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Microcontrolador MSP430 - Parte III (MIC094)

Continuando com nossa série de artigos utilizando o versátil microcontrolador MSP430 da Texas, que reune num único chip as vantagens dos microprocessadores comuns e dos processadores digitais de sinais a um custo extremamente baixo, apresentamos nesta edição mais um projeto, explorando novos recursos deste componente. Trata-se de um dimmer com TRIAC do tipo encontrado em uma boa quantidade de equipamentos tanto de eletrônica de consumo como geladeiras, máquinas de lavar, etc e que portanto pode servir de base para a criação de novos produtos. (2001)

Controle de potência usando TRIACs podem ser encontrados numa grande variedade de aplicativos como já dissemos na introdução deste artigo.

No entanto, as aplixcações mais sofisticadas vão além da simples necessidade de se ter um ajuste de velocidade pela alteração do ängulo de condução do TRIAC.

A maioria das aplicações modernas é inteligente e exigem recursos como por exemplo funções adicionais como a regulagem do torque e velocidade, proteção do motor, excitação de display, controle sequencial, etc.

Com o uso de um microcontrolador como o MSP430 estas funções podem ser implementadas com os recursos de um processamento de 16 bits capaz de proporcionar uma performance muito melhor do que a dos tradicionais controladores de 4 e 8 bits.

O circuito descrito a seguir mostra como o MSP430 pode ser usado num projeto deste tipo, tendo sido fornecido pela própria Texas Instruments.

 

OS RECURSOS DO MSP430

Os recursos disponíveis do MSP430 permitem uma considerável redução no custo deste tipo de projeto.

Além do baixo consumo podemos destacar outros recursos importantes como por exemplo um oscilador interno que possibilita a execução do programa em velocidades de até 5 MHz sem a necessidade de componentes externos.

Numa aplicação em que os tempos são importantes como a que ocorre no disparo de um TRIAC, estes recursos são muito importantes.

Outro fator que deve ser levado em conta está no uso de capacitores elevados para circuitos tradicionais que usam redes RC como o mostrado na figura 1.

 

Controle tradicional (analógico) de potência usando TRIAC.
Controle tradicional (analógico) de potência usando TRIAC.

 

 

Este tipo de circuito exige capacitores de tensões elevadas, normalmente em torno de 400 V o que além de exigir mais corrente dos circuitos de controle também significa um custo maior.

Com o uso de um microcontrolador a corrente de controle pode ser menor e com isso também o capacitor ganhando-se com isso espaço e no custo.

Mas, os recursos principais que são utilizados num projeto deste tipo em que temos basicamente que controlar tempos estão justamente no módulo de timer do MSP430, denominado Timer A que tem o diagrama de blocos mostrado na figura 2.

 

Diagrama de blocos do timer A.
Diagrama de blocos do timer A.

 

 Conforme podemos ver, este módulo possui uma estrutura extremamente flexível que consta de um tiumer de 16 bits que pode ser alimentado pelo mesmo sinal de clock da CPU até 5 MHz.

Três blocos de captura e comparaçao, configuráveis por software estão ligados a este timer.

Estes blocos possuem pinos deentradas e saídas (I/O) multiplexados que podem ser configurados como entradas para capturar dados ou ainda como saídas para comparação e funções de disparo ou clear.

Este bloco é justamente a base deste projeto de dimmer que tomamos como exemplo.

 

EXEMPLO DE APLICAÇÃO

Na figura 3 temos um exemplo de aplicação de um dimmer usando TRIAC com alimentação de 12 V (AC) de modo a minimizar os perigos de choque durante a fase de desenvolvimento.

Após esta fase, o circuito pode ser facilmente convertido para receber uma alimentação a partir da rede de energia local.

 

Fonte de alimentação de linha.
Fonte de alimentação de linha.

 

 Neste circuito o MSP430C112 exige uma corrente de apenas 770 uA sob tensão de 5 V, rodando a 1 MHz. A corrente restante da fonte é totalmente isada para disparar o TRIAC.

Se o circuito for alimentado diretamente pela rede de energia pode ser usada a fonte da figura 4 que não faz uso de transformador, para maior economia.

 

Exemplo de circuito de controle com TRIAC.
Exemplo de circuito de controle com TRIAC.

 

 

 Nesta fonte aproveita-se a reatância capacitiva de C4 para que, em conjunto com os demais elementos do circuito tenhamos uma redução da tensão para uma saída regulada em 5V pelo zener D2.

Esta fonte pode fornecer uma corrente de até 10 mA com um capacitor C4 de 1 µF. Com os valores dos demais componentes a tensão de ripple é de 30 mV(max).

Os pinos JTAG (TODO, TDI, TMS e TCK) são multiplexados com os pinos I/O digitais. Com isso torna-se possível a programação in-circuit sem a necessidade da conexão da fonte de alimentação.

Um potenciômetro é usado para controle do ângulo de fase. Como o conversor A’D do MSP430 é on-board o valor do potenciômetro é determinado pela conversão dos registradores do timer de 16 bits.

Na figura 4 temos o diagrama do setor de Conversão A/D usado para esta finalidade.

 

Diagrama do setor de conversão A/D.
Diagrama do setor de conversão A/D.

 

 O timer é sincronizado diretamente pela frequência livre do clock DCO que depende de fatores externos como a temperatura e tensão de alimentação.

Para aumentar a precisão de medida, o tempo medido para a descarga do capacitor através do potenciômetro começa a ser contado quando a tensão da linha passa por zero.

