SISTEMA DE CONTROLE DE LUMINOSIDADE DE UMA LÂMPADA

SISTEMA DE CONTROLE DE LUMINOSIDADE DE UMA LÂMPADA
INCANDESCENTE VIA PORTA PARALELA DO COMPUTADOR
Rodrigo Sousa Ferreira, Daiane Rezende Carrijo, Edylara Ribeiro Rangel,
Daniel Cardoso Dias, Ernane Antônio Alves Coelho
Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica, Uberlândia – MG
e-mail: [email protected], [email protected], [email protected],
[email protected], [email protected]
Resumo: O objetivo deste trabalho é apresentar um
sistema de controle de potência para uma carga elétrica
monofásica através de um circuito gradador, controlado
através de um computador compatível PC. O sistema é
composto basicamente de um conversor D/A escada R2R, conectado à porta paralela do PC, um circuito para
controle do ângulo de disparo do TRIAC, com isolamento
galvânico para proteção do circuito do computador e
fontes de alimentação.
Palavras-Chave – Controle de Potência, Circuito
Gradador, Conversor D/A R-2R, Porta Paralela.
funções específicas como vincular a potência elétrica a outras
variáveis disponíveis no computador, como hora, dia, etc..
II. SISTEMA PROPOSTO
Para a realização da meta proposta desenvolveu-se um
sistema constituído de módulos que utilizam à conexão de
diversos componentes eletrônicos. Cada módulo do sistema
caracteriza-se por uma funcionalidade específica, e a junção
destes gera o controle desejado.
A figura 1 representa o circuito eletrônico completo do
projeto:
LUMINOSITY CONTROL SYSTEM OF
INCANDESCENT LAMP VIA COMPUTER
PARALLEL PORT
Abstract – This paper presents a single phase electric
power controller using a TRIAC converter connected to
PC parallel port. The system consists in a R-2R D/A
converter connected to parallel port, a integrated circuit
to control triggering angles of the TRIAC, a galvanic
isolation circuit to protect computer interface, and power
supplies.
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Keywords – Power Controller, Triac Converter, R-2R
D/A Converter, Parallel Port.
I. INTRODUÇÃO
Este trabalho apresenta a implementação de um sistema
eletrônico para controle da intensidade luminosa de uma
lâmpada incandescente, por meio do interfaceamento com
um computador compatível PC via porta paralela. É
importante ressaltar que originalmente o projeto foi
desenvolvido para controle da luminosidade de lâmpadas
incandescentes, mas é possível controlar a potência elétrica
de qualquer carga até o limite nominal, a qual não tenha
restrições à forma de onda da tensão aplicada. Em razão das
funções de controle definidas por software, pode-se controlar
a potência elétrica, de forma contínua, obtendo-se no caso da
lâmpada vários níveis de luminosidade em contraste aos
habituais estados “ligado” e “desligado” e ainda incorporar
Fig. 1. Esquema do circuito completo do sistema de controle de
luminosidade de uma lâmpada incandescente via porta paralela
Ao analisar o circuito eletrônico completo, percebe-se que
este é formado por quatro módulos: conversão digital
analógica (A/D); circuito de controle; acionamento da carga
(gradador) e sistema de alimentação, os quais estão descritos
a seguir.
III. CONVERSOR DIGITAL ANALÓGICO
A variação contínua da potência, em princípio, implica o
uso de uma variável de controle analógica. Como a proposta
prevê o controle digital (via computador), é necessária a
utilização de uma variável discreta com resolução suficiente
para a representação adequada desta variável analógica de
controle, ou seja, com número de bits suficientes para
acomodar todos os níveis discretos de potência desejável
para a carga. Para que o computador possa atuar no circuito
gradador, modificando o nível de potência, é necessário
converter a variável de controle da sua forma digital para
analógica. Assim optou-se pela utilização de um conversor
D/A escada R-2R de 8-bits conectado à porta paralela do
computador.
A figura 2 mostra o conversor conectado à porta paralela
do computador (conector DB25). Os pinos de 2 a 9 do
conector, constituem os bits de dados de 0 a 7. Conforme o
byte escrito na porta, determina-se a tensão nos pinos de
saída e consequentemente a entrada do conversor D/A. O bit
alto define 5V no pino correspondente e o bit baixo
corresponde a 0V (lógica TTL). Tais valores são nominais,
sendo que na prática observa-se pequenas variações.
