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Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Trabalho Prático II Eletrónica de Potência 22-06-2013 Instituto Politécnico do Cávado e do Ave Grupo D Pedro Ribeiro Nº4804 Hélder Amorim Nº4935 João Gonçalves Nº5287 Filipe Fontes Nº6142

Relatorio EP TP2 - Grupo D

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Electronica de potência

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    Engenharia Eletrotcnica e de Computadores

    Trabalho Prtico II Eletrnica de Potncia

    22-06-2013 Instituto Politcnico do Cvado e do Ave

    Grupo D

    Pedro Ribeiro N4804

    Hlder Amorim N4935 Joo Gonalves N5287

    Filipe Fontes N6142

  • Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II

    i

    ndice

    1 Introduo ............................................................................................................. 1

    2 Descrio Equipamentos ...................................................................................... 2

    2.1 Transformador Toroidal ....................................................................................... 2

    2.2 TRIAC ..................................................................................................................... 3

    2.3 TCA 785 .................................................................................................................. 4

    2.4 Tirstor .................................................................................................................... 7

    3 Desenvolvimento ................................................................................................... 9

    3.1 Circuito Equivalente do TRIAC ......................................................................... 11

    3.2 Disparos com TRIAC BT137 .............................................................................. 12

    3.3 Disparos com Tirstor BT151 .............................................................................. 16

    4 Concluses ........................................................................................................... 20

    5 Referencias .......................................................................................................... 21

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    ndice de Figuras

    Figura 1 Transformador Toroidal ......................................................................................................... 2

    Figura 2 - Terminais do Transformador utilizado ................................................................................... 2

    Figura 3- Smbolo, estrutura e circuito equivalente do TRIAC ................................................................ 3

    Figura 4- Curva caracterstica do TRIAC ................................................................................................ 3

    Figura 5- Configurao dos Pinos do TCA 785 ....................................................................................... 4

    Figura 6 Diagrama de blocos do TCA 785 ........................................................................................... 5

    Figura 7- Principais formas de onda do TCA 785 ................................................................................... 6

    Figura 8-Estrutura interna e Smbolo do tirstor ..................................................................................... 7

    Figura 9- Curva caracterstica do tirstor ................................................................................................ 8

    Figura 10- Corrente de Gate vista no datasheet .................................................................................... 10

    Figura 11- Corrente sncrona de entrada no pino 5 .............................................................................. 10

    Figura 12 - Variao da tenso no pino 11............................................................................................ 11

    Figura 13- Circuito equivalente Montado no trabalho .......................................................................... 11

    Figura 14- Circuito montado em laboratrio ......................................................................................... 12

    Figura 15- Rampa do C1 ligado a porta 10 ........................................................................................... 13

    Figura 16- Impulsos nos pinos 14 e 15 .................................................................................................. 13

    Figura 17- Onda de entrada e do sensor ................................................................................................ 14

    Figura 18- Carga com TRIAC Resistiva ................................................................................................ 14

    Figura 19- Carga com TRIAC Resistiva ................................................................................................ 15

    Figura 20- Circuito equivalente com tirstor ......................................................................................... 16

    Figura 21- Circuito montado em laboratrio ......................................................................................... 16

    Figura 22- Tirstor com Carga Resistiva ............................................................................................... 17

    Figura 23- Tirstor com Carga Resistiva ............................................................................................... 18

    Figura 24- Tirstor com Resistiva e Condensador em paralelo ............................................................. 19

    Figura 25- Tirstor com Resistiva e Bobine em serie ............................................................................. 19

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    ndice de Tabelas

    Tabela 1- Caratersticas dos Tirstores .................................................................................................... 8

    Tabela 2 Exemplos de ngulo de disparo do TCA para Tenses no pino 11 ......................................... 16

    Tabela 3 Exemplos de ngulo de disparo do TCA para Tenses no pino 11 ......................................... 18

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    Grupo D 1

    1 Introduo

    Este trabalho efetuado no mbito da unidade curricular de Eletrnica de

    Potncia, visa a obteno de um controlador de fase, sendo que, para a sua

    execuo foi efetuada uma compreenso dos vrios constituintes, assim como

    interao entre eles.

