de um comparador de janela.

Figura 6 - Circuito de comparador janela

Vemos que neste circuito o sinal Vent aplicado na entrada negativa.Assim quando Vent for negativo, a sada ser positiva. A realimentaoneste circuito positiva, pois o sinal de sada somado ao sinal da entradapositiva e no subtrado. Com realimentao positiva, a sada sendopositiva leva a entrada + para cima, o que leva a sada a ficar mais positivaainda, at saturar o comparador. Se Vent chegar a ficar positiva e atingir+BVs a sada comea a virar para negativa e com isto a entrada + ficanegativa, levando a sada a ficar mais negativa, at saturar negativamente ocomparador. Estamos falando do ponto de transio BVs, mas o que o B ? o fator de realimentao dado pela relao entre R1 e R2.

B = R2

R1R2

Ajustando os valores de R1 e R2 podemos variar a largura da nossa janela,para que a mesma seja maior que o rudo pico a pico do sinal de entradaVent. Note- se que temos a variao da janela simtrica em relao ao zerovolts na entrada. Podemos alterar isto ligando R2 a uma tenso dereferncia em vez do terra. Vide exemplo abaixo:

Exemplo de Schmitt trigger:6

Figura 7 - Schmitt trigger

Neste circuito, com estes valores, podemos calcular a histerese e os pontosde comutao.

Quando Vent for negativo, a sada ser Vs = +5V. Isto leva a entrada + aestar com a tenso = Vref + Vs = x 1 + x 5 = 1,04V

Quando Vent for positivo, atingindo 1,04V a sada vira para negativo (- 5V)e a tenso na entrada positiva fica:

Vref - Vs =x 1 - x 5 = 0,94V

Note que se Vref = 0, ou seja R2 aterrado, temos o mesmo circuito inicialdo comparador de janela e a parcela Vref x R1/(R1+R2) fica nula. Assim atenso na entrada + apenas

BVs = Vs

No nosso exemplo o intervalo entre as comutaes para negativo e parapositivo de1,04 - 0,94 = 0,1V. Assim o comparador imune a interferncias e rudosde at 0,1V. Esta histerese do nosso comparador. Reiteramos que bastaalterar a relao entre R1 e R2 para mudar a histerese. Os pontos onde ocircuito muda de estado so os chamados ponto de disparo (trigger)superior (1,04V no exemplo) e inferior (0,94V no exemplo).

O Schmitt trigger muito usado quando temos um sinal na entrada quevaria lentamente e queremos obter uma sada que mude abruptamente,como por exemplo para obter uma onda quadrada a partir de uma senide.Assim que o sinal na entrada ultrapasse um dos pontos de disparo h umamudana abrupta causada pela realimentao positiva.

EXERCCIOS:

1) Desenhe o esquema de um comparador que mude a sada quando aentrada for superior a 2V.

2) No circuito da figura 7 altere os valores de R1 para 5K e R2 para 220 .Mantenha o resto inalterado e calcule a nova histerese.

3) Num sistema temos um sinal de at 1V com rudo de 20mV. Sempre queeste sinal ultrapassar 1V devemos sinalizar o controle com um alarmesonoro. Para evitar que o rudo perturbe o sinal de controle, queremos

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usar um Schmitt trigger que elimine este rudo. Projete o circuitoadequado. A alimentao do sistema de + 15V.

4) Qual o ponto de comutao do circuito abaixo?

Fig 8

COMPARADORES COM HISTERESE AJUSTVEL

Podemos usar um Opamp para montar um comparador com um ponto dedisparo (trigger) fixo e histerese ajustvel. Para facilitar a interface comsinais digitais, podemos usar um zener na sada do operacional conformemostra o esquema abaixo, ou ento tirar o sinal de sada direto do Opamp.

fig 9 - Comparador com histereseNeste circuito comparador o diodo no lao de realimentao bloqueia umadas polaridades da realimentao. Assim a histerese se desenvolve apenaspara um dos dois estados da sada do comparador. Esta realimentaopositiva via R2 se soma ao sinal de referncia Eref. Ento na entrada + dooperacional temos Eref quando a realimentao fica bloqueada e temosEref + V quando a realimentao positiva acontece. V definida por:

V = , quando VZ > Eref

Variando R2 iremos variar a parcela da sada somada Eref e assimalteramos a histerese. O outro ponto de mudana de estado fica fixo emEref pois o diodo bloqueia.

8

Es

EeEref

VVV

Como j dissemos acima a sada pode ser tirada tanto do zener comodireto no operacional. R3 serve para limitar a corrente no zener e R4 paradescarregar a capacitncia do diodo. Tirando a sada do zener temos osvalores fixos VZ e zero, enquanto que tirando do operacional a sada vai aprximo de Vcc e - Vdd.

Outro circuito de comparador de janela mostrado abaixo:

Fig 10 - Comparador de janela

PRTICA I

COMPARADORES

OBJETIVO:Esta prtica visa observar o funcionamento dos comparadores tipo LM339,com e sem histerese.

EQUIPAMENTO:02 Fontes de alimentao;Multmetro;Osciloscpio;

MATERIAL:CI LM339;Resistores de 8K2, 2K2 e 1K;

PROCEDIMENTO:1) Monte o circuito abaixo para verificar o funcionamento do comparador

sem histerese;

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2,3 4,7

Een t

Esai

2) Ajuste a tenso da fonte 1 para 10V e a fonte 2 para 1,5V. Conecte afonte 1 ao circuito, deixando- a desligada e ligue o osciloscpio em Vsai,ajustando para medir CC, 2V/div.

3) Conecte a fonte 2 desligada em Vent e ligue as fontes 1 primeiro e 2depois. Observe no osciloscpio a tenso Vsai e anote seu valor.

4) V subindo lentamente o valor da fonte 2 e observe no osciloscpio Vsai.Quando Vsai mudar de estado, mea o valor de Vent e anote.

5) Baixe lentamente o valor da fonte 2 e observe no osciloscpio Vsai.Quando Vsai mudar de estado, mea o valor de Vent e anote.

6) Inverta as entradas do LM339, passando Vent para o pino 4 e a junodos resistores para o pino 5. Conecte um resistor de 12K entre a sadado LM339 e o pino 5. Varie a tenso Vent at que a sada mude de estadode alto para baixo e vice- versa, fazendo o grfico da resposta docircuito.

TIRISTORES

TIRISTOR o nome dado aos dispositivos bi- estveis que possuam 3 oumais junes, onde pelo menos uma pode mudar de estado (conduz - noconduz) quando alteramos as caractersticas de tenso ou corrente sobre omesmo.

Tiristor o termo genrico que inclui todos os tipos de chaves tipo pnpntais como:

SCR - retificador controlado de silcio; TRIAC - tiristor triodo bidirecional; LASCR - SCR ativado por luz; FET- CTH - tiristores controlados por FETs; MCT - tiristores controlados por MOS; GTOS, RCTs ,SITHs, etc

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Os tiristores possuem trs terminais: anodo(A), catodo (K) e gatilho (gate)(G).

O smbolo e a estrutura interna das junes mostrada abaixo: A

G K

fig 11 Tiristor - smbolo e estrutura interna

Este smbolo do tiristor genrico, podendo representar tambm o tipomais comum de tiristor que o SCR. Vamos explicar inicialmente comofunciona o SCR e mais adiante o TRIAC. Os outros tipos de tiristores temsimbologia diferente e funcionamento tambm diferenciado, sem fugir dadefinio dada acima. Nosso curso de Telemtica no pode se dedicarmuito aos outros tipos de tiristores pelo extenso contedo que temos quecobrir. Caso necessitem conhecer algo mais sugerimos o livro Eletrnica dePotncia de Muhammad Rashid ou outros similares. Tiristores soindispensveis nos circuitos de controle de potncia industrial. H umaextensa literatura a respeito e seu estudo requer uma base matemticaavanada, bem como a teoria de sistemas de controle. Os inversores econversores estticos para controle de mquinas e motores so exemplosde aplicaes de tiristores.

Em muitos pases os termos Tiristor e SCR so usadosintercambiavelmente. Contudo eles no so 100% equivalentes. Tiristor um termo mais genrico que SCR, sendo originado do grego e significandoporta. Tiristores so sempre como chaves que deixam ou no passarcorrentes, dependendo de um circuito de controle.

SCRs

O SCR (silicon controlled rectifier ou retificador controlado de silcio) otiristor mais comum no mercado. Seu smbolo o mostrado na figura 11acima. Como podemos ver eles possuem terminais com nomes conhecidos:anodo, catodo e gate. Os termos anodo e catodo nos lembram dosprimeiros semicondutores que estudamos: os diodos. O prprio smbolodo SCR lembra um diodo, diferindo apenas pela presena do gate. Damesma forma o nome retificador controlado lembra o do diodo retificador.Isto no por acaso. O SCR foi inventado justamente como um avano dodiodo, permitindo um controle sobre a funo de retificao.

Lembram que os diodos conduzem apenas quando polarizadosdiretamente, ou seja tenso no anodo maior que a do catodo. Quando atenso no anodo for menor que a do catodo dizemos que ele est em

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P N P N

J1J2

J3

bloqueio. O SCR tambm fica em bloqueio quando a tenso no anodo formenor que a do catodo . Nesta condio de bloqueio a corrente pelo SCR nula, teoricamente e da ordem de alguns mA na prtica.