Definida a tensão nos pinos D0 a D7, é possível determinar a
tensão no ponto 1 por meio do cálculo dos divisores
resistivos compostos pela escada R-2R. Através dos
resistores, 256 níveis discretos serão definidos no ponto 1, de
0V a (5-1LSB)V, com passo de 1LSB (least signicant bit) =
(1/256)V. O nível estabelecido será função do byte escrito,
de 0 a 255.
estrutura interna e a possibilidade externa de seleção do
ponto de chaveamento permitem um grande número de
opções de funcionamento, evitando um circuito externo
volumoso [2].
Este circuito integrado gera uma onda dente de serra que é
sincronizada com a onda de tensão proveniente da rede [3],
conforme mostrado na figura 3:
Fig. 3. Onda dente de serra gerada, sincronizada com a rede,
pelo TCA785.
O gerador da onda dente de serra consiste em uma fonte
controlada de corrente constante que carrega linearmente um
capacitor externo conectado ao pino 10. A corrente desta
fonte é determinada por uma resistência externa ligada ao
pino 9. O tempo de subida da onda é determinado pela
combinação RC [2].
Para a geração de pulsos há um comparador interno ao
circuito integrado TCA785, que compara a onda dente de
serra com a de controle, proveniente do conversor digital
analógico, tensão esta aplicada ao pino 11. A saída desta
comparação constitui-se de pulsos de disparos positivos com
aproximadamente 30µs presentes nos pinos 14 (sincronizada
com o semi-ciclo negativo) e 15(sincronizada com o semiciclo positivo). A duração destes pulsos pode ser alterada por
meio de capacitores ligados ao pino 12 e caso este pino seja
aterrado, a largura do pulso pode atingir 180° [2]. A figura 4
mostra a geração de pulsos:
Fig. 2. Conversor R-2R conectado à porta paralela.
Por meio do processo descrito anteriormente, ao variar a
palavra digital de entrada de 00H a FFH (0 – 255), tem-se
uma tensão em rampa no ponto 1, o que caracteriza a
conversão digital analógica [1].
IV. CIRCUITO DE CONTROLE
O controle de variação da intensidade luminosa da
lâmpada incandescente é feito utilizando o circuito integrado
TCA785, o qual é um circuito integrado analógico de 16
pinos, desenvolvido para gerar pulsos e controlar o ângulo de
disparo de tiristores e TRIAC, continuamente entre 0° e 180°
em aplicações para controle de tensão de saída nos
retificadores controlados e controladores de fase. Sua
Fig. 4. Geração de pulsos.
Na figura 4 percebe-se que a posição inicial do pulso
depende do ponto comum das formas de onda (dente de serra
e tensão de controle). Como a potência aplicada à lâmpada
depende da posição inicial do pulso, esta é alterada quando
há uma variação no valor da tensão de controle. Portanto o
controle automático da intensidade luminosa da lâmpada
incandescente é feito quando ocorre a variação do valor da
tensão de controle, ou seja, quando os níveis lógicos
enviados à porta paralela são alterados.
O circuito montado para este módulo está mostrado na
figura 5.
Fig. 5. Circuito de controle.
Ao observar o circuito eletrônico completo, percebe-se a
presença de um amplificador operacional (LM741) que atua
como um buffer que interliga o conversor digital analógico
ao circuito de controle. O objetivo desta conexão é uma
isolação entre estes módulos, ou seja, para que o circuito de
controle não cause nenhuma interferência no divisor de
tensão resistivo do conversor R-2R.
V. ACIONAMENTO DA CARGA
O circuito representado na figura 6 demonstra como foi
realizado o acionamento da carga.
equivalente a dois retificadores controlados de silício
(SCR/tiristores) ligados em antiparalelo com o terminal de
disparo (gate) em comum. Este tipo de ligação resulta em
uma chave eletrônica bidirecional que pode conduzir
corrente elétrica nos dois sentidos, sendo assim este pode ser
disparado por uma tensão, tanto positiva quanto negativa,
aplicada no eletrodo de disparo (gate) [4]. Uma vez
disparado, o dispositivo continua a conduzir até que a
corrente elétrica de carga caia abaixo do valor de corte, o que
torna o TRIAC um conveniente dispositivo de controle para
circuitos de corrente alternada, permitindo acionar grandes
potências por meio de circuitos de controle com valores de
corrente da ordem de miliampères. O TRIAC de baixa
potência também pode ser utilizado em outras aplicações,
como controles de potência para lâmpadas, dimmers,
controles de velocidade para ventiladores, entre outros.