    Neste relatrio so descritos e apresentados os equipamentos utilizados no

    trabalho nomeadamente, o controlador de fase TCA-785 que utilizamos com um

    tirstor e com TRIAC para verificar os seus comportamento segundo os ngulos de

    disparo do controlador, para alm de verificar os valores da corrente utilizando o

    circuito do transdutor, presente no relatrio I do nosso grupo da unidade curricular.

    feita uma breve descrio dos componentes fundamentais na realizao do

    trabalho. So mencionados os clculos realizados para a projeo do esquema de

    montagem do circuito, assim como especificaes tcnicas dos componentes.

    Todas as medies efetuadas nos diferentes pontos do circuito so

    apresentadas para os diferentes tipos de cargas quer com a utilizao do tirstor ou

    TRIAC.

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    Grupo D 2

    2 Descrio Equipamentos

    2.1 Transformador Toroidal

    Os transformadores toroidais tm baixo campo magntico, com baixas perdas

    no ncleo de ferro devido a inexistncia de GAPs no seu ncleo, tornando o assim

    num transformador mais eficiente. So tambm transformadores pequenos e mais

    leves que os convencionais laminados.

    O toroidal utilizado tinha na sada dois terminais de 15V e dois neutros, sendo

    possvel criar na sada uma tenso de 30V atravs de uma ligao entre o Preto e

    Amarelo. A entrada poder de igual modo funcionar a 115V ou 230V com a ligao

    do Violeta com o Cinza.

    Figura 1 Transformador Toroidal

    Figura 2 - Terminais do Transformador utilizado

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    Grupo D 3

    2.2 TRIAC

    O TRIAC um componente formado por dois SCRs (Silicon Controled Rectifier)

    internos ligados em antiparalelo, os TRIACs no possuem Ctodo, mas sim Anodo1 e

    Anodo2.

    Figura 3- Smbolo, estrutura e circuito equivalente do TRIAC

    O TRIAC utilizado para a comutao de corrente alternada, pode ser

    disparado tanto por uma tenso positiva como negativa aplicada no eltrodo de

    disparo (gate). Uma vez ativado, continua a conduzir at que a corrente eltrica

    desa abaixo do valor de corte.

    utilizado para controlar dispositivos de corrente alterna, permitindo um

    controlo de ativao de potncias elevadas a partir de correntes na ordem dos

    miliamperes. Substitui com grandes vantagens os rels na maior parte dos casos. O

    TRIAC de baixa potncia tambm utilizado em diversas aplicaes.

    Quando usado com cargas indutivas, como motores eltricos, tem de se

    assegurar que o TRIAC desligue corretamente no final de cada semi ciclo de

    alimentao eltrica.

    Depois de um impulso na gate o TRIAC vai ativar,

    sendo a tenso aos seus terminais (A1 e A2) superior a

    VDROM (referente ao grfico), vai desativar quando a

    corrente for inferior ao IH (grfico). IH a corrente de

    manuteno, a corrente mnima que o dispositivo pode

    conduzir depois de ativado sem que desative.

    Figura 4- Curva caracterstica do TRIAC

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    Grupo D 4

    2.3 TCA 785

    O TCA 785 um componente integrado projetado para o controle de tirstores,

    TRIACs e transstores. Este componente produz um pulso de corrente na Gate para

    que ocorra o acionamento dos tirstores. Os pulsos de disparo podem ser deslocados

    em ngulos de fase de 0 a 180 graus o que garante um controlo total em circuitos

    AC.

    Devido sua versatilidade, permite inmeras aplicaes dentro da eletrnica,

    apesar de ser um componente dedicado construo de circuitos de disparos para

    Tirstores em geral.

