retificador semicontrolado: carregador de bateria com multicontrole

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
EDSON MICHELON BENTO
MÁRCIO VICTOR DE LIMA
RETIFICADOR SEMICONTROLADO:
CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
Trabalho
de
Diplomação,
apresentado
ao
Departamento de Acadêmico de Eletrotécnica da
UTFPR, unidade Curitiba, como requisito parcial
para
obtenção
do
título
de
Tecnólogo
Eletrotécnica, Modalidade Automação industrial.
Orientador: José da Silva Maia, M. Engº.
CURITIBA
2006
em
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
EDSON MICHELON BENTO
MÁRCIO VICTOR DE LIMA
RETIFICADOR SEMICONTROLADO:
CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
Este Trabalho de diplomação foi julgado como requisito parcial para a obtenção do Título
de Tecnólogo em Eletrotécnica, Modalidade Automação em Acionamentos
Industriais, do Curso Superior de Tecnologia em Eletrotécnica do Universidade
Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba, 30 de janeiro de 2006.
___________________________________
Profº. Márcio Aparecido Batista
Coordenador de Curso
Departamento Acadêmico de Eletrotécnica
___________________________________
Profº. Andréia Costa
Coordenadora de Trabalho de Diplomação
Departamento Acadêmico de Eletrotécnica
BANCA EXAMINADORA
___________________________
___________________________
Prof.
Prof. M. ENGº José da Silva Maia
Universidade Tecnológica Federal o Paraná Universidade Tecnológica Federal o Paraná
Orientador
___________________________
Prof.
Universidade Tecnológica Federal o Paraná
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
DEDICATÓRIA
Oferecemos este trabalho à nossos
pais, que sempre nos apoiaram, incentivaram e
investiram seus esforços, com o objetivo de nos
projetar para um futuro melhor.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
AGRADECIMENTOS
- A Deus que iluminou todos os passos do nosso trabalho.
- Ao Professor José da Silva Maia, M. Engº, pela dedicação, competência, respeito e
paciência na orientação deste trabalho.
- A nossa família e a namorada do Edson, Valéria Gomes de Mello, pela compreensão de
nossa ausência e pelas palavras de incentivo que nos impulsionaram a trilhar esta jornada.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
RESUMO
Aliando o estudo do controle de potência e a oportunidade de contribuir para o
aprendizado e ensinamento sobre o assunto foi produzido um protótipo modular de um
retificador semicontrolado para carregar bateria, que poderá vir a ser utilizada durante
aulas na UFTPR. A estrutura do módulo de potência é a parte responsável pela conversão
de tensão e corrente alternadas em tensão e corrente contínuas, este processo leva o
nome de retificação, que neste caso é semi-contolada. Para realizar os disparos dos
SCR´s foram desenvolvidas estratégias que se utilizam de UJT e TCA 785 que são
componentes utilizados para o controle de disparo. Este controle deve satisfazer as
necessidades da carga, no caso o acumulador.
Palavras-chave: eletrônica de potência, carregador de bateria, UJT, TCA 785.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
ABSTRACT
Allying the study of the potency control and the opportunity of contributing for the
learnig/teaching on the subject a moodular portotype was produced of a rectifier semicontrolled to carry banks of batteries, breaking of a proposed model.The structure of the
potency module is the responsible part for the tension conversion and alternating current in
tension and continuous current, this process takes the name of rectification, that is semicontrolled in the case of this work. The components that are used to control the trigger of
the SCR´s gates are UJT and TCA 785. This control owes to satisfy the needs of the load,
in the case the accumulator.
Key-words: potency electronic, accumulator, UJT, TCA 785.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 – VISTA INTERNA DO RETIFICADOR MODELO ........................................................................... 14
FIGURA 2 – RETIFICADOR PROTÓTIPO ............................................................ Erro! Indicador não definido.
FIGURA 3 – RETIFICADOR DE MEIA-ONDA COM CARGA RESISTIVA ........................................................ 19
FIGURA 4 – RETIFICADOR DE MEIA-ONDA COM CARGA INDUTIVA .......................................................... 20
FIGURA 5 – CARGA INDUTIVA COM UM FWD ............................................................................................... 23
FIGURA 6 – RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA COM TERMINAL CENTRAL ......................................... 25
FIGURA 7 – RETIFICADOR MONOFÁSICO, ONDA COMPLETA, DIODO PONTO MÉDIO............................ 26
FIGURA 8 – RETIFICADOR COM TERMINAL CENTRAL COM CARGA INDUTIVA....................................... 27
FIGURA 9 – FORMAS DE ONDA DE CORRENTE, CARGA BASTANTE INDUTIVA ...................................... 28
FIGURA 10 – RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE................................................................... 29
FIGURA 11 – RETIFICADOR EM PONTE ......................................................................................................... 30
FIGURA 12 – FORMAS DE ONDA PARA UM RETIFICADOR EM PONTE ..................................................... 30
FIGURA 13 – CIRCUITO RETIFICADOR EM PONTE, CARGA INDUTIVA ...................................................... 31
FIGURA 14 – FORMAS DE ONDA PARA A FIGURA 13 (L – R) ...................................................................... 31
FIGURA 15 – FORMAS DE ONDA PARA A FIGURA13 (L >> R)..................................................................... 32
FIGURA 16 – RETIFICADOR CONTROLADO DE MEIA ONDA ....................................................................... 34
FIGURA 17 – RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM CARGA RL .................................................................... 36
FIGURA 18 – CARGA RL COM FWD ................................................................................................................ 37
FIGURA 19 – CIRCUITO RETIFICADOR, ONDA COMPLETA, TERMINAL CENTRAL .................................. 38
FIGURA 20 – FORMAS ONDA, RETIFICADOR ONDA COMPLETA, TERMINAL CENTRAL ......................... 39
FIGURA 21 – FORMAS DE ONDA, RETIFICADOR TERMINAL CENTRAL, CARGA RL ............................... 40
FIGURA 22 – RETIFICADOR TERMINAL CENTRAL, CARGA RESISTIVA RL E FWD .................................. 41
FIGURA 23 – CIRCUITO RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE ................................................ 42
FIGURA 24 – FORMAS DE ONDA, RETIFICADOR EM PONTE, CARGA RESISTIVA ................................... 43
FIGURA 25 – RETIFICADOR EM PONTE COM CARGA RL ............................................................................ 44
FIGURA 26 – FORMAS DE ONDA, RETIFICADOR EM PONTE, BAIXA CARGA INDUTIVA ......................... 44
FIGURA 27 – FORMAS DE ONDA DE UM RETIFICADOR EM PONTE COM L>>>R ..................................... 45
FIGURA 28 – CARACTERÍSTICA DE CONTROLE, RETIFICADOR EM PONTE ............................................ 46
FIGURA 29 – RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE COM FWD ................................................ 47
FIGURA 30 – FORMAS DE ONDA DE TENSÃO E DE CORRENTE PARA A FIGURA 29 .............................. 47
FIGURA 31 – CIRCUITO SEMICONTROLADO, ONDA COMPLETA EM PONTE ........................................... 48
FIGURA 32 – FORMAS ONDA, RETIFICADOR PONTE ,SEMICONTROLADO, CARGA RL ......................... 49
FIGURA 33 – RETIFICADOR SEMICONTROLADO EM PONTE COM FWD ................................................... 51
FIGURA 34 – TRANSISTOR DE UNIJUNÇÃO (UJT)........................................................................................ 52
FIGURA 35 – CIRCUITOS OSCILADOR DE RELAXAÇÃO ............................................................................. 53
FIGURA 36 – FORMAS DE ONDA DO OSCILADOR DE RELAXAÇÃO COM UJT ......................................... 54
FIGURA 37 – CIRCUITO INTEGRADO DE DISPARO TCA 785 ....................................................................... 55
FIGURA 38 – REFERÊNCIA PARA O DETECTOR DE PASSAGEM POR ZERO ........................................... 56
FIGURA 39 – SAÍDA DE UM GERADOR DE RAMPA ...................................................................................... 57
FIGURA 40 – COMPARADOR DE DISPARO DO TCA 785 .............................................................................. 58
FIGURA 41 – FORMAÇÃO DOS PULSOS DE DISPARO ................................................................................ 59
FIGURA 42 – EXEMPLO DE APLICAÇÃO DO TRANSFORMADOR DE PULSO............................................ 60
FIGURA 43 – ACOPLADORES ÓPTICOS ........................................................................................................ 61
FIGURA 44 – PILHA DE VOLTA ....................................................................................................................... 63
FIGURA 45 – ACUMULADOR ........................................................................................................................... 64
FIGURA 47 – PROCESSO DE ÓXIRREDUÇÃO ESPONTÂNEA ..................................................................... 66
FIGURA 48 – PROCESSO DE ELETRÓLISE.................................................................................................... 66
FIGURA 49 – RETIFICADOR MODELO ............................................................................................................ 81
FIGURA 50 - PLACA RT .................................................................................................................................... 83
FIGURA 51 - PLACA MCA................................................................................................................................. 83
FIGURA 52 – PULSO DE DISPARO DO UJT.................................................................................................... 84
FIGURA 53 – TENSÃO DE DISPARO DO UJT ................................................................................................. 85
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
FIGURA 54 – TENSÃO NO TERMINAL B2 DO UJT ......................................................................................... 85
FIGURA 55 – SENÓIDE DO ÂNGULO DE DISPARO E PULSO DE DISPARO UJT ....................................... 86
FIGURA 56 – CIRCUITO BASE DO TCA .......................................................................................................... 90
FIGURA 57 – DIAGRAMA DA PLACA DO TCA 785 ........................................................................................ 91
FIGURA 58 – CIRCUITO DO TCA ..................................................................................................................... 92
FIGURA 59 – TENSÃO DE REFERÊNCIA ........................................................................................................ 93
FIGURA 60 – RAMPA DE CONTROLE ............................................................................................................. 93
FIGURA 61 – RAMPA E TENSÃO DE CONTROLE, EM 24V ........................................................................... 94
FIGURA 62 – RAMPA E TENSÃO DE CONTROLE, EM 26V ........................................................................... 95
FIGURA 64 – RAMPA E TENSÃO DE CONTROLE, EM 29V ........................................................................... 96
FIGURA 65 – PULSO DE DISPARO TCA ......................................................................................................... 97
FIGURA 66 – PULSO SCR´S ............................................................................................................................. 97
FIGURA 67 – SENÓIDE DO ÂNGULO DE DISPARO E PULSO SCR, EM 24V ............................................... 98
FIGURA 68 – SENÓIDE DO ÂNGULO DE DISPARO E PULSO SCR, EM 25V ............................................... 98
FIGURA 69 – SENÓIDE DO ÂNGULO DE DISPARO E PULSO SCR, EM 26V ............................................... 99
FIGURA 70 – SENÓIDE DO ÂNGULO DE DISPARO E PULSO SCR, EM 27V ............................................... 99
FIGURA 71 – SENÓIDE DO ÂNGULO DE DISPARO E PULSO SCR, EM 29V ............................................. 100
FIGURA 72 – RETIFICADOR PROTÓTIPO ..................................................................................................... 101
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
LISTA DE QUADROS
QUADRO 1 – DURAÇÃO DE PULSOS C12 ................................................................................................... 47
QUADRO 2 – CORRENTE DE DESCARGA.................................................................................................... 60
QUADRO 3 – TENSÃO NOS ACUMULADORES............................................................................................ 61
QUADRO 4 – DENSIDADE DO ELETRÓLITO ................................................................................................ 62
QUADRO 5 – LISTA DE COMPONENTES DA PLACA RT..............................................................................73
QUADRO 6 – LISTA DE COMPONENTES DA PLACA MCA ..........................................................................74
QUADRO 7 – TENSÃO DE CONTROLE NO PINO 11......................................................................................97
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
LISTA DE SIGLAS
SCR – Silicon Controlled Rectifier / Retificador Controlado de Silício
AC – Alterned Current / Corrente Alternada
DC – Direct Current / Corrente Contínua
CINDACTA 2 – Segundo Centro Integrado de Defesa e Tráfego Aéreo
UJT – Unijunction Transistor / Transistor de Unijunção
PCI – Placa de Circuito Impresso
DAELT – Departamento Acadêmico de Eletrotécnica
FWD – Freewheeling-diode / Diodo de roda livre
VRLA – Valve Regulated Lead Acid / Acumulador Chumbo Ácido Regulado por Válvula
AGM – Abortive Glass Mat / Manta Lã de Vidro Absorvente
CI – Circuito Integrado
TRIAC – Triode/Triodo
Vc – Tensão de controle do pino 11
Vcr – Tensão de controle da rampa, pino 10
Placa RT – Placa de controle com UJT
Placa MCA – Placa módulo de controle automático carga/flutuação
TP – Transformador de pulso
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
SUMÁRIO
RESUMO .......................................................................................................................... 5
ABSTRACT ...................................................................................................................... 6
LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................ 7
LISTA DE QUADROS ...................................................................................................... 9
LISTA DE SIGLAS ......................................................................................................... 10
SUMÁRIO....................................................................................................................... 11
1
INTRODUÇÃO .................................................................................................... 13
1.1
Tema ................................................................................................................... 13
1.2
Delimitação do tema.......................................................................................... 14
1.3
Problema e premissa ........................................................................................ 15
1.3.1 Problema ............................................................................................................. 15
1.3.2 Premissa ............................................................................................................. 15
1.4
Objetivos ............................................................................................................ 15
1.4.1 Objetivo geral ...................................................................................................... 15
1.4.2 Objetivos específicos........................................................................................... 16
1.5
Justificativa........................................................................................................ 16
2
ESTRUTURA DO MÓDULO DE CONTROLE DE POTÊNCIA............................ 18
2.1
Introdução .......................................................................................................... 18
2.2
Retificação não controlada ............................................................................... 18
2.2.1 Retificador monofásico de meia-onda a diodo ..................................................... 18
2.2.2 Retificador monofásico de onda completa com ponto médio ............................... 24
2.2.3 Retificador monofásico de onda completa em ponte ........................................... 28
2.3
Retificação controlada ...................................................................................... 32
2.3.1 Retificador monofásico controlado de meia-onda ................................................ 33
2.3.2 Retificador monofásico controlado de onda completa com terminal central ......... 38
2.3.3 Retificador monofásico controlado de onda completa em ponte .......................... 42
2.3.4 Retificadores semicontrolados em ponte ............................................................. 48
2.4
Justificativa da aplicação ................................................................................. 51
3
ESTRUTURA DAS MALHAS DE CONTROLE DE DISPARO ............................ 52
3.1
Controle com UJT.............................................................................................. 52
3.1.1 Circuito de disparo com UJT ............................................................................... 53
3.2
Controle com TCA 785 ...................................................................................... 55
3.3
Isolação de pulso de disparo ........................................................................... 60
3.3.1 Transformadores de pulso ................................................................................... 60
3.3.2 Acopladores ópticos ............................................................................................ 61
4
ACUMULADORES.............................................................................................. 62
4.1
Fatos básicos .................................................................................................... 63
4.2
Acumulador elementar ...................................................................................... 64
4.3
Princípio de funcionamento do acumulador ................................................... 65
4.4
Acumuladores chumbo-ácido .......................................................................... 67
4.4.1 Transformações eletroquímicas........................................................................... 68
4.5
Acumulador alcalino níquel-cádmio tipo bolsa ............................................... 69
4.5.1 Transformações eletroquímicas........................................................................... 69
4.6
Acumulador gel selado isento de gaseificação .............................................. 70
4.6.1 Transformações eletroquímicas........................................................................... 71
4.7
Associação de acumuladores .......................................................................... 71
4.8
Definições para acumuladores ......................................................................... 72
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
4.8.1
4.8.2
4.8.3
4.8.4
4.8.5
4.8.6
4.9
4.9.1
4.9.2
4.9.3
4.9.4
4.9.5
4.9.6
4.10
Capacidade ......................................................................................................... 72
Tensão ................................................................................................................ 73
Carga .................................................................................................................. 74
Gaseificação........................................................................................................ 75
Ciclo de descarga ................................................................................................ 75
Auto-descarga ..................................................................................................... 76
Fatores ambientais e de segurança ................................................................. 76
Ambiente para instalação .................................................................................... 76
Manuseio ............................................................................................................. 77
Informações de risco à saúde .............................................................................. 77
Primeiros socorros............................................................................................... 77
Risco de fogo ou explosão .................................................................................. 78
Compromisso com o meio ambiente ................................................................... 78
Comparação entre acumuladores chumbo-ácido e alcalinos ........................ 78
5
METODOLOGIA ................................................................................................. 80
5.1
Analise de Fenômenos para Fundamentação ................................................. 80
5.1.1 Recuperação do Retificador Modelo .................................................................... 81
5.1.2 Placas de Controle RT & MCA ............................................................................ 82
5.2
Instrumentos...................................................................................................... 86
5.3
Procedimentos .................................................................................................. 89
5.3.1 Placa Controle TCA ............................................................................................. 89
5.3.2 Ensaio do Protótipo Retificador ........................................................................... 94
5.3.3 Protótipo do Retificador ..................................................................................... 100
6
ANÁLISE DOS DADOS .................................................................................... 102
7
CONCLUSÃO ................................................................................................... 103
REFERÊNCIAS ............................................................................................................ 104
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
1
INTRODUÇÃO
1.1
Tema
13
O controle de fluxo de energia elétrica entre dois ou mais sistemas elétricos
distintos sempre foi uma das grandes preocupações dos engenheiros eletricistas ao
longo da história da engenharia elétrica.