O resistor de 180Ω no circuito visa um valor de corrente
necessário para ativar o TRIAC [5]. Já o fotoacoplador é
utilizado para isolar o sistema de carga do restante do
circuito. O isolamento galvânico é necessário para que a rede
não esteja conectada diretamente ao circuito ligado a porta
paralela do computador, uma vez que sem esse artifício o
computador poderia ser danificado por distúrbios presentes
na rede. Para o funcionamento do fotoacoplador um diodo
Zener foi conectado ao pino 5 deste dispositivo, mantendo
assim uma tensão contínua de 15V na entrada de alimentação
do mesmo. A utilização do capacitor é sugerida pelo
fabricante do tiristor, devido à necessidade da eliminação dos
ruídos da rede que afetam o disparo do TRIAC.
VI. SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO
Os dispositivos eletrônicos utilizados no projeto
necessitam de tensão de alimentação contínua, sendo assim
foi montado uma fonte com saídas de ± 15Volts. A
montagem de tal dispositivo é justificável, pois substitui o
uso de uma fonte externa, ou seja, tem-se uma maior
praticidade na utilização do projeto.
O circuito do sistema de alimentação está mostrado na
figura 7.
Fig. 6. Circuito de acionamento da carga.
Ao observar o circuito acima percebe-se que o
acionamento da carga é feito por um Triode for Alternating
Current (TRIAC), o qual é um componente eletrônico
Fig. 7. Sistema de alimentação.
Com este módulo finaliza-se o processo de entendimento
do circuito, a partir da funcionalidade específica de cada
parte. O protótipo implementado pode ser visto na figura 8.
de temporização, controle remoto via internet, etc. Além
disso, o sistema não se restringe ao controle de lâmpadas
incandescentes, mas a qualquer carga elétrica a qual possa
ser alimentada com tensão eficaz variável sem restrições
quanto à forma de onda. O software de controle pode ser
adaptado para diferentes funções ou cargas elétricas.
VIII. CONCLUSÃO
Fig. 8. Protótipo implementado.
Foi apresentado em detalhes neste trabalho o conjunto de
módulos, os quais compõem um sistema para o controle da
luminosidade de lâmpadas incandescentes via porta paralela
de um computador compatível PC. Após o estudo de todas as
partes do circuito é importante relacionar as saídas e as
entradas dos circuitos adjacentes, com finalidade de entender
todo o comportamento do projeto. O sistema permite a
aplicação de todos os recursos disponíveis em um
computador PC na função de controle de potência de uma
carga elétrica através da variação da tensão eficaz aplicada.
Foi implementado um protótipo, incluindo software e
hardware para a validação do sistema.
VII. SOFTWARE UTILIZADO
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Para teste do protótipo implementado foi elaborado um
software de controle da intensidade luminosa da lâmpada
incandescente, escrito na linguagem CSharp, o qual
possibilita o acesso à porta paralela do computador. Foi
criada uma interface com o usuário, que permitia controlar a
intensidade luminosa da lâmpada incandescente de formas
distintas: movimentação do mouse de um lado para outro
(movimento do mouse para a direita aumenta a intensidade
luminosa da lâmpada e movimento do mouse para a esquerda
diminui intensidade luminosa da lâmpada); inserção de um
valor numérico entre 0 e 255, ou seja, valores que estão
relacionados a uma intensidade luminosa desde apagada à
plena potência; utilização das teclas direcionais do teclado
(direcional direito e esquerdo, indicando aumento e redução
da intensidade luminosa, respectivamente) e a possibilidade
de selecionar um modo automático que varia a freqüência ou
a intensidade luminosa . A janela criada pelo software de
controle para a interface com o usuário pode ser vista na
figura 9.
Fig. 9. Janela de Interface.
Deve-se ressaltar que o software implementado possui
apenas funções básicas para teste, mas muitas outras funções
de controle podem ser implementadas, como um dispositivo
[1] I. V. Idoeta, F. G. Capuano, “Elementos de Eletrônica
Digital”, Érica Ltda, 38a Edição, São Paulo, 1998.
[2] Guia prático de funcionamento do TCA785, “Circuito
de comando para retificadores controlados – estudo do
CI TCA785”, Aulas práticas da Faculdade de Engenharia
Elétrica e de Telecomunicações do Instituto Politécnico
da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais,
acessado em 9 de Maio de 2008, em:
http://www.ipuc.pucminas.br/eletronica/disciplinas/Anex
os/Eletronica%20de%20Potencia%202/pratica_03.pdf.
[3] Catálogo do TCA785, acessado em 9 de Maio de 2008,
em:http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/infineon/1
-tca785.pdf.
[4] A. Ahmed, “Eletrônica de Potência”, Prentice Hall, 1ª
Edição, São Paulo, 2000.
[5] Catálogo do TRIAC (TIC226D), acessado em 9 de maio
de 2008, em:http://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/2013 9/POINN/TIC226D.html.