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INPE-11528-NTC/367
PROJETO DE UMA FONTE DC PARA PRODUÇÃO DE PLASMA
APLICADO EM TRATAMENTO DE MATERIAIS
Talyta da Silva Henrique
Mário Ueda
INPE
São José dos Campos
2004
AGRADECIMENTOS
Agradeço a todas pessoas que me ajudaram a vencer mais esta etapa da vida.
Ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE, pelo auxilio financeiro de nove meses
de bolsa auxílio de estágio e pela oportunidade de estudos e utilização de suas instalações.
Ao Laboratório Associado de Plasma pela oportunidade de estudos e utilização de suas
instalações.
Aos técnicos e pesquisadores do INPE pelo conhecimento compartilhado.
Ao orientador Prof. Dr. Mário Ueda pelo conhecimento passado, e pela orientação e apoio
na realização deste trabalho.
A meus pais por sempre acreditarem na importância do estudo.
RESUMO
Neste trabalho, descrevemos o projeto e a construção de uma fonte de 1,4 kV e 2,5 A. Esta
fonte DC é alimentada pela rede CA 220V, 60Hz sendo a tensão de saída, e depois esta é
filtrada por um banco de capacitores. A fonte de corrente contínua (CC) servirá para
formação de plasma por descarga glow , que será aplicado em tratamentos de materiais
usando a técnica de implantação iônica tridimensional ou implantação iônica por imersão em
plasma (IIIP). Aplicando-se uma diferença de potencial de cerca de 400 a 900V entre o
eletrodo e a parede da câmara, forma-se uma descarga glow de alta intensidade. Para
auxiliar o início do plasma, um filamento aquecido produz a ionização inicial do gás. Os
elétrons colidem com as moléculas neutras do gás e assim forma-se o plasma. O plasma é
conhecido como o quarto estado da matéria. Ele é criado quando um gás é superaquecido e
os elétrons causam a ionização dos átomos, deixando partículas eletricamente carregadas.
Uma condição essencial para o plasma é que ele seja quase completamente neutro. Uma das
características é a interação muito forte de suas cargas positivas e negativas o que resulta em
uma variedade de propriedades coletivas como ondas eletromagnéticas, ele pode surgir a
temperaturas relativamente baixas de acordo com a composição do gás. A chama de uma
vela e a luminescência de uma lâmpada fluorescente são alguns exemplos. O plasma aparece
naturalmente no espaço interestelar e em atmosferas do sol e das outras estrelas. Porém, ele
também pode ser criado em laboratório. Para ser realizada uma experiência de implantação
iônica tridimensional ou IIIP, temos disponível no laboratório do INPE: um sistema de
vácuo que consiste de uma bomba mecânica e uma difusora; uma câmara de aço inox
aterrada que possui várias janelas para diversas saídas como um eletrodo metálico onde é
aplicada a tensão da fonte que forma o plasma; as entradas para injeção dos gases (que serão
utilizados na produção do plasma), as dos pulsos de alta tensão, do filamento (emissor de
elétrons) e do sistema de vácuo. A conjunção de todos estes sistemas independentes
funcionando adequadamente, incluindo a fonte CC aqui descrita, é que possibilita a
realização plena de tratamentos superficiais em materiais diversos.
2
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE SÍMBOLOS
1 – INTRODUÇÃO.................................................................................................................7
2 – PLASMA............................................................................................................................8
2.1 – Noções sobre a Física do Plasma.....................................................................................8
2.1.1 – Histórico da Pesquisa em Plasma................................................................................10
2.2 – Características da Descarga Glow..................................................................................11
2.3 – Características da Descarga em Arco.............................................................................12
2.4 – Características da Implantação de Íons por Imersão em Plasma....................................12
3 – SISTEMA DE VÁCUO...................................................................................................15
3.1 – Especificações do Sistema de Vácuo..............................................................................15
4 – PROJETO DA FONTE DE ALIMENTAÇÃO.............................................................17
4.1 – Principio de funcionamento da fonte..............................................................................17
4.2 – Descrição do Sistema de Alta Tensão............................................................................19
4.3 – Cálculos do Sistema de Alta Tensão..............................................................................21
4.4 – Funcionamento do Sistema de Proteção........................................................................23
4.5 – Descrição do Sistema de Proteção.................................................................................23
4.6 – Cálculos do Sistema de Proteção...................................................................................24
5 – RESULTADOS OBTIDOS............................................................................................27
6 - CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES........................................................................34
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................35
APÊNDICE 1 – LISTA DE COMPONENTES..................................................................36
3
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1
Ionosfera Terrestre
Figura 2.2
Lâmpadas Fluorescentes
Figura 2.3
Descargas elétricas
Figura 2.4
A curva de corrente e voltagem DC em tubo de descarga
elétrica, com plasma de baixa energia em tratamentos de difusão
térmica esta indicada na região de glow anormal entre os pontos
G e H.