Para realizar tal controle, sempre foram procurados métodos que permitissem
rendimentos elevados, visto que normalmente eles são empregados no tratamento de
potências elevadas.
Por isto foram concebidos interruptores tradicionalmente empregados, como
relés e contactores.
A necessidade de interruptores mais eficientes, compactos e rápidos levou ao
desenvolvimento de interruptores eletrônicos. Assim, nos meados dos anos 60 surgiu o
termo “eletrônica de potência” após a criação do SCR (retificador controlado de silício)
pela General Electric nos Estados Unidos. A eletrônica de potência progrediu com
rapidez nos últimos anos, com o desenvolvimento dos dispositivos semicondutores de
potência que podem chavear altas correntes eficientemente em altas tensões. Uma vez
que esses dispositivos oferecem alta confiabilidade e são de pequeno porte, a eletrônica
de potência expandiu sua abrangência para diversas aplicações, uma delas são as
fontes reguladas de energia.
“O extenso campo da engenharia elétrica pode ser dividido em três ramos
principais: potência, eletrônica e controle. A eletrônica de potência trata da aplicação de
dispositivos semicondutores de potência, como tiristores e transistores, na conversão e
no controle de energia elétrica em níveis altos de potência. Essa conversão normalmente
é de AC (corrente alternada) para DC (corrente contínua) ou vice-versa, enquanto os
parâmetros controlados são tensão, corrente e freqüência. A simples retificação de AC
para DC, por exemplo, é uma conversão de potência. Mas, caso se aplique ajuste de
nível de tensão na retificação, tanto a conversão como o controle de energia elétrica,
passam a estar envolvidos no processo. Portanto, a eletrônica de potência pode ser
considerada uma tecnologia interdisciplinar que envolve três campos básicos: a potência,
a eletrônica e o controle.” (Eletrônica de potência, Guilherme Rebouças de Palma, p.4).
A eletrônica de potência pode ser definida como uma ciência aplicada dedicada
ao estudo dos conversores estáticos de energia elétrica.
Um conversor estático pode ser definido como um sistema, constituído por
elementos
passivos
(resistores,
capacitores
e
indutores)
e
elementos
ativos
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
14
(interruptores), tais como diodos, tiristores, transistores, GTO´s, Triac´s, associados a
uma lei pré-estabelecida.
Hoje, uma nova disciplina, a eletrônica de potência, descobre novas técnicas,
componentes e circuitos para obter novas soluções para novos e antigos problemas.
Na UTFPR, especificamente no curso de Tecnologia em Eletrotécnica, este
assunto tem maior ênfase na disciplina de acionamento de máquinas, que trata das
chaves de potência, drivers, conversores, inversores, nobreak..., resumindo, o controle
da energia através de chaves eletônicas de potência.
1.2
Delimitação do tema
Esta proposta vem apresentar um projeto que será desenvolvido na UTFPR
unidade Curitiba, mais precisamente no departamento de eletrotécnica. Será construído
um protótipo de retificador monofásico controlado de onda completa, para carregar
baterias. Este protótipo possuirá duas estratégias de controle que se utilizarão dos
recursos do oscilador de relaxação com UJT 2646 e do TCA 785.
Este protótipo será baseado em um retificador industrial carregador de baterias.
FIGURA 1 – VISTA INTERNA DO RETIFICADOR MODELO
FONTE: Autores.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
1.3
15
Problema e hipótese
1.3.1 Problema
No Brasil as universidades públicas enfrentam dificuldades para manter suas
estruturas e muito mais para oferecer uma condição privilegiada para o ensino devido à
limitação de recursos imposta pelo governo.
Na UTFPR não é diferente, isso obriga professores, alunos, enfim, a instituição,
a buscar soluções alternativas que venham a amenizar as deficiências causadas pela
falta de recursos.
Um dos problemas que a falta de recursos traz é o pouco contato com
experimentos, ensaios, desenvolvimento de projetos e pesquisas práticas, sendo que a
demonstração da teoria desperta o estudante e o desafia a explorar seus potenciais.
Equipamentos modulares de fácil utilização e simulação da realidade podem
facilitar o processo do ensino e da aprendizagem da eletrônica e podem ser utilizados
em Automação Industrial?
1.3.2 Hipótese
Partimos da hipótese de que, a existência de módulos didáticos de um
retificador industrial, acompanhado de seus diagramas esquemáticos e de uma diretriz
de utilização, facilita o andamento das aulas de laboratório para as disciplinas que
tenham a Eletrônica de Potência como parte dos seus objetivos curriculares.
1.4
Objetivos
1.4.1 Objetivo geral
Produzir um protótipo modular de um retificador: carregador de baterias de 24V,
para fins didáticos, que possibilite múltiplas estratégias de controle e implementar as
placas utilizando-se dos recursos do oscilador de relaxação com UJT 2646 e do TCA
785, partindo-se de um modelo proposto.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
16
1.4.2 Objetivos específicos
•
Interpretar e recuperar a funcionalidade do retificador carregador de bateria
semicontrolado, que serve de modelo;
•
Desenhar o layout, confeccionar as PCI´s, montar e testar as placas do
retificador protótipo;
•
Desenvolver o circuito e implementar a PCI de acordo com o retificador
estudado, utilizando-se estratégia de controle com TCA 785;
•
1.5
Testar os procedimentos de usuário do retificador produzido.
Justificativa
No decorrer do curso de tecnologia em eletrotécnica foram apresentadas
matérias como Circuitos e Medidas, Instalações Elétricas, Conversão de Energia,
Eletrônica, Projetos de Controle, Análise de Circuitos Digitais, Simulação de Sistemas
Industriais, Acionamentos de Máquinas, Acionamentos Especiais...
Porém, no caso de algumas disciplinas técnicas, o conteúdo exposto é
essencialmente teórico, não por escolha do professor, mas por falta de uma estrutura
adequada.
Isto
traz
dificuldades
para
o
acadêmico
absorver
o
conteúdo de maneira eficiente e se perde a oportunidade de despertar no aluno o
interesse e empenho pela disciplina. Esta condição deixa claro que para uma boa
formação técnica é essencial que prática e teoria caminhem juntos.
A partir de um retificador cedido por empréstimo pelo CINDACTA apresentouse a oportunidade de contribuir com a UTFPR aproximando a condição do laboratório do
DAELT de uma situação mais confortável. Serão desenvolvidos módulos didáticos de um
retificador com diferentes estratégias de controle. Este retificador terá uma contribuição
expressiva para a disciplina de Manutenção de Sistemas Eletrônicos e da disciplina de
Acionamentos de Máquinas que trata de forma mais específica da Eletrônica de
Potência.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
1.6
17
Metodologia
Esta pesquisa quanto à natureza é aplicada, abordando o problema de forma
qualitativa. Quanto aos seus objetivos é explicativa, adotando o procedimento técnico de
estudo de caso.
Seria bom também salientar os limites da pesquisa, que visa uma pesquisa
tecnológica, não se tratando de um trabalho essencialmente de projeto, com concepções
e cálculos dedutivos...
A base para a informação teórica necessária será obtida através da internet, de
livros, em arquivos, de artigos e em revistas. Já o material para construção eletrônica
será pesquisado nas lojas, revistas e também na internet. Com isso ter-se-á condição de
finalizar a produção almejada pelo projeto do trabalho de diplomação de curso.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
2
ESTRUTURA DO MÓDULO DE CONTROLE DE POTÊNCIA
2.1
Introdução
18
O processo de converter tensão e corrente alternadas em tensão e corrente
contínuas leva o nome de retificação. Pode-se dividir os retificadores em: retificadores
não controlados (que utilizam apenas diodos como elementos de retificação) e
retificadores controlados (que utilizam em sua estrutura retificadora SCR, o que
possibilita o controle do ângulo de condução).
2.2
Retificação não controlada
Neste capítulo, serão apresentados os retificadores monofásicos não
controlados. Desde os menos complexos como o de meia-onda (que opera utilizando
apenas um diodo), até os mais elaborados, que é o caso do retificador de onda completa
em ponte (que utiliza vários diodos em sua estrutura).
O elemento chave da retificação não controlada é o diodo. Os diodos
semicondutores encontram muitas aplicações em circuitos da engenharia elétrica e
eletrônica. Os diodos são também amplamente utilizados em circuitos de eletrônica de
potência para a conversão de energia elétrica, no caso, os conversores de AC em DC,
também conhecidos como retificadores.
2.2.1 Retificador monofásico de meia-onda a diodo
2.2.1.1 Com carga resistiva pura
A estrutura do retificador monofásico de meia-onda alimentando uma carga
resistiva está representada na figura 3a. A tensão da fonte é uma onda senoidal com
valor máximo Vm, e período T. Durante o semiciclo negativo, a tensão no ânodo é
negativa em relação à tensão no cátodo e o diodo passa para o estado desligado. Desta
maneira, não existe fluxo de corrente através de R. Entretanto, durante o semiciclo
positivo, quando a tensão no ânodo é positiva em relação à no cátodo, o diodo passa
para o estado ligado. Isso permite que a corrente flua através do resistor de carga R.
Assim, a tensão na carga (v0) acompanha a meia-onda senoidal positiva, daí a origem do
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
19
nome “retificador de meia-onda”. A figura 3b mostra as formas de onda da tensão de
saída (v0) e da corrente na carga (i0).
O retificador em questão, dessa maneira, transforma potência AC em DC. A
tensão de saída é pulsante DC e contém uma grande ondulação. Desta maneira
constatamos, que circuitos retificadores de um pulso possuem baixo valor prático para
aplicações em alta potência.
(a) circuito
(b) formas de onda
FIGURA 3 – RETIFICADOR DE MEIA-ONDA COM CARGA RESISTIVA
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
20
2.2.1.2 Com carga indutiva (RL)
A estrutura do retificador monofásico de meia-onda alimentando uma carga
indutiva (RL), como ocorre na prática, é mostrada na figura 4a. Abaixo segue o principio
de funcionamento do circuito.
(a) diagrama do circuito
(b) Formas de onda de tensão e de corrente
FIGURA 4 – RETIFICADOR DE MEIA-ONDA COM CARGA INDUTIVA
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
•
21
Como no caso anterior, o diodo passará a conduzir (estado ligado),
quando o ânodo se tornar positivo em relação ao cátodo. A tensão na
carga é, desta forma, a mesma do semiciclo positivo da fonte AC;
•
Neste meio tempo, a energia, transferida pela fonte AC, é armazenada
no campo magnético que envolve o indutor;
•
A corrente que circula em um indutor não varia instantaneamente.
Portanto ela aumenta gradativamente até alcançar seu valor máximo.
Preste atenção ao fato, de que a corrente não atingirá o valor de pico
quando a tensão estiver no máximo. Isto devido ao fato de que a
corrente, em um indutor, ficar atrasada em relação à tensão.
•
No momento em que a fonte de tensão começa a decrescer, a corrente
começará a diminuir gradativamente e chegará a zero no momento em
que toda a energia armazenada pelo indutor for transferida para o
circuito. Desta maneira fica claro que a corrente na carga, existe por
pouco mais de metade do período inteiro.
•
Automaticamente, o campo magnético que se extingue conecta-se ao
indutor e induz uma tensão que se opõe à diminuição na tensão
aplicada.
•
No momento em que a corrente chegar a zero, o diodo ficará
inversamente polarizado e permanecerá desligado durante o resto do
ciclo negativo. As formas de onda são mostradas na figura 4b.
•
No intervalo de 0 a π/2, a fonte de tensão vs aumenta de zero até o
valor positivo máximo, enquanto a tensão no indutor vL
se opõe à
variação da corrente através da carga.
•
Durante o intervalo π/2 a π, a fonte de tensão diminui de seu valor
positivo máximo até zero. Paralelamente, a tensão induzida terá
revertido sua polaridade e era se opor à diminuição de corrente. Ou
seja, agora ajuda a corrente direta do diodo.
•
Em π, a fonte de tensão se inverte e começa a aumentar até atingir seu
valor negativo máximo. Todavia, a tensão no indutor é ainda positiva e
sustenta a condução direta do diodo até reduzir-se a zero, ponto onde o
diodo bloqueia. Observe que, mesmo o diodo estando inversamente
polarizado, há nele um fluxo de corrente até que o ângulo θ = π + Ф seja
atingido. Isso é resultado da energia armazenada no campo magnético
que retorna à fonte.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
•
22
Se a indutância L da carga for aumentada, o diodo conduzirá corrente
por mais tempo durante o ciclo.
Caso a indutância L fosse infinita, a corrente que flui através do diodo seria
completamente plana e, ou seja, contínua. Nesse caso, o diodo estaria ligado para o
ciclo completo, a tensão nele seria zero e os valores de vs e v0 seriam iguais. O circuito
não mais retificaria e, portanto a corrente permaneceria alternada.
Para aplicações industriais, de alta potência, circuitos de um pulso têm o uso
limitado pela baixa tensão de saída e pela grande ondulação na tensão de saída DC.