    Figura 5- Configurao dos Pinos do TCA 785

    Por se tratar de um circuito integrado, dedicado a circuitos de disparo para

    acionamento de tirstores em geral, a preocupao maior a de fornecer os disparos

    nos instantes desejados, e posteriormente conectar os circuitos de disparo e o de

    potncia, de modo a evitar curtos-circuitos.

    Pino 1 Terra (GND)

    Pino 2 Sada complementar (negada) ao pino 15

    Pino 3 Sada de pulso positivo, em coletor aberto

    Pino 4 Sada complementar (negada) ao pino 14

    Pino 5 Entrada de Sincronismo

    Pino 6 Inibe todas as sadas

    Pino 7 Sada em coletor aberto para acionar triacs

    Pino 8 Tenso eficaz (fornece 3,1V)

    Pino 9 Potencimetro para ajuste de rampa

    Pino 10 Condensador de formao de rampa

    Pino 11 Entrada de tenso de controlo

    Pino 12 Controlo de largura dos pulsos de sada 14 e 15

    Pino 13 Controlo de largura dos pulsos de sada 14 e 15

    Pino 14 Sada de pulso positivo no semi ciclo negativo

    Pino 15 Sada de pulso positivo no semi ciclo positivo

    Pino 16 Tenso de alimentao (CC)

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    Grupo D 5

    Figura 6 Diagrama de blocos do TCA 785

    O princpio bsico de funcionamento do circuito integrado comea por, a

    entrada da tenso sinusoidal da rede (pino 5), assim que for detetada a tenso

    sinusoidal comea a ser gerada uma rampa que ir ser comparada com uma tenso

    de controlo (pino 11). O comparador compara a tenso de rampa com a tenso de

    controlo, quando estas forem iguais, envia pulsos nas sadas. obtida, ento, no

    pino 15, pulsos positivos no semi ciclo positivo da tenso de sincronismo e no pino

    14, pulsos positivos no semi ciclo negativo da tenso de sincronismo, desfasados

    entre si 180. Esses pulsos tm as larguras determinadas pela conexo de um

    condensador externo, entre o pino 12 e o comum e amplitudes iguais tenso de

    alimentao do pino 16.

    Internamente, o integrado alimentado por uma tenso regulada de 3.1V,

    assegurando assim independncias das variaes possveis na alimentao externa

    que estimada entre 8V e 18V.

  • Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II

    Grupo D 6

    O circuito de disparo em retificao controlada, deve ser sincronizado com a

    rede, de modo a que no ocorra o disparo aleatrio dos tirstores. Um ponto de

    referncia para o sincronismo a passagem da rede por zero, por isso que o

    TCA785 apresenta um detetor de passagem por zero, que gera um pulso de

    sincronismo sempre que a tenso da rede passa por zero.

    Figura 7- Principais formas de onda do TCA 785

    Condies mximas de operao

    Tenso de alimentao: 18 V

    Corrente mxima nos pinos 14 e 15: 400 mA

    Corrente de sincronismo: +/- 200 A

    Correntes sadas nos pinos 2, 3, 4 e 7: 10 mA

    Condies recomendadas de operao:

    Tenso de alimentao: 8 a 18 V

    Frequncia de operao: 10 a 500 Hz

  • Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II

    Grupo D 7

    2.4 Tirstor

    O tirstor mais utilizado conhecido pela designao de SCR (Retificador de

    Silcio Controlado), tm como funo principal ligar e desligar circuitos com

    grandes cargas, motores, eletromanes, aquecedores, etc. Os tirstores trabalham

    sempre entre dois estados de funcionamento: o corte e a conduo, so por isso

    dispositivos de comutao. basicamente constitudo por quatro camadas de

    semicondutor, formando uma estrutura p-n-p-n que possui 3 eltrodos (um nodo,

    um ctodo e um eltrodo de controle "comando", designado por gate). O seu

    funcionamento assemelha-se em alguns aspetos ao de um dodo pelo fato da

    corrente fluir pelo componente apenas num sentido, entrando pelo terminal do

    nodo e saindo pelo terminal do ctodo.

