Interface de Potência com Acoplador Óptico (ART2249)

O controle de cargas de alta potência a partir de sinais obtidos de circuitos digitais ou microcontroladores apresenta algumas dificuldades que precisam ser contornadas. Uma delas é a necessidade de isolamento completo dos circuitos, tanto por motivo de segurança como para impedir a presença de ruídos nos circuitos de controle. Neste artigo descrevemos uma interface bastante simples, que tanto pode operar com sinais lógicos como na modalidade analógica.

Como controlar uma carga de alta potência a partir de um sinal obtido na saída de um circuito digital de um microcomputador ou um microcontrolador numa aplicação industrial?

Este problema, relativamente simples, na realidade, esbarra em diversos obstáculos que tornam sua solução nem sempre imediata.

Além da necessidade de perfeito isolamento do circuito controlado, normalmente ligado à rede local, que é ruidosa e trabalha com altas tensões, temos o problema da sensibilidade aos sinais que vão ser usados no controle.

O circuito que apresentamos tem excelentes características operacionais, permitindo sua utilização numa ampla gama de aplicações.

Dentre as características que temos a destacar estão:

Tensão de operação para a carga controlada: 110/l220 V CA (ou outra, na faixa de 0 a 500 V CA, conforme necessidade)

Tensão de controle: 1,8 a 12 V

Corrente máxima de carga: 4 a 25 A (conforme triac)

Tipo de controle: digital ou analógico, com variação de potência continuamente na faixa de 0 a 100 %

Isolamento do circuito de controle: 2,5 kV

Capacitância de acoplamento para a 1 MHz: 1pF

Tipo de isolamento usado: acoplador óptico (4N25)

O CIRCUITO

Um triac é disparado através de um transformador pelos pulsos gerados por um transistor unijunção.

O instante em que os pulsos de disparo são produzidos num semiciclo depende da iluminação de um foto-transistor existente num acoplador óptico 4N25.

Se eles forem produzidos no final do semiciclo (maior retardo) quando o transistor se encontrar sem iluminação (maior resistência), a potência aplicada à carga será mínima.

No entanto, se forem produzidos logo no início dos semiciclos (menor retardo) quando o transistor se encontrar iluminado pelo LED infravermelho (menor resistência), a potência aplicada à carga terá seu valor máximo, conforme figura 1.

Figura 1 – Os ângulos de disparo

Na modalidade digital, o LED emissor apresenta dois níveis lógicos possíveis: alto: aceso e baixo : apagado.

Temos então, com ajuda do ajuste prévio do ponto de funcionamento, compensando eventuais fugas do circuito, em P1 o disparo ou não disparo do triac e o controle correspondente da carga.

O resistor R3 em série com o LED infravermelho do foto-acoplador terá seu valor determinado pela tensão lógica de controle.

Para as aplicações TTL normais, o valor de 330 ohms indicado proporciona um bom funcionamento do circuito.

Para outras tensões sugerimos os valores dados na tabela.

 

Como a sensibilidade do circuito é excelente, em todos os casos os valores podem ser dobrados e, ainda assim, através do ajuste de P1, conseguimos o disparo do triac com a potência máxima.

Em determinado ponto, entretanto, os valores começam a influir na sensibilidade do foto-transistor e os ângulos de condução do triac começam a se deslocar no sentido de aplicar menor potência ao mesmo.

Este comportamento pode ser aproveitado na modalidade analógica de funcionamento.

Variando a luminosidade do LED emissor do foto-acoplador, podemos controlar a potência aplicada no circuito de carga, pela mudança do ângulo de disparo do triac.

Uma aplicação interessante é mostrada na figura 2. Ela permite a utilização desta interface como um dimmer de controle por baixa tensão em que o potenciômetro opera com apenas 6 V, num sistema de total segurança.

Figura 2 – Dimmer de potência

Outra possibilidade, ilustrada na figura 3, consiste no emprego de um conversor digital-analógico, que pode resultar num dimmer controlador por microcomputador, ou a partir de qualquer sistema digital.

Figura 3 – Dimmer com conversor A/D

A resposta do acoplador é bastante rápida, em função dos demais componentes utilizados.

O setor de baixa tensão do circuito é alimentado por uma ponte retificadora de onda completa sem filtragem, pois precisamos dos semiciclos para excitação do triac.

MONTAGEM

Na figura 4 temos o diagrama completo da versão básica desta interface de potência.

Figura 4 – Diagrama completo da interface

A disposição dos componentes na placa de circuito impresso é mostrada na figura 5.

Figura 5 – Placa de circuito impresso para a montagem

O triac, montado num radiador de calor de acordo com sua potência, admite diversas possibilidades, conforme a carga.

 

O fusível F1 será dimensionado de acordo com a corrente máxima da carga controlada.

Os fios de conexão do circuito de alta corrente, compreendendo a alimentação, carga e triac devem ser de espessura compatível com a potência da carga.

O transistor unijunção é o 2N2646 e os diodos da ponte podem ser substituídos por equivalentes de maior tensão como os 1N4007 ou BY127.

O resistor R4 é de fio e seu valor depende da tensão da rede.

Para outros valores, este resistor deve ser calculado de modo a proporcionar uma tensão RMS no unijunção entre 9 e 15 V.

Os demais resistores são de 1/8 ou ¼ W e o único capacitor pode ser cerâmico ou de poliéster.

O valor deste capacitor, eventualmente, poderá ser alterado no sentido de se obter a faixa de controle desejada na versão dimmer.

Valores entre 22 e 56 nF são os limites da faixa sugerida para prova.

O trimpot P1 é opcional, devendo ser usado nos casos em que não se conseguir o ajuste de mínimo com o LED não excitado.

A entrada do LED excitador pode ser feita de diversas maneiras como, por exemplo, cabo blindado e plugue ou simplesmente um par de terminais isolados.

O resistor R3 deve ser dimensionado de modo a permitir que a corrente máxima de excitação de 60 mA não seja ultrapassada.

Na figura 6 mostramos como o LED pode ser excitado por uma saída TTL tanto no nível alto como no nível baixo.

Figura 6 – Excitação TTL

Devemos levar em conta que a capacidade de excitação no nível alto é menor que no nível baixo; assim para uma corrente maior, o que se aplica também no caso de saída CMOS, devemos usar drivers com transistores, conforme os circuitos da figura 7.

Figura 7 – Usando drivers

A operação com um sinal alternado é possível com a utilização de um diodo de proteção, que evita a aplicação de tensões inversas maiores que 5V no LED, conforme mostra a figura 8.

Figura 8 – Circuito de proteção para o LED

Um interessante controle de duas cargas com apenas dois fios pode ser implementado com base neste projetos, e é mostrado na figura 9.

Figura 9 – Controle de duas cargas

Com a chave S1 desligada, nenhum dos LEDs excitadores dos acopladores é ativado e, desta forma, as duas cargas permanecem desligadas.

Com S1 ligada, o LED que vai acender depende da posição da chave S2, que possui um diodo no seu circuito.

Polarizando o diodo num sentido, o LED1 acende e a carga 1 é ativada.

Polarizando o diodo no sentido inverso, o LED2 acende e a carga 2 é ativada.

Observe que, além de termos apenas dois fios neste controle de potência, sua operação se faz com baixa tensão e isolamento da rede.