2.2.1.3 Com carga indutiva e diodo de retorno “roda-livre”
Modificando o circuito da figura 4a, chegamos à configuração que é mostrada
na figura 5a, que é de uso prático em aplicações de baixa potência. Ainda é classificado
como retificador de meia-onda, embora a corrente na carga possa fluir durante o ciclo
inteiro.
(a) diagrama do circuito
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
23
(b) formas de onda típicas com uma carga indutiva grande
FIGURA 5 – CARGA INDUTIVA COM UM FWD
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
O diodo (D2), adicionado em paralelo com a carga, é conhecido como um diodo
de retorno (freewheeling-diode – FWD) ou diodo de roda-livre. Seu papel no circuito é
impedir o surgimento de uma tensão negativa na carga. Durante o semiciclo negativo da
tensão de alimentação, o FWD conduz e propicia um caminho alternativo para a corrente
na carga. Nesse intervalo de condução, o diodo principal D1 fica inversamente polarizado
e pára de conduzir, reduzindo à zero o valor da corrente da fonte. O FWD também ajuda
a impedir que a corrente na carga chegue a zero e desse modo reduz a ondulação.
As formas de onda de tensão e de corrente mostradas na figura 5b parte do
pressuposto que no circuito há uma alta indutância de carga. Quanto mais alta a
indutância, mais plana se torna a corrente na carga.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
24
2.2.2 Retificador monofásico de onda completa com ponto médio
Os retificadores monofásicos de meia-onda não são utilizados em larga escala
devido basicamente a três fatores, são eles: baixa tensão média de saída, pouca
eficiência e alto fator de ondulação. Essas limitações podem ser eliminadas pela
retificação em onda completa. Os retificadores de onda completa são mais utilizados do
que os de meia-onda por causa das tensões e correntes médias mais elevadas, da maior
eficiência e do fator de ondulação reduzido.
2.2.2.1 Com carga resistiva pura
O circuito do retificador de onda completa, com transformador com terminal
central no secundário, é representado na figura 6a. A fonte de tensão e o resistor de
carga são idênticos aos da meia-onda. No semiciclo positivo (figura 6b), o diodo D1
conduz e D2 está inversamente polarizado. A corrente flui através da carga e provoca
uma queda positiva. Durante o semiciclo negativo (figura 6c), o diodo D1 passa para o
estado desligado e D2 conduz. A corrente flui através de R, mantendo a mesma
polaridade da tensão na carga (observar figura 6d). Conclui-se então, que a forma de
onda da tensão na carga consiste em semiciclos sucessivos de uma onda senoidal, o
que resulta em um valor médio e em uma freqüência de ondulação mais alta.
(a) circuito
(b) circuito equivalente durante o semiciclo positivo
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
(c) circuito equivalente durante o semiciclo negativo
(d) formas de onda de tensão e de corrente
FIGURA 6 – RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA COM TERMINAL CENTRAL
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
25
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
26
FIGURA 7 – RETIFICADOR MONOFÁSICO, ONDA COMPLETA, DIODO PONTO MÉDIO
FONTE: BARBI, Ivo; Eletrônica de Potência.
2.2.2.2 Com carga indutiva (RL)
Sabe-se que ao adicionar uma indutância em série com a resistência de carga,
varia-se a tensão e a forma de onda da corrente, como já foi comentado anteriormente
no item 2.2.1.2. No item citado, vimos que, a corrente na carga continua a fluir por um
período após o diodo ficar inversamente polarizado, o que causa uma diminuição na
amplitude da tensão média de saída.
A figura 8a mostra o retificador de onda completa com terminal central com uma
carga indutiva e tensão associadas, bem como a forma de onda de corrente. Como
mostra a figura 8b, a corrente na carga alcançará o valor máximo quando a fonte de
tensão (vs) for igual a zero. Quando vs aumentar, em amplitude, durante o intervalo de 0
a π/2, o indutor se oporá ao fluxo da corrente e armazenará energia em seus campos
magnéticos. Em π/2, quando vs alcançar seu máximo, a corrente na carga estará em seu
mínimo. No intervalo entre π/2 e π, quando a fonte de tensão diminuir em amplitude, a
tensão no indutor se oporá ao processo de diminuição da corrente na carga, como se
isso fosse uma ajuda à fonte de tensão. Desta maneira, a corrente na carga aumentará
até um valor máximo, quando então vs = 0. O processo se repete para cada semiciclo da
onda senoidal retificada. A corrente na carga nunca vai a zero, uma vez que a energia
armazenada no campo magnético mantém seu fluxo.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
(a) diagrama de circuito
(b) formas de onda de tensão e de corrente
FIGURA 8 – RETIFICADOR COM TERMINAL CENTRAL COM CARGA INDUTIVA
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
27
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
28
Se a indutância da carga for grande o suficiente, a corrente será praticamente
constante, como mostra a figura 9.
FIGURA 9 – FORMAS DE ONDA DE CORRENTE, CARGA BASTANTE INDUTIVA
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
2.2.3 Retificador monofásico de onda completa em ponte
2.2.3.1 Com carga resistiva pura
Outra maneira de se obter uma retificação de onda completa é utilizando um
retificador em ponte, como mostra a figura 10. Na estrutura deste retificador encontram-
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
29
se quatro diodos. Durante o semiciclo positivo da fonte de tensão (figura 11a), D2 e D3
encontram-se diretamente polarizados e poderão, desta maneira, ser substituídos por
uma chave fechada. O fluxo de corrente na carga, nesse período, ocorre através de D2 e
da carga R; em seguida, por D3 e de volta à fonte. Isso resulta em uma queda de tensão
positiva em R.
FIGURA 10 – RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
A figura 11b mostra o circuito de onda completa em ponte durante o semiciclo
negativo da fonte de tensão. Agora, D1 e D4 estão diretamente polarizados e podem ser
substituídos por chaves fechadas. O trajeto da corrente na carga passa através de D4, de
R, de D1 e novamente vai até a fonte. O caminho da corrente através de R é o mesmo,
no que diz respeito à direção, do outro semiciclo. Há, portanto, uma queda de tensão
positiva em R em ambos os semiciclos. Então, o retificador de onda completa em ponte
propicia corrente na caga durante ambos os semiciclos. As formas de onda do circuito
são apresentadas na figura 2.10.
(a) semiciclo positivo
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
(b) semiciclo negativo
FIGURA 11 – RETIFICADOR EM PONTE
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
FIGURA 12 – FORMAS DE ONDA PARA UM RETIFICADOR EM PONTE
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
30
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
31
2.2.3.2 Com carga indutiva (RL)
A inserção de uma indutância em série com a resistência de carga faz com que
a forma de onda de tensão e de corrente varie. A figura 13 mostra um retificador em
ponte com carga indutiva. Imaginemos que a indutância L seja aproximadamente igual a
R.
FIGURA 13 – CIRCUITO RETIFICADOR EM PONTE, CARGA INDUTIVA
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
A corrente AC na linha não é mais senoidal; agora, aproxima-se de uma onda
quadrada. A figura 14 mostra as formas de onda de tensão da corrente.
FIGURA 14 – FORMAS DE ONDA PARA A FIGURA 13 (L – R)
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
32
Se a indutância da carga for aumentada até se tornar muito maior do que R, a
ondulação passa a ser pequena. Se supusermos uma indutância de carga infinita, a
corrente passa a ser constante e o comportamento do circuito é aquele mostrado pelas
formas de onda na figura 15. Os diodos D2 e D3 conduzem uma corrente constante para
a carga no semiciclo positivo, os diodos D1 e d4 fazem o mesmo no semiciclo negativo.
Embora não seja uma onda senoidal, a fonte de corrente AC é uma forma de
onda alternada de forma retangular. A carga está sempre conectada à fonte, mas a
ligação é invertida de maneira alternada nos semiciclos.
FIGURA 15 – FORMAS DE ONDA PARA A FIGURA13 (L >> R)
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
2.3
Retificação controlada
A diferença, entre os retificadores não controlados e os retificadores
controlados, é que os primeiros fornecem apenas uma tensão de saída fixa ao contrário
dos retificadores controlados. Para se obter tensões de saída controladas, é utilizado o
controle de fase com tiristores em vez de diodos. A tensão de saída dos retificadores
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
33
tiristorizados é controlada variando-se o ângulo de disparo ou de retardo dos tiristores.
Um tiristor em controle de fase é disparado através da aplicação de um pulso de curta
duração ao seu gatilho e desligado devido à comutação natural da rede, ou da linha; e no
caso de uma carga altamente indutiva, ele é desligado pelo disparo de outro tiristor do
retificador, durante o semiciclo negativo da tensão de entrada.
Os retificadores controlados, ou conversores, são classificados em dois tipos:
semicontrolado e completamente controlado. O completamente controlado, ou tipo doisquadrantes, usa um SCR como dispositivo de retificação. A corrente DC é unidirecional,
mas a tensão DC pode ter qualquer uma das duas polaridades. Com uma delas, o fluxo
de potência vai da fonte AC para a carga DC, em um processo chamado retificação.
Com a inversão da tensão DC pela carga, o fluxo de potência vai da fonte DC para a
alimentação AC, em um método chamado inversão.
Caso metade dos SCRs for substituída por diodos, o circuito passará a ser
classificado como semicontrolado ou semiconversor. Esse circuito permite também que o
valor médio da tensão de saída DC seja variado pelo controle de fase do SCR.
Entretanto, a polaridade da tensão de saída DC e a direção da corrente não podem
mudar, isto é, o fluxo de potência ocorre da fonte AC para a carga DC. Os conversores
desse tipo são também denominados conversores de um-quadrante.
Os retificadores controlados fornecem potência DC para várias aplicações,
como controle de velocidade para motores DC, transmissão DC em alta tensão e
carregadores de baterias ( que é o caso do retificador estudado pela equipe).
2.3.1 Retificador monofásico controlado de meia-onda
2.3.1.1 Com carga resistiva pura
A estrutura de um circuito retificador controlado de meia-onda com carga
resistiva pura pode ser observado na figura 16a. Durante o semiciclo positivo da tensão
de alimentação, o SCR estará diretamente polarizado e conduzirá se o pulso de
acionamento for aplicado à porta. Se o SCR passar para o estado ligado em t0, uma
corrente fluirá na carga e a tensão de saída v0 será igual à tensão de entrada. No tempo t
= π, a corrente cai naturalmente a zero, uma vez que o SCR estará inversamente
polarizado. Durante o semiciclo negativo, o dispositivo bloqueará o fluxo de corrente e
não haverá tensão na carga. O SCR ficará fora até que o sinal seja aplicado novamente
na porta em (t0 + 2π). O período que vai de 0 a t0, na figura 16b, representa o tempo no
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
34
semiciclo positivo quando o SCR está desligado. Esse ângulo (medido em graus) é
chamado ângulo de disparo ou ângulo de retardo (α). O SCR conduz de t0 a π; esse
ângulo é denominado ângulo de condução (θ).
(a) circuito
(b) formas de onda de tensão e de corrente
FIGURA 16 – RETIFICADOR CONTROLADO DE MEIA ONDA
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
35
Podemos perceber que a amplitude da tensão de saída é controlada pelo
ângulo de disparo. O aumento de α disparando o SCR posteriormente no ciclo diminuirá
a tensão e vice-versa. A máxima tensão de saída, ocorre quando α = 0º, o circuito
atuará como um diodo retificador.
2.3.1.2 Com carga indutiva (RL)
Um retificador de meia-onda com uma carga RL é mostrado na figura 17a. Se o
SCR for acionado com um ângulo de disparo igual a α, a corrente na carga aumentará
aos poucos, uma vez que a indutância forçará a corrente a se atrasar em relação à
tensão. A tensão na carga (v0) será positiva e o indutor estará armazenando energia em
seu compo magnético. Quando a tensão aplicada se tornar negativa, o SCR ficará
inversamente polarizado.
É neste momento, que a energia armazenada no campo
magnético do indutor retornará e manterá uma corrente direta através da carga. A
corrente continuará a fluir até β (denominado ângulo de avanço), quando então o SCR
passará para o estado desligado. A tensão no indutor mudará de polaridade e a tensão
na carga ficará negativa. Em conseqüência disso, a tens]ao média na saída vai se tornar
menor do que seria se a carga fosse uma resistência pura. As formas de onda para
tensão e corrente de saída são representadas na figura 17b; elas contêm uma
significativa quantidade de ondulação.
(a) circuito
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
36
.
(b) formas de onda de tensão e de conrrente
FIGURA 17 – RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM CARGA RL
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
2.3.1.3 Com diodo de retorno (FWD)
No intuito de cortar a porção negativa da tensão de saída, instantânea e
amenizar a ondulação da corrente de saída, usa-se um diodo de retorno, como pode-se
observar na figura 18a. Quando a tensão na carga tender à inversão, o FWD ficará
diretamente polarizado e passará para o estado ligado. O SCR então ficará inversamente
polarizado e passará para o estado desligado. Desta maneira, a corrente que flui da
fonte para a carga, pelo SCR, fica agora entre a carga e o diodo de retorno. Observe que
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
37
a corrente continua a fluir na carga após o SCR ter passado para o estado desligado.
Isso se deve à energia armazenada no indutor. A tensão de saída é a mesma no circuito
com carga resistiva.
(a) circuito
(b) formas de onda
FIGURA 18 – CARGA RL COM FWD
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
38
2.3.2 Retificador monofásico controlado de onda completa com terminal central
2.3.2.1 Com carga resistiva pura
O arranjo básico de um retificador monofásico controlado com terminal central e
carga resistiva é encontrado na figura 19. O controle de fase, tanto da parte positiva
como da negativa da alimentação AC, agora é possível, o que aumenta a tensão DC e
reduz a ondulação quando comparado com os retificadores de meia-onda.
Durante o ciclo semiciclo positivo da tensão de entrada, o SCR1 fica
diretamente polarizado. Se for aplicado um sinal na porta em α, o SCR1 passará para o
estado ligado. A tensão de saída (v0) seguirá a tensão de entrada. A corrente na carga
tem a mesma forma de onda da tensão na carga. Em π, quando a corrente se tornar
nula, o SCR1 passará, de maneira natural, para o estado desligado. Durante o semiciclo
negativo, o SCR2 ficará diretamente polarizado. O SCR2 será disparado somente em (π +
α). A tensão de entrada será seguida mais uma vez pela tensão de saída. Em 2π a
corrente que passa pelo SCR2 cai a zero, neste momento o dispositivo passará para o
estado desligado. O SCR1 será acionado novamente em (2π + α) e o SCR2 em (3π + α).
É desta maneira que o ciclo se repetirá. As formas de onda resultantes de tensão e
corrente são apresentadas na figura 20.
FIGURA 19 – CIRCUITO RETIFICADOR, ONDA COMPLETA, TERMINAL CENTRAL
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
39
FIGURA 20 – FORMAS ONDA, RETIFICADOR ONDA COMPLETA, TERMINAL CENTRAL
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
2.3.2.2 Com carga indutiva (RL)
As formas de onda para tensão e corrente quando a carga indutiva presente no
circuito é altíssima, de tal maneira que a corrente na carga seja sempre contínua é
apresentada na figura 21.