Quando aplicamos uma polarizao direta no SCR, diferentemente dodiodo, ele ainda no entra em conduo . Para que ele conduza necessrioalgo mais. Normalmente usamos um pulso no gate (gatilho) para disparar oSCR. Alm do pulso veremos outras maneiras de dispar - lo.

O funcionamento do SCR ideal pode ser mostrado pela figura 12 abaixo:

I

VAK

Figura 12 : o SCR ideal

Vemos pela ilustrao aquilo que explicamos acima, ou seja com tensoVAK negativa (polarizao reversa) a corrente pelo SCR zero. Se VAK forpositiva (polarizao direta) a corrente pode ser zero se no disparamos oSCR (bloqueio em polarizao direta) ou pode aumentar muito, com atenso VAK caindo a zero. Claro que esta uma condio s ocorre numSCR ideal.

O SCR depois de disparado permanece em conduo mesmo que retiremoso pulso de disparo. O pulso de disparo destrava o SCR e ele ficaconduzindo at que a tenso VAK caia para zero ou fique negativa ou entoat que a corrente por ele caia abaixo de um nvel mnimo chamado de IH -corrente de manuteno (I Holding).

Podemos tambm explicar o funcionamento do SCR como uma trava feitacom um par de transistores complementares conforme mostramos abaixo:

Figura 12 SCR como dois transistores

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P N P

N

Sem d isp aro

P

Com p u lso d e d isp aro

N

K

A

G

Numa condio inicial os transistores esto cortados. Se aplicamos umatenso negativa entre anodo e catodo os transistores seguiro cortados,pois temos duas junes (J1 e J3) com polarizao reversa. Ao aplicarmosuma tenso positiva entre A e K as junes J1 e J3 ficam polarizadasdiretamente, porm J2 ainda est polarizada reversamente. Assim ostransistores seguem cortados, pois no h corrente de base em nenhumdeles.

Para que haja conduo entre A e K preciso uma corrente de base,aplicada em G. Esta corrente, mesmo que seja um pulso estreito, faz comque o transistor NPN comece a conduzir. Ao conduzir o NPN sua correntede coletor aumenta substancialmente (Ib) o que faz circular uma correntede base no PNP. Esta corrente de base aciona o PNP, cuja corrente decoletor circula e aciona mais ainda a corrente de base do NPN.Aumentando a corrente de base do NPN aumenta sua corrente de coletor, oque aumenta a conduo do PNP e assim por diante numa realimentaopositiva que leva ambos transistores saturao. Assim o pulso de disparos necessrio para iniciar o processo. A prpria realimentao positiva seencarrega de manter o processo.

Uma pequena corrente de base suficiente para disparar o SCR, comomostra a analogia com os dois transistores. Esta corrente chamada decorrente de disparo . A partir da aplicao do pulso de disparorapidamente os transistores atingem a saturao e o circuito fica travadoem conduo. Por isto se chama de trava com transistores. Este travamentose d tanto em bloqueio como em conduo. Para faz- lo mudar de estadoprecisamos algo externo agindo sobre o SCR abrindo ou fechando atrava.

Na condio de conduo (on- state) , tecnicamente chamada depolarizao direta em conduo, a queda de tenso ideal entre A e K zero, ou seja toda tenso aplicada repassada carga. Num SCR real huma queda em torno de 1,0 a 1,8V entre A e K.

Na condio de bloqueio (off- state) a corrente que circula, em teoria zero, e na prtica fica entre 0,1 a 0,3 mA para os SCR de baixa potncia eentre 10 e 500mA para os de alta potncia. Note- se que temos SCRscapazes de chavear cargas de mais de 1000A.

Outra forma de ligar o SCR, ou seja fechar a trava, aumentando atenso VAK at atingir VBO, ou tenso de ruptura (breakover). Assimconseguimos injetar portadores na juno J2 que est polarizadareversamente, e criamos o fenmeno de avalanche. Porm este tipo dedisparo pode ser destrutivo e deve ser evitado. Os fabricantes informamVBO e devemos sempre evitar aplicar tenses muito prximas a ela.Outro fato a considerar a respeito do disparo do SCR que o pulso dedisparo deve ser estreito, com energia suficiente apenas para iniciar oprocesso de realimentao positiva. Manter o pulso aps isto desperdciode energia e aumenta as perdas na juno de gatilho.

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Tambm no se deve aplicar sinal de gatilho quando o SCR estiverpolarizado reversamente pois isto pode aumentar muito a corrente de fugae danific- lo.

Devemos aplicar um pulso de disparo que garanta a entrada em conduodo SCR. Isto implica em uma tenso mnima e numa corrente mnima dedisparo. Valores tpicos so da ordem de 0,8V e 10mA para SCRs de baixapotncia. Ao aplicarmos este pulso de disparo o SCR entra em conduopassando por uma regio de resistncia negativa, onde aumenta a correntepelo SCR, mas a queda de tenso entre anodo e catodo diminui. Quantomaior for a corrente de porta (ou de gatilho) menor ser a tensonecessria entre A e K, pois a tenso direta de bloqueio diminui . A figuraabaixo ilustra esta caracterstica.

Figura 12 - Curva real de um SCR

Podemos observar nesta figura que a corrente IGT a corrente mnima paradisparo do SCR na tenso VT. Tambm podemos ver os parmetros IL e IH.

IL a corrente mnima que deve circular pelo SCR para garantir que elefique travado em conduo (IL = latching current), isto uma vez que oSCR comear a conduzir seja por avalanche ou por disparo de gatilho, se acorrente por ele no atingir IL ele volta a ficar cortado. Uma corrente acimade IL garante os portadores suficientes para manter o travamento.

J IH a corrente de manuteno, ou seja aps o SCR ter sido disparado eentrado efetivamente em conduo, temos que garantir que a corrente porele no caia abaixo de IH caso contrrio ele entra em corte outra vez. IH vemde holding current. Se a corrente pelo SCR cair abaixo de IH faltamportadores na juno J2 o que recria a condio de depleo e o SCR travaem bloqueio. Notem que sempre IH menor que IL.

Resumindo as caractersticas do SCR: Para entrar em conduo:Tenso A- K positiva e pulso de disparo. Corrente acima de IL. Para cortar:Tenso A- K negativa ou corrente abaixo de IH.

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OUTRAS FORMAS DE DISPARO DE SCRs:

Alm do disparo por pulso ou por sobretenso o SCR pode ser disparadopor :

a) Variao brusca da tenso VAK;b) Aumento de temperatura;c) Luz atingindo a juno (LASCRs);

a) Se VAK aumentar muito bruscamente (dv/dt alto) haver uma carga noscapacitores das junes, especialmente J2 , capaz de fazer um dostransistores (do modelo com dois transistores) , comear a conduzir. Seisto ocorre, a realimentao positiva se encarrega de fazer o outrotransistor entrar em conduo tambm e o SCR fica disparado, mesmosem pulso no gatilho. Os valores de dv/dt para os SCR so da ordem de50 a 300V/ s. Temos que evitar esta taxa elevada de crescimento datenso VAK , para isto usamos um circuito amortecedor do crescimentoabrupto da tenso, chamado de snubber RC. Como o nome indica ele feito com um resistor e um capacitor, como mostra a figura abaixo:

O circuito RC em paralelo com o SCR faz com que a tenso VAK no consigaaumentar muito rapidamente, pois preciso primeiro carregar o capacitor,que inicialmente um curto, para que depois VAK cresa. A determinaode R e C dada por:

dvdt

= 0,632VfRC

, onde dvdt

dado pelo fabricante do

SCR, Vf a tenso da fonte que alimenta o SCR e RC a constante RC ,com R em Ohms e C em Farads.

b) Um aumento brusco da temperatura do SCR tambm pode coloc- lo emoperao, sem o pulso de disparo. Isto ocorre pelo aumento dosportadores nas junes, o que aumenta a corrente de fuga. Esteaumento da corrente, pela realimentao positiva pode causar o disparo.Temos que evit- lo.

c) Se pudermos aplicar luz ou outra forma de energia radiante sobre asjunes do SCR causaremos um aumento dos portadores eltron - lacuna,o que como no caso acima, aumenta a corrente de fuga e pode dispararo SCR. Existem SCR especialmente construdos para aproveitar estefenmeno, chamados de foto- SCR ou LASCR (SCR ativado pela luz).

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Circu ito snu bberRC

Estes SCRs possuem tambm o gatilho, por onde podemos ajustar asensibilidade com relao a luz incidente.

Outro fator a considerar no SCR o crescimento muito rpido da corrente,especialmente nos SCRs de maior potncia. Estes SCRs so maiores e paraque a corrente A- K se espalhe uniformemente por todas as junes necessrio um certo tempo. Se a corrente de anodo cresce maisrapidamente que o espalhamento de cargas pelas junes, isto podedanificar o SCR. Para evitar este fenmeno praxe usar um indutor emsrie com o SCR. Este indutor limita a taxa de elevao da corrente e aindaauxilia o snubber pois no deixa a tenso crescer demasiadamente rpido.