    Figura 8-Estrutura interna e Smbolo do tirstor

    O funcionamento do tirstor semelhante a um dodo devido a corrente poder

    fluir pelo dispositivo num nico sentido, entra pelo terminal nodo e sai pelo

    terminal ctodo. Quando o tirstor est diretamente polarizado, este no entra em

    conduo, enquanto no receber o sinal na gate.

    Os tirstores so comutados atravs de um pulso ao terminal da gate, uma vez

    comutado para o estado de ligado, o tirstor permanecer por tempo indefinido

    neste estado, enquanto o dispositivo estiver diretamente polarizado e a corrente de

    nodo (IH) se mantiver acima de um patamar mnimo.

  • Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II

    Grupo D 8

    Figura 9- Curva caracterstica do tirstor

    Os tirstores so utilizados em circuitos de corrente alternada como

    retificadores controlados, e em corrente contnua, comportam-se como chaves. As

    principais caratersticas tcnicas um Tirstor, encontram-se descritas na tabela 1.

    VDRM Tenso mxima repetitiva em estado de no conduo.

    ITRMS Corrente eficaz mxima em conduo.

    IGT Corrente mxima de disparo de gate.

    VGT Tenso mxima de disparo na gate.

    IH Corrente de manuteno.

    ITSM Corrente mxima transitria.

    Tabela 1- Caratersticas dos Tirstores

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    Grupo D 9

    3 Desenvolvimento

    Nesta seco esto os resultados e clculos realizados para a concluso do

    trabalho, juntamento com os respetivos esquemas, simulaes e testes do trabalho.

    Material Utilizado para a realizao do trabalho:

    TCA 785

    TRIAC (BT137)

    Tirstor (BT151)

    6 Resistncias (10K, 180k, 47K, 4.7k, 150, 22R@47W (carga))

    Potencimetro (10K)

    Dodos

    3 Condensadores (47nF, 100nf, 1000F (Carga))

    1 Bobine (61.9mH)

    Breadboard

    Transformador

    Para a montagem do nosso circuito foram realizados alguns clculos para o seu

    dimensionamento que so exemplificados a seguir.

    ( ) ( )

    Uf Tenso na fonte

    Qd Queda do Dodo

    Ugt Queda da gate

    U Tenso que iremos ter nas sadas 14 e 15

    Este clculo referente a tenso que entra na porta 11 do nosso TCA 785. Esta

    tenso vai ser a mesma que sai nas portas 14 e 15.

    Igt Corrente mxima de impulso na gate

  • Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II

    Grupo D 10

    Esta corrente de Igt tem de ser vista no datasheet do TRIAC. Na nossa

    montagem decidimos utilizar uma resistncia de 150 visto que poderamos usar

    qualquer resistncia desde que fosse abaixo dos 365 que era a mxima que

    podamos usar. Ento optamos por pr a mesma que vinha no datasheet do TCA

    785.

    Figura 10- Corrente de Gate vista no datasheet

    U Tenso do transformador;

    Is Corrente sincronizada de entrada do pino 5

    A corrente mxima no pino 5 de 200A, por isso para calcular R2. Decidimos

    considerar para os clculos uma corrente entre 150A e 180A. Depois dos

    resultados obtidos em cima resolvemos usar uma resistncia de 180K.

    Figura 11- Corrente sncrona de entrada no pino 5

  • Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II

    Grupo D 11

    Figura 12 - Variao da tenso no pino 11

    ( )

    ( )

    A queda de tenso resistncia R5 de 4,8V, para a calcularmos usamos um

    divisor de tenso, logo o potencimetro s vai variar entre os 11,2V e os 0V. Como

    temos 15 V na fonte menos a queda de tenso em R5 d 11,2V.

    3.1 Circuito Equivalente do TRIAC

    Figura 13- Circuito equivalente Montado no trabalho

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    Grupo D 12

    Este circuito que foi concebido serve para controlar o disparo do TRIAC, para

    correntes de disparo at 50mA. Este circuito de controlo de fase atua diretamente

    na gate do TRIAC e pode ser ajustado continuamente entre os 0 e os 180 atravs

    de um potencimetro de 10K. Este tipo de circuito pode ser utilizado para controlar

    o brilho de um sistema de lmpadas incandescentes de alta potncia (dimmer), um

    aquecedor ou controlar a temperatura da gua de um chuveiro.

    Uma das caractersticas mais interessantes deste projeto que mesmo no semi

    ciclo negativo da alimentao o TRIAC recebe um impulso de disparo positivo pelo

    pino 14 na sua gate, que permite controlar o funcionamento mesmo em onda

    completa sem um sistema retificador. O pino 15 tambm d um pulso de disparo

    positivo mas no semi ciclo positivo.

    Este circuito contm um trimmer regulador para aproveitar o mximo do

    potencimetro.

    3.2 Disparos com TRIAC BT137

    Figura 14- Circuito montado em laboratrio

    O TCA tem um gerador de rampa que consiste numa fonte controlada de

    corrente constante que carrega linearmente. A corrente dessa fonte determinada

    pela resistncia do pino 9. O tempo de subida da nossa rampa assim determinado

    pela combinao RC.

  • Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II

    Grupo D 13

    O sinal da rampa exemplificada na figura 15 faz com que o TCA internamente

    perceba que quando foi feita a passagem por 0.

    Figura 15- Rampa do C1 ligado a porta 10

    Na figura 16 podemos visualizar os nossos disparos na sada dos dois terminais,

    que vo ativar a Gate do TRIAC, at a passagem por 0. Podemos denotar que na

    figura os disparos esto em zonas diferentes, isto porque foi regulado o

    potencimetro do pino 11 para avanar ou recuar o disparo, para regular a tenso

    fornecida a carga resistiva, tal como podemos identificar pela figura 17.

    Figura 16- Impulsos nos pinos 14 e 15

  • Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II

    Grupo D 14

    Figura 17- Onda de entrada e do sensor

    Estando a tenso na nossa sada 11 relacionada com o disparo, podemos

    calcular o ngulo de desfasamento criado atravs dessa tenso.

    Considerando a figura abaixo, comeamos por calcular a que instante feito o

    disparo, e a que ngulo corresponde.

    Figura 18- Carga com TRIAC Resistiva

    Sabendo que o disparo feito aos e que a nossa onda faz

    um ciclo de 360 ao fim de 20ms, podemos concluir a que ngulo feito o disparo no

    ciclo positivo, sendo que no negativo ser (180+ ngulo calculado).

  • Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II

    Grupo D 15

    Sabendo que a tenso no terminal 11 era de 1,43V, podemos calcular o ngulo

    para outras tenses.

    Para confirmar este valor utilizamos a figura seguinte que corresponde a uma

    tenso de entrada no pino 11 de 3,75V.

    Figura 19- Carga com TRIAC Resistiva

    Sabendo que o disparo feito aos e que a nossa onda faz

    um ciclo de 360 ao fim de 20ms, podemos concluir a que ngulo feito o

    disparo.

    Podemos concluir que os valores esto corretos, apenas existe um pequeno

    desfasamento devido ao tempo utilizado ( ) ser um valor aproximado do

    tempo de disparo.

  • Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II

    Grupo D 16

    Tenso ngulo de disparo

    3,75V 118

    3 94,4

    2,46 71,12

    1,43 45

    1 31,47

    0 0

    Tabela 2 Exemplos de ngulo de disparo do TCA para Tenses no pino 11

    3.3 Disparos com Tirstor BT151

    Figura 20- Circuito equivalente com tirstor

    Figura 21- Circuito montado em laboratrio

  • Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II

    Grupo D 17

    Na figura 16 esto apresentados os disparos nas sadas dos terminais, que

    vo ativar a Gate do TRIAC, at a passagem por 0. No caso do tirstor apenas

    conduzir no ciclo positivo da onda. Estas apenas vo conduzir no ciclo positivo

    embora continua a existir pulsos no semi ciclo negativo.