O período de condução de SCR1 é de 180º, de α a (π +α) e sua tensão na
carga segue a tensão de entrada. No instante (π +α), o SCR1 é desligado (uma vez que
a tensão de alimentação aparece de imediato e aplica uma polarização inversa) e o
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
40
SCR2 é disparado. O período de condução do SCR2 é de 180º, iniciando em (π +α) e
terminando em (2π +α). Durante este período o SCR2 fornece potência à carga.
A tensão de saída estará em seu máximo positivo quando α = 0º, será zero
quando α = 90º e estará em seu máximo negativo em α = 180º
FIGURA 21 – FORMAS DE ONDA, RETIFICADOR TERMINAL CENTRAL, CARGA RL
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
2.3.2.3 Com diodo de retorno (FWD)
O acréscimo de um diodo de retorno ligado em paralelo com a carga indutiva
(circuito apresentado na figura 22) irá alterar as formas de onda de corrente e tensão da
figura 21. No circuito citado a tensão na carga tende a ser negativa, desta maneira, o
FWD fica diretamente polarizado e entra em condução. Assim sendo, a tensão na carga
fica estacionada em zero volt. A corrente quase constante (quase plana) na carga é
mantida pela corrente de retorno que passa pelo diodo.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
41
(a) circuito
(b) formas de onda de tensão e de corrente
FIGURA 22 – RETIFICADOR TERMINAL CENTRAL, CARGA RESISTIVA RL E FWD
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
42
2.3.3 Retificador monofásico controlado de onda completa em ponte
2.3.3.1 Com carga resistiva pura
Um retificador monofásico controlado de onda completa em ponte com carga
resistiva é exposto na figura 23. No circuito em questão, os pares de SCRs opostos na
diagonal passam juntos para o estado ligado ou para o desligado. O funcionamento
deste circuito é similar à do circuito de onda completa com terminal central (item 2.3.2).
Neste circuito a tensão média de saída DC controlada vai de zero a um valor máximo
positivo, dependendo da variação do ângulo de disparo.
Os pares de SCRs são controlados e disparam, com um ângulo de retardo igual
a α. Agora as formas de onda da corrente e da tensão se tornam uma onda completa,
como mostra a figura 24.
FIGURA 23 – CIRCUITO RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
43
FIGURA 24 – FORMAS DE ONDA, RETIFICADOR EM PONTE, CARGA RESISTIVA
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
2.3.3.2 Com carga indutiva (RL)
Neste circuito (figura 25) a corrente na carga tende a manter-se fluindo, já que o
indutor induz uma tensão que se opõe à variação da corrente. Desta maneira os SCRs
continuam conduzindo, embora a tensão possa ter caído a zero. A corrente mantém o
fluxo de corrente pelo SCR mesmo após a tensão ter sido invertida.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
44
FIGURA 25 – RETIFICADOR EM PONTE COM CARGA RL
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
FIGURA 26 – FORMAS DE ONDA, RETIFICADOR EM PONTE, BAIXA CARGA INDUTIVA
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
45
Se a indutância presente no circuito for pequena ou o ângulo de retardo α for
mantido alto, a corrente de saída DC atingirá o valor zero a cada semiciclo em (π + β),
como mostra a figura 26. Neste período, nenhum dos SCRs fica ligado, então diz-se que
a corrente é não-contínua.
Caso a indutância da carga seja elevada, ou se o ângulo de retardo α se tornar
muito pequeno, a corrente na carga não atingirá o valor zero e sim fluirá de modo
continuo (figura 27). Desta maneira, conclui-se que um dos pares de SCRs estará
sempre em condução, e então a corrente é dita contínua.
FIGURA 27 – FORMAS DE ONDA DE UM RETIFICADOR EM PONTE COM L>>>R
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
46
No semiciclo positivo, SCR1 e SCR4 estão diretamente polarizados. Agora, uma
vez que vs é negativa, SCR2 e SCR3 estão diretamente polarizados e ao receberem um
sinal na porta, irão para o estado ligado. No entanto, a corrente de carga ainda flui no
mesmo trajeto, SCR1 e SCR4, até que SCR2 e SCR3 sejam acionados.
Observe na figura 28, no momento em que α se torna maior do que 90º, o valor
médio da tensão de saída é negativo. Conseqüentemente, no intervalo de 90º a 180º, a
potência corre do lado da carga DC para o lado da fonte AC e neste momento o circuito
opera como um inversor. No momento em que se obtém retificação e inversão a partir de
um conversor, o processo chama-se operação em dois-quadrantes e o conversor é
denominado conversor completo.
FIGURA 28 – CARACTERÍSTICA DE CONTROLE, RETIFICADOR EM PONTE
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
2.3.3.3 Com diodo de retorno (FWD)
Caso um diodo seja adicionado ao circuito em paralelo com a carga, o modelo
poderá operar apenas como retificador, pois o diodo não permitirá o aparecimento de
valores negativos de v0 na carga. Podemos observar na figura 29, o acréscimo do diodo
de retorno (D) no circuito do retificador em ponte. A inclusão do diodo de retorno
possibilita um novo caminho para o fluxo de corrente na carga. Neste momento existem
três caminhos possíveis: SCR1 e SCR4, SCR2 e SCR3 e o novo caminho, através do
diodo D.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
47
FIGURA 29 – RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE COM FWD
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
No momento em que os valores de v0 se tornarem negativos, o diodo D estará
diretamente polarizado e a tensão fornecida à carga será zero. Desta maneira, as
porções negativas de v0 na figura 27 serão substituídas por v0 = 0, como podemos ver na
figura 30.
FIGURA 30 – FORMAS DE ONDA DE TENSÃO E DE CORRENTE PARA A FIGURA 29
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
48
Durante esse intervalo, a corrente na carga se dá através de D e as correntes
no SCR e a corrente da fonte são nulas. Então podemos deduzir que SCR1 e SCR4 em
série, estão inversamente polarizados e passam para o estado desligado. Sabemos que
SCR2 e SCR3 já estão desligados, pois vs é negativa. È desta forma que a corrente na
carga, é transferida para o diodo de retorno.
2.3.4 Retificadores semicontrolados em ponte
Os conversores que podem operar com tensões médias DC na caga tanto
positiva como negativa são chamados de conversores completos ou de dois-quadrantes.
No modo inversão, remove potência DC da carga e a devolve à fonte AC. Já no modo
retificação, eles fornecem potência a partir da fonte AC para a carga DC.
Existem diversas aplicações que demandam fluxo de potência somente da
fonte AC para a carga DC (é o caso do retificador utilizado como modelo para o trabalho
de diplomação de curso), desta maneira são operadas apenas no modo retificação. Este
resultado é obtido em retificadores em ponte quando se substitui metade dos SCRs por
diodos. Esses circuitos são denominados como retificadores em ponte de um-quandrante
ou semicontrolados. Há um método alternativo para se obter a operação um-quadrante
em retificadores em ponte, que consiste em adicionar um diodo de retorno nos terminais
de saída do retificador.
FIGURA 31 – CIRCUITO SEMICONTROLADO, ONDA COMPLETA EM PONTE
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
O modelo do circuito semicontrolado básico em ponte é mostrado na figura 31.
Sua operação é idêntica à do retificador com quatro SCRs (retificador completamente
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
49
controlado em ponte com carga resistiva). No semiciclo positivo da fonte, SCR1 e D4
estarão diretamente polarizados. Caso acionemos SCR1 em α, a corrente fluirá por D4,
pela carga e por SCR1. O SCR1 irá para o estado desligado em π quando a fonte passar
do semiciclo positivo para o semiciclo negativo. A tensão na carga é a mesma da tensão
de entrada, nesse período (α a π). No instante (π + α), SCR2 é acionado, fazendo com
que a corrente flua por D3 e da carga. No momento 2π, SCR2 passa para o estado
desligado, é neste instante que o ciclo se repete.
FIGURA 32 – FORMAS ONDA, RETIFICADOR PONTE ,SEMICONTROLADO, CARGA RL
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
50
Se houver uma carga indutiva no circuito, uma comutação (transferência de
corrente) ocorre a cada todo semiciclo para fazer com que a corrente na carga passe
através do diodo, como mostra a figura 32. A corrente passa por SCR1 e D3 no intervalo
π a (π + α) e por SCR2 e D4 durante 2π a (2π + α). Conseqüentemente, a porção
negativa da tensão de saída fica desligada e a forma de onda da tensão de saída se
torna a mesma, como se a carga fosse resistiva pura.
A tensão média de saída pode, portanto, ser variada e ir de seu valor máximo
positivo a zero, isto é, a medida em que o ângulo de disparo muda de 0º a 180º.
Caso o circuito da figura 31 possuir uma carga indutiva bastante alta, a corrente
na carga irá fluir durante todo o semiciclo negativo (mesmo após o sinal da porta ter sido
removido) e desta maneira o circuito perderá o controle. Se um diodo de retorno for
utilizado (figura 33), o diodo de roda livre se torna diretamente polarizado e começa a
conduzir à medida que a tensão na carga tender à reversão. A corrente fluirá pelo FWD.
(a) formas de onda
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
51
(b) circuito
FIGURA 33 – RETIFICADOR SEMICONTROLADO EM PONTE COM FWD
FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.
Pode se observar, que durante o intervalo π a (π + α), a tensão de saída cairá a
zero. De modo semelhante, durante o intervalo 2π a (2π + α), o FWD obrigará as
excursões de tensão negativa a se manterem com valor grampeado em zero.
2.4
Justificativa da aplicação
O protótipo do retificador a ser construído será baseado no retificador de um
quadrante, ou seja, não possuirá a etapa inversora utilizada no retificador de dois
quadrantes. Com isso pode-se evitar o uso de componentes desnecessários e
conseqüentemente gastos a mais, tendo em vista que o protótipo do retificador
contemplará apenas a etapa retificadora.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
3
ESTRUTURA DAS MALHAS DE CONTROLE DE DISPARO
3.1
Controle com UJT
52
O UJT (Unijunction Transistor ou Transistor de Unijunção) é um semicondutor
freqüentemente utilizado para o disparo de SCR’s.
É constituído de uma barra de material N, com uma porção lateral tipo P
próxima do centro. A região P é o emissor (E) e os extremos da barra as bases B1 e B2.
(a) estrutura física
(b) símbolo
(c) circuito equivalente
(d) pinagem
FIGURA 34 – TRANSISTOR DE UNIJUNÇÃO (UJT)
FONTE: <http://www.eletrohoo.com.br/componentes/transistores/o_tuj/index.asp> (2005)
Este dispositivo é formado por uma única junção PN e possui três terminais:
•
Emissor (E) – conectado ao material P altamente dopado;
•
Bases B1 e B2 – conectados às extremidades do material N, levemente dopado,
que nada mais é do que uma resistência que possui valores entre 4,7Ω a 9,1KΩ.
A figura 34(a) apenas auxilia o estudo do funcionamento do UJT, mas não
representa sua estrutura física real. O símbolo UJT, representado na figura 34(b), indica
através da seta o sentido de condução da junção PN.
Na figura 34(c) o diodo representa a junção PN e os resistores rB1 e rB2
equivalem a resistência do material N, porém, r
B1
é dividida em rs e rn, que significa
resistência de valor fixo e resistência de valor variável respectivamente.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
53
3.1.1 Circuito de disparo com UJT
O circuito de disparo mais comum usando o UJT é conhecido como oscilador
de relaxação.
(a) oscilador de relaxação com UJT
(b) divisor de tensão entre B1 e B2
FIGURA 35 – CIRCUITOS OSCILADOR DE RELAXAÇÃO
FONTE: http://www.eletrohoo.com.br/componentes/transistores/o_tuj/index.asp (2005)
Consideremos o capacitor CT inicialmente descarregado e a fonte VBB
desconectada do circuito. Após a conexão de VBB o capacitor começa a carregar-se
exponencialmente até atingir a tensão da fonte.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
54
Enquanto a tensão no capacitor não atingir o valor de Vp (tensão de disparo), a
tensão no emissor (igual a CT) é menor que a tensão no ponto X, com isso o diodo está
reversamente polarizado. Quando a tensão no capacitor CT passa a ser maior que a
tensão no ponto X o diodo passa a conduzir, pois estará diretamente polarizado, e assim
o UJT passa a emitir o pulso de disparo.
Com a condução do UJT uma grande quantidade de portadores do emissor são
injetados na barra de material N. Isso permite a redução da resistência entre o emissor e
a base 1, este efeito é chamado de resistência variável (rn). Em conseqüência disto a
corrente IE aumenta, isto fará crescer o número de portadores na barra N. Percebe-se
que o aumento de um faz aumentar o outro, isto permanecerá até ocorrer a saturação de
portadores na região da base. Neste instante a corrente pára de aumentar, o capacitor
cessa a descarga e o UJT pára de conduzir.
Depois do corte do UJT o capacitor volta a enxergar o resistor RT e a fonte
VBB, carregando-se até atingir novamente Vp, reiniciando todo processo.
As formas de onda de VE, VB1 e VB2 são mostradas na figura 41.
FIGURA 36 – FORMAS DE ONDA DO OSCILADOR DE RELAXAÇÃO COM UJT
FONTE: ALMEIDA, José Luiz Antunes de; Dispositivos Semicondutores: Tiristores.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
3.2
55
Controle com TCA 785
O aumento no uso de circuitos tiristoriazados e a semelhança entre os circuitos
de disparo permitiu a criação de CI´s de disparo, que são circuitos integrados
desenvolvidos especificamente para o disparar tiristores, tornando os projetos de
circuitos de disparo tornam-se mais compactos e confiáveis.
Dentre os CI’s de disparo destaca-se o TCA 785 da SIEMENS, devido a sua
grande utilização em aparelhos industrializados.
(a) CI – TCA 785
(b) diagrama de blocos
FIGURA 37 – CIRCUITO INTEGRADO DE DISPARO TCA 785
FONTE: ALMEIDA, José Luiz Antunes de; Dispositivos Semicondutores: Tiristores.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
56
Os circuitos internos são alimentados com uma tensão constante de 3,1V,
fornecido por uma “fonte de regulação” do próprio TCA 785, isto permite alimentar o CI,
através de Vs (figura 37b), pino 16, com diversos níveis de tensão que vão de 8V e 18V.
A tensão de 3,1V também esta disponível externamente no pino 8, podendo ser
filtrada por Cs (figura 37b) para reduzir a ondulação.
A retificação em um circuito controlado é realizada a partir de algum ponto da
forma de onda alternada, sendo assim, é necessário que exista um sincronismo. Por
exemplo, um circuito de disparo é projetado para dar o pulso no gatilho de um tiristor
quando a forma de onda da rede atingir α=30º para isso ocorrer é necessário que o
circuito disparo tenha uma referência, de forma a efetuar o disparo no momento correto.
Um ponto de referência para sincronismo é a passagem da tensão da rede por
zero, que ocorre a cada 8,33ms, mais ou menos, em redes de 60Hz. No TCA 785 existe
um “detector de passagem por zero” (bloco DPZ, fig 37b), que gera um pulso de
sincronismo toda vez que a tensão da rede passa por zero. O pino 5 é que da acesso
para a tensão de referência, como mostra a figura 38a.