FORMAS DE COMUTAR UM SCR

Para levar o SCR ao corte j vimos que necessrio cortar ou inverter atenso A- K ou diminuir a corrente abaixo de IH. A comutao feita pelareduo da corrente abaixo de IH chamada de comutao natural ,enquanto que se tivermos que zerar ou inverter a tenso A- K, chamamos acomutao de forada .

A comutao natural se d nos circuitos em CA, pois nestes circuitos acorrente sempre cai abaixo de IH em cada semiciclo positivo. Em CA noprecisamos nos preocupar em fazer o SCR parar de conduzir, e sim temosque nos preocupar em faz- lo conduzir, garantindo um pulso de disparoem cada semiciclo.

Em CC a situao se inverte. Uma vez disparado o SCR ele no para maisde conduzir a menos que cortemos a alimentao ou de algum modoinvertamos a polaridade da tenso A- K. Uma maneira de fazer isto conectar um capacitor e uma chave em paralelo com o SCR e criar assimuma tenso reversa, como mostra a figura abaixo:

Um dos circuitos mais comuns de SCR em CC a proteo crowbar, ondedisparamos um SCR sempre que a tenso na sada exceder um certo limite.Este disparo corta a tenso na sada. Para restabelecer a tenso necessrio desligar a alimentao forando a comutao do SCR. Este tipode proteo usada em alguns tipos de fontes, normalmente associados alimitadores de corrente. Um circuito tpico de crowbar mostrado abaixo:

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+-

V s a i C a r g a

R 1

Z E N E RS C R

Como o SCR mais usado em CA, como retificador de meia onda, poisconduz num s sentido, veremos alguns circuitos. Inicialmente no circuitoabaixo o SCR estar cortado. Ao fecharmos a chave circular uma correntepelos resistores e pelo diodo. Podemos considerar que a juno de gatilhopara catodo (G- K) como um diodo que fica em paralelo com o resistorR1. Assim quando a tenso sobre R1 atinge em torno de 0,7V como se R1ficasse em curto e a tenso da rede ficasse aplicada sobre D1 e R2. ComoD1 em conduo apresenta resistncia quase nula, para efeitos de clculopodemos considerar a tenso da rede aplicada diretamente sobre R2.Sabendo a corrente de gatilho que dispara nosso SCR podemos calcular emque tenso da rede ocorre o disparo e quanto do semiciclo efetivamenteaplicado ao SCR.

60. 0Hz

220V

TIC226B

D1

R1

R2

Partindo da corrente de disparo do TIC106C que de 30 mA a uma tensode 7,0V e admitindo R2 = 330 temos:

IG = 30 x 10 - 3 = VR2

V = 330 x 30 x 10 - 3 = 9,9 V

Assim temos o valor exato da tenso V que dispara o SCR. Quando atenso CA atingir 9,9 V seguramente o nosso SCR ir disparar. Comonossa tenso CA de 220V ele ir atingir 9,9 logo a 2 graus (2202x sen = 9,9V), ficando conduzindo por quase todo o semiciclo positivo (88graus).

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Se trocamos R2 por 2K a tenso de disparo ser de 2K x 30 x 10 - 3 = 60 Ve o nosso SCR conduzir por apenas 78,8 graus, ficando cortado por 11,2graus.

Usando SCRs possvel apenas transferir a metade da potncia cargaem CA pois o SCR conduz apenas num semiciclo, ficando em bloqueio nooutro, quando a tenso se inverte. Podemos usar dois SCRs em ante -paralelo para conseguir transferir toda a potncia carga. Porm maiscomum usarmos um TRIAC, o qual veremos mais adiante.

PRTICA DE SCR

OBJETIVO: Aplicar a teoria estudada em aula sobre SCRs.

EQUIPAMENTO:OsciloscpioFonte CC

MATERIAL:SCR;Resistores 470, 1K8, 33k e 10KDiodo 1N4007Lmpada 12V/5WLmpada 60W, 220V

PROCEDIMENTO:1) Monte o circuito da esquerda abaixo deixando as chaves abertas. Ligue

a fonte ajustada para 12V;2) Feche a chave 1 e verifique se a lmpada acende;3) Feche a chave 2 e verifique se a lmpada acende;4) Abra a chave 2 e verifique se a lmpada continua acesa;5) Abra a chave 1 e verifique se a lmpada continua acesa. Desligue a fonte;6) Monte o circuito da direita para o resto da experinciaATENO : CUIDADO AO TRABALHAR COM A TENSO DA REDE7) Alimente o circuito pela rede 220V, 60Hz e verifique se a lmpada

acende;8) Feche a chave e verifique se a lmpada acende;9) Conecte o osciloscpio ajustado para AC, 20 V/div sobre a lmpada e

observe a forma de onda.

18

R11k8

CH1

+

-

18V

12V/5W

CH2

TIC106B

R2470

60. 0Hz

220V

TIC106B

1N4007

10K

33K

TRIACS

O TRIAC uma evoluo natural do SCR pois, como j dissemosanteriormente, o SCR s conduz em metade do tempo para correntesalternadas (CA). Assim para transferir potncia total carga foi inventadoo tiristor triodo bidirecional, nome oficial do TRIAC. Seu funcionamentopode ser entendido como se juntssemos dois SCR em oposio, de formasque um conduz no semiciclo positivo e o outro no negativo da tenso CA.O prprio smbolo do TRIAC indica esta semelhana com o SCR:

MT2

GMT1

Os terminais do TRIAC so chamados de terminal principal (MT1 e MT2) egatilho (G).Os terminais MT1 e MT2 so intercambiveis. A curva caracterstica doTRIAC igual do SCR, sendo porm dupla, uma para cada lado da tensoentre MT1 e MT2.

Seu funcionamento tambm muito assemelhado ao SCR. O TRIACtambm fica em bloqueio direto at atingir VBO (tenso de ruptura) ouento at receber um pulso de disparo no gatilho. A grande diferena como SCR que o TRIAC pode receber pulsos de gatilho tanto positivos quantonegativos. Dependendo da tenso entre MT1 e MT2 e do pulso ser positivoou negativo, temos definido os chamados quadrantes de operao doTRIAC, mostrados abaixo:

19

Tenso MT2- MT1 Pulso Gatilho Quadrante

>0 >0 I (ou I+) >0

Sempre considerando que a juno G- MT1 como um diodo, para efeitosde clculo, como no SCR. Nesta frmula VP a tenso de pico da rede, nocaso 2202. Sen a o quanto da tenso deixaremos passar. Se o ngulo afor zero, o valor de sen a = 0 e assim no adianta disparar o TRIAC napassagem por zero, pois neste caso a tenso MT1- MT2 tambm ser zero.Podemos comear disparando logo aps a passagem da senide por zero,talvez l pelos 2 graus (sen 2 = 0,0349). Com este circuito podemosdisparar at 90 graus (sen 90 = 1). Aps 90 graus os valores do senocomeam a se repetir e o assim no podemos disparar o TRIAC a mais de90 graus, pois na subida da onda a senide j passa pelo valor e dispara oTRIAC. Isto ficar mais claro com o clculo do circuito acima.

Calculando ento os valores de RT para garantir o disparo do TRIAC entre2 e 90 graus, temos:

para a = 2, sen a = 0,0349 e RT = 111,4

para a = 90, sen a = 1 e RT = 4115

Desta forma temos que R1 deve ser de 100 , em srie com umpotencimetro de 4K7 para podermos varrer toda a faixa de 111 a 4115 .Este circuito de disparo do TRIAC permite aplicar uma tenso eficaz entre220 e 155V na carga, calculada por:

Vef = 220 2 x - a/2 + (sen 2a)/4 a em radianos e

P = Vef 2 / R

As formas de onda na carga ficam como mostra a figura abaixo:

Variando o valor da resistncia R2 alteramos o ponto de disparo do TRIACentre 2 graus e 90 graus, pois com isto alteramos o momento em quetemos no gatilho energia (tenso e corrente) suficientes para fazer oTRIAC entrar em conduo. Na passagem da tenso por zero o TRIAC cortaoutra vez e ao chegar ao mesmo ngulo no semiciclo negativo h outrodisparo e assim sucessivamente.

21

Se quisermos disparar o TRIAC ou o SCR a mais de 90 graus precisamosconhecer outros dispositivos de disparo, como os DIACs e transistorunijuno, que veremos a seguir.

EXERCCIOS:

1) Calcule os resistores para acionar uma carga de 500W em 220V usandoo TRIAC TIC226D nos ngulos de disparo 5, 45 e 90 num circuitoidntico ao acima. Use VG = 2,0V e IGM = 10mA.

2) Calcule a potncia na carga para os trs ngulos acima. No esquea detransformar os graus em radianos ( 180 = radianos).

3) Num circuito similar ao acima queremos controlar uma resistncia deum aquecedor com 60W/220V para que a mesma consuma entre 50% e75% (a = 66 ) da sua potncia nominal. Calcule a tenso eficaz para tal eos resistores do circuito de disparo. Use um TRIAC com VG = 1,8V, IGM= 20mA.

4) Experimente disparar o TRIAC num ngulo de 120 e veja o queacontece.

Pelos exerccios acima vemos que no possvel disparar o TRIAC emngulos acima de 90 graus. Para isto precisamos conhecer outrosdispositivos de disparos: o DIAC e o SUS.