    Considerando uma carga resistiva, obtemos os seguintes resultados com o

    tirstor.

    Figura 22- Tirstor com Carga Resistiva

    Sabendo que o disparo feito aos e que a nossa onda faz

    um ciclo de 360 ao fim de 20ms, podemos concluir a que ngulo feito o disparo no

    ciclo positivo, sendo que no ciclo negativo no existe disparo do tirstor.

    Sabendo que a tenso no terminal 11 era de 3,1V, podemos calcular o ngulo

    para outras tenses.

  • Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II

    Grupo D 18

    Para confirmar este valor utilizamos a figura seguinte que corresponde a uma

    tenso de entrada no pino 11 de 4,26V.

    Figura 23- Tirstor com Carga Resistiva

    Sabendo que o disparo feito aos e que a nossa onda faz um

    ciclo de 360 ao fim de 20ms, podemos concluir a que ngulo feito o disparo.

    Podemos concluir que os valores esto corretos, apenas existe um pequeno

    desfasamento devido ao tempo utilizado ( ) ser um valor aproximado do tempo

    de disparo.

    Tenso ngulo de disparo

    5,50V 175

    4,26V 136

    3,10V 99

    1,50V 48

    1,00V 32

    0V 0

    Tabela 3 Exemplos de ngulo de disparo do TCA para Tenses no pino 11

  • Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II

    Grupo D 19

    Considerando uma carga com uma resistncia e condensador em paralelo,

    obtemos os seguintes resultados com o tirstor.

    Figura 24- Tirstor com Resistiva e Condensador em paralelo

    Observando a figura 24, podemos ver dois disparos em tempos diferentes,

    sendo o disparo da imagem a esquerda mais cedo do que o da direita. Podemos

    verificar que o nosso sensor chega a um ponto de saturao por ter um limite de 3 A.

    Considerando uma carga com uma resistncia e bobine em serie, obtemos os

    seguintes resultados com o tirstor.

    Figura 25- Tirstor com Resistiva e Bobine em serie

    Observando as figuras acima indicadas, podemos ver trs disparos em tempos

    diferentes, sendo o disparo da imagem a esquerda mais cedo do que o da direita.

    Analisando podemos dizer que a nossa corrente de passagem no sensor vai reduzir

    muito consoante o ngulo de disparo.

  • Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II

    Grupo D 20

    4 Concluses

    Este trabalho foi bastante interessante e lucrativo, uma vez que levou a

    consolidao dos conhecimentos adquiridos ao longo da Unidade curricular.

    No incio do trabalho existiram alguns problemas, tais como a compreenso do

    circuito e a implementao das massas do transformador toroidal e do TCA 785, ou

    seja, se deviam ser independentes ou comuns. Aps algumas pesquisas e com a

    ajuda do docente resolvemos o problema e ficamos a ter noo do funcionamento

    do circuito

    O facto de a montagem em laboratrio utilizar como componentes principais o

    transformador toroidal, o TRIAC, o tirstor, permitiu ganhar sensibilidade com estes

    componentes que at agora no tinha existido.

    Depois de alguma pesquisa vimos que o circuito que realizamos tem bastante

    utilidade no dia-a-dia, como em controlar o brilho de um sistema de lmpadas, um

    aquecedor ou controlar a temperatura da gua de um chuveiro, etc.

    Em suma, este trabalho foi muito interessante em ser realizado, de salientar

    o facto de existir to pouco tempo para a realizao de todos os circuitos propostos

    pelo docente, o que nos levou a no conseguirmos realizar o sistema com tirstor em

    antiparalelo.

  • Eng. Eletrotcnica e de Computadores Eletrnica de Potncia 2012/2013 Trabalho Prtico II

    Grupo D 21

    5 Referencias

    Controlador de fase bipolar,TCA785. Consultado a Junho 2013.

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    Funcionamento do circuito Transdutor. Relatrio TP I do Grupo D do Diurno.