(a) conexão da referência
(b) tensão de referência
FIGURA 38 – REFERÊNCIA PARA O DETECTOR DE PASSAGEM POR ZERO
FONTE: ALMEIDA, José Luiz Antunes de; Dispositivos Semicondutores: Tiristores.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
57
O momento do disparo é determinado pela relação entre a rampa de tensão
com a tensão de controle.
Esta rampa é criada pelo “gerador de rampa”, cuja característica é ajustada por
RR e CR, nos pinos 9 e 10, respectivamente.
O gerador de rampa fornece uma tensão que varia “linearmente” com o tempo
(reta). Ou seja, a tensão dobra se o intervalo de tempo dobrar. Em outras palavras, a
tensão cresce proporcionalmente ao aumento do tempo, como se vê, por exemplo, na
figura 39.
FIGURA 39 – SAÍDA DE UM GERADOR DE RAMPA
FONTE: ALMEIDA, José Luiz Antunes de; Dispositivos Semicondutores: Tiristores.
Pelo gráfico da figura 39, quando a variação de tempo for de 0.1s (exemplo, de
0s a 0,1s ou de 0,2s a 0,3s), a variação de tensão será sempre a mesma (0,1V).
Enquanto houver variação de tensão em relação ao tempo, haverá circulação
de corrente no capacitor. Se a corrente for constante a variação da tensão será
proporcional à variação do tempo. Assim a tensão aumentará segundo uma reta em
relação ao tempo.
Enfim, o capacitor CR é carregado linearmente através de uma fonte de corrente
constante. O valor da rampa Pode ser controlado através do valor de RR
Para o correto funcionamento do circuito os valores de RR deve estar entre 3kΩ
e 300kΩ, também devem ser considerados os valores mínimo e máximo de CR,
respectivamente, 500pF e 1µF. Um valor elevado de CR tornaria a descarga do mesmo
muito lenta, comprometendo o novo ciclo de carga e, conseqüentemente, o sincronismo
do disparo.
A tensão da rampa VCR é comparada com a tensão de controle VC, no pino 11
do TCA 785, como mostra a figura 40.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
58
FIGURA 40 – COMPARADOR DE DISPARO DO TCA 785
FONTE: ALMEIDA, José Luiz Antunes de; Dispositivos Semicondutores: Tiristores
No instante t0, correspondente ao ângulo de disparo α em relação ao sinal da
rede, quando as tensões se igualarem (VCR = VC), a mudança de estado na saída VD do
bloco “Comparador de Disparo” indicará ao bloco “Lógica de Formação de Pulsos”, que
um pulso de disparo deve ser acoplado a uma de suas saídas.
A tensão da rampa VCR está limitada a (VS – 2)V, ou seja, 2V abaixo da tensão
de alimentação.
O capacitor continua a se carregar até que, no próximo cruzamento por zero, o
“Detector de Passagem por Zero” informe o evento ao “Registrador de Sincronismo”.
Este registrador irá gerar um pulso de sincronismo que saturará T1. Com T1 saturado, o
capacitor do pino 10 (CR) descarregar-se-á rapidamente, ficando preparado para o início
da próxima rampa. A informação de passagem por zero só é liberada após a descarga
de CR, que é monitorada pelo bloco A2 (Monitor de Descarga de CR).
O TCA 785 possui uma saída Q1 (pino 14) e outra Q2 (pino 15) defasadas em
180º. Enquanto Q1 serve para disparar um SCR no semiciclo positivo, Q2 pode ser usada
para disparar um segundo SCR no semiciclo negativo.
Com as informações dos circuitos anteriores, o bloco “Lógica de Formação dos
Pulsos” encarrega-se de colocar nas saídas a forma de pulso selecionada. A duração
dos pulsos depende de C12 e do coeficiente β, conforme a tabela abaixo (em valores
aproximados):
QUADRO 1 – DURAÇÃO DE PULSOS C12 (PINO 12)
C12
β = 620µs / nF
Aberto
50pF
220pF
330pF
680pF
1000pF
Curto
30µs
93µs
136µs
205µs
422µs
620µs
180º - α
FONTE: ALMEIDA, José Luiz Antunes; Dispositivos Semicondutores: Tiristores.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
59
Com o pino 12 aberto, assim que a rampa se igualar à tensão de controle (pino
11), será acoplado um pulso de duração β = 30µs na saída Q2 (pino15), se a tensão da
rede estiver no semiciclo positivo. Caso a tensão da rede esteja no semiciclo negativo, o
pulso será acoplado na saída Q1 (pino14).
Se o pino 12 estiver curto-circuitado à terra, a largura dos pulsos será fixa,
estendendo-se do instante do disparo até o início do próximo semiciclo. Com isso,
consegue-se um pulso longo, de duração 180º - α, que é utilizado para garantir o disparo
do tiristor em aplicações com carga indutiva.
Para cada valor de C12 mostrado na tabela, tem-se pulsos com outras
durações, dadas pelo parâmetro β.
A figura 41 mostra a formação dos pulsos em duas opções de duração
dos mesmos.
FIGURA 41 – FORMAÇÃO DOS PULSOS DE DISPARO
FONTE: ALMEIDA, José Luiz Antunes de; Dispositivos Semicondutores: Tiristores.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
3.3
60
Isolação de pulso de disparo
Para a operação de dispositivos utilizados no controle de potência, como SCR’s
e TRIAC’s, são utilizados circuitos de disparo que trabalham com tensão e corrente
menores do que nos circuitos de potência. Para evitar a queima dos componentes mais
sensíveis, no caso dos componentes dos circuitos de disparo, os dois circuitos podem
ser separados através de transformadores de pulso ou acopladores ópticos.
3.3.1 Transformadores de pulso
FIGURA 42 – EXEMPLO DE APLICAÇÃO DO TRANSFORMADOR DE PULSO
FONTE: ALMEIDA, José Luiz Antunes de; Dispositivos Semicondutores: Tiristores.
O uso dos transformadores de pulso deve seguir algumas condições, uma delas
é que o acoplamento entre o primário e o secundário seja o mais perfeito possível, afim
de evitar sobre-aquecimento no SCR e conseqüentemente sua queima.
Outra condição é que a isolação entre os enrolamentos dos transformadores de
pulso seja elevada, da ordem de KV, para evitar que a operação do conversor cause-lhe
danos.
Em conversores que utilizam mais de um tiristor e tem carga indutiva, é
recomendado utilizar em conjunto com o circuito de disparo um circuito que gere pulsos
em alta freqüência, como um circuito astável com CI 555. Isto evitará a saturação do
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
61
núcleo do transformador de pulso, por causa dos pulsos mais extensos necessários para
garantir o disparo do tiristor quando é utilizada carga indutiva. No uso deste tipo de carga
existe um intervalo entre o momento do disparo e o instante em que o tiristor realmente
entra em condução.
3.3.2 Acopladores ópticos
Os acopladores ópticos também são utilizados na isolação do pulso de disparo.
Um acoplador óptico é formado por um LED infravermelho e um fotodetector,
este pode ser um transistor ou até um SCR ou TRIAC, tudo em um mesmo invólucro.
(a) Transistor como fotodetector
(b) SCR como fotodetector
FIGURA 43 – ACOPLADORES ÓPTICOS
FONTE: ALMEIDA, José Luiz Antunes de; Dispositivos Semicondutores: Tiristores.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
4
62
ACUMULADORES
Por volta de 1780, o anatomista italiano Luigi Galvani (1737-1798), realizando
experiências de anatomia com sapos, concluiu que a corrente elétrica tinha origem nos
músculos animais. Galvani suspendeu as pernas do sapo, dissecadas de uma solução
salina, através de um fio de cobre, quando tocava uma das com uma barra de ferro os
músculos se contorciam.
Alessandro Volta (1745-1827), partiu de um pressuposto diferente do de
Galvani: o de que a eletricidade tinha origem nos metais. Como físico, Volta tentava
provar que só existia um tipo de eletricidade, aquela estudada pelos físicos. Por isso,
trocou os tecidos de organismos vivos por ferro, cobre e tecido molhado. Variando os
metais usados, rapidamente se convenceu de que seu raciocínio fazia sentido.
Em 1800, Volta construiu um equipamento capaz de produzir corrente elétrica
continuamente: a pilha de Volta. Utilizando uma placa de cobre e outra de zinco,
separadas por uma tela impregnada de ácido sulfúrico, percebeu a circulação de uma
pequena corrente neste conjunto. A fim de obter uma corrente maior, ele empilhou
alternadamente discos de zinco e de cobre, separando-os por pedaços de tecido
embebidos em solução de ácido sulfúrico. A pilha de Volta, produzia energia elétrica
sempre que um fio condutor era ligado aos discos de zinco e de cobre, colocados na
extremidade da pilha. Na célula de Volta o anodo é de zinco, o catodo é de cobre e o
eletrólito, ácido sulfúrico.
(a) foto pilha de Volta
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
63
(b) representação da pilha de Volta
FIGURA 44 – PILHA DE VOLTA
FONTE: (a) <http://www.espacociencia.pe.gov.br/areas/quimica/tipos.php> (2005)
(b) <http://quimica.fe.usp.br/graduacao/edm431e2/material98/isis/pilhaseca.htm> (2005).
Desde
então,
melhoramentos
técnicos
têm
sido
aplicados
e,
como
conseqüência, houve incrementos enormes quanto á capacidade em armazenar energia
e o aumento da vida útil dos acumuladores elétricos. Ainda hoje, a otimização das
formas de construção, a disposição dos componentes internos e os tipos de materiais
usados garantem melhoramentos quanto à qualidade e relação volume/energia
armazenada das baterias.
4.1
Fatos básicos
Uma bateria é um conjunto de elementos eletro-químicos interligados, capazes
de acumular energia química e converter em energia elétrica, podendo fornecer uma
tensão nominal, em corrente contínua (CC ou DC), a um equipamento consumidor a ela
conectado, sendo a tensão determinada pelo número de elementos ligados em série.
O elemento é um conjunto de placas positivas e negativas, isoladas umas das
outras por separadores, ligadas a uma barra coletora e banhadas por um mesmo
eletrólito, mais o recipiente que as contém;
Uma bateria pode ser formada de elementos primários (pilhas) ou elementos
secundários (acumuladores). Nos elementos primários a conversão de energia química
para elétrica geralmente é irreversível, sendo assim, uma vez descarregados não podem
mais ser utilizados. Já nos elementos secundários é possível esta inversão, ou seja,
podem ser recarregáveis repetidas vezes.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
4.2
64
Acumulador elementar
O acumulador elementar é, de uma forma geral, formado por três componentes
básicos:
•
Eletrodos, formados de placas e terminais de conexão, divididos em duas
polaridades, “positivo” e “negativo”. Os eletrodos são constituídos por
materiais com características químicas diferentes, propiciando uma das
condições para existência do fluxo de elétrons, que é a diferença de potencial;
•
Eletrólito, solução aquosa que deve envolver os eletrodos para propiciar o
contato entre eles;
•
Vaso, recipiente que armazena os eletrodos e o eletrólito.
FIGURA 45 – ACUMULADOR
FONTE: <www.ajax.com.br> (2005).
Para se obter uma capacidade de corrente maior os eletrodos são constituídos
de várias placas, isso com base na descoberta de Volta. Um grupo de placas positivas e
outro grupo de placas negativas são entrelaçados e formam um pacote de placas.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
65
As placas positivas e negativas são isoladas umas das outras através de
separadores. Estes são perfurados para permitir que o eletrólito entre em contato com os
dois eletrodos e sirva de caminho para o movimento de cargas elétricas (íons).
4.3
Princípio de funcionamento do acumulador
Na figura 47 ocorre o processo de óxirredução espontânea, seria a descarga do
acumulador, onde é fornecido energia para uma carga.
Numa reação de óxirredução sempre há perda e ganho simultâneos de
elétrons, pois os que são perdidos por um átomo, íon ou molécula são imediatamente
recebidos por outros. A perda de elétrons é chamada de oxidação e o ganho de elétrons
chamado de redução.
Neste processo em um eletrólito aquoso, de caráter ácido ou alcalino,
encontram-se dois eletrodos de metais diferentes assim designados:
•
Anodo: onde ocorre uma reação de oxidação.
•
Catodo: onde ocorre uma reação de redução.
Na oxidação, o metal do anodo libera elétrons e íons positivos do mesmo para
o eletrólito. Estes elétrons seguem pelo caminho externo (carga) até o catodo e se
combinam com o metal do catodo, liberando íons negativos, ou seja, o processo de
redução.
Na superfície do catodo tais íons fazem as moléculas da água do eletrólito se
separarem em íons de hidrogênio (H+) e hidróxido (OH-).
Os íons positivos de hidrogênio se combinam com os íons negativos do metal
do catodo, tornando-os neutros.
Os íons negativos de hidróxido caminham pelo eletrólito até o anodo onde
encontram os íons positivos do seu metal. Estes se combinam, resultando em moléculas
de água e de óxido do metal, assim, o anodo se desgasta.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
66
FIGURA 47 – PROCESSO DE ÓXIRREDUÇÃO ESPONTÂNEA
FONTE: http://quimica.fe.usp.br/graduacao/edm431e2/material98/isis/pilhaseca.htm> (2005).
O processo inverso também pode ocorrer, como mostra a figura 48, é chamado
de eletrólise. A eletrólise é uma reação de óxirredução não espontânea, ou seja, uma
recarga do acumulador, que recebe energia elétrica para armazena-la em forma de
energia química.
Na eletrólise há a necessidade de uma fonte externa, de corrente elétrica
contínua, para que uma reação não espontânea ocorra. Também é necessário a
presença de íons livres e uma tensão fornecida pela fonte com valor superior a do
acumulador.
Os íons negativos são atraídos pelo pólo positivo (ânodo), onde irão perder
elétrons (oxidação). Os elétrons cedidos ao pólo positivo migram através do circuito
externo até o pólo negativo (cátodo). Lá, estes serão “ganhos” pelos íons positivos
(redução).
FIGURA 48 – PROCESSO DE ELETRÓLISE
FONTE: <http://quimica.fe.usp.br/graduacao/edm431e2/material98/isis/pilhaseca.htm> (2005).
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
67
Observação: o fluxo de elétrons na óxirredução espontânea é contrário ao da
eletrólise.
4.4
Acumuladores chumbo-ácido
No acumulador chumbo-ácido os materiais ativos primordiais são o chumbo e
seus compostos e o eletrólito que é uma solução de ácido sulfúrico. Os materiais ativos
servem para processos de oxidação e redução, criando a circulação da corrente elétrica
no acumulador.
As placas são constituídas pela grade e materiais ativos. Na sua estrutura
básica o acumulador chumbo-ácido é formado por dois eletrodos, geralmente em forma
de placas, separados e imersos em um eletrólito composto de uma solução aquosa de
ácido sulfúrico. As placas são designadas pelos sinais positivo (+) e negativo (-),
constituídas de peróxido de chumbo e óxido de chumbo respectivamente. Essas placas,
bem como o eletrólito, estão colocados em um recipiente adequado. As placas devem
ficar o mais próximo possível reduzindo ao mínimo a resistência interna e as dimensões
dos elementos.
Para evitar um curto-circuito, entre as placas negativas e positivas, se introduz
laminas de material poroso, denominados separadores. Eles protegem as placas de
polaridade oposta contra os curto-circuitos e permitem o contato do eletrólito com
eletrodos positivo e negativo.
