Controle de Onda Completa com SCR (ART2158)

Controles de potência de onda completa utilizando diodos controlados de silício (SCRs) trazem algumas dificuldades de projeto que nem sempre são solucionadas da maneira mais econômica ou funcional. O projeto apresentado traz uma solução muito Interessante e econômica pois utiliza os próprios SCRs na ