Capítulo 8

Cap. 8 - Circuitos de Comando
131
CAPÍTULO - 8
CIRCUITOS DE COMANDO
8.1 - FUNÇÕES
) Ordens de comando (pulsos de gatilho) para tiristores:
„ Corrente de disparo (gate) com formas e valores adequados, em
instantes especificados.
8.2 - COMANDOS VERTICAL E HORIZONTAL (FIG. 8.1)
+
iG
v1( ωt)
R vL
-
Fig. 8.1 - Retificador monofásico de meia onda.
) Formas de onda (Fig. 8.2):
v1
a
vL
b
c
vM
VC
ωt
ωt
ωt
d
ωt
e
0
α
π
π+α
0
α
π
π+α
ωt
Fig. 8.2 - Formas de onda para a estrutura representada na figura 8.1.
(a) Comando Vertical (Fig. 8.2.d)
) Geração de uma onda dente-de-serra, constante na forma e nos valores,
sincronizada com a tensão v1(ωt) da rede e em fase com o ciclo positivo,
) O instante de comando α é definido pela interseção da dente-de-serra fixa com
a tensão de comando VC (Equação 8.1).
α=π
Onde: 0 ≤ VC ≤ VM
Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência
VC
VM
;0≤α≤π
(8.1)
Cap. 8 - Circuitos de Comando
132
(b) Comando Horizontal (Fig. 8.2.e)
) Geração de uma onda dente-de-serra, constante na forma e nos valores,
sincronizada com a tensão v1(ωt) da rede;
) A corrente de gate (pulso gate) é produzida no instante em que a dente-deserra torna-se maior do que zero,
) A variação do ângulo α ocorre quando a dente-de-serra é deslocada
horizontalmente em relação a v1(ωt).
Obs: Nos conversores industriais o comando vertical é praticamente o único
empregado. O comando horizontal é empregado nos sistemas simples: controle de
intensidade luminosa de pequenas potências ou de velocidade de pequenos motores.
8.3 - TENSÃO DE REFERÊNCIA COSENOIDAL E DENTE-DE-SERRA(FIG. 8.3)
vM
VC
vM
ωt
VC
ωt
0
π
α
Fig. 8.3 - Tensões de referência.
) O ângulo α em função de VC:
(a) Para as ondas dente-de-serra:
α=π
VC
VM
(8.2)
(b) Para forma cosenoidal:
cosα =
VM − 2 VC
VM
Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência
; 0 ≤ VC ≤ VM
(8.3)
Cap. 8 - Circuitos de Comando
133
0,9Vo
VLmed
v (ωt)
+
vL
0
π α
π
2
-
v( ωt) = 2 Vo sen (ωt)
-0,9Vo
Fig. 8.4 - Conversor monofásico de onda completa e sua tensão média de saída.
) A tensão média de saída (Equação (8.4)).
VLmed = 0, 9 Vo cos α
(8.4)
) Expressões (8.5) (onda dente-serra) e (8.6) (onda cosenoidal):
 V 
VLmed
= cos  π C 
0,9 Vo
 VM 
(8.5)
VLmed  VM − 2 VC 
=

0,9 Vo 
VM

(8.6)
) Referência cosenoidal resulta numa característica linear do conversor,
) Apesar da Relação linear ser interessante para a modelização do sitema, a
referência em dente-de-serra é mais empregada (solução mais simples).
8.4 - ORGANIZAÇÃO DE UM CIRCUITO DE COMANDO (FIG. 8.5 E FIG. 8.6)
C
a
r
g
a
3
v5
vR
v1
1
2
v4
4
v6
5
iG
VC
1. Sincronismo e Geração da dente de serra.
2. Comparador.
3. Oscilador.
4. Porta Lógica E.
5. Amplificação, isolamento e ataque.
Fig. 8.5 - Organização básica de um circuito de comando.
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vL
Cap. 8 - Circuitos de Comando
134
v1
ωt
vR
VC
ωt
v4
ωt
v5
ωt
v6
ωt
iG
ωt
vL
ωt
α
0
π
0
α
π
Fig. 8.6 - Formas de onda de um circuito de comando (carga resistiva).