Esta abordagem assegura que que a tensão de alimenta’são seja sempre a mesma para cada conversão A/D e elimina a influência da tensão no clock do timer causada pelo ripple da tensão de alimentação.

Os terminais do potenciômetro são conectados aos pinos I/O do MSP430 que tem a capacidade de carregar o capacitor (colocado o pino set no nível alto), descarregad o capacitor (colocando o pino set no nível baixo) ou não fazer nada (ligando o pino set à entrada).

A faixa de atuação tem 256 valores que são determinados pela seguinte fórmula:

 

Pot(0-255) = [(PotB-PotC) x 256]/(PotA-PotC)

 

Onde os valores de PotA, PotB e PotC são o número de ciclos necessário para descarregar o capacitor através de cada terminal pot.

O número de ciclos é medido do início da descarga até o ponto da passagem negativa da tensão limiar de captura do pino de entrada ser alcançado (que tem características de disparador Schmitt).

Com esta abordagem, a frequência absoluta do timer não influencia no resultado, com uma garantia de se fornecer uma resolução suficientemente alta e manter-se estável durante o tempo em que as três conversões são realizadas.

O circuito de disparo do TRIAC depende da corrente necessária a isso. Usando TRIACs de alta sensibilidade pode-se obter a corrente de disparo diretamente das saída do microcontrolador.

Esta configuração mostrada na figura 6 é recomendada para correntes de carga na faixa de 500 mA até 1 A.

 

Circuito de disparo de TRIAC.
Circuito de disparo de TRIAC.

 

 

Para disparar TRIACS menos sensíveis como os da série TIC206 pode ser usado o circuito mostrado na mesma figura que faz uso de um transistor.

Pode-se também usar várias saídas do MSP30 em paralelo para aumentar a capacidade de disparo.

Devemos observar que, quando um TRIAC comuta cargas indutivas podem ser gerados picos de alta tensão na comporta suficientemente intensos para danificar o microcontrolador.

O uso de um transistor entre os dois pode melhorar a proteção do microcontrolador em condições como esta.

A geração do ângulo de fase é outro setor do circuito a ser analisado.

Para se gerar este ângulo é preciso detectar a passagem por zero da tensão da rede de energia.

Cada pulso resultante desta passagem disparar o registrador CCR2 de captura de tempo, e armazena o valor como ponto de partida da ação do controle de fase.

Adicionando um certo número representando o deslocamento de fase a este valor de 16 bits capturado pelo timer e reconfigurando-o para comparação é possível gerar uma interrupção responsável pelo sinal de disparo do TRIAC.

A unidade de saída pode ser configuradas de modo a fornecer um sinal quando os valores comparados forem iguais.

Usando apenas o registrador CCR2 de 16 bits de captura e comparação para detectar a passagem por zero e disparo do TRIAC, os pinos I/O de saída multiplexados existentes nos microcontroladores da família MSP430C11x são conectados a este bloco de comparação e capatura da forma mostrada na figura 7.

 

Utilização do CCR2.
Utilização do CCR2.

 

 

O cálculo do ângulo de fase deve ser calculado de modo a se eliminar variações do clock de temporização devido a mudanças de temperatura e tensão.

Para reduzir o erro causado pelo limiar de condução do diodo zener um ciclo completo da alimentação é medido (duas passagens por zero).

Este número é dividido por 512 resultando assim em 256 passos por semiciclo resultando numa resolução de 0,7 graus.

Para o oscilador devemos levar em consideração os problemas de ajuste.

Como o oscilador do MSP430P112 é do tipo RC free runing (livre) a frequência nominal depois do reset pode variar entre 650 kHz e 1,2 MHz.

Esta frequência depende muito da constante de tempo da rede RC. A frequência nominal pode ser especificada devido a variações no processo de fabricação.

Para se um valor de frequência mais preciso durante a operação o ajuste pode ser feito tanto por software como pela conexão de um resistor externo do pino Rosc a Vcc.

Nesta aplicação, a frequência é ajustada durante a rotina de inicialização tomando como referência a frequência da rede.

O número de ciclos MCLK desejado que também pode ser usado pelo timer e watchdog deve ser 10 000 por cada semiciclo da tensão da rede,

Isso resulta numa frequência de 1 MHz para uma linha de 50 Hz e 1,2 MHz para uma linha de 60 Hz. Esta frequ6encia pode ser elevada, se necessário, para até 5 MHz usando software.

Se a carga for indutiva podem ocorrer problemas de interferências picos de tensão capazes de colocar em risco o circuito.

Na figura 8 temos o diagrama de um filtro contra interferências.

 

Filtro contra interferências.
Filtro contra interferências.

 

 

 

MONTAGEM

Na figura 9 temos uma sugestão de placa de circuito impresso para esta aplicação, fornecida pela própria Texas Instruments.

 

Placa de circuito impresso.
Placa de circuito impresso.

 

 

CONCLUSÃO

A família MSP430C11x possibilita a elaboração de projetos econômicos envolvendo sofisticados controles de TRIACS com excelente performance com algorítmos sofisticados.

Adicione-se ao desempenho a possibilidade de termos a CPU programada por o sleep-mode quando a corrente pode ser reduzida considerávelmente.

Documentação mais detalhada sobre o MSP430 e suas aplicações, incluindo esta pode ser encontrada no site da Texas Instruments em http://www.ti.com.

Dentre as referências de literatura temos o Aplication Report SLAA043A “Low Cost TRIAC Control With MSP430 16-Bit Microcontroller”.

 

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