Figura 2.5
Esquema do funcionamento do processo de implantação iônica
Figura 3.1
Esquema da câmara de vácuo
Figura 3.2
Câmara e bomba de vácuo do experimento IIIP do LAP/INPE
Figura 4.1
Onda senoidal e saída retificada de onda completa
Figura 4.2
Filtragem de onda completa
Figura 4.3
Diagrama de Blocos da Fonte de Alimentação
Figura 4.4
Esquema da fonte de alimentação
Figura 4.5
Parte traseira da fonte
Figura 4.6
Banco de capacitores e transformador
Figura 4.7
Imagem lateral direita da fonte e suas respectivas ligações
Figura 4.8
Ponte de diodos
Figura 4.9
Placa de circuito impresso do sistema de proteção e calibração
dos medidores
Figura 4.10
Circuito para a leitura de tensão
FIGURA 4.11
Circuito para a leitura de corrente
FIGURA 5.1
Circuito do teste feito em vazio com a leitura de tensão feita
pelo voltímetro
FIGURA 5.2
Circuito feito para a medição do ripple da fonte
FIGURA 5.3
Sinal do ripple medido em torno da tensão média de 1,4kV
FIGURA 5.4
Sinal do ripple em torno de 1,4kV
FIGURA 5.5
Descarga do capacitor
4
FIGURA 5.6
Resolução da curva de descarga do capacitor
Figura 5.7
Circuito feito para a calibração do amperímetro
Figura 5.8
Circuito de medição de corrente
Figura 5.9
Plasma glow DC produzido com a fonte construída neste
trabalho
Figura 5.10
Fonte de tensão DC
5
LISTA DE SÍMBOLOS
1.1.1.1.1 - SÍMBOLOS
1.1.1.1.2 - SÍMBOLO DE
1.1.1.1.3 - GRANDEZA
GRANDEZA
W
Watt
Potência
V
Volts
Tensão elétrica
A
Ampéres
Intensidade de corrente
Ω
Ohms
Resistência elétrica
F
Faraday
Capacitância
Vp
Tensão de pico
Tensão elétrica
Ir
Corrente do relé
Corrente
Ic
Corrente do coletor
Corrente
Imáx
Corrente máxima
Corrente
Vripple
Tensão de ripple
Tensão elétrica
r
Especificação do ripple
Tensão elétrica
K/W
Resistência
Resistência térmica
τ
tau
Tempo
Te
Temperatura do elétron
Temperatura
Tg
Temperatura do gás
Temperatura
6
1 – INTRODUÇÃO
Este trabalho de engenharia elétrica tem por objetivo descrever as fases de projeto e
construção de uma fonte de alimentação variável de alta tensão, de 0 a 1,4 kV e corrente
máxima de 2,5 A, para aplicação em processos de geração de plasma por descarga tipo glow
em regime contínuo no tratamento de superfícies de materiais diversos por implantação
iônica tridimensional.
O projeto e a construção da fonte de alimentação foram desenvolvidos a partir do
modelo de uma fonte previamente existente no Laboratório Associado de Plasma (LAP) do
INPE. Em linhas gerais esta fonte deve, inicialmente, amplificar a tensão de entrada por
meio de um transformador, em seguida retificar o sinal de onda convertendo do modo
alternado para contínuo e finalmente filtrar o sinal. Um sistema de proteção de sobrecorrente
foi também projetado de modo a evitar que excessiva corrente passe através da fonte, o que
poderia danificá-la.
O tratamento da superfície de materiais por implantação iônica desenvolvido no
Laboratório Associado de Plasma (LAP) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais é feito
pulsando-se tensão numa amostra imersa num plasma de nitrogênio, com uma certa taxa de
repetição. A técnica conhecida como IIIP permite a implantação de uma peça inteira
independentemente de forma e tamanho. No dispositivo IIIP, o plasma é gerado por uma
descarga glow DC onde pulsos negativos de alta tensão são aplicados repetidamente numa
amostra que permitem a formação de uma bainha de plasma em torno da mesma, produzindo
a extração e aceleração simultânea dos íons provenientes do plasma e a consequente
implantação tridimensional das peças.
Quanto ao sistema de vácuo, o mesmo é constituído por uma bomba mecânica, uma
bomba difusora e uma câmara cilíndrica de aço inox aterrada com várias janelas de acesso
para os sistemas elétricos, de vácuo, de alimentação do gás e de coleta de dados.
7
2 – PLASMA
2.1 – Noções sobre a Física do Plasma
A palavra plasma é de origem grega, que significa um material moldável. Através dos
tempos, a palavra era usada desta maneira, para designar materiais moldáveis ou que fluem,
como um exemplo: o plasma sanguíneo. Atualmente o plasma na física é conhecido como o
quarto estado da matéria, isto é: um gás ionizado contendo elétrons, íons e átomos neutros,
mantendo-se macroscopicamente neutro [2]. A maior parte da matéria do universo está no
estado de plasma. As estrelas são um exemplo, sendo o seu interior e superfície constituída
de matérias completamente ionizadas, por causa de suas altas temperaturas. Também temos
como exemplo como mostra as figuras 2.1 e 2.2:
-
a Ionosfera Terrestre que possibilita as comunicações por rádio
FIGURA 2.1- Ionosfera Terrestre.