8.5 - ESTÁGIO DE ATAQUE (FIG. 8.7)
) Características Gerais:
- Amplificar os sinais de comando oriundos dos estágios de sinais;
- Propiciar o isolamento adequado entre o comando e o tiristor;
- Apresentar características de fonte de corrente e não de tensão,
- Impedir que uma tensão negativa seja aplicada na junção gatilho-catodo.
A
Vcc
R1
D1
D3
D2
Dz
G
iG
Tp
vG
R2
T1
K
R3
Fig. 8.7 - Estágio de ataque de um circuito de comando.
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135
Tp - Transformador de pulsos (nível de isolamento ordem de 2KV para
aplicações envolvendo tensões inferiores a 600V). Construído com núcleos de
ferrite (com reduzidas indutâncias de dispersão, para assegurar uma boa
reprodução do sinal de comando);
T1 - Transistor cuja função é amplificar (ganho forçado) o sinal vG proveniente
dos estágios anteriores (Empregado como chave, com baixas perdas);
DZ - Diodo zener para desmagnetização do núcleo de Tp no intervalo de tempo
em que T1 encontra-se bloqueado;
D1 - Diodo de roda livre. Conduz durante a desmagnetização do transformador;
R1 - Destinado a limitar a corrente de gatilho do tiristor;
D3 - Diodo destinado a impedir o desvio da corrente principal pelo gatilho,
D2 - Diodo destinado a impedir que uma tensão negativa seja aplicada na junção
gatilho-catodo durante a desmagnetização do transformador.
8.6 - SINCRONIZAÇÃO DO RETIFICADOR DE MEIA ONDA MONOFÁSICA
) Referência sincronizada e em fase com ciclo positivo da tensão de rede(Fig. 8.8).
v Rede
ωt
vR
ωt
π
0
2π
Fig. 8.8 - Sincronização do retificador monofásico de meia onda.
) Circuito (Fig. 8.9).
T2
TR
R4
C
Rede
R5
A1
- Vcc
C6
R6
A2
R
vR
D
Fig. 8.9 - Circuito gerador de dente-de-serra sincronizado com a tensão de rede.
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136
TR - Trafo para reduzir a tensão da rede para ≅ 10V e propiciar o isolamento;
R4 e R5 - Divisor de tensão;
A1 - Opera como comparador com zero;
A2 - Opera como integrador com constante de tempo dada por R6 e C6.
A integração inicia quando ωt = 0. No instante ωt = π a tensão na saída do
comparador torna-se positiva e satura o transistor T2, levando a zero a tensão vR.
8.7 - SINCRONIZAÇÃO RETIFICADOR MONOFÁSICO DE ONDA COMPLETA
) Onda dente-de-serra é produzida nos ciclos positivos e negativos (Fig. 8.10):
v Rede
ωt
vR
π
α1
0
VC
α2
π
ωt
Fig. 8.10 - Tensão de referência para o retificador de onda completa.
) Seja o circuito representado na figura 8.11:
vRede
Fig. 8.11 - Retificador de onda completa a tiristor.
) Pulso de comando para aos quatro tiristores a cada semi-ciclo. Somente
aquele que estiver diretamente polarizado entra em condução (Fig. 8.12):
1N4148
TR
Rede
+
va
-
2K2
D
2K2
10K
vb
+15V
A1
56K
1K
vc
0,1µF
1N4148 1K
vd
A2
ve
100K
-15V
Fig. 8.12 - Circuito de sincronismo para o retificador monofásico de onda completa.
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137
TR - Trafo para isolar o circuito da rede e reduzir a tensão de comando;
D - Ponte retificadora de onda completa. Tensão vb é comparada com a
tensão v c ;
A1 - Opera como comparador (Com nível v c );
A2 - Opera como integrador. Quando vd é negativo, integra a tensão -Vcc,
produzindo uma rampa na sua saída. Quando vd torna-se positiva por um intervalo
de tempo muito curto, o capacitor do integrador é descarregado e o sistema pode
reiniciar uma nova rampa.
) Formas de onda correspondentes (Fig. 8.13):
va
ωt
vb
vc
vd
ωt
ωt
ve
ωt
Fig. 8.13 - Sinais para o circuito de sincronismo representado na figura 8.12.
