Teoria 7 Circuito de Disparo para Conversores Controlados por Fase

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TEORIA 7 Circuito de Disparo para Conversores Controlados Por Fase (Retificação Controlada Monofásica) 7.1 Introdução:

Um dos C.I.s desenvolvidos para controlar o ângulo de disparo de tiristores em retificação controlada é o TCA 785, produzido inicialmente pela Siemens e atualmente encontrado sob várias outras marcas.

O TCA 785 é um circuito integrado com estrutura interna monolítica, sendo parte linear e parte digital. Ele é entendido como um CI de Controle de Fase, neste caso isto significa simplesmente que ele produz em suas saídas, pulsos que são sincronizados com a CA da rede, podendo estes pulsos ser deslocados desde 0º até 180º. O CI possui 16 pinos em encapsulamento dual in-line, distribuídos e caracterizados como mostra a seguir: 7.2 Pinagem do TCA 785:

• Entrada de alimentação:

Provido por fonte externa ligada ao pino 16 (VCC) e 1 (GND). Aceita valores na faixa de 8V a 18V; Alimentação típica: 15V.

• Saída de 3.1V regulada:

Internamente ao TCA 785 existe um circuito regulador de tensão, o qual

a partir da tensão de VCC externa, tem sua saída regulada para 3.1V. O objetivo deste regulador interno é:

Ser usado internamente na fonte de corrente constante para carga do

capacitor de rampa (ver item: Geração e Calibração da rampa); Ser disponibilizado para uso externo ao CI, na saída de 3.1V regulado,

pino 8. Neste caso é normalmente é usado para alimentar o potenciômetro da tensão de controle (potenciômetro que varia o ângulo de disparo).

• Entrada para tensão de controle:

Valor de tensão de entrada ajustável que é fornecido ao pino 11, podendo

ser diretamente por um potenciômetro (o que é o caso do módulo MP-4) ou, no caso de sistemas de controles realimentados, por circuitos reguladores feitos com amplificadores operacionais;

Normalmente varia de 0V até o valor de topo da rampa.

• Entrada de sincronização;

Para que o TCA possa prover os pulsos de disparo dentro da faixa de





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operação adequada e no momento angular preciso é necessário que ele receba no pino 5 uma amostra do sinal da rede de C.A.;

Esta amostra é obtida através de um Circuito Ceifador (um resistor em

série e dois diodos contrapostos em paralelo) e fornecida ao circuito Detector de Zero;

O sinal no pino 5 tem uma forma de onda próxima à forma de onda

quadrada, com amplitude indo de + 0,7Vp até –0,7Vp. A passagem por 0V tanto na borda de subida quanto na borda de descida

determinará o início da rampa;

• Geração e Calibração da rampa (Trimpot: Rampa):

O TCA 785 possui internamente uma fonte de corrente constante a qual fornece uma corrente que sai pelo pino 10, provocando o carregamento do capacitor que se encontra externamente conectado ao pino 10;

O fato de o capacitor do pino 10 se carregar por meio de uma fonte de

corrente constante faz com que tensão sobre o capacitor durante o transitório de carga tenha um comportamento linear em função do tempo, ou seja, tenha a forma de uma rampa linear, diferentemente do que é observado quando um capacitor é carregado por uma fonte de tensão constante em série com um resistor, quando a tensão sobre o capacitor tem um crescimento de formato logarítmico natural;

O capacitor começa a se carregar o momento em que é detectada a

passagem por zero do sinal de sincronismo, ou seja, no exato instante que se inicia um determinado semiciclo, a rampa começa a ascender e continuará ascendendo linearmente até o final deste semiciclo, quando o sinal de sincronismo mudará novamente de estado (uma nova passagem por zero);

Nesta nova passagem por zero do sinal de sincronismo o registrador de

sincronismo comanda a base do transistor de descarga (ambos se encontram no interior do CI TCA 785), colocando este em condução plena (saturação). Deste modo o capacitor é descarregado abruptamente, fazendo com que a tensão da rampa caia instantaneamente de seu valor máximo para zero.

O tempo que dura o estado de condução do transistor de descarga é

muitíssimo pequeno, pois assim que a carga do capacitor chega a zero, imediatamente o monitor de carga de C10 avisa ao registrador de sincronismo, e este imediatamente corta o transistor de descarga. Desde modo o processo de carga do capacitor automaticamente se reinicia, a fim de gerar nova rampa.

Assim a rampa passa a ser executada periodicamente (como um dente de

serra), repetindo-se para cada semiciclo da C.A. da rede;





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A inclinação da ascendência da rampa depende do valor do próprio

capacitor do pino 10, que deve ser ≤ 0,5 µF, e, do resistor do pino 9, cujo valor deverá ser: 20KΩ ≤ R9 ≤ 500KΩ ;

Em série com o resistor fixo do pino 9 normalmente existe um trimpot

que nos permite calibrar a inclinação da rampa, ou seja, que nos permite determinar a amplitude da rampa entre seus valores mínimo e máximo (Vpp da rampa);

Um valor ótimo para calibração da amplitude Vpp da rampa é que o seu

valor seja igual a faixa de ajuste da tensão de controle (tensão do potenciômetro – pino 11), para que possamos exercer, teoricamente, o controle em sua mais ampla extensão (desde 0º até 180º);

• Saídas de disparo:

Internamente ao TCA, o comparador de controle compara a tensão da

rampa que vem do pino 10 com a tensão de controle que vem do pino 11, e atua sobre a Unidade Lógica produzindo o pulso de disparo;