Os separadores são fabricados de material isolante e anti-ácido. Exemplo:
Madeira, borracha natural, plástico microporoso, mipor, plástico perfurado (cloreto de
vinil, ebonite), cartão de asbsto, cartão de aminto, lã de vidro.
Em alguns casos se emprega uma separação dupla ou tripla. Os separadores
devem ter certa resistência mecânica, elasticidade, porosidade, estabilidade química,
pequena resistência elétrica no eletrólito dentro dos poros, além de ser de fácil
fabricação, barato e de fácil aquisição.
O eletrólito nos acumuladores chumbo-ácido é sempre uma solução de ácido
sulfúrico diluída. Em carga, a densidade do eletrólito varia de 1,20 a 1,29 dependendo do
tipo de bateria e de condições de serviço e temperatura.
O eletrólito de densidade mais baixa é preferível, pois haverá menos ação local
nas placas negativas bem como vai solicitar menos carga nas placas positivas, e haverá
menor ataque do acido nos separadores.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
68
O eletrólito de densidade maior aumenta a capacidade do acumulador e amplia
a característica da tensão de descarga, especialmente em descargas mais rápidas. Uma
densidade maior do eletrólito permite uma utilização com menor volume do eletrólito
reduzindo peso, volume e custo por elemento.
A densidade especificada do eletrólito é sempre referida a uma temperatura
padrão.
A unidade atualmente utilizada para se medir a densidade da solução é a
relação entre o peso em quilos por metros cúbicos de eletrólito (Kg/m3).
Como descrito anteriormente, no item 4.2, o vaso é o recipiente que contém as
placas positiva, negativa e o eletrólito.
A tampa evita a entrada de impurezas do ambiente, o vazamento do eletrólito,
bem como não permite a evaporação do ácido sulfúrico, que é caro e prejudicial ao
ambiente. As tampas recebem uma válvula retentora para deixar escapar a água e
nunca o ácido sulfúrico, voltando o ácido depois de condensado para a solução.
4.4.1 Transformações eletroquímicas
A reação química abaixo representa o processo de carga e descarga do
acumulador chumbo ácido. Estas etapas estão divididas pelas setas, da esquerda para a
direita ocorre a descarga e o contrário a carga.
PbO2
+
eletrodo(+)
carregado
Pb
eletrodo(-)
carregado
+ 2H2SO4
eletrólito
PbSO4
eletrodo(+)
descarreg.
+
PbSO4
eletrodo(-)
descarreg.
+
2H2O
eletrólito
A reação do chumbo, eletrodo negativo, e do dióxido de chumbo, eletrodo
positivo produzem sulfato de chumbo (PbSO4). O ácido sulfúrico envolve-se no processo
na forma de íon sulfato. Quando um acumulador esta se descarregando ocorre um
consumo de ácido sulfúrico, assim diminui a densidade da solução eletrolítica (água e
ácido sulfúrico). Deste modo medindo-se a densidade da solução eletrolítica pode-se
saber qual a magnitude da carga ou descarga do acumulador (lembre-se que a
densidade tem relação com a quantidade de ácido sulfúrico presente na mistura).
Para o acumulador recarregar faz-se passar corrente contínua do eletrodo de
chumbo para o de dióxido de chumbo o que resulta na inversão das reações. Neste
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
69
processo o ácido sulfúrico é regenerado; por isso a porcentagem de ácido sulfúrico
indica o grau de carga ou descarga do acumulador.
4.5
Acumulador alcalino níquel-cádmio tipo bolsa
As informações deste item são baseadas no “Manual de Operação de Baterias
Alcalinas NIFE”.
Este tipo de acumulador é constituído por elementos alcalinos de níquel-cádmio
fechados com placas tipo bolsa que utilizam como eletrólito uma solução aquosa de
hidróxido de potássio.
A placa positiva é constituída basicamente por hidróxido de níquel e aditivos
para aumentar a condutibilidade elétrica. Essa mistura recebe o nome de “massa ativa”.
Já o material que compõe as placas negativas é uma mistura de compostos (óxido e
hidróxido) de cádmio e aditivos.
A massa ativa é prensada mecanicamente em forma de pastilhas, sendo essas
pastilhas envolvidas por fitas de aço perfuradas e niqueladas, que formam “bolsas” de
material ativo. Um grupo de bolsas forma a placa positiva e outro a placa negativa. Para
obter um bom contato entre a “massa ativa” e a estrutura metálica, as bolsas são
prensadas.
Os separadores são constituídos de plástico e tem a mesma finalidade que no
acumulador chumbo-ácido, ou seja, separar as placas positivas das placas negativas,
mas sem oferecer resistência a passagem do eletrólito.
O eletrólito é uma solução aquosa de hidróxido de potássio com adição de
hidróxido de lítio com densidade 1,18 +/- 0,01 a 25ºC.
O vaso, como no acumulador chumbo-ácido, é o recipiente que contém as
placas e o eletrólito.
A tampa no acumulador alcalino, assim como no acumulador chumbo-ácido,
evita a entrada de impurezas do ambiente e evita vazamento do eletrólito.
4.5.1 Transformações eletroquímicas
O princípio de funcionamento do acumulador alcalino de níquel-cádmio está
baseado na reação química indicada abaixo.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
2NiOOH
eletrodo(+)
descarreg.
+
Cd
eletrodo(-)
descarreg.
+
2H2O
eletrólito
2Ni(OH) 2
eletrodo(+)
carregado
+
70
Cd(OH) 2
eletrodo(-)
carregado
O processo de carga ocorre da direita para esquerda e a descarga se faz no
sentido contrário. O composto NiOOH, que representa o eletrodo positivo descarregado,
é resultado da redução do hidróxido de níquel 2Ni(OH)2. O composto Cd resulta do
hidróxido de cádmio Cd(OH). O elemento potássio não aparece na reações química pois
não toma parte disso, serve apenas como portador de cargas elétrica, sendo o eletrólito
representado pela água.
4.6
Acumulador gel selado isento de gaseificação
Este acumulador é constituído por elementos chumbo-ácido e eletrólito na
forma de gel, contidos em um recipiente hermético. Suas características permitem a
redução da formação de gases a um mínimo, isso significa que o nível do eletrólito
mantém-se constante, ou seja, não necessita ser reposto. O recipiente selado evita a
contaminação pelo meio externo. Por estas características este acumulador é chamado
de “maintenance free” (livre de manutenção).
Somente na eventualidade de um aumento de pressão interna, é que a válvula
de segurança se abre, depois do equilíbrio da pressão ela se fecha. A válvula de
segurança permite, em condições normais, que, geralmente, apenas o hidrogênio
escape e não permite a entrada do ar externo. Esta é uma das condições para o
funcionamento do acumulador selado.
Também tem a vantagem da menor utilização de espaço, pois podem ser
instaladas em qualquer posição. Outra vantagem é o baixo nível de auto-descarga em
relação ao acumulador chumbo-ácido ventilado.
O acumulador tipo gel selado também é conhecido como bateria chumbo-ácida
regulada por válvula (VRLA – Valve Regulated Lead Acid).
Quanto a sua construção as placas positivas e negativas são constituídas por
massa de óxido de chumbo empastado nas grades de liga Pb-Ca. Os separadores
podem ser formados por manta de lã de vidro absorvente (Absortive Glass Mat - AGM)
que possui elevada durabilidade e capacidade térmica. Este material absorve e retém o
eletrólito, apresentado excelente condutividade.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
71
É utilizado como eletrólito o ácido sulfúrico (H2SO4) fixado em substância a
base de gel ou em material de fibra de vidro. O ácido sulfúrico é utilizado tanto como um
componente da pasta como um ingrediente do eletrólito.
O vaso e a tampa são construídos a partir de ABS de elevada resistência ao
ácido sulfúrico, grande durabilidade e projetados para oferecer completa vedação,
evitando qualquer vazamento de eletrólito e de gás.
4.6.1 Transformações eletroquímicas
PbO2
+
eletrodo(+)
carregado
Pb
eletrodo(-)
carregado
+ 2H2SO4
eletrólito
PbSO4
+
eletrodo(+)
descarreg.
PbSO4
eletrodo(-)
descarreg.
+
2H2O
eletrólito
Pode-se notar que as transformações eletroquímicas do acumulador tipo gel
selado são idênticas ao acumulador chumbo-ácido. Porém o material ativo negativo da
primeira, por ser muito ativo em meio úmido, reage rapidamente com o oxigênio,
evitando, portanto, a diminuição do nível de água e eliminando a necessidade de sua
adição.
4.7
Associação de acumuladores
Os acumuladores são utilizados em diversas aplicações, onde existem
consumidores com níveis de tensão e/ou corrente diferentes. Para atender os diferentes
tipos de carga os acumuladores podem ser associados em série, em paralelo ou misto.
A associação em série é indicada quando existe a necessidade de aumentar o
nível de tensão, mas sem acrescentar a capacidade de fornecimento de corrente. Para o
uso de acumuladores associados em série, estes devem ter a mesma capacidade de
corrente e serem interligados através dos terminais de polaridade oposta, sendo, um
terminal positivo com um terminal negativo, de forma que nas extremidades da
associação terá um pólo negativo e um positivo.
Na associação em paralelo é utilizada quando é preciso aumentar o a
capacidade de fornecimento de corrente e conservar o nível de tensão. Para esta
aplicação é importante que os acumuladores tenham o mesmo nível de tensão e que os
terminais estejam interligados pela mesma polaridade, sendo terminal positivo com
terminal positivo e da mesma forma para os terminais negativos.
A aplicação da associação mista se da quando é preciso melhorar a
confiabilidade ou aumentar a capacidade de fornecimento de corrente de um sistema.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
72
Esta associação é resultante de bancos de acumuladores em série interligados em
paralelo. Porém esta configuração exige clareza dos riscos e faixas de segurança de
operação.
4.8
Definições para acumuladores
4.8.1 Capacidade
Primeiramente capacidade é função da quantidade de materiais ativos, dos
parâmetros construtivos (área e espessura de placas) e dos parâmetros operacionais
(taxa de descarga, temperatura, estado inicial de carga e tensão de corte).
Capacidade é definida como a quantidade de eletricidade que pode ser retirada
de um acumulador, sob um conjunto especifico de condições operacionais, incluindo a
taxa de descarga, temperatura e estado inicial de carga.
A capacidade nominal (C5) se refere a um regime de descarga de 5 (cinco)
horas até a tensão final de 1V por elemento.
Tensão de corte é a tensão mínima de descarga determinada pelo consumidor.
A quantidade de eletricidade, expressa em watt/hora, é a corrente fornecida
continuamente num determinado tempo, definido em horas. Em outras palavras, é a
quantidade de energia fornecida de acordo com uma taxa de descarga.
O desempenho da bateria, quando descarregada com corrente constante, está
relacionado à tensão final de descarga. A saída disponível em ampéres (ou em watts se
for o caso) para cada duração depende do nível de tensão final de descarga escolhido.
Um aumento na tensão final especificada irá requerer um aumento de tamanho da
bateria.
QUADRO 2 – CORRENTE DE DESCARGA
Corrente de descarga (A) / Tempo (h)
Tipo de Bateria
Tensão
Nominal
20 h
10 h
5h
1h
Tensão Final Tensão Final Tensão Final Tensão Final
(1,75)
(1,75)
(1,70)
(1,60)
FNC 1272
12
7,20
6,62
6,48
4,32
FNC 12120
12
12,00
11,20
10,20
7,20
FNC 12190
12
19,00
17,76
16,15
11,40
FNC 12260
12
26,00
24,70
23,40
15,60
FNC 12280S
12
28,00
25,40
23,25
16,47
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
73
FNC 12300
12
30,00
28,50
27,00
18,00
FNC 12340
12
34,00
32,30
30,60
20,40
FNC 12 420
12
43,70
42,00
38,60
25,80
FNC 12700
12
73,40
70,00
64,05
44,80
FNC 12800
12
84,00
80,00
73,20
51,20
FNC 121000(H)
12
105,00
100,00
91,50
64,00
FNC 121200
12
126,00
120,00
109,80
76,80
FNC 21500
12
157,40
150,00
137,25
96,00
FNC 122000
12
210,00
200,00
183,00
128,00
FONTE: Adaptado manual técnico bateria selada NEWMAX.
Disponível em: <www.optus.com.br> (2005).
4.8.2 Tensão
A tensão de descarga é aquela na qual o acumulador é considerado
tecnicamente descarregado. O valor desta tensão é determinado pelo fabricante. Este
dado é importante, pois, se o acumulador atingir um valor de tensão final abaixo do
especificado pode ocorrer a impossibilidade do processo de carga do acumulador.
Para o acumulador a tensão nominal é a diferença de potencial entre seus
terminais durante o processo de descarga. No caso de bateria, a tensão nominal é a
soma das tensões de cada elemento que compõe a mesma.
QUADRO 3 – TENSÃO NOS ACUMULADORES
TENSÃO EM VOLTS / ELEMENTO
TIPO DE
ELETRÓLITO
Alcalino
Ácido
Gel
ELETRODO
Tensão
Tensão
nominal Flutuação
Níquel – Cádmio
Bióxido de
Chumbo–Chumbo
Bióxido de
Chumbo–Chumbo
Tensão
equalização
Tensão
Tensão
carga
final
especial
descarga
1,2
1,4
1,6
1,7
1,0
2,0
2,2
2,4
2,7
1,75
2,0
2,25
-
-
1,75
FONTE: Manutenção de Acumuladores de Energia para o Sistema CINDACTA II.
A tensão nos elementos chumbo ácidos depende da concentração do eletrólito,
ou seja, se a concentração do eletrólito diminuir a tensão também será reduzida. No
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
74
caso de um processo de carga, a concentração do eletrólito cresce à medida que a
tensão aumenta.
Já nos acumuladores alcalinos a tensão não depende do eletrólito, conforme
mostra a tabela 4.
QUADRO 4 – DENSIDADE DO ELETRÓLITO
TIPO DE
ELETRÓLITO
ALCALINO
ÁCIDO
DENSIDADE g / cm
ELETRODO
NiCd
SOLUÇÃO
Hidróxido de
Potássio
Bióxido de
Ácido
Pb – Pb
SulfúricoH2SO4
Carregada
1,17 – 1,30
1,20 – 1,29
entre
independente
depende
3
Descarregada
1,17 – 1,30
1,05 – 1,10
FONTE: Manutenção de Acumuladores de Energia para o Sistema CINDACTA II.
4.8.3 Carga
A carga é a conversão de energia elétrica em potencial eletroquímico no interior
da célula. Está dividida em:
•
Carga de Flutuação: processo de carga que busca manter os acumuladores ou
células com um estado de carga próximo à carga plena, evitando as perdas
ocorridas por auto descarga e que as mesmas permaneçam por longos períodos
com estado parcial de carga;
•
Carga de equalização: processo em que se busca igualar o estado de carga das
células que compõem um acumulador. Para alguns tipos de acumuladores este
processo é dimensionado para levar todas as células à carga plena. Já outros
tipos de acumuladores requerem uma descarga total durante o processo de
equalização. Este tipo de processo deve ter seu tempo limitado, a fim de evitar a
gaseificação, aquecimento dos elementos e a evaporação do eletrólito;
•
Carga especial: utilizada apenas em algumas situações, necessita de alterações
específicas no retificador, de forma a não colocar em risco todo o sistema;
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
•
75
Carga com tensão constante: este tipo de carga pode ser sem limitação de
corrente, com limitação de corrente ou misto. No caso de valores de tensão ou
corrente baixo o tempo de carga deve ser prolongado;
•
Carga com corrente constante: é o processo mais eficiente no que se refere ao
tempo de carga e a performance da bateria na descarga subseqüente. Neste
processo a corrente é mantida constante e a tensão crescente.