8
-
as Lâmpadas fluorescentes (plasmas gerados em laboratórios)
FIGURA 2.2 - Lâmpadas Fluorescentes.
Alguns dos parâmetros dos quais o plasma depende são: pressão, densidade,
temperatura, presença de campos magnético e elétrico. Como exemplo podemos citar a
ionização de um gás, resultante da aplicação de um campo elétrico, que provoca o
surgimento de uma descarga elétrica, conhecida como descarga contínua tipo glow1.
Podemos definir o plasma genericamente como sendo um sistema composto por
partículas neutras e eletricamente carregadas, mas macroscopicamente neutro. Isto significa
que no plasma a densidade dos íons é praticamente igual à densidade dos elétrons. Outra
característica do plasma é o comportamento coletivo, ou seja, o movimento das partículas do
plasma por forças de longo alcance, a força que as partículas carregadas de um plasma
exercem sobre uma dada carga, diminui com a distância do ponto onde foi medido o
potencial até a carga [2].
O plasma pode ser produzido em temperaturas de milhões de graus centígrados e tem
aplicações de grande importância em pesquisa de produção de energia termonuclear, ou seja,
a fusão termonuclear controlada por confinamento magnético, como em dispositivos
tokamak2 em que reações nucleares podem vir a contribuir, para o fornecimento futuro de
energia elétrica.
A forma mais simples de se obter um plasma é através de uma descarga elétrica, ou
seja, aplicando uma diferença de potencial elétrico entre dois eletrodos.
1
Glow:, brilhos, luminescência
Tokamak: Uma câmara toroidal usada em pesquisa de fusão nuclear, na qual um plasma é aquecido e
confinado através de campos magnéticos
2
9
2.1.1 – Histórico da Pesquisa em Plasma
M. Faraday (1830) realizou estudos sobre descargas elétricas na atmosfera para
estudo de reações químicas induzidas por correntes elétricas. Observou estruturas gasosas
luminosas que indicavam um novo estado da matéria;
FIGURA 2.3 - Descargas elétricas.
J.J.Thonson (1895) descobriu o elétron. Em 1900 o aperfeiçoamento das técnicas de
vácuo, permitindo estudos de descargas elétricas em ambiente controlado; I. Langmuir e
Crookes (1903) estudaram tubos de descarga com gases sob baixa pressão (retomada do
antigo trabalho de Faraday). Também nesse período, surgiram os primeiros modelos teóricos
para ionização, recombinação, difusão, colisões de elétron-íon, formação de íons negativos;
P. Jawsend e J.J.Thonson (1920) investigam ionizações a partir de colisões múltiplas; I.
Langmuir e H. Mott-Smith (1926) utilizam pela primeira vez o termo plasma para designar
gases ionizados; Em 1929 I. Langmuir e L. Janks utilizam pela primeira vez sondas
eletrostáticas para diagnosticar plasmas em descargas sob baixa pressão. Tais experimentos
foram precursores dos tubos de descarga com mercúrio para iluminação. Também neste
período, ocorreram duas importantes descobertas: as oscilações naturais do plasma (fp) e a
blindagem de cargas (λd) no plasma;
Os cientistas H. Alfven, E. Appleton, S. Chandrasekhar, S. Chapman, T. Cawling,
M.Saha e L. Spitzer; (1930 a 1950) fundamentaram teorias da física de plasma, através do
estudo de plasmas astrofísicos.
Em 1958 Van Allen descobre os cinturões de radiação no plasma confinado na
magnetosfera terrestre; Em 1961 o surgimento do primeiro conceito bem sucedido de
confinamento magnético de plasmas: o TOKAMAK;
10
Os primeiros resultados tecnológicos oriundos da pesquisa em plasma surgiram em
1970 com as lâmpadas especiais; o arco de plasma para solda e corte; as chaves de alta
tensão; a implantação de íons; a propulsão espacial; o laser a Plasma e reações químicas com
plasma reativo.
Na atualidade lâmpadas a base de hidrogênio por RF, são comercializadas; terminais
de vídeo plano a plasma desenvolvido em Osaka no Japão; a utilização de filtros a plasma,
que elimina 90% de gases poluentes de veículos automotores; a utilização bem sucedida de
propulsores iônicos para propulsão primária com Xenônio na aeronave Deep Space 1[2].
2.2 – Características da Descarga Glow
A descarga tipo glow se desenvolve em um gás com pressões menores de
8×10-4mbar conforme mostra a figura 2.4 na faixa de corrente entre 10-6 e 1A, produzida
entre dois eletrodos, o catodo (-) e o anodo (+). Os elétrons são liberados através da
ionização do gás ou dos eletrodos, pela colisão dos íons. Isto requer uma quantidade definida
de energia, o valor de energia necessária para ionizar um átomo ou molécula é chamado de
energia de ionização [1]e[3].