O comparador de controle é um amplificador operacional operando como

comparador de tensão cujo principio de funcionamento baseia-se em um amplificador diferencial (um Amp Op é essencialmente um amplificador diferencial que possui duas entradas e a tensão de saída é uma cópia amplificada da diferença entre as tensões de entrada);

Este amplificador diferencial opera em malha aberta, ou seja, sem um

resistor de realimentação que limite e determine o seu ganho. Por operar em malha aberta, o ganho do amplificador é altíssimo, limitado apenas pelas características construtivas internas do amplificador operacional, digamos que o ganho é algo em torno de 106. Assim qualquer diferença entre as tensões de entrada, por menor que seja esta diferença, levará a tensão de saída ao seu valor extremo (saturação da saída);

Imagine a tensão de controle que está presente no pino 11 (que vem do

potenciômetro) como um valor de tensão contínua constante (digamos que o eixo do potenciômetro se encontra imóvel em uma posição qualquer). Por outro lado a tensão da rampa que vem do pino 10 esta permanentemente variando de valor, desde seu valor mínimo até seu valor máximo, nunca se estabilizando em valor algum;

Deste modo temos duas situações possíveis:

• A tensão da rampa é menor que a tensão de controle; • A tensão da rampa é maior que a tensão de controle;

Assim a saída do comparador de controle terá um comportamento digital, ou seja, nível lógico 1 ou nível lógico 0, respectivamente, para cada uma

das situações alistadas; das situações alistadas;

Os pulsos de saída do comparador de controle comandam a lógica de controle de modo que os pulsos de disparo para os tiristores ocorram nas saídas A1 e A2 no exato instante que ocorre a borda de descida do sinal de comando, ou seja, no exato instante em que a rampa, ascendendo, atinja um valor igual ao presente na entrada da tensão de controle;

No semiciclo positivo o pulso para disparo é enviado através da saída A2

(pino 15) e no semiciclo negativo através da saída A1 (pino 14); As saídas A1 e A2 são do tipo seguidor de emissor podendo fornecer até

80 mA.

• Definição da largura dos pulsos:

A largura de pulso padrão é de 30 µ s nas saídas A1 e A2; Inserindo-se um capacitor ao pino 12 pode-se expandir a largura dos

pulsos para disparo nas saídas A1 e A2;

Capacitor do pino 12 ( pF) 100 220 330 680 1000 Largura do pulso (µs) 80 130 200 370 550

Pode-se expandir a largura dos pulsos nas saídas A1 e A2 para um valor

máximo (com duração de desde de o início do disparo até o fim do semi-ciclo), ligando-se o pino 12 ao terra.

• Saídas 1A e 2A : Pino 4 e pino 2 respectivamente, são do tipo coletor aberto, necessitando de um resistor para VCC e de baixa potência, limitado para 1,5 mA. Apresentam os pulsos para disparo invertidos;

Inserindo-se um resistor do pino 13 ao VCC pode-se expandir a largura





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dos pulsos de disparo na saída 1A e 2A ;

Pode-se expandir a largura dos pulsos de 1A e 2A para um valor máximo (com duração que vai desde de o início do disparo até o fim do semi-ciclo), ligando-se o pino 13 ao terra.

• Para trabalhar com triacs podemos utilizar a saída Z (pino 7), que é a

NÃO-OU de A1 e A2.

• Habilitação das saídas:

As saídas podem ser inibidas, conectando-se o pino 6 ao terra (GND).

7.3 Diagrama Elétrico TCA 785 e Componentes Periféricos:

O circuito integrado TCA 785 e seus componentes periféricos (diagrama do módulo produzido pela Probit com alterações: (ver notas)).

(1) Incluído para evitar danos ao C.I. que por ventura venham a decorrer da inversão da polaridade da fonte externa de alimentação. (2) Alterado de 22 k. para 120 k., para permitir ajustes do topo de rampa para valores menores que 3.1v, uma vez que a saída da fonte regulada de 3.1v (disponível no pino 8 do C.I.), é usualmente usada realimentando a entrada da tensão de controle (via POT1).





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7.4 Diagrama de tempos do TCA 785:





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7.5 Circuito de Acoplamento dos Sinais de Disparo:

Como não convém que as saídas dos pulsos de disparos (pinos 14 e 15 do CI) sejam ligadas diretamente aos gates dos tiristores da unidade de potência. Assim sendo os transformadores de pulso TR1 e TR2 provêm uma isolação galvânica entre o delicado circuito de comando de disparo e o circuito de potência, o qual pode estar manipulando mesmo correntes de até centenas de ampéres, tendo-se assim um acoplamento indutivo. O transformador de pulso é um transformador especial, com enrolamentos construídos sobre um núcleo de ferrite (1) de formato toroidal (anel circular fechado), o qual prove o atributo de alta velocidade para a indução eletromagnética.

Os transistores Q1 e Q2 atuam como acionadores do transformador de pulso,

excitando o enrolamento do primário sempre que entram em condução. O diodo D2 (ou D6) atua, juntamente com o diodo zener DZ1 (ou DZ2), como um circuito grampeador, o qual limita a elevação da tensão no coletor do transistor Q1 (ou Q2), no momento do corte.

O diagrama completo do circuito de acoplamento entre as saídas de pulsos do CI e

os terminais de gate dos tiristores é dado a seguir:

(1) Núcleos de Ferrite são fabricados através de prensagem e sinterização de mistura de pó de ferro e outros materiais nobres (à base de Mn-Zn ou Ni-Zn), que lhe conferem características especiais para operação em altas frequências com baixas perdas. São disponíveis em várias geometrias, tais como EE, EI, EER, EC, ETD, EPC, UU, Toroide, etc.

André Luis Lenz – CFP 1.06 – Jan/2000-Out/2008





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