8.8 - SINCRONIZAÇÃO DO RETIFICADOR TRIFÁSICO DE PONTO MÉDIO.
v1(ωt)
v2(ωt)
v3(ωt)
T1
T2
+
T3
vL
-
Fig. 8.14 - Retificador trifásico de meia onda.
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Cap. 8 - Circuitos de Comando
138
) As tensões envolvidas estão representadas na figura 8.15:
v3
v1
v2
v3
v1
v2
v3
ωt
v R1
α
α
(T 3)
+VM
ωt
-VM
v R2
VC
(T 1)
ωt
VC
vR3
(T 2)
ωt
VC
Fig. 8.15 - Sincronização do retificador trifásico de meia onda.
) Fase 1 é sincronizada com a tensão da fase 2;
) Fases 2 e 3 são sincronizadas pelas tensões das fases 3 e 1, respectivamente,
) Tensão de comando Vc deve variar de -VM a +VM. Logo, o ângulo α variará
de zero até 180o.
) Tensão de referência vRi torna-se maior que a tensão de comando, é
enviado o pulso de corrente de gatilho.
) Técnica de sincronização muito simples (dispensa geradores de rampa),
além de propiciarem uma relação linear entre a tensão de saída e a tensão de
comando.
) Diagrama de blocos de comando (Fig. 8.16):
v1( ω t )
T1
v2( ω t )
T2
v3( ω t )
T3
v R1
Comando T 3
vR3
Comando T 2
v R2
Comando T 1
Fig. 8.16 - Diagrama do comando do retificador trifásico de meia onda.
OBS: Este método (para retificador 3φ de ponto médio) não é o único possível.
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Cap. 8 - Circuitos de Comando
139
Módulos de comando integrados (com rampa interna) são muito
utilizados. Sendo que, para o perfeito sincronismo (defasamento correto), utilizamse transformadores com conexões do tipo triângulo-estrela (∆-Y).
8.9 - SINCRONIZAÇÃO DA PONTE TRIFÁSICA MISTA
v1( ω t )
T1
T2
T3
v2( ω t )
R
v3( ω t )
D1
D2
D3
Fig. 8.17 - Ponte mista trifásica.
) Formas de onda (Fig. 8.18), apresenta a rampa que comanda o tiristor
T3:
v3
-v2
v1
-v3
v2
-v1
v3
-v2
ωt
v R3
i G3
0 α
vS3 = -v2
π
VC ωt
ωt
ωt
Fig. 8.18 - Tensões para a sincronização da ponte trifásica mista.
) Esta rampa é obtida de vS3 (atrasada de 60o em relação à v3(ωt)-tensão de
fase). O defasamento é obtido conforme ligações representadas na figura 8.19.
Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência
Cap. 8 - Circuitos de Comando
140
v1( ω t )
T1
v2( ω t )
T2
T3
Carga
v3( ω t )
D1
D2
3
-v 3
Comando T1
1
-v 1
Comando T2
2
-v 2
Comando T3
D3
G1 K1 G2K2 G3K3
VComando
Fig. 8.19 - Diagrama de sincronização da ponte trifásica mista.
8.10 - SINCRONIZAÇÃO DA PONTE TRIFÁSICA COMPLETA
) Ponte trifásica completa ⇒ Operação em dois quadrantes:
) Ângulos de disparo (α) entre zero e 90o ⇒ Opera como retificador,
) Para α entre 90o e 180o ⇒ Opera como inversor (não autônomo).
OBS: Para as estruturas anteriores ⇒ O comando propicia apenas um pulso de
corrente de gate para cada tiristor no instante do seu disparo.
) No caso particular da ponte completa, um único pulso não é suficiente:
) A partir do instante em que o tiristor deve entrar em condução deve-se enviar
ao gatilho um trem de pulsos com uma duração de 120o, para qualquer valor de α.
) Sincronismo (Fig. 8.20): Ângulo α1 é sincronizado na passagem por zero da
tensão v13, tornando-se positiva (Sinais de sincronismo Fig. 8.21).
Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência
Cap. 8 - Circuitos de Comando
141
T1
α1 = 0
v12
T6
α6 = 0
v13
T2
α2 = 0
v23
T3
α3 = 0
v31
T4
α4 = 0
v21
T5
α5 = 0
v32
ωt
Fig. 8.20 - Tensões para ponte de GRAETZ.
Tiristor
Tensão de Sincronismo
T1
v13
T2
v21
T3
v32
T4
v31
T5
v12
T6
v23
Fig. 8.21 - Tabela das tensões de sincronismo dos tiristores.
) Esquema de ligações para obtenção das tensões de sincronismo (Fig. 8.22):
v1 ( ω t )
T2
T1
v2 ( ω t )
T3
Z
v 3( ω t )
T4
v13
T6
T5
vs
T1
v31
T4
v21
T2
v12
T5
v32
T3
v23
T6
v1 v 2 v 3
Fig. 8.22 - Sincronização da ponte trifásica completa.
Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência
Cap. 8 - Circuitos de Comando
142
) Cada tiristor é comandado por um módulo independente (poder-se-ia
utilizar apenas 3 transformadores de sincronismo),
) Módulos devem enviar aos tiristores trens de pulso com duração de 120o a
partir da ordem de disparo.
) Formas de onda de um módulo de comando para ponte completa 3φ (Fig.
8.23):
vs
ωt
vR
vI
Ig
VC
α
ωt
ωt
0
π
π
0
ωt
120 o
120 o
Fig. 8.23 - Formas de onda para um módulo de comando da ponte trifásica mista.
Onde: VS - Tensão de sincronismo;
VC - Tensão de comando;
VR - Rampa sincronizada com a tensão de sincronismo;
VI - Sinal intermediário,
Ig - Corrente de gatilho de um tiristor.
) Diagrama de blocos para o módulo de comando com sinais representados na
Figura 8.23 (Fig. 8.24):
VC
vS
Gerador
de
Rampa vR
Comparador
Monoestável
vI
Porta
E
Estágio
de
Ataque
Ig
Astável
Fig. 8.24 - Diagrama de blocos do módulo de comando.
8.11 - DURAÇÃO DOS PULSOS DE GATILHO
) Para uma carga puramente resistiva, um pulso de corrente de gatilho com
10µs de duração é suficiente para colocar um tiristor em condução,
Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência
Cap. 8 - Circuitos de Comando
143
) Quando a carga é indutiva, a corrente de gatilho deve ser mantida com o
valor adequado ao tiristor durante o tempo necessário para que a corrente de ânodo
atinja o valor da corrente de engate ("de disparo") IL. Se a duração do pulso da
corrente de gatilho não for suficiente, quando ela se anular o tiristor se bloqueará.
) Para uma carga fortemente indutiva deve-se respeitar a relação (8.7).
t≥
LIL
E
(8.7)
OBS: Há casos particulares onde devem ser empregados pulsos de corrente
longos em relação à duração necessária para se disparar um único tiristor.
) Seja o Retificador de onda completa monofásico com carga que contenha
força contra-eletromotriz (Fig. 8.25):
vL
Vo
ωt
iL
t1
t2
t3 t1
ωt
t2
t3
t1
t2
t3
iG
ωt
∆t
∆t
Fig. 8.25 - Comando do retificador com carga contendo f.c.e.m.
) Se a duração ∆t do pulso da corrente de gatilho for tal que:
∆t < t 2 − t 1
(8.8)
„ O tiristor não entrará em condução (devido estar polarizado reversamente).
) A solução consiste em aplicar um pulso longo conforme relação (8.9).
∆t > t 2 − t 1
(8.9)
) Caso seja necessário a isolação entre o comando e a rede, empregando-se
transformadores de pulso, torna-se impossível o emprego de pulsos longos. Nesses
casos a solução ideal é o emprego de um trem de pulsos, conforme figura 8.25.
8.12 - MÓDULO DE COMANDO DISCRETO DE BAIXO CUSTO (FIG. 8.26)
Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência
Cap. 8 - Circuitos de Comando
144
+Vcc
R1
TR
D1
+
v C1
-
v1
R3
D2
R2
v3
T1
C1
VC
R5
v4
R6
v5
R4
T3
C2
Tp
D3
G
R7
T2
K
Fig. 8.26 - Módulo de comando discreto para um tiristor de pequena potência.
) Circuito muito simples, econômico e com as funções necessárias para um bom
comando.
) Formas de onda fundamentais (Fig. 8.27):
v1
ωt
VC
ωt
v C1
ωt
ωt
v3
v4
ωt
v5
ωt
α
iG
0
α
ωt
π
Fig. 8.27 - Formas de onda para o circuito representado na figura 8.26.
) O transformador TR com D1 e C1 produzem a rampa vC1;
) VC representa a tensão de comando do ângulo de disparo;
) A tensão v3 é deslocada verticalmente em relação à massa quando VC
varia;
) Quando v3 torna-se positiva, o transistor T1 é saturado, T2 é bloqueado e o
transistor unijunção T3 oscila livremente;
) Quando T1 é bloqueado, T2 é saturado e T3 deixa de oscilar;
) Os pulsos gerados por T3 são enviados ao gatilho do tiristor pelo
transformador de pulsos Tp.
Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência
Cap. 8 - Circuitos de Comando
145
) A tensão de comando VC pode ser proveniente dos circuitos de regulação
do conversor. Caso se deseje apenas comando manual, a fonte VC pode ser
substituída por um resistor variável adequado.
8.13 - MÓDULOS DE COMANDOS INTEGRADOS
) Estão disponíveis no mercado diversos módulos de comando integrados.
) Com o emprego destes CIs, obtem-se uma sensível redução do volume dos
circuitos de comando e um aumento considerável na confiabilidade.
) Apresenta-se o módulo TCA785 (Icotron-Siemens) na Fig. 8.28:
C12
5
1
2
6
16
=
3
7
1
12
14
4
15
2
3
7
=
4
I
8
5
9
8
R9
10
V11
C10
6
13
Fig. 8.28 - Funções básicas do módulo de comando TCA785.
Onde:1 - Detetor de zero;
2 - Memória de sincronização;
3 - Monitor de descarga;
4 - Comparador de controle;
5 - Transistor de descarga;
6 - Unidade lógica;
7 - Regulador interno de tensão,
8 - Fonte de corrente constante.
) Formas de onda principais para o módulo TCA785 (Fig. 8.29):
Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência
Cap. 8 - Circuitos de Comando
146
v5
ωt
v10
V11
ωt
v15a
αP
0
v14a
π
αP
0
0
v15b
αN
ωt
π
ωt
π
0
αN
π
ωt
v14b
ωt
v3
ωt
v7
ωt
π
0
2π
Fig. 8.29 - Formas de onda principais para o integrado TCA785.
) v5 representa a tensão de sincronização proveniente da rede. v10 é a rampa,
disponível no pino 10. O capacitor externo C10 é carregado linearmente por
uma fonte de corrente definida pelo resistor externo R9.
) v15 e v14 são os sinais de saída, sincronizados com o ciclo positivo e negativo da
tensão de sincronização. A largura desses pulsos é alterada pelo capacitor
externo C12. Quando o pino 12 é aterrado a largura do pulso atinge 180o, ou
seja, a largura é igual a (180o - α).
) Ao se conectar o pino 6 à terra inibe-se todas as tensões de saída do módulo.
) Para o comando de um Triac emprega-se a tensão v7 (combinação lógica dos
sinais v14 e v15).
) A tensão de alimentação é ligada ao pino 16 e pode estar compreendida entre
8 e 18V.
OBS: Para corrente de gatilho superiores a 250mA, deve ser empregado um
estágio amplificador antes do gatilho.
) Dados técnicos detalhados para projeto (são obtidos com o fabricante do CI).
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Cap. 8 - Circuitos de Comando
147
) Na Figura 8.30 apresenta-se um exemplo de comando para um Triac:
220V
+15V
1M5
16 6 13
5K
11
8
5
BAY61
15
TCA785
9
47K
Carga
14
10
180R
A2
A1
8nF
Fig. 8.30 - Aplicação do módulo TCA785 para o comando de um Triac.
) A corrente de gatilho é obtida diretamente do integrado;
) Durante o semiciclo positivo da rede, o sinal de comando é fornecido pelo
pino 15,
) Durante o semiciclo negativo o sinal de comando é fornecido pelo pino 14.
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