FIGURA 2.4 – A curva de corrente e voltagem DC em tubo de descarga elétrica,com plasma
de baixa energia em tratamentos de difusão térmica esta indicada na região de
glow anormal entre os pontos G e H.[2]
11
2.3 – Característica da Descarga em Arco
Petroff (1800) foi quem descobriu uma descarga em arco que persiste quando a
pressão do ar é reduzida num tubo de descarga. Em uma descarga em arco não existe
diferença entre as temperaturas do gás de trabalho e do elétron são de ~ 5000K – 25000K.
A descarga de arco acontece na atmosfera assim como em baixas ou altas pressões,
tanto em gases quanto em vapores. É a região de descarga que tem a corrente mais alta.
2.4 – Característica da Implantação de Íons por Imersão em Plasma
Implantação de íons em superfície de materiais é uma técnica que tem mostrado um
grande potencial para melhorar o desempenho de componentes de uso industrial e óptico tais
como: resistência à corrosão, dureza e tempo de fadiga. Neste processo os íons são
acelerados com uma alta energia e introduzidos dentro da superfície do material a ser
tratado. Átomos penetram no substrato a uma profundidade de 0,01µm – 10µm, dependendo
do número atômico e da energia dos íons, o que resulta numa fina camada modificada ligada
à superfície do substrato.
Quando um átomo ou molécula absorve energia de um elétron, um ou mais elétrons
são perdidos e partículas de carga positiva são formadas, e este processo é chamado de
ionização. O processo de ionização mais importante é o obtido por colisões de elétrons com
átomos neutros. O plasma contendo os íons assim formados se torna à fonte de cátions para
a implantação.
No processo IIIP (Implantação de Íons por Imersão em Plasma) as amostras ou peças
com acabamento a serem tratadas são completamente imersas em plasma e submetidas a
pulsos negativos de alta voltagem (10-100µs, 10-100kV) os quais são aplicados
repetitivamente (10-1000Hz) à bainha de plasma que se forma em torno do alvo, permitindo
assim a extração e aceleração simultânea dos íons provenientes do plasma e a conseqüente
implantação tridimensional das peças-alvo.
Na fig.2.5, um sistema IIIP típico é mostrado, onde apresentamos um alvo de
geometria extremamente complexa que é submetido a uma implantação tridimensional de
íons. A maior parcela de alta tensão aplicada aparece na bainha de plasma que se expande
rapidamente enquanto a implantação iônica prossegue até o fim do pulso de tensão. A
distribuição de potencial resultante é conforme e conseqüentemente a implantação
tridimensional é obtida. Com a devida montagem dos alvos, o processamento IIIP pode ser
12
aplicado em um grande número de peças simultaneamente, ou em peças de grande porte ou
peças de pesos excessivos dependendo da câmara de tratamento disponível. Estas
características importantes do IIIP são extremamente favoráveis à industrialização em larga
escala de produtos com propriedades superficiais de alto desempenho obtidas por
implantação iônica.
O processamento de superfície pelo método IIIP é considerado como tecnologia
emergente com grandes aplicações em engenharia de superfície de materiais englobando
metais, dielétricos e semicondutores.
Os principais objetivos da aplicação de implantação iônica por IIIP
em metais são:
-
o aumento de resistência ao desgaste;
-
aumento da dureza;
-
resistência à corrosão e ferrugem;
em dielétricos e semicondutores são :
-
resistência a arranhões;
-
condução elétrica;
-
filtros ópticos.
As desvantagens principais do processamento IIIP são:
-
camada superficial modificada é muito fina;
-
inexistência de separação de elementos de massas diferentes;
-
íons com distribuições de energias variando de zero ao valor máximo
do pulso;
-
presença de elétrons secundários que limitam a eficiência do processo
e que vem acarretar na produção de raio-x . [1]e[2]
13
FIGURA 2.5 – Esquema do Funcionamento do Processo de Implantação Iônica (IIIP).
FONTE: [1] .
14
3 – SISTEMA DE VÁCUO
3.1 – Especificações do Sistema de Vácuo
O principal fator que implica na dificuldade de se obter plasma na superfície
terrestre é pressão atmosférica. Para produzir plasma precisamos de baixa
pressão, visto que a diferença de potencial necessária para produzir a descarga
elétrica que dá início ao plasma é proporcional à pressão, sendo que, na pressão
atmosférica, esta descarga é extremamente difícil de se obter. [7]
Um segundo ponto vem da recombinação das partículas (troca de cargas). Num meio
muito denso (alta pressão) os íons facilmente seriam neutralizados não havendo assim tempo
suficiente para existir o plasma.
Logo, o plasma somente ocorre naturalmente no espaço (no vácuo), ou na alta
atmosfera (à exceção das chamas e dos raios). No laboratório o mesmo é obtido sempre em
câmaras nas quais é feito vácuo através de bombas de vácuo.
Para se alcançar estas pressões, são necessários diversos tipos de bomba de vácuo
trabalhando em conjunto. A escolha e feita de acordo com o intervalo de pressões em que
cada uma delas funcionam, e as principais bombas utilizadas em laboratório são as bombas
mecânicas, difusoras e as turbomoleculares.
O sistema de Implantação Iônica por Imersão em Plasma, (IIIP), do LAP/INPE,
consiste numa câmara de vácuo como mostra a figura 3.1 e 3.2, em aço inoxidável, de 38cm
de comprimento e 28cm de diâmetro interno. Uma bomba mecânica rotativa é utilizada para
diminuir a pressão da câmara até cerca de 10-2 mbar, quando também é ligada a bomba
difusora,
com
a
qual
a
pressão
na
câmara
é
reduzida
até
cerca
de
1×10-6 mbar. A pressão do gás de trabalho, durante a implantação iônica é da ordem de 8
×10-4 mbar.[7]
15
FIGURA 3.1 – Esquema do sistema IIIP do LAP/INPE.
FIGURA 3.2 – Câmara e Bomba de Vácuo do Laboratório do LAP/INPE.
16
4 – PROJETO DA FONTE DE ALIMENTAÇÃO
4.1 – Princípio do Funcionamento do Sistema de Alta Tensão
O presente trabalho teve por objetivo o projeto e construção de uma fonte de
alimentação variável de alta tensão, de 0 a 1,4 kV e corrente de até 2,5 A. Os componentes
foram dimensionados para que futuramente a fonte possa fornecer uma corrente até 10A.
Para isto basta a substituição do variac por um de maior potência.
A operação da fonte de alimentação variável de alta tensão consiste primeiramente
de uma amplificação da tensão da rede. Para tal é utilizado um transformador com um
variac3 em sua entrada para regulagem da tensão de entrada. Em seguida a tensão senoidal é
retificada através de uma ponte de diodo obtendo-se assim uma tensão retificada de onda
completa, como mostra a figura 4.1. [5]
FIGURA 4.1 - Onda senoidal e saída retificada de onda completa
FONTE: [5].
Depois de retificada a tensão é filtrada pelo banco de capacitores que apresentará uma
ondulação numa freqüência de ondulação de 120 Hz. Neste caso o capacitor é carregado
com uma frequência duas vezes maior que a da rede e com isso tem somente a metade do
tempo na descarga, obtendo-se assim a vantagem da capacitância necessária para filtrar ser a
3
Variac: Variador de tensão
17
metade em comparação ao um retificador de meia onda. A tensão filtrada apresenta-se com o
perfil da linha contínua, mostrada na figura 4.2.
FIGURA 4.2 - Filtragem de onda completa.
FONTE: [5].
Esta onda tem um ripple4 que é calculado pela expressão abaixo:
Vr = r.Vp
onde:
Vr = tensão de ripple
Vp = tensão de pico
r = especificação do ripple relativo (ex.: com 10% de o ripple será 0,10)
Escolhida a porcentagem da tensão de ripple podemos calcular o valor da
capacitância pela expressão abaixo
Vr =
Vr = tensão de ripple
I = corrente nominal
f = frequência
C = capacitor
4
Ripple: Ondulação
18
I
f ×C
4.2 – Descrição do Circuito de Alta Tensão
A retificação do sinal foi feita por uma ponte de diodos (1,2kV, 16A) em série para
suportar a tensão reversa que vai ser aplicada sobre eles. Estes diodos foram montados sobre
uma base isolante de fenolite, e esta base montada em um suporte de celeron, que isola os
diodos do gabinete, como mostra a figura 4.5 e 4.7 com suas respectivas ligações.
A filtragem da onda completa é feita por um banco de capacitor composto por oito
capacitores de 40µF/2,5kV ligados em paralelo totalizando uma capacitância de 320µF. Essa
capacitância foi determinada para garantir um ripple máximo de 20% quando futuramente a
corrente de saída atingir 10 A. O banco de capacitores foi isolado do gabinete por uma base
de PVC e milar, vide a figura 4.6. Foi incluída uma resistência de 60kΩ em paralelo com
estes capacitores, para a descarga destes quando o circuito for desligado, garantindo assim a
total descarga do banco após alguns minutos.
Uma resistência, composta por dois resistores em paralelo de 3,3Ω, 200W, foi
colocada para limitar a corrente de saída da fonte em torno de 800A caso a mesma seja
acidentalmente curto-circuitada, como por exemplo no caso da formação de um arco entre os
eletrodos de descarga. A resistência foi instalada no gabinete utilizando um suporte de
fenolite.
Como mostrado nas figuras 4.3 e 4.4 temos o diagrama de blocos do circuito que foi
utilizado no projeto e o esquema elétrico.
Rede
220/60Hz
Contator
Variac
Transformador
Retificador
Filtro
Câmara
(Eletrodo)
Sistema de
Proteção
FIGURA 4.3 – Diagrama de Blocos do Circuito da Fonte DC.
19
R3
R7
K3
F1
+V
220V
T1
Variac
C1
D1
R9
R2
+V
R5
K4
-220V
NO DATA
DC V
R1
B2
NO DATA
DC A
R10
+V
K2
CHgeral
S21
+V
K1
-6V
A1
R6
R4
D4
B1
T2
Q1
C7
S11
R8
FONTE 5V PARA
ALIMENTAÇÃO DO RELE
C2
OUT
COM
6V
+V
U2
IN
C4
D3
IN
OUT
COM
-6V
+V
U3
C3
C5
FIGURA 4.4 – Esquema da Fonte de Alimentação.
FIGURA 4.5 – Parte traseira da fonte composta pela ponte de diodos.
20
6V
S1
D2
C6
FIGURA 4.6 – Banco de Capacitores e transformador.
FIGURA 4.7 – Imagem da lateral direita da fonte e suas respectivas ligações.
4.3 – Cálculos para o Sistema de Alta Tensão
Para saber os valores foram feitos os seguintes cálculos:
- Tensão de pico:
Vp =
Vrms
1KV
=
= 1,4kV
0,707 0,707
- Tensão de ripple:
Vripple = 20% ×V p = 20% × 1400 = 280V
- Capacitância:
21
C=
I
10
=
= 300 µF
fVripple 120 × 280
- do resistor de descarga do capacitor o tempo foi submetido à 18 segundos, tendo
uma resistência de:
R=
τ
C
=
18
= 60 kΩ
300 × 10 − 6
- a potência do resistor é de:
P=
V 2 1400 2
=
= 33W
R 60 KΩ
Sendo Iarco = 1kA, o cálculo do resistor limitador e sua potência são:
R=
V 1400
=
= 1,4 Ω
I 1000
P = R × I 2 =1,4 ×10 =150W
(Foi calculada com a corrente de 10 A, porque este será o máximo de corrente
especificado para o sistema).
Os cálculos dos dissipadores dos diodos foram feitos através das características do
componente. Os dissipadores foram construídos na oficina mecânica do LAP/INPE.
TJ = P ( RθJC + RθCD + RθDA ) + TA
175 = 6 (0,5 + 1,6 + RθDA ) + 40
RθDA =
135
− 2,1= 20 K / W
6
22
FIGURA 4.8 – Ponte de diodos.
4.4 – Funcionamento do Sistema de Proteção
O circuito de proteção baseia-se em um amplificador operacional que no caso
trabalha como um comparador de tensão. São comparadas duas tensões, uma proveniente do
resistor shunt que reflete a corrente que está sendo drenada da fonte e a outra determinada
pelo trimpot R4, que estabelece qual corrente o circuito vai atuar.É portanto aplicada uma
tensão na entrada não-inversora do operacional através do trimpot R4, de modo a fazer o
circuito atuar quando a corrente de saída for ligeiramente superior a corrente nominal da
fonte. A tensão do resistor shunt é aplicada na entrada inversora. Em condições normais de
uso da fonte, isto é, quando a corrente de saída for inferior a corrente nominal a entrada
inversora é submetida a tensões mais positivas em relação à não-inversora, assim a saída do
operacional permanece em aproximadamente –Vcc, fazendo com que Q1, fique cortado e em
conseqüência disso o relé desoperado. Quando ocorre uma sobrecorrente na saída da fonte a
entrada inversora passa a ter com um potencial mais negativo do que na entrada nãoinversora, fazendo com que a saída do operacional assuma um potencial próximo a +Vcc.
Com isso o transistor é polarizado diretamente via R6 e passa para o estado de saturação,
acionando o relé RL1 que através de seu contato normalmente fechado, corte a alimentação
da bobina do contator principal K1, desligando assim todo o circuito de potência.
4.5 – Descrição do Circuito de Proteção
Primeiramente foram feitas as montagens do sistema de proteção no protoboard e
depois à montagem na placa final.
23
Para testar o sistema de proteção o circuito foi ajustado para desarmar com uma
corrente de 1A. Essa corrente foi obtida aplicando-se uma tensão de 100mV no resistor tipo
shunt5 de 0.1Ω. Na montagem foi utilizado um suporte de PVC para fixação da placa do
sistema de proteção no gabinete.
A figura 4.9 mostra uma placa que contém o sistema de proteção e a calibração dos
medidores de tensão e de corrente.
FIGURA 4.9 – Placa de circuito impresso do sistema de proteção e calibração dos
medidores.
4.6 - Cálculos para a Construção do Sistema de Proteção
As características dos componentes para os medidores foram calculadas com suas
correntes máximas sendo de 100 µA e outra de 50 µA. Suas potência então são:
P = I 2 R = (100 × 10 −6 ) 2 × 0,1 = 1nW
P = I 2 R = (50 × 10 −6 ) 2 × 0,1 = 0,25n W
Utilizamos dois trimpots com ajuste nos valores de 10kΩ e 500Ω, devido à existência
de uma resistência interna nos amperímetros no caso de Rint (100µA) = 1,6 kΩ e Rint (50µ A) = 3,9
kΩ.
Este circuito mostrado na figura 4.10 formado por um trimpot R2 de ajuste no valor
de 500Ω, uma resistência R7 no valor total de 4MΩ e um voltímetro composto por uma
5
Shunt: Uma conexão de baixa-resistência entre dois pontos em um circuito elétrico que forma um caminho
alternativo para uma porção da corrente
24
resistência interna no valor de 3,9kΩ. Os cálculos foram feitos para que a corrente de fundo
de escala do instrumento 50µ A seja atingida quando a tensão da fonte for de 2kΩ.