DIAC, SUS e SBS

O DIAC um diodo de trs camadas, com caractersticas de avalanchebidirecionais, que passa a conduzir quando a tenso sobre ele excede umdeterminado valor, tipicamente de 20 a 40V. Suas caractersticas so comouma chave disparada por um certo nvel de tenso, VD, que pode serpositiva ou negativa.

A curva que explica o funcionamento do DIAC igual do TRIAC, excetoque o DIAC no tem gatilho, sendo apenas disparado quando a tensosobre ele exceder a de disparo. O smbolo do DIAC tem trs verses, mas amais comum e oficial a da esquerda:

22

Um circuito tpico com DIAC e TRIAC mostrado abaixo. Ele usa umartifcio com constante de tempo RC para conseguir levar o ngulo dedisparo a mais de 90 .

R E D E

C a r g a

R2

C1

R1

DIAC TRIAC

Neste circuito a tenso da rede carrega o capacitor C1 atravs de R1 e R2.Quando o valor desta tenso atingir VD ( a tenso de disparo do DIAC) oDIAC entra em conduo e passa a acionar o TRIAC. Com a conduo doDIAC forma- se um caminho via gatilho do TRIAC para descarga de C1. Nosemiciclo seguinte a operao se repete.

Dizemos que h um artifcio RC para conseguir disparar o TRIAC a mais de90 , pois o capacitor leva um certo tempo para se carregar at VD. A tensosobre o TRIAC sobe acompanhando a tenso da rede, instantaneamente,enquanto sobre o capacitor h um atraso de tempo = (R1+R2) C1. ComoR2 varivel, podemos mudar o ngulo de disparo por ele. Aumentandoesta constante RC podemos fazer com que a tenso sobre C1 somenteatinja VD quando a tenso sobre o TRIAC j esteja a bem mais de 90 ,podendo ir at quase 180 . Claro que no adianta ir at 180 , pois a atenso j zero.

Este circuito com DIAC e TRIAC funciona bem para ngulos de disparograndes, mas em pequenos ngulos de disparo, mesmo reduzindo R2, ocapacitor tem dificuldade de se carregar pelo pouco tempo que leva atenso da rede at atingir o ngulo desejado. Para evitar este efeito usamosmais um capacitor no circuito, mostrado abaixo:

R E D E

C a r g a

R3

C2.01uF

R2

C1.1uF

R1

DIAC TRIAC

Nesta verso do circuito carregamos C2 at ele atingir VD. Neste ponto oTRIAC dispara e C2 se descarrega via gatilho. Porm C1 como maior queC2 e est antes de R3, estando mais carregado que C2, acaba fornecendo

23

parte da carga para C2. Assim a cada semiciclo C2 sempre ter uma certatenso inicial, favorecendo o ngulo pequeno de disparo.

O SUS ou chave unilateral de silcio uma verso do DIAC para SCRs. Elese comporta como um diodo em bloqueio, at que se atinja sua tenso dedisparo, tipicamente de 8V. Neste ponto ele entra em conduo e passa ater uma queda tpica de 1,5V. Internamente ele se parece com uma travacom dois transistores, acrescida de um zener entre a base do PNP e oemissor do NPN. Este Zener interno que define o ponto de disparo dachave. O smbolo do Sus :

A G

K

Podemos usar um zener externo ao SUS fazendo baixar a tenso dedisparo. Este zener deve ficar entre G e K, em paralelo ao zener interno.Logicamente o zener externo tem que ter Vz externo < Vz interno.

O SBS (chave bilateral de silcio) uma verso do SUS para TRIACs, pois bidirecional. Ela difere do DIAC por ter o terminal de gatilho disponvel, oque torna mais flexvel o controle. O smbolo do SBS :

A

G

K

PRTICA TRIAC OBJETIVO: Familiarizar - se com o TRIAC e seus controles. Aprender acontrolar a potncia numa carga.

EQUIPAMENTO:OsciloscpioFonte CC

MATERIAL:TRIAC TIC226D;Resistores 100 , 10KPotencimetro de 100K

24

Capacitor 0,01 F/400VLmpada 60W, 220V

PROCEDIMENTO:1) Monte o circuito abaixo. Ajuste o potencimetro para zero ohms;

2) Conecte o osciloscpio sobre a carga, em AC 20 V/div e ligue o circuitona rede e observe a forma de onda;

ATENO : CUIDADO AO TRABALHAR COM A TENSO DA REDE3) Varie o potencimetro at seu valor mximo e v observando a forma de

onda;

4) Volte o potencimetro at zero ohms, observando a tenso na carga esobre o capacitor C1.

R E D E

C a r g a1N4007

1N4007

100K

C1.1uF/400V

68K

TRIAC

TRANSISTOR UNIJUNOO transistor de unijuno, UJT ou simplesmente unijuno umsemicondu tor criado em 1953 com finalidade de simplificar os circuitos decontrole que usam pulsos ou osciladores. Como o nome indica, ele possuiapenas uma juno PN, sendo construdo com uma barra de silciofracamente dopada, de material N, cujas duas extremidades so chamadas

25

de base 1 (B1) e base 2 (B2). No meio desta barra inserida uma zona Pfortemente dopada, onde ligado o emissor. Abaixo ilustramos a estruturainterna do UJT, seu smbolo esquemtico e o circuito equivalente.

UJT

B 2

B 1

ERb1

Rb2

Como entre B1 e B2 temos apenas uma barra de semicondutor, podemosdizer que temos ali uma resistncia hmica, que varia na prtica entre 4K e10K. Isto vale para quando o emissor estiver aberto. Esta resistncia chamada de RBB ou resistncia interbase.

Ao aplicarmos uma tenso V entre B1 e B2 teremos um divisor de tensocom RB1 e RB2 calculado por:

VRB1 = V1 = V

ou seja V1 = V , de onde

Esta relao entre R1 e RBB chamada de razo intrnseca de afastamentodo UJT, sendo informada pelo fabricante. Seu valor oscila entre 0,5 a 0,8.No UJT mais popular no mercado, o 2N2646, temos = 0,65.

Assim num circuito alimentado por 12V, usando um 2N2646, o valor de V1= 7,8V. Isto significa que temos sobre R1 uma tenso de 7,8V. Chamamos de razo intrnseca de afastamento pois se quisermos polarizar nosso2N2646, alimentado por 12V, precisamos aplicar no emissor uma tensosuperior a 7,8V (V = 0,65x12) a fim de que o diodo emissor possaconduzir. Temos que vencer esta razo de afastamento para por o UJT emfuncionamento. Mas como ele funciona? Veremos a seguir.

O UJT possui trs regies de funcionamento tpico, chamadas de corte, desaturao, como nos demais transistores e a regio de resistncia negativa,que o diferencia. A figura abaixo ilustra a curva caracterstica do UJT.

26

B2

E

B1 B

1

BE

Partindo do que vimos acima, isto do emissor aberto, quando temosentre B1 e B2 um resistor RBB, vamos aumentando a tenso no emissor atque esta fique maior que V1 = V. Neste ponto(dito VP) o diodo emissorpassa a conduzir e isto faz com que os portadores de carga P saiam doemissor fortemente dopado e entrem na regio N entre E e B1. Isto cria umcaminho de baixa resistncia entre o emissor e a base 1. Podemos dizerque R1 diminui muito seu valor. Com isto a tenso no emissor cai bastanteem relao a B1 e a corrente de emissor aumenta. Mas esperem a, tensocai e corrente aumenta? Isto no contraria a lei de Ohm? No contraria setivermos uma resistncia negativa . E isto que ocorre. Como a resistnciaentre emissor e B1 cai bastante, ela se comporta como uma resistncianegativa mesmo! Num UJT ideal podemos considerar at que, quandoultrapassamos a tenso de afastamento, VP, temos um curto entre E e B1.Num UJT real temos uma pequena tenso de saturao (VEsat ) entre E e B1.

Uma vez disparado o UJT por uma tenso superior a tenso deafastamento VP ele se trava em conduo e assim permanece at quediminuirmos a tenso VE abaixo de um valor chamado de VV ou tenso devale, que a tenso na qual a corrente pelo diodo emissor tal que noinjeta mais portadores suficientes na barra N. Na realidade VV correspondea uma corrente de vale IV, dada pelo fabricante. a passagem da correnteque injeta os portadores. No 2N2646 IV = 6mA.

Resumindo :

Para entrar em conduo o UJT precisamos vencer VP, aplicando noemissor uma tenso superior VP = VBB + VD.

Para cortar o UJT precisamos baixar a corrente abaixo de IV .

27

Na seo seguinte veremos circuitos com UJTs.O circuito com unijuno mais conhecido o oscilador de relaxao, cujocircuito mostrado abaixo. Chamamos de oscilador porque ele oscilanuma determinada freqncia e de relaxao porque ele entra em oscilaosozinho e fica oscilando sempre, enquanto houver uma tensoalimentando o circuito. Vejamos seu funcionamento:

Inicialmente o circuito est em repouso. Ao ligarmos a alimentao ocapacitor C comea a se carregar via R, enquanto o UJT fica bloqueado porter tenso de emissor menor que VP. Assim que a tenso sobre C atingirVP, o UJT passa a conduzir e o capacitor se descarrega via RB1, at que atenso sobre ele atinja VV. Neste ponto o UJT corta outra vez e o capacitorrecomea seu ciclo de carga, indo at VP e disparando novamente o UJT. Asformas de onda no emissor e sobre RB1 ficam como mostrado abaixo, direita do circuito, sendo no emissor a de cima e em RB1 a de baixo.

A sada do circuito em RB1 usada para disparar SCRs e TRIACs. Estepulso bem adequado para disparo de tiristores, desde que a tenso sobreRB1 atinja um valor suficiente para disparar o tiristor desejado. O valor deRB1 em geral bem baixo, menor que 100 , embora possamos encontrarvalores de at 2K em algumas aplicaes especiais. J RB2, que serve paracompensar o UJT em temperatura, tem seu valor aproximadamentedefinido por RB2 = 10 4 / Vs.

A determinao de R, em srie com C, tem que obedecer dois quesitos:

1) Se R for muito grande, o UJT no dispara, pois a queda de tenso sobreele fica to grande que no atingimos VP. Para evitar isso usamos :

RVSVP

IP

2) Se R for muito pequeno, o UJT no corta, pois a queda de tenso sobreele fica to pequena que no atingimos VV. Para evitar isso usamos :

RVSVV

IV

28

A freqncia de oscilao deste circuito razoavelmente independente deVS e calculada por :

1 f =

R.C . ln [ 1 / (1- )]

Com esta frmula calculamos C, tendo j definido R conforme vimos acimae sabendo do nosso UJT.

Os circuitos com UJT so alimentados por tenses de 10 a 35V. Quantomais baixo VS, menor o pulso sobre RB1. Quanto mais alto VS maior adissipao de potncia sobre o UJT. Dependendo do valor de VS,escolhemos um RB1 que garante que no iremos atingir a tenso dedisparo do tiristor antes de completar a carga do capacitor C. Isto se fazvendo a tenso mxima que o tiristor aceita no gatilho sem que hajadisparo. Esta tenso chamada de VGD. Assim temos:

VGDRB1.VS

RB1RB2RBBmin

O valor de VS tambm influencia o valor de VP, pois temos que vencer odivisor interno do UJT mais a queda no diodo do emissor. Assim

VP = VS + VD = VS + 0,5

A largura do pulso de disparo do tiristor dada pelo tempo de descarga docapacitor, como mostra o grfico da figura anterior, sendo definida por:

Tg = RB1. C.

Exemplo de clculo de oscilador de relaxao:

Projete um circuito igual ao acima usando um UJT com os seguintesparmetros: = 0,51, IP = 10 A, IV = 10 mA, VV = 3,5. Use freqncia de60 hz e largura de pulso Tg = 50 s, VS = 30V.

Partimos determinando VP = VS + 0,5 = 0,51 x 30 + 0,5 = 15,8V.

Com isto podemos determinar o mnimo e o mximo de R:

R < (30 - 15,8) / 10 A = 1,42 M R > (30 - 3,5)/ 10 mA = 2,65 K

Definindo C = 0,5F, temos: f = 60 Hz = 1 / [R x 0,5 F x ln (1/1 - 0,51)] eda obtemos R = 46,7K. Este valor serve pois fica entre o mximo e omnimo. Poderamos tambm escolher um R 3 a 6 vezes o valor mnimo(10,95 K a 15,9 K) e da definir C pela mesma frmula da freqncia.

29

Falta definir RB1 e RB2. RB1 tiramos da largura do pulso: RB1= Tg/C = 100RB2 = 10 4 / Vs = 654.

Exerccio:Calcule um oscilador de relaxao com freqncia de 400Hz, usando um2N2646 alimentado por 15V. Este oscilador deve disparar um TRIACTIC226 que tem VGD = 0,3V e VGT = 1,4V. Dados do 2N2646 : IP max = 5A, IV min = 4 mA, VV = 2V, RBB min = 4,7K e = 0,65.

UNIJUNO PROGRAMVEL (PUT)

O PUT um transistor de unijuno que mais parece com um tiristor. Seusmbolo j indica isto, conforme vemos abaixo. Ele funciona como umunijuno, exceto que podemos programar seu VP atravs do terminal degatilho. Enquanto a tenso de anodo (VA) for menor que a tenso nogatilho (VG), o PUT fica em bloqueio. Se VA for igual a VG + VD (queda nodiodo interno), atingimos VP e o PUT dispara. Os pontos de IP e IVdependem da impedncia equivalente do gatilho RG = R1R2/ (R1+R2) etambm da tenso de alimentao. Abaixo mostramos um oscilador derelaxao com um PUT.

+ VS

RS

R2

R1R

C

PUT

VP definido pelo divisor entre R1 e R2: VP = VS

Desta forma a razo de afastamento = VPVS

= R2

R1R2

Diferentemente do UJT, o PUT permite programar . A freqncia dooscilador dada por R e C e pela razo do divisor entre R1 e R2, sendocalculada por:

1 1f = = RC ln ( 1 + R2/R1) RC ln [VS/ (VS- VP)]

30

Para determinar R1 e R2 usamos a razo de afastamento desejada, , ecalculamos

R1 = RG / e R2 = RG / (1- )

A corrente de gatilho no ponto de vale IG = (1- ) VS/RG

O tempo de pulso dado por : TG = RS . C

Exerccio: Calcule os resistores para um oscilador com PUT, alimentado por VS = 30Ve numa freqncia de 60 Hz. Use IG = 1mA e defina um pulso na sadasobre RS de 10V de pico e durao de 50 s.

Soluo: Partimos definindo C= 0,5F e calculamos:

TG = 50 s = RS x 0,5F, logo RS = 100

Como queremos que o pulso seja de 10V, usamos VP = 10V e assim :

= = 10/30 = 1/3

A freqncia de 60Hz nos permite calcular R :

1/f = 1/60 = R.0,5F ln [VS/ (VS - VP)] =

1/f = 16,66ms = R 0,5 ln [30/(30- 10)]

logo R = 82,2K. Partindo de IG = 1mA = (1- ) VS/RG ,temos

RG = [(1- 1/3) 30] / 1mA = 21K

Assim definimos os dois ltimos R1 e R2: R1 = RG/ = 20K x 3 = 60Ke

R2 = RG/ 1- = 30K

A sada deste oscilador, sobre RS pode disparar um tiristor com pulsos depico de 10V e durao de 50 s.

31

PRTICA UNIJUNO E SCR

OBJETIVO: Familiarizar - se com o UJT e sua aplicao prtica.

EQUIPAMENTO:

OsciloscpioFonte CC

MATERIAL:

TRIAC TIC226DResistores 220 e 1KPotencimetro 100KCapacitor 0,1F/400VLmpada 60W, 220V

PROCEDIMENTO:

1) Monte o circuito abaixo. Ajuste a fonte para 15V e o potencimetropara 23K8 ohms;

2) Conecte o osciloscpio sobre RB1 e observe a forma de onda;3) Conecte o osciloscpio sobre RB2 e observe a forma de onda;4) Conecte o osciloscpio sobre C e observe a forma de onda;

ATENO : CUIDADO AO TRABALHAR COM A TENSO DA REDE

5) Conecte o osciloscpio sobre a carga e observe a forma de onda;6) Varie o potencimetro at seu valor mximo e v observando a forma de

onda;7) Calcule a freqncia mxima do oscilador;8) Mea VP e compare com o exerccio de UJT da pgina 28.

+

-

15V +

-

220V/60HzTIC226

100k

RB1220

RB21K

2N2646

.1uF

32

RESUMO DE TIRISTORES:

Os tiristores so muito teis no controle de potncia. Sua caractersticabsica serem disparados por um pulso e assim entrar em conduo.Vrias so as maneiras de disparar os tiristores. Aqui estudamos rederesistiva, rede RC, DIAC, UJT, PUT, SUS, SBS. Alm destes, podemos acionaros tiristores direto de circuitos digitais, como microprocessadores e portaslgicas, as quais acionam transistores que chaveiam primrios detransformadores de pulso. Os secundrios destes transformadores soligados no gatilho dos tiristores.

Existem tambm circuitos integrados especficos para disparo de tiristores,como o TCA 785 da Siemens. Estes CIs possuem detetor de passagem porzero, comparador da carga de um capacitor externo com uma refernciatambm externa e sadas de pulsos direto para o gatilho de tiristores.

Outra opo so os optoacopladores para disparo. Alguns possuem umLed na entrada e um TRIAC na sada. Este TRIAC pode acionar umapequena carga ou ento acionar um TRIAC de maior potncia. Podemosusar os opto comuns com transistor na sada, que acionamtransformadores de pulsos, como citamos acima.

Sempre que usarmos transformadores de pulso temos que observar umacondio: com cargas indutivas o tiristor s comea a conduzir algunsmilisegundos aps o disparo, pois a corrente est atrasada em relao tenso. Assim demora este tempo at atingir IH. Para garantir que o tiristorentre em conduo precisamos aumentar a largura do pulso de disparo.Usando DIACs, UJTs, SBS, etc no tem problema. Mas comtransformadores de pulso, um pulso mais largo pode saturar seu ncleo. Afim de evitar isto comum usarmos um trem de pulsos de freqncia maiselevada, em vez de um s pulso de maior durao. Quanto maior apotncia do tiristor, mais cuidado temos que ter com este fato. O trem ouseqncia de pulsos normalmente gerado por um oscilador tipo 555 queiremos estudar em seguida. Estes pulsos passam ou no ao transformadordependendo de uma lgica de controle.

Abaixo ilustramos o circuito genrico dos tiristores, que serve para SCRs eTRIACs. As variaes so todas no circuito de disparo, que pode ter aindauma rede RC para defasamento do ngulo de disparo. Este circuito dedisparo pode ter tambm entradas externas de controle.

33

d is p a r o

c ir c u i t od e

+

-

C a r g a

S C R+

-

R e d e

CI 555

Vamos estudar agora um dos CIs mais versteis na eletrnica. Ele um CIchamado de temporizador, que antes era implementado com transistores,resistores e capacitores. De tanto ser usado em aplicaes as maisvariadas, os fabricantes de CIs resolveram implementar a funo numchip. A grande simplicidade de seu uso tornou este CI muito popular.Existem livros exclusivamente de aplicaes do 555.

O 555 um circuito de temporizao muito estvel, capaz de gerar temposde pulso ou oscilaes em freqncia com bastante preciso. Ele possuitambm terminais externos para disparo ou reset. Os tempos de operaoseja em modo monoestvel ou astvel so determinados apenas porresistores e capacitores.

A operao dita em modo monoestvel quando o circuito tem um estadoestvel permanente e outro estado quase estvel. Um disparo externocausa uma mudana do estado permanentemente estvel para o estadoquase estvel, onde ele fica por um tempo determinado, retornando entoao estado estvel. Ou seja, o circuito gera apenas um pulso cada vez que disparado. Nesta situao o 555 precisa apenas de um capacitor e umresistor na rede que define o tempo ou largura do pulso.

J a condio astvel aquela onde o circuito possui dois estadostemporrios, oscilando entre um e outro, com um perodo (inverso dafreqncia) e um ciclo de trabalho determinados pelos elementos docircuito. Nesta situao o 555 precisa apenas de um capacitor e doisresistores na rede que define o tempo ou largura do pulso.

Abaixo ilustramos um bloco diagrama da estrutura interna do 555 que nospermite compreender seu funcionamento:

Pino 8 VCC

5K Limiar Descarga 6 7 5 RControle Q 5K

3Disparo S Sada2 Reset

5K

1 Terra 4 Reset

34

Como podemos observar o 555 consiste de dois comparadores, um flip-flop RS e um circuito de sada. O comparador de baixo compara a tensode disparo com 1/3 de VCC e seta o flip- flop. J o de cima compara atenso de controle com a tenso de limiar (tenso no capacitor) e resetao flip- flop. A sada do flip- flop usada a Q que fica alta quandoresetamos e baixa quando setamos o flip- flop.

No modo monoestvel o circuito o mostrado abaixo. Notem que osterminais de limiar e de descarga esto conectados juntos. Quando atenso de disparo estiver abaixo de 1/3 de VCC, a sada do comparador dedisparo seta o flip- flop. Isto leva Q para baixo, o que corta o transistorde descarga e leva a sada para cima. Com o transistor de descarga cortado,o capacitor comea a se carregar de forma exponencial com um tempodependente dos valores de RA e C. Quando a tenso no capacitor atingir2/3 de VCC o comparador de limiar reseta o flip- flop. Isto leva Q paracima, o que satura o transistor de descarga e leva a sada para baixo. Como transistor de descarga conduzindo a pleno, o capacitor se descarrega. Otempo em que a sada fica alta dado por:

t = 1.1 RA . C

Uma vez disparado o flip- flop por um sinal externo, ele no pode ser maisdisparado enquanto durar o pulso de sada, dado pela equao acima.Desta forma a largura do pulso de disparo tem que ser menor que o tempodo pulso de sada.

35

1

4

8

Abaixo apresentamos as formas de onda sobre o capacitor C(onda inferior)e sobre a carga RL (onda superior). Observem que a carga pode estar dasada para o terra, como pode estar da sada para o VCC.

As formas de onda da entrada (no terminal de disparo ou trigger) e desada so as mostradas abaixo. Notem que o disparo acontece na descidado pulso de trigger, quando o sinal no pino 2 fica abaixo de 1/3 de VCC.Com isto o flip- flop vira e a sada sobe. Passado o tempo do pulso 1.1RA.Co capacitor se descarrega e o circuito aguarda a nova descida do pulso degatilho para um novo ciclo. Se o pulso de gatilho no vem, o circuito ficaparado. Ele s d aquele pulso 1.1 RA.C e para at receber novo disparo.

possvel disparar o 555 como monoestvel apenas dando um pulso paraterra no pino 2. Isto pode ser feito ligando um transistor como chave dopino 2 ao terra e acionando este transistor com um sinal de controle nabase toda vez que quisermos que nosso monoestvel gere seu pulso.Tambm possvel usar a sada de um monoestvel para disparar outromonestvel, ligando o pino 3 do primeiro ao 2 do segundo via umcapacitor em srie ligado ainda via um resistor ao VCC. Com este esquemaem cascata podemos fazer um circuito correr por 1 segundo, por exemplo,e disparar outro que vai por mais 10s e aciona um terceiro por mais 50s eassim por diante.

O pino de reset (4) fica ligado ao VCC no circuito acima. No entantopodemos chave- lo entre VCC e terra. Ao levarmos o reset para terraestaremos forando uma descarga do capacitor e consequentementeinterrompemos o ciclo de temporizao. Enquanto o reset estiver baixo o

36

Disp aro

Sad a

Tp = 1.1RAC

d isp aroo

Tenso n o cap acitor

Sad a

capacitor no se carrega. Ao elevarmos a tenso no pino 4 (reset) a sadacontinua com estava, s se alterando quando for disparada pelo pino 2. Seno pretendemos interromper a temporizao devemos manter o resetsempre em VCC.

Exerccios:

1) Como voc faria para interromper um monoestvel com 555 usando opino de reset?

2) Calcule uma rede RC para gerar um tempo de 10s, para uso, porexemplo, numa minuteira. Como voc dispararia esta minuteira no pino 2?

Operao do 555 como astvel . Nesta configurao o 555 ligado deformas a se disparar por conta prpria fazendo com que a tenso nocapacitor oscile sempre entre 1/3 e 2/3 de VCC. Veja o circuito abaixo quemostra como ligar o 555 em modo astvel. Nesta configurao o capacitorse carrega at 2/3 de VCC atravs de RA e RB e se descarrega at 1/3 deVCC via RB. Notem que o tempo de carga e descarga independente deVCC.

Neste circuito o tempo de carga, que aquele com a sada em nvel alto, dado por:

t 1 = 0.695 (RA + RB) C

O tempo de descarga, que aquele com a sada em nvel baixo, dado por:

t 2 = 0.695 (RB) C37

1.44(RA + 2RB)C

O perodo total dado por: T = 0.695 (RA + 2RB) C

A freqncia o inverso de T e fica: f =

O ciclo de trabalho dado por : CT = RB/ (RA + 2RB). A fim de obter omaior ciclo de trabalho possvel temos que diminuir RA ao mximo. Istotem um limite, pois a corrente mxima que pode circular pelo transistor dedescarga de 200mA. Assim o valor mnimo de RA dado por:

RAVCC0.2 A

A ilustrao abaixo mostra as formas de onda do circuito astvel com 555.O sinal de cima a sada e o de baixo a tenso sobre o capacitor C.

Podemos observar a tenso no capacitor oscilando entre 5V e 10V, numcircuito alimentado por VCC = 15V. A sada neste mesmo circuito vai dezero a quase 15V, dependendo da carga. Se neste circuito a carga exigir omximo que o 555 pode dar (200mA) a sada fica limitada a 12,5V,tipicamente. Com carga de 100mA a tenso j vai at 13,3V. por outro ladoa sada baixa a zero se a corrente a ser drenada baixa (menor que 10mA).Se a corrente a drenar for de 200mA com sada baixa, a tenso fica emtorno de 2,5V !! A corrente a drenar fica alta quando a sada for baixa, seRL for pequeno (prximo de VCC/0.2) e for ligado ao VCC e no ao terra.Portanto ateno a este ponto.

Apresentamos abaixo todas as caractersticas eltricas do 555, dadas pelofabricante:

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Sad a 10V/ d iv

Ten so sobre C 5V/ d iv

PRTICA COM 555

OBJETIVO: Montar um multivibrador em modo monoestavel e astavel paraconhecer as caractersticas prticas do CI 555.

EQUIPAMENTO:OsciloscpioGerador de sinaisFonte CC

MATERIAL:CI 555Resistores 560 e 1K(3 peas)Potencimetro 470KCapacitores 0,1F e 0.01FTransistor BC548LED, diodos 1N4007 (2)

PROCEDIMENTO:1) Monte o circuito abaixo num protoboard;

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2) Ajuste a fonte para 12V e o potencimetro para 100K;3) Feche a chave 1; 4) Observe que o LED acende, indicando que temos pulso na sada do 555

(pino 3). Mea o tempo do LED ligado com um cronmetro;5) Desligue a fonte, ligue o pino 2 ao 6 e troque o curto entre os pinos 6 e

7 por um resistor de 1K, substitua o potencimetro por outro resistorde 1K;

6) Ligue a fonte e observe a forma de onda na sada, medindo suafreqncia. Observe tambm a forma de onda sobre o capacitor C =1uF ;

7) Monte agora o circuito da pgina seguinte e ajuste o potencimetro de470K para obter ciclos de trabalho de 20% e de 80%.

Apresentamos a seguir um circuito que pode ser til quando queremos terum ciclo de trabalho de 50%. Na configurao astvel que vimos antes ostempos nunca podem ser iguais, j que o tempo de carga 0.695 (RA+RB)Ce o de descarga 0.695 (RB)C. Na configurao abaixo no apenaspodemos ter ciclos iguais, como tambm podemos variar o ciclo detrabalho variando o potencimetro. Com ele ajustado para 50% para cadalado o ciclo de 50%. Com ele ajustado para 66%, teremos o lado com 66%ficando 2/3 do tempo ativo. Ou seja, se o lado da carga do capacitor estivercom 66% da resistncia teremos a sada alta por 66% do tempo.

Notem que esta configurao bem diferente da que vimos, mas funcionaigualmente. Quando ligamos o circuito o capacitor estar descarregado,portanto teremos no pino 2 (disparo) uma tenso menor que 1/3 de VCC,logo a sada (pino 3) estar alta. Esta sada carrega o capacitor via D1.Quando a tenso no capacitor atingir 2/3 de VCC o flip- flop interno resetado e a sada baixa, descarregando o capacitor via D0. Quando a

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tenso em C cair abaixo de 1/3 de VCC o flip- flop ser setado e tudo voltaao incio.

O 555 pode acionar direto SCRs e TRIACs dentro dos limites de corrente(200mA) que ele pode fornecer. Podemos fazer um temporizador paradisparo de cargas AC que liga a carga apenas passados alguns segundos ouminutos aps ligarmos o circuito. Para tiristores de maior potncia, o 555pode acionar transistores ou tiristores menores, que por sua vez disparamtiristores maiores.

Outro uso do 555 como gerador de clock para circuitos digitais que norequerem uma temporizao muito precisa. Muitas aplicaes digitaispodem conviver com clocks que no precisam ser originados de cristais.Nestes casos o 555 uma boa opo, alis uma opo bem comum de serusada quando precisamos sincronizar algum acionamento com umatemporizao especfica. Mas este um assunto para a rea de CircuitosDigitais.

VCO

J que estudamos os osciladores com unijuno e com o 555, podemosfalar de um tipo especial de oscilador que o VCO - Voltage ControlledOscilator ou oscilador controlado por tenso. Este tipo de oscilador podeser feito com um 555 ou pode ser implementado com operacionais. Suaaplicao principal em circuitos de modulao de freqncia (FM) oucomo conversores de tenso em freqncia. O VCO tem uma sada numafreqncia controlada por uma tenso na sua entrada. Em circuitos FM asada senoidal, j num 555 a sada em pulsos, que podem passar porum filtro e ser transformadas em senides.. Em sadas senoidais podemoster a senide at bem distorcida. O que importa num VCO a linearidadeda variao de freqncia em relao a tenso de controle e a faixa defreqncias em quer o VCO trabalha. Valores tpicos de linearidade esto

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na faixa de 1% enquanto as faixas de freqncia so da ordem de 100:1,isto a freqncia de sada varia de 100 vezes a variao da tenso de entrada.A relao entre entrada e sada tpica mostrada abaixo:

Notem na figura que quando a tenso de entrada sobe, a freqnciaaumenta e quando a tenso desce na entrada, a freqncia diminui. Nestegrfico a relao entre freqncia de sada e tenso na entrada de 100:1.Isto caracteriza um VCO de faixa larga.

Com um 555 podemos montar um VCO simplesmente a partir de umastvel com a tenso de controle (pino 5) varivel. Lembrem que a tensode controle uma das entradas do comparador de limiar, que seta o flip-flop e aciona o transistor de descarga do capacitor. Se o pino 5 estiver emaberto a tenso ali de 2/3 de VCC. Se conectamos ali uma tenso varivelpodemos mudar o momento em que o capacitor ir se descarregar.Aumentando a tenso de controle leva mais tempo para o capacitor chegarao novo limiar e assim a freqncia diminui. A tenso externa no pino 5altera o divisor de tenso interno do 555 e assim a tenso no capacitor emvez de variar entre 1/3 e 2/3 de VCC varia entre Vcontr e Vcontr /2. Usando umpotencimetro no circuito astvel como mostrado abaixo suficiente paravariar Vcontr .

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Neste esquema o 555 est mais para um modulador de largura de pulso(PWM) que para um VCO, pois a tenso na entrada varia pouco em relao sada e estamos de fato controlando a largura dos pulsos de sada viauma tenso CC na entrada(pino 5).

Os circuitos de VCO com operacionais implicam em conhecermultiplicadores, integradores e mdulos de seno /coseno que no tivemostempo de cobrir com os Opamp. A literatura tcnica e a internet podemfornecer maiores detalhes a quem se interessar.

PLL

O PLL usado na funo inversa do VCO. O VCO usado para modularsinais, enquanto o PLL usado em circuitos demoduladores para garantiruma boa demodulao em ambientes com rudo intenso. PLL quer dizerphase locked loop ou seja malha de fase travada. Mas o que significa isto?Este circuito trava um sinal de entrada somente quando a diferena de faseentre ele e o sinal de controle estiverem em fase. O bloco diagrama omostrado abaixo:

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O primeiro estgio de um PLL o comparador de fase que compara adiferena de fase entre os dois sinais, o de entrada com o da sada de umVCO. Este sinal da diferena entre fases passa por um filtro passa baixa e amplificado para controlar o VCO. Assim a freqncia de sada do VCO vaivariar at que o ngulo de fase entre esta sada e o sinal de entrada sejazero. Diz- se ento que os dois sinais esto travados em fase.

Um PLL pode ser feito tambm com operacionais, porm temos opes deCIs prontos com PLL. Um exemplo o NE565 de Signetics, cujo bloco-diagrama interno mostramos abaixo, junto com um esquema tpico decircuito. Notem o 741 na sada dando maior ganho ao sinal de sada. Estecircuito usado para demodular sinais de FM. Alm disto podemos tirardele uma onda quadrada e uma triangular. Hoje existem CI prontos paracircuitos AM e FM que incorporam todas as funes demodular / de modular os sinais, alm de sintonia, FI e outras que tornam oseu uso em rdios muito simplificados. Estes CIs usam PLL e VCO dentrodeles para executar estas funes.

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PRATICA VCO

OBJETIVO: Montar um multivibrador com o CI 555para ser controlado portenso externa, que varie a largura dos pulsos em funo desta tenso.

EQUIPAMENTO:

OsciloscpioGerador de sinaisFonte CC

MATERIAL:

CI 555Resistores 10K (2) e 4K7Potencimetro 10KCapacitor 0,022 F

PROCEDIMENTO:

1) Monte o circuito abaixo num protoboard;2) Ajuste a fonte para 15V e o gerador para 8 kHz, onda quadrada,

amplitude 5 V;3) Ligue o gerador no pino 2 do 555 e alimente o circuito;4) Observe as formas de onda na sada (pino 3) e no capacitor (pino 6).

Mea a largura do pulso de sada;5) Varie o potencimetro at ter a tenso mnima no pino 5 e observe as

mesmas formas de onda do passo 4, registrando o valor da largura dopulso na sada;

6) Varie o potencimetro at ter a tenso mxima no pino 5 e observe asmesmas formas de onda do passo 4, registrando o valor da largura dopulso na sada;

7) Desmonte o circuito e guarde o material. Faa relatrio da aula prtica.

4 k 7

1 0 k8 . 0k H z

0 / 5 V+1 5 V

. 0 2 2 u F

1 0 k1 0 k

G n dT r gO u tR s t C t l

T h rD i sV c c

5 5 5

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MOTORES DE PASSO

Um item importante que devemos conhecer so os motores de passo,muito usados em discos rgidos e drives de disco flexveis, impressorasmatriciais, alm de milhares de aplicaes em robtica e automao. Estesmotores, como os demais motores, operam dentro de princpios doeletromagnetismo. Nos motores de passo os magnetos so montadossempre em pares que criam os dois plos magnticos que se atraem.

Uma das primeiras coisas que notamos ao ver um motor de passo que eleno possui apenas dois fios, como os motores CC comuns. Os motores depasso tem pelo menos 4 fios, existindo verses com 6 ou mais fios. Outrofato marcante que, ao tocarmos seu eixo, no conseguimos mov- lo. como se num motor comum os rolamentos estivessem engripados. Como oprprio nome j diz, os motores de passo avanam passo a passo, umpasso de cada vez, conforme formos atuando no seu comando ou controle.

A figura abaixo ilustra um interior de um motor de passo, de formaresumida. O rotor uma barra magntica que gira em torno de seu centro.Podemos ver dois enrolamentos, cada um formando um eletromagneto ecom uma polaridade diferente em cada ponta. Ao aplicarmos uma tensoao enrolamento 2 de formas a criar um plo Sul na extremidade superior(A) e um plo Norte na inferior (B), foraremos o rotor a se posicionarcomo mostra a figura. Para criar estes plos devemos seguir a famosaregra da mo direita e aplicar uma tenso correspondente.

Enquanto mantivermos a tenso aplicada ao enrolamento o rotor ficarno apenas alinhado na posio, como tambm ficar como que travadoou freado nesta posio. Isto persiste indefinidamente, a menos queapliquemos uma fora muito grande no eixo que vena a atrao magnticaentre os plos.

Muito bem, o motor est parado, mas como faz- lo se mover? Se tiramosa tenso do enrolamento 2 e aplicamos esta mesma tenso ao enrolamento

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1, os plos A e B no tero mais atrao magntica, mas os plos C e Dtero. A figura abaixo ilustra esta situao:

A polaridade da tenso aplicada leva o plo C a ser Sul e o plo D a serNorte. Com isto o rotor gira 90 graus em sentido horrio. Claro que este um movimento grosseiro e serve apenas para ilustrar como as coisasfuncionam num motor de verdade. Para fazer o motor continuar girandoem sentido horrio precisamos tirar a tenso do enrolamento 1 e voltar aaplic- la no 2, porm com polaridade invertida . Isto cria em A um ploNorte e em B um Sul. Como mostra a figura abaixo:

Procedendo nesta seqncia, tiramos a tenso do enrolamento 2 eaplicamos no 1, com polaridade invertida em relao primeira vez eassim por diante. Desta forma fazemos o motor girar no sentido horrio,aplicando a tenso e retirando - a, aplicando no outro enrolamento e depoisvoltando aplicar no primeiro com polaridade invertida, etc... Mas para

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girar no sentido anti- horrio o que fazemos? simples. Removemos atenso do segundo enrolamento e aplicamos no primeiro, porm nestecaso com polaridade tal que leve o plo C para Norte e o D para Sul.Assim conseguimos fazer o nosso motor de passo girar em passos de 90graus num sentido ou noutro. Ele faz isto com preciso e se mantm firmena posio correspondente tenso e polaridade aplicada. A nica coisaque faz com que ele no siga esta regra se a carga no eixo for tal querotor no consiga mov- la ou ento que a tenso aplicada no sejasuficiente para criar o campo magntico necessrio.

O motor do nosso exemplo tem 4 passos por volta e da maneira aquidescrita estaremos dando um passo inteiro (full step). possvel fazer estemesmo motor andar em meio passo (half step) de cada vez e assimteremos 8 passos por volta, com cada passo tendo 45 graus. Para dar meiopasso o que fazemos aplicar tenso a ambos enrolamentossimultaneamente. Com isto criamos um campo magntico resultante, que o somatrio vetorial de cada um dos campos criados nos enrolamentos.Para que os efeitos sejam iguais nos 2 enrolamentos necessitamos aplicartenses iguais a fim de criar campos magnticos de mesma intensidade,porm de direes diferentes. A figura abaixo ilustra a seqncia de meiopasso para o mesmo motor mostrado acima.

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Bom, mas e como so os motores de passo reais? Por enquanto vimosexemplos com passos de 90 ou 45 graus e os motores de passos pequenos,tipo 1,7 graus por passo, como so? Na prtica, a parte fixa do motor (o estator) dos motores reais tem maissegmentos que o nosso exemplo e tambm o rotor diferente, como nosmostra a figura abaixo:

A figura ilustra um motor de 8 sees, separadas uma da outra por 45graus. O rotor tem seis sees separadas por 60 graus uma da outra. Omovimento real do rotor neste exemplo ser de 60- 45 = 15 graus porpasso. Como isto? Vamos supor que no nosso exemplo as sees A, C, Ee G estejam bobinadas juntas, assim como as sees B,D,F e H. Seaplicamos uma tenso tal que a polaridade seja:

A = Sul C = Sul E = NorteG = Norte

O rotor se alinha de forma correspondente, com mostra a figura acima. Sequisermos deste ponto mover 15 graus em sentido horrio, temos que tirara tenso do enrolamento ACEG e aplicar no BDFG desta forma:

B = Sul D = SulF = NorteH = Norte

Se quisssemos ir em sentido anti - horrio teramos que ter polaridadeopostas em BDFH.

Os motores reais tem estatores com mais de 8 sees e rotores com maisde 6 sees, mas o principio de funcionamento o mesmo. O queprecisamos saber de um motor de passo :

n Tenso nominal - as vezes precisamos exceder esta tenso para obtermaior torque

n Resistncia do enrolamento - nos dir o consumo de corrente do motor

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n Graus por passo - este o fator mais importante na escolha de um stepmotor. Os valores mais comuns so: 0,72 ; 1,8 ; 3,6 ; 7,5 ; 15 e at 90graus por passo. Acionando em meio passo podemos cortar este valorpela metade.

TIPOS DE MOTOR DE PASSO

Os motores de passo so de dois tipos distintos: im permanente ourelutncia varivel . Cada tipo precisa de um acionamento diferente. Osmotores de im permanente podem ser divididos em: unipolares, bipolarese multi - fases.

Motores de im permanente unipolares tem seu acionamento muitosimples. Basta um contador 1- de- N para gerar a seqncia de passosadequada e drivers tipo um transistor por enrolamento para acionarmotores unipolares. Estes motores caracterizam - se por teremenrolamentos com derivao central (center - tape). Normalmentealimentamos os motores pela derivao central e os acionadores ou driverssimplesmente aterram cada enrolamento que queremos energizar. A figuraabaixo ilustra este tipo de controle:

Um circuito tpico de acionamento mostrado abaixo:

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O nmero de fases de um motor de passo unipolar de duas vezes onmero de enrolamentos, j que cada enrolamento dividido em dois pelocenter tape. Notem tambm os diodos para evitar a tenso emf quandocortamos os transistores. Outros circuitos de acionamento de motoresunipolares so mostrados abaixo. Qualquer coisa que chaveie funciona,desde chaves manuais at MOSFETs de potncia. Estes circuitos socompatveis com TTL. O SK3180 um darlington com ganho acima de1000, assim os 10 miliamperes via os 470 ohms mais que suficiente paraacionar o transistor que suporta alguns ampres do motor. J o IRC IRL540 um power FET, capaz de conduzir at 20 A, suportando picos de tensode at 100V. Assim ele pode agentar os picos reversos ao desligar osenrolamentos sem diodos de proteo, se estiver preso a um bomdissipador de calor. Se o FET falhar o zener e o resistor de 100 ohmsprotegem o circuito TTL.

Aplicaes que requerem correntes menores que 500mA por enrolamentopodem usar um CI tipo o ULN 2003 da Allegro (ou o DS2003 da National ,ou o Motorola MC1413), que consiste num conjunto de darlingtons. EstesCIs permitem acionar mltiplos enrolamentos ou outra cargas indutivasdiretamente de circuitos lgicos tipo TTL. A figura abaixo mostra oesquema e a pinagem do ULN2003, que contm 7 darlingtons, com entradaTTL:

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Os resistores de base dos darlingtons so dimensionados para aceitarsinais TTL. Cada darlington tem seu emissor conectado ao pino 8, que um terra. Tambm cada transistor tem dois diodos de proteo, umprotegendo contra tenses reversas sobre o transistor e outro ligando ocoletor ao pino 9. Se o pino 9 for ligado alimentao do motor, estediodo proteger o transistor contra picos indutivos.

O ULN2803 um CI igual ao 2003 s que com 18 pinos contendo 8darlingtons, permitindo o uso de um s CI para acionar um par de motoresunipolares. Para motores de menos de 600mA por enrolamento, oUDN2547B aciona todos os 4 enrolamentos de um motor unipolar. Paramotores de menos de 300mA por enrolamento, o SN7541 da Texas, acionadois enrolamentos de um motor unipolar.

Motores de passo bipolares requerem circuitos de acionamento maiscomplexos, no entanto exibem uma excelente relao torque / tamanho.Motores bipolares tem enrolamentos separados que tem que ser acionadosem ambas direes, o que implica em troca de polaridade durante suaoperao. Isto representa um desafio a mais no projeto dos acionadores.Seu funcionamento como os unipolares, exceto quer em vez de acionarou cortar o sinal nos enrolamentos, precisamos aplicar uma tensopositiva ou negativa a eles. Para fazer os motores bipolares girar temos queir acionando um enrolamento com polaridade +, da o outro tambm com+ , ento o primeiro com - dai o segundo tambm com - . Abaixoapresentamos uma tabela de como vai a seqncia para um motor bipolarde dois enrolamentos.

Acionar estes motores bipolares geralmente feito com circuitos ditospontes H (H- bridges). Estas pontes podem ser montadas com transistores etambm existem implementadas em CIs tipo o National LMD18245T. EstesCIs possuem apenas uma ponte H, assim precisamos dois CIs para acionarum motor bipolar. Abaixo apresentamos um circuito de ponte H comtransistores. Esta verso usa um CI X- OR 7486 para evitar o problema depor a fonte em curto se os dois sinais de controle forem para 1. Nestasituao, sem o X-OR, os dois pares de transistores iriam conduzir,tentando aplicar polaridades + nas duas extremidades do enrolamento domotor.

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Outra caracterstica da ponte H que ela cria tipo um freio eltrico quepode ser aplicado ao motor para faz- lo parar ou reduzir a velocidade.Isto se faz aplicando um curto na bobinas do motor, fazendo com querqualquer tenso produzida nas bobinas pelo movimento de rotao seraterrada, dificultando a movimentao do eixo. Quanto mais se tentar giraro eixo, mais o freio atua.

Abaixo apresenta