•
Carga
com
corrente
decrescente:
neste
sistema
a
corrente
decresce
continuamente com o aumento da tensão do acumulador, utilizam-se correntes
entre 0,2 e 0,4 x C5, e correntes finais iguais a 50% da inicial. É importante que o
período de carga não ultrapasse a tensão final de carga, que é a tensão máxima
alcançada nos terminais de cada elemento quando alimentados com energia AC,
a fim de evitar a gaseificação.
4.8.4 Gaseificação
Durante a carga e principalmente depois da sobrecarga, quando no acumulador
atinge a tensão final de carga, são produzidos internamente hidrogênio e oxigênio. Estes
gases são liberados na forma de uma mistura explosiva e, portanto, os acumuladores
devem ser instalados em locais ventilados de forma adequada, evitando assim o risco
explosão.
Os acumuladores gel selados operam próximo de 100% de recombinação do
oxigênio, não permitindo a saída deste gás. Durante a operação normal da bateria, um
pouco de hidrogênio é liberado, isto é essencial para manter o equilíbrio químico interno.
4.8.5 Ciclo de descarga
A escolha da capacidade adequada do acumulador a não depende somente
dos consumidores de corrente e duração de cada consumo, mas também do momento
em que ocorrem.
Caso um sistema de acumuladores, que alimenta consumidores diversos, tenha
alto consumo de corrente no início do ciclo de descarga, os acumuladores podem ter
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
76
capacidade menor do que as de sistemas onde seus consumidores absorvam maior
corrente no final do ciclo.
Entretanto, se o consumo ocorre de forma ocasional, a capacidade do
acumulador deve levar em conta que a maior demanda pode ser solicitada no final do
ciclo de descarga. Em alguns casos é aconselhável considerar que o maior valor de
corrente será solicitado durante todo o ciclo de descarga.
4.8.6 Auto-descarga
Num
processo
espontâneo,
todos
os
acumuladores
se
descarregam
gradualmente, através de processos químicos internos, quando não estão em uso. A
taxa de auto-descarga é normalmente especificada como uma percentagem da
capacidade nominal que é perdida ao longo do tempo.
4.9
Fatores ambientais e de segurança
4.9.1 Ambiente para instalação
Um local adequado para instalar acumuladores deve possuir as seguintes
características:
•
Fácil acesso para aperto dos parafusos de fixação das ligações, verificação do
nível de eletrólito e limpeza;
•
Boa ventilação, com entrada e saída de ar, de modo que este varra o acumulador
quando em movimento. A troca de ar deve ocorrer no mínimo três a quatro vezes
por hora;
•
Estante própria para acumuladores, construída de madeira de lei ou de ferro, esta
deve ser pintada e recoberta com canaleta de PVC;
•
Evitar locais sob ação de poeiras e vapores, abaixo ou próximo ou de tubulações
de líquidos, próximo de unidades de aquecimento e lugares que permitam
exposição do acumulador ao sol;
•
Espaçamento de 1,5cm entre uma acumulador e outro.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
77
4.9.2 Manuseio
No manuseio de acumuladores deve-se evitar a quebra do recipiente, ocasionar
curto circuito, aquecimento, sobrecarga, empilhamento e não colocar ferramentas sobre
os acumuladores. Também é importante manter cigarros, fagulhas e chamas longe de
acumuladores em carga. Os acumuladores devem ser mantidos longe do alcance de
crianças.
4.9.3 Informações de risco à saúde
O contato do eletrólito de ácido sulfúrico com os olhos e a pele pode causar
queimaduras e danos severos. A inalação de sua névoa pode provocar irritação
respiratória e nos olhos, dificuldade de respirar, dor de cabeça, náusea e fraqueza. A
exposição freqüente pode causar edema pulmonar e aumentar o risco de câncer de
pulmão.
A ingestão pode provocar fortes queimaduras na boca, esôfago e trato
intestinal. A exposição do chumbo pode causar contaminação com sintomas de fadiga,
insônia, dor abdominal, constipação, perturbação nervosa, anemia, danos no rim e
cérebro.
4.9.4 Primeiros socorros
Caso respingue eletrólito ácido na roupa ou no corpo deve-se neutraliza-lo com
uma solução de bicarbonato de sódio e em seguida lavar com água em abundância. Se
o contato for com eletrólito alcalino, este deve ser neutralizado com uma solução de
ácido bórico e em seguida também lavado com água em abundância.
Se o eletrólito entrar em contato com os olhos, estes devem ser lavados
imediatamente com água corrente durante 20 minutos, manter as pálpebras separadas e
procurar assistência médica.
Numa situação de inalação, se houver irritação, remover a vítima para local
fresco e arejado e procurar assistência médica se a irritação continuar.
Por fim, se o eletrólito for ingerido não se deve provocar vômito. Ingerir leite de
magnésia e em seguida leite ou clara de ovo. Não dar nada pela boca para uma pessoa
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
78
inconsciente ou em convulsão. Molhar a boca com pequena quantidade de água e
procurar assistência médica imediata.
4.9.5 Risco de fogo ou explosão
Para o combate ao fogo é recomendado para extinção do fogo o extintor de
dióxido de carbono, pó químico. Deve-se desligar o equipamento, utilizar equipamentos
de segurança e máscara de proteção respiratória com pressão positiva.
Cigarros, fagulhas ou chamas podem provocar a ignição dos gases de carga
(hidrogênio). O chumbo, hidrogênio e óxidos de enxofre são produtos perigosos da
combustão.
4.9.6 Compromisso com o meio ambiente
Após o esgotamento energético do acumulador, este deverá ser entregue pelo
usuário ao fabricante ou ao importador ou ao distribuidor do acumulador para que tenha
uma disposição final adequada, de modo que os elementos químicos nelas contidos
sejam tratados segundo a resolução CONAMA nº 257 – 30/06/99. O não cumprimento
desta resolução sujeitará os infratores às leis previstas nas Leis nº 6938 – 31/08/81 e nº
9605 – 12/02/98.
4.10 Comparação entre acumuladores chumbo-ácido e alcalinos
Existem vários pontos para comparação entre acumuladores, mas um deles,
que dá grande importância à aplicação dos acumuladores é a confiabilidade. Neste item
a vantagem é dos acumuladores alcalinos. Porém é difícil a comparação do custo devido
a grande diversidade de fabricantes, modelos e aplicações existentes.
Algumas vantagens dos acumuladores alcalinos são:
•
Placas de aço com maior condutividade;
•
O processo de envelhecimento no acumulador chumbo-ácido começa quando se
adiciona o eletrólito. Isso não acontece com o acumulador alcalino;
•
O
acumulador
chumbo-ácido
sofre
maior
desgaste,
sedimentação, sulfatação e contaminação por antimônio;
como
corrosão,
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
•
79
Os separadores dos acumuladores alcalinos permitem melhor fluxo de íons entre
as placas, melhor liberação do eletrólito e de gases liberados durante a carga;
•
No acumulador chumbo-ácido existe um espaço no fundo do recipiente para
abrigar material desprendido pela corrosão do chumbo. Já os elementos
alcalinos, que são de aço, não sofrem corrosão;
•
A tensão de descarga tem queda mais acentuada no acumulador chumbo-ácido;
Enfim, existem outros pontos que mostram as vantagens do acumulador
alcalino em relação ao chumbo-ácido, mas já se pode perceber o que trás maiores
vantagens em termos de confiabilidade.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
5
80
METODOLOGIA
Esta pesquisa quanto à natureza é aplicada, abordando o problema de forma
qualitativa. Quanto aos seus objetivos é explicativa, adotando o procedimento técnico de
estudo de caso.
Seria bom também salientar os limites da pesquisa, que visa uma pesquisa
tecnológica, não se tratando de um trabalho essencialmente de projeto, com concepções
e cálculos dedutivos...
A base para a informação teórica necessária será obtida através de livros, em
arquivos, de artigos, em revistas especializadas e internet. Já o material para construção
eletrônica será pesquisado nas lojas, revistas e também na internet. Com isso ter-se-á
condição de finalizar a produção almejada pelo projeto do trabalho de diplomação de
curso.
5.1
Analise de Fenômenos para Fundamentação
O início dos experimentos, que levaram à construção dos circuitos de comando
e do retificador protótipo, se deu com o estudo e análise de um retificador monofásico
que serviu de modelo.
Devido a suas excelentes características, este retificador é destinado ao
emprego em flutuação e carga automática de baterias para partida e comando de grupos
geradores e para flutuação de bancos de baterias utilizados em telecomunicações.
A condição de flutuação ou de carga pode ser escolhida através de uma chave
seletora. Na condição de flutuação, é inserido no sistema um circuito eletrônico que
coloca automaticamente o retificador em carga, caso as condições das baterias o
exigirem. Uma vez tenha chegado a um nível satisfatório de tensão nas baterias, o
sistema se auto comutará para flutuação novamente, mantendo assim um nível de carga
médio.
Caso a opção carga seja selecionada, é aplicada uma carga profunda às
baterias, isto pode ser verificado através dos instrumentos de medição do painel.
O sistema dispõe ainda de proteção contra sobretensão na saída, situação na
qual o retificador será desligado.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
81
FIGURA 49 – RETIFICADOR MODELO
FONTE: Autores.
Sendo o protótipo do retificador destinado à uma aplicação didática, algumas
partes foram suprimidas em relação ao retificador modelo, já que o foco principal do
estudo são as tecnologias de controle, porém, o circuito de potência não deixa de
atender o que se deseja, que é a verificação da funcionalidade dos circuitos de disparo e
o controle da potência entregue à carga.
5.1.1 Recuperação do Retificador Modelo
Para que estes ensaios e testes fossem realizados a equipe teve de recuperar
o retificador modelo e suas placas de controle, pois, o mesmo foi disponibilizado
danificado para a equipe por estar danificado.
Nas placas de controle existiam trilhas rompidas e componentes danificados
que impossibilitavam o funcionamento do retificador e na placa RT encontramos o
seguinte componente danificado: o diodo DZ2, além disto recuperamos algumas trilhas
rompidas.
Já na placa MCA haviam diversas trilhas rompidas, as quais tiveram de ser
recuperadas, além disto, a equipe também efetuou a troca dos capacitores C3 e C4 que
estavam deteriorados.
Então observou-se uma conexão solta no ponto identificado pelo número 3 da
placa CHRF, ela foi retirada de sua base de fixação para poder ser reparada. O circuito
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
82
CHRF é responsável por evitar que ruídos de rádio-freqüência se disseminem pela rede
de alimentação (este filtro está presente somente no retificador modelo).
Após os reparos citados anteriormente e depois de inserir as placas “RT” e “MCA”
e alimentar o painel esperava-se o inicio da análise do retificador em funcionamento
normal.
Porém a tensão na carga, que deveria ser de 24VCC, estava em torno de
40VCC. Nesta condição o relé de sobretensão deveria atuar, mas se comportava abrindo
e fechando intermitentemente. Depois de analisar e verificar algumas condições
percebemos que o botão de reposição (BRT) não estava na condição “normal fechado”
(NF) como deveria, mas estava aberto impedindo a auto retenção do relé de sobrecarga.
Como não havia no momento um outro botão e para que se tornasse possível o estudo
do retificador inseriu-se um “jumper” nos contatos do botão de reset.
Resolvido o problema da retenção do relé de sobrecarga restava encontrar a
causa da sobretensão na saída do retificador. Depois de analisar as condições de
funcionamento de alguns componentes constatamos uma falha no transistor “TR1”,
verificamos que a base estava rompida.
A função de “TR1” é limitar o disparo do transistor “TR2”, este controla o “UJT”
que é responsável pela emissão dos pulsos de disparo do circuito de potência composto
por SCR’s e diodos.
Como “TR1” não limitava o disparo de “TR2”, este recebia uma tensão alta na
base e assim passava a conduzir o máximo que podia, assim “TR2” fazia com que o
“UJT” liberasse o seu máximo de pulsos para os SCR’s, com isso o circuito de potência
liberava uma tensão bem acima do que deveria. Com a troca de “TR1” o retificador teve
seu funcionamento normal reestabelecido.
5.1.2 Placas de Controle RT & MCA
As placas que sustentam a tecnologia necessária à utilização do UJT como
ativador das chaves de potência, RT e MCA, foram construídas segundo placas
existentes no retificador base. Para isso foi empregado o programa tango no desenho
das trilhas e do lay-out das placas.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
Transformador de pulso
83
UJT
FIGURA 50 - PLACA RT
FONTE: Autores.
Na placa RT, figura 50, temos o circuito de limitação de corrente e estabilização
de tensão. O controle da tensão e da corrente parte de sinais recebidos através de um
slot, que provocam o disparo do UJT, este fica isolado do circuito de potência através de
um transformador de pulso.
FIGURA 51 - PLACA MCA
FONTE: Autores.
A outra placa, MCA, figura 51, é o módulo de comando automático, que tem
como objetivo comandar automaticamente a passagem do retificador de flutuação para
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
84
carga quando o estado das baterias exigir que tal fato aconteça. Este circuito permite
ainda o desligamento do retificador quando houver sobretensão na saída do mesmo.
Após a confecção das placas RT e MCA, procedemos então com os ensaios,
testes e das mesmas conectadas ao retificador modelo. Num primeiro momento estas
placas não estavam funcionando corretamente pelo fato do valor do resistor posicionado
entre o UJT e TR2 estar com um valor muito elevado 520Ω.
Após a alteração do valor resistor para 230Ω encontramos exatamente as
mesmas formas de onda que foram capturadas nas placas RT e MCA originais e
mostradas nas figuras 52, 53, 54 e 55.
FIGURA 52 – PULSO DE DISPARO DO UJT
FONTE: Autores.
A figura acima mostra o pulso de disparo do UJT, capturado por meio de um
osciloscópio, no gate do SCR, quando a tensão entregue à carga é de 25,1 Vcc. Este
sinal é fornecido pelo UJT através do oscilador de relaxação, ambos localizados na placa
RT. O pulso de disparo é emitido de acordo com sinais recebidos do circuito de potência
e aqueles processados pela placa MCA.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
85
FIGURA 53 – TENSÃO DE DISPARO DO UJT
FONTE: Autores.
A tensão de disparo, figura 53, é aplicada no pino emissor do UJT, depois que o
capacitor CT, que faz parte do oscilador de relaxação mostrado na figura xx, está
plenamente carregado. O circuito do oscilador de relaxação, bem como seu
funcionamento, estão explicados no item 3.1.1.
FIGURA 54 – TENSÃO NO TERMINAL B2 DO UJT
Acima, figura 54, temos o do sinal no terminal B2 do UJT, que pode ser
comparado com o sinal mostrado no item 3.1.1.