R7
+ V1
R2
NO DATA
DC V
FIGURA 4.10 – Circuito para leitura de tensão.
Para medição de corrente utiliza-se uma amostra da tensão do resistor R4, tipo shunt
convenientemente condicionada por este circuito mostrado na figura 4.11 para que o
medidor atinja um deflexão máxima com a corrente nominal da fonte. Os valores dos
componentes são: R5 = 0,1Ω, R1=10kΩ
R5
R1
NO DATA
DC A
FIGURA 4.11 – Circuito para leitura de corrente.
Sabendo a tensão do relé é de 6V e sua resistência de 52 Ω, temos o valor da corrente
do relé e do coletor do transistor que são:
Ir =
6
= 115 mA
52
Ir = Ic = 115 mA
Devido a esse valor esperado de corrente, foi utilizado o transistor BC337 que
suportaria a mesma.
25
Os cálculos a seguir são para a fonte de 6V, utilizada na alimentação do sistema de
sobrecorrente. O valor do capacitor utilizado é de:
C=
I
0,75
= 7,35 mF
f × Vripple 120 × 0,85
Foi utilizado o capacitor de 4700 µF , dos mais comuns no mercado.
- Foi calculado com 10% de tensão do ripple que será :
Vripple =10% × 8,5 = 0,85V
- O tempo foi submetido em 60s
R=
60 s
= 8,2 kΩ
7,35 mF
P=
8,5 2
= 8,8 mW
8,2 kΩ
26
5 – Resultados Obtidos
Foram feitos os testes com o sistema em vazio chegando ao máximo de tensão do
voltímetro, no caso 1kV, e utilizando um osciloscópio, chegando à tensão máxima de 1,4kV.
Também foi feita a calibração do voltímetro da fonte como mostra figura 5.1.
+
+
1000V
-
FIGURA 5.1 – Circuito do teste feito em vazio com a leitura de tensão feita pelo voltímetro.
Medimos também o ripple da fonte aplicando a tensão máxima da fonte e um
conjunto de três resistores em série de 600Ω e 500W cada, totalizando 1,8kΩ. A corrente
máxima nos resistores foi de:
I máx . =
V 1400
=
≅ 0,8 A ,
R 1800
assim, a potência dissipada em cada resistor foi de:
P = R × I 2 = 600 × 0,82 = 384W ,
ou seja, menor que a potência nominal de cada resistor. A figura 5.2 mostra o esquema
utilizado para a medição de ripple da fonte.
27
osciloscópio
600
1400V
+
NO DATA
DC V
600
600
FIGURA 5.2– Circuito feito para medição do ripple da fonte.
O sinal do ripple obtido no osciloscópio em nível DC, apresentou-se como mostrado na
figura 5.3.
1400
Tensão (V)
1200
Vr=15,4 V
1000
800
600
400
200
0
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
Tempo (s)
FIGURA 5.3 – Sinal do ripple medido em torno da tensão média de 1,4kV.
28
Em nível AC no osciloscópio tem-se um ripple como a figura 5.4.
10
Vr=14,8V
Tensão (V)
5
0
-5
-10
0,005
0,010
0,015
0,020
Tempo (s)
FIGURA 5.4 – Sinal do ripple em torno de 1,4kV
Curva de descarga do capacitor
Curva de descarga do capacitor
1000
800
Vd (V)
600
400
200
0
0
30
60
90
Tempo (s)
FIGURA 5.5 – Descarga do capacitor
29
120
Equação da Curva da Descarga do Capacitor
V (t ) =Vi × e
−t
RC
ln(V ) = ln(Vi × e
−t
RC
) = ln Vi + ln e
−t
RC
y = ax+b, então b = ln (Vi) e a =
= ln Vi −
t
RC
−1
RC
Os valores experimentais calculados a partir dos dados medidos de queda de tensão
em função do tempo são:
b = 6,90 ± 0,02
a = − 0,0525 ± 3 × 10− 4
a × RC = − 1
−1
RC =
=19,05s
− 0,0525
O valor teórico é : τ = 320 × 10−6. 60 × 103 =19200 × 10−3 =19,20s
A figura 5.6 mostra a resolução da curva de descarga do capacitor.
7
6
ln(Vd)
5
4
3
2
1
0
0
20
40
60
80
100
120
Tempo (s)
FIGURA 5.6 – Resolução da curva de descarga do capacitor
30
Este circuito da figura 5.7 foi utilizado para fazer a calibragem do amperímetro.
126.5
253V
+
amperímetro
NO DATA
DC V
FIGURA 5.7 – Circuito feito para calibração do amperímetro.
A corrente da fonte é medida através da queda de tensão em um resistor shunt de
0,1Ω. Para uma corrente máxima de 2,5 A no fundo de escala do amperímetro, a queda de
tensão no resistor shunt será de:
V = Rshunt × I máx = 0,1x 2,5 = 0,25 V .
Como o fundo de escala do outro amperímetro é de 100µA, então a resistência em
série com o amperímetro deve ser de:
R=
V 0,25
=
= 2,5 kΩ
I 10 − 4
R = resistência
Imáx = corrente máxima
I = corrente do fundo de escala do amperímetro
V = tensão
A resistência interna do microamperímetro é de 1,6kΩ, e desta forma foi colocado
um trimpot multivoltas para ajustar a resistência como mostrado na figura 5.8.
FIGURA 5.8 - Circuito de medição de corrente.
R = 5kΩ (resistência de ajuste da corrente de fundo de escala)
31
O teste final com a fonte foi o de produzir o plasma através da descarga glow DC. O
plasma foi criado na câmara descrita no capítulo 3, utilizando o gás nitrogênio, a uma
pressão de 8×10-4mbar. Com a ajuda do filamento emissor de elétrons, o plasma acendeu
com uma tensão de ~ 100V e uma corrente de 0,5A, como mostra a figura 5.9.
Foi testado o sistema de proteção de corrente, variando a tensão aplicada no eletrodo
da descarga, onde verificamos que este funcionou de acordo com o esperado.A fonte foi
ligada junto com o pulsador de alta tensão e foi verificado que não houve interferência na
fonte de ruídos gerados pelo pulsador.
FIGURA 5.9 – Plasma glow DC produzido com a fonte construída neste trabalho
32
A figura 5.10 mostra a fonte de tensão DC construída neste trabalho de graduação.
FIGURA 5.10 – Fonte de tensão DC.
33
6 – Conclusões e considerações
O trabalho realizado concluiu-se com a construção de uma fonte de alimentação de
regime contínuo. Esta fonte de alimentação foi construída para produção de plasma por
descarga glow, com a finalidade de utilizá-lo em tratamentos de superfície de materiais pelo
processo de Implantação Iônica por Imersão de Plasma (IIIP).
Foi desenvolvido um sistema de proteção da fonte que atua caso a corrente ultrapasse
o limite pré-ajustado. De acordo com os resultados obtidos nos testes dos circuitos de
sobrecorrente e alta tensão, podemos considerar que o projeto alcançou o objetivo
estabelecido neste trabalho de graduação.
Devido à complexidade do trabalho foi feito um estudo específico na área de física de
plasma.
34
Referências Bibliografia
[1] Anders, A. Handbook of plasma immersion ion implantation and deposition.
Lawrence Berkeley National Laboratory
[2] Boening, H. V. Plasma science and technology. Cornell University Press.
[3] Gomes, Geraldo Francisco. Construção e diagnósticos básicos de um “ZPinch”.Guaratinguetá-SP , 1994.
[4] Mello, Luiz Fernando P. Projeto fonte chaveada. Érica, 1987.
[5] Malvino, Albert Paul. Eletrônica. São Paulo: Ed. McGraw-Hill, v. 1 e 2
1987.
[6] Rashid, M. H. Spice for power electronics and electric power. Englewood
Cliffs, N.J: Prentice Hall, 1993.
[7] Ueda, M. ; Gomes, G. F. ; Castro, R.M.; Berni, L.A.; Oliveira, R. Q.
Desenvolvimento e otimização de uma fonte de descarga glow DC par a através
Implantação Iônica por Imersão em Plasma(IIIP) e caracterização do plasma
obtido de sonda de Langmuir com aquisição digitalizada de dados . São José dos
Campos: INPE, 1/2002
35
Apêndice 1
Lista de Componentes
PARA O CIRCUITO DE ALTA TENSÃO
Quantidade
8
8
Referência
C1
D1
Componentes
Capacitor
Diodo
2
4
6
1
R3
R7
R9
T1
Resistor
Resistor
Resistor
Transformador
1
Variac
Para o circuito de Sistema de Proteção
Quantidade Referência
Componentes
1
A1
Amplificador
Operacional
2
C2, C3
Capacitor
4
C4, C5, C6, Capacitor
C7
1
K1
Contator
5
1
1
1
1
1
D3, D4
R5
R8
R6
S1
U2
1
U3
1
R1
Diodo
Resistor
Resistor
Resistor
Relé
Regulador
Tensão
Regulador
Tensão
Trimpot
Multivoltas
36
Características
Bosh MP, 40µF/2.5kV
16FR120,
Isurto=310A,
Imédia=5A,
IDC=16A,
1200V,
Tmáx(J)=175,
junção
de
encapsulamento: 1,6K/W,
0,5K/W
3,3Ω/200W
1MΩ/0,25W
10kΩ/10W
RM552003,
série:
281002, 220/1000V, 10A
Mod.:2415/-, 220/240V,
15A, 3,6kW
Características
HA17741 – Vcc=18V
Eletrolítico 4.7kV/16V
100nF/16V
Siemens- Contator Bipolar,
2NA+2NF, 63A/690V –
3TF47,
22-0AN1
1N4007 – Vrms=1kV, I=1A
0,1Ω/2,5W
3kΩ/1W
1kΩ/1W
52Ω/6V,
7806
7906
10kΩ
1
R2
1
R4
1
T2
Trimpot
Multivoltas
Trimpot
Multivoltas
Transformador
37
500Ω
1kΩ
Com Center-Tape ,220V de
entrada, 6VCT6V, 750mA