Abaixo, figura 55, registra o efeito do disparo na senóide capturada na entrada
da ponte retificadora.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
86
FIGURA 55 – SENÓIDE DO ÂNGULO DE DISPARO E PULSO DE DISPARO UJT
5.2
Instrumentos
Como se trata de uma pesquisa experimental, na seqüência estão descritos os
instrumentos, materiais e técnicas utilizadas.
Como equipamentos utilizados pela equipe pode-se citar:
•
•
•
•
•
•
Osciloscópio;
Capacímetro;
Gerador de funções.
Multímetro – utilizando as funções: voltímetro, amperímetro, ohmímetro;
Fonte de tensão – 3 a 40 Vcc;
Fonte de tensão – 0 a 15 Vcc.
QUADRO 5 – LISTA DE MATERIAIS DA PLACA RT
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
R9
Trimpot 3,3 KΏ
Trimpot 4,7KΏ
Resistor 10KΏ 1W
Resistor 4,7KΏ
Trimpot 4,7KΏ
Trimpot 1,5KΏ ou 2,2KΏ
Resistor 1KΏ
Resistor 10KΏ
Resistor 3,3KΏ
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
R10
R11
R12
R13
R14
R15
R16
R17
R18
R19
Dz1
Dz2
Dz3
D1
D2
D3
D4
D5
C1
C2
C3
C4
Tr1
Tr2
Tr3
Tr4
TP1
CL1
CL2
CI1
Resistor 10KΏ
Resistor 33KΏ
Resistor 15KΏ
Resistor 120KΏ
Resistor 4,7KΏ
Resistor 120KΏ
Resistor 220KΏ
Resistor 180Ώ 5W
Resistor 390Ώ
Resistor 1,8KΏ
Diodo Zenner 6,2V; 400mW
Diodo Zenner B8420 {24V; 5W}
Diodo Zenner 1N4742
Diodo 1N4148 (Disparo Rápido)
Diodo 1N4148 (Disparo Rápido)
Diodo 1N4002 (Retificador) ou 4004
Diodo 1N4002 (Retificador) ou 4004
Diodo 1N4148 (Disparo Rápido)
Capacitor Radial 47Μf ; 63V; Eletrolítico
Capacitor Radial 10µF ; 16V; Tântalo
Capacitor de Poliéster Metalizado Horizontal 150nF ;250; Schyco
Capacitor Axial 470µF ; 63V; Eletrolítico
Transistor 16 BC337
Transistor 16 BC337
UJT 2N2646
Transistor 16 BC557
Transformador de Pulso (8XLR85) ou (8XM85) de 4 pinos
Ponte Retificadora; Semikron; SKB; B80; C1000; L5B ou 2/08
Ponte Retificadora; Semikron; SKB; B80; C1000; L5B ou 2/08
Circuito Integrado M235; LM; 741CN
Fonte: Autores
QUADRO 6 – LISTA DE MATERIAIS DA PLACA MCA
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
R9
R10
R11
R12
R13
R14
R15
R16
R17
R18
Resistor 39KΏ 1W
Resistor 12KΏ
Resistor 15KΏ
Resistor 8,2KΏ
Trimpot 10KΏ
Resistor 15KΏ
Trimpot 15KΏ ou 22KΏ
Resistor 22KΏ
Resistor 33KΏ
Resistor 33KΏ
Resistor 12KΏ
Resistor 39KΏ 1W
Resistor 12KΏ
Resistor 4,7KΏ
Resistor 6,8KΏ
Trimpot 15KΏ
Resistor 2,2KΏ
Resistor 470Ώ
87
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
R19
D1
D2
D3
D4
Tr1
Tr2
CI1
CI2
C1
C2
C3
C4
C5
RL1
Pr1
CL3
Dissipador
Soquete
Conector
Placa
Placa PCI
88
Resistor 680Ώ 1W ou 2W
Diodo 1N4002 (Retificador) ou 4004
Diodo 1N4002 (Retificador) ou 4004
Diodo 1N4742; 12V; 1W; Zenner
Diodo 1N4002 (Retificador) ou 4004
Transistor 16; BC337
Transistor 16; BC337
Circuito Integrado LM339N; 8135
Circuito Integrado CA741CE; RCAA321
Capacitor Radial 4,7µF; 25V ou 35V; Tântalo
Capacitor Poliéster Metalizado 10nF; 250; Schyco
Capacitor Axial 47µF; 63V; Eletrolítico
Capacitor Radial 4,7µF; 25V; Tântalo
Capacitor Axial 100µF; 25V; Eletrolítico
Relé Schrack; Rj101024;Bob. 24Vcc; Cont. 6A; 250Vca; DRU 101 024
Ponte Retificadora; Semikron; SKB2; /08; L5A OK
7812CKC; 8344 Regulador de Tensão + 12V
Dissipador para o Regulador de Tensão. DM822
Soquete para CI 8 pinos (2 unidades), CI 14 pinos (1 unidade), Dual Line;
Torneado
Conector para face simples, 15 vias, Edge 1x15. (2 unidades)
Placa PCI (4 unidades) 10x15cm
Fonte: Autores
Composição do retificador
-
Transformador 400/230VAC – 24/36VAC;
-
Ponte retificadora semicontrolada com 2 SCR’s e 2 diodos;
-
Indutor;
-
Relé 24VDC;
-
Um disjuntor 25A;
-
Dois fusíveis 10A;
-
Dois capacitores 5000µF-70V;
-
Placas de controle do UJT;
-
Placas de controle do TCA.
Características dos SCR’s
-
Modelo A1N 25.04 Aegis;
-
tipo rosca;
-
Tensão reversa até 2000V;
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
-
Passivados a vidro e a borracha de silicone;
-
Encapsulamento vidro metal;
-
Base de cobre;
-
Rosca métrica e UNF;
-
A1N: anodo na base;
-
Contato sob pressão e soldado;
-
Acabamento estanhado.
89
Características dos diodos
5.3
-
Modelo A1A:22.04 Aegis;
-
Tipo rosca;
-
Tensão reversa até 3600V;
-
Capa vidro metálica;
-
Base de cobre;
-
Rosca métrica e UNF.
Procedimentos
Neste item serão relatados todos os procedimentos realizados durante os testes
e ensaios, bem como a exposição das formas de onda capturadas. Para a realização
destes testes foi necessária interpretação dos circuitos que compõem o sistema de
disparo utilizando o TCA 785. Isto foi realizado com o intuito de comprovar o bom
funcionamento do protótipo retificador que foi construído pela equipe.
5.3.1 Placa Controle TCA
O controle de potência realizado pelo TCA 785 foi construído com base no
diagrama abaixo, figura 56, tendo no início alimentação em 220VAC.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
90
FIGURA 56 – CIRCUITO BASE DO TCA
Este circuito sofreu uma série modificações para poder compartilhar a mesma
estrutura construída para as placas destinadas ao comando do UJT, absorver circuitos
de sobretensão, de sobrecorrente e circuito para receber amostra de tensão da bateria.
A nova estrutura pode ser observada na figura 57.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
91
FIGURA 57 – DIAGRAMA DA PLACA DO TCA 785
A alimentação do circuito passou a ser 24VDC e a tensão de referência, no pino
5, 24VAC.
A tensão de controle (Vc) recebe um sinal de amostra direto da carga, porém,
passa antes por um circuito, composto de diodos e resistores, para que o nível de tensão
que chega ao pino 11 seja adequado às condições desejadas, conforme a tabela xx
abaixo.
QUADRO 7 – TENSÃO DE CONTROLE NO PINO 11
Tensão de amostra
Tensão de controle
da carga (VDC)
(VDC)
24
1
25
2
26
3
27
4
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
28
5
29
6
92
Fonte: Autores
A tensão da rampa (Vcr) foi fixada em 6VDC, portanto quando a tensão de
controle (Vc) for 1VDC o retificador estará funcionando em plena carga. A cada volt
incrementado Vc se aproxima do topo da rampa, a corrente diminui proporcionalmente
até que Vc ultrapasse 6VDC e conseqüentemente a rampa.
Com isso o comando
encerra o pulso de disparo e cessa a retificação.
Os pulsos de disparo, fornecidos pelos pinos 14 e 15 do TCA, estão num ponto
em comum, ligados ao primário do transformador de pulsos.
FIGURA 58 – CIRCUITO DO TCA
Após a montagem da placa de controle utilizando a tecnologia TCA 785, foram
realizados diversos testes e ensaios. Neste momento o circuito em questão foi testado à
parte, desconectado do retificador protótipo, para isto, foi utilizada uma fonte de 30Vcc
para simular a tensão das baterias. Abaixo estão expostas as formas de onda e sinais
capturados durante os testes.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
93
FIGURA 59 – TENSÃO DE REFERÊNCIA
A figura 59 mostra a forma de onda da tensão de referência presente no pino 5 do
TCA e possui uma amplitude de ± 0,7 V devido aos diodos posicionados entre os pinos 1
e 5 do TCA. Um ponto de referência para sincronismo é a passagem da tensão da rede
por zero, que ocorre a cada 8,33ms, mais ou menos, em redes de 60Hz. No TCA 785
existe um “detector de passagem por zero” (bloco DPZ, fig 42b), que gera um pulso de
sincronismo toda vez que a tensão da rede passa por zero. O pino 5 é que da acesso
para a tensão de referência, como mostra a figura 43a.
FIGURA 60 – RAMPA DE CONTROLE
Na figura 60, pode-se observar o sinal presente no pino 10 do TCA, que
representa a rampa de controle.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
94
5.3.2 Ensaio do Protótipo Retificador
Após o circuito de controle do TCA ser testado em separado, a equipe prosseguiu
com o teste do mesmo conectado ao circuito de força. Este ensaio foi realizado com o
circuito completo utilizando duas baterias gel seladas de 12V cada. Nas figuras deste
capítulo o multímetro da esquerda apresenta o valor das baterias em volts e o multímetro
da direita representa a corrente em ampéres, que está sendo fornecida às carregar as
baterias.
FIGURA 61 – RAMPA E TENSÃO DE CONTROLE, EM 24V
Os sinais mostrados da figura 61 à 64, são sinais presentes nos pinos 10 e 11 do
TCA e se referem à rampa de controle e tensão de controle respectivamente. No
retificador a tensão de controle é a própria tensão da bateria, porém, para observar-se os
fenômenos do controle que “autoriza” a formação do pulso de disparo, foi utilizado uma
fonte de tensão variável para ajustar o nível de tensão desejado
Na figura 61 a tensão da fonte esta setada para 24V, nesta situação a tensão
de controle encontra-se no seu nível mínimo. O que indica que o TCA está mandando
pulsos de disparo em sua frequencia mais alta no intuito de carregar as baterias que
possuem um nível de tensão abaixo do esperado.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
95
FIGURA 62 – RAMPA E TENSÃO DE CONTROLE, EM 26V
Nas figuras 62 e 63 os valores de tensão da fonte foram alterados para 26V e
28V respectivamente. Neste caso podemos observar que a tensão de controle está
subindo, o que indica que a tensão das baterias está chegando próximo do valor
desejado, consequentemente a frequência de disparo do TCA está diminuindo.
FIGURA 63 – RAMPA E TENSÃO DE CONTROLE, EM 28V
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
96
Já na figura 64, a tensão da fonte foi ajustada para 29V, neste momento o TCA
para de díspar, pois o valor da tensão de controle ultrapassa o valor da rampa de
controle.
FIGURA 64 – RAMPA E TENSÃO DE CONTROLE, EM 29V
Na figura 65, pode-se observar os pulsos de disparo no primário do transformador
de pulsos do circuito do TCA, este pulso, extraído da saída dos pinos 14 e 15 do TCA,
ocorre no ponto de cruzamento da rampa de controle com a tensão de controle, pinos 10
e 11 do TCA, respectivamente. Nas primeiras tentativas a equipe não conseguia fazer o
tranformador de pulsos repassar o pulso de disparo, isto porque, o capacitor C12 estava
com valores elevados (680pF, 1000pF e possuiam duração de pulso de 422µs e 620µs,
respectivamente). Após alterar o valor de C12 para 330pF com duração do pulso de
205µs, o transformador de pulso conseguiu transmitir o pulso para o secundário do
mesmo.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
97
FIGURA 65 – PULSO DE DISPARO TCA
Caso ocorra algum defeito nos circuitos de disparo e a tensão das baterias
chegue a 30V, o circuito de sobretensão atua o relé de sobretensão do circuito de força e
este por sua vez corta a alimentação 220V do circuito. Neste caso, para colocar o
sistema em funcionamento novamente é necessário que se pressione o botão de reset,
que abre o selo do relé de sobrecarga.
O pulso de disparo do TCA, mostrado na figura 65, está isolado do circuito de
potência através de um transformador de pulso (TP), já na figura 66 nota-se a diferença
do pulso após o TP, capturado através do osciloscópio no gate dos SCR´s.
FIGURA 66 – PULSO SCR´S
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
98
A posição do pulso de disparo do SCR, em relação a senóide de 36V que
alimenta os mesmos, é que definirá a região de condução, conforme se pode observar a
partir da figura 67.
FIGURA 67 – SENÓIDE DO ÂNGULO DE DISPARO E PULSO SCR, EM 24V
Temos na figura 67 a tensão na saída do retificador em 24V, neste momento a
corrente chega próximo a 4A e o pulso de disparo está localizado pouco antes do pico da
senóide.
FIGURA 68 – SENÓIDE DO ÂNGULO DE DISPARO E PULSO SCR, EM 25V
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
99
Na figura 68, onde a tensão é de praticamente 25V, o pulso de disparo está
próximo do topo da senóide, e a corrente pouco abaixo de 4A.
FIGURA 69 – SENÓIDE DO ÂNGULO DE DISPARO E PULSO SCR, EM 26V
No instante que a tensão na bateria chega a 26V, figura 69, a corrente tem uma
considerável queda, neste momento a tensão de controle se aproxima do pico da rampa
de controle, como foi mostrado na figura 62.
FIGURA 70 – SENÓIDE DO ÂNGULO DE DISPARO E PULSO SCR, EM 27V
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
100
Na figura 70 o pulso de disparo está quase completando meio período da
senóide, ou seja, está quase cessando o disparo, com isso a corrente é quase zero.
FIGURA 71 – SENÓIDE DO ÂNGULO DE DISPARO E PULSO SCR, EM 29V
Com 29V na saída do retificador, figura 71, os pulsos de disparo do TCA estão
encerrados, pois, a tensão de controle (pino 11 TCA) ultrapassa a tensão da rampa de
controle (pino 10 TCA).
5.3.3 Protótipo do Retificador
A retificação do protótipo é de onda completa semi-controlado, ou seja, pode
variar o nível de tensão na saída, porém, a polaridade de tensão DC e o sentido da
corrente não podem mudar.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
(a) Foto
(b) diagrama
FIGURA 72 – RETIFICADOR PROTÓTIPO
101
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
6
102
ANÁLISE DOS DADOS
Durante a realização dos testes e ensaios pudemos confirmar as informações
obtidas e descritas na fundamentação teórica. As formas de onda obtidas durante os
testes são idênticas às pesquisadas nos livros utilizados como revisão da literatura.
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
7
CONCLUSÃO
103
RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
8
104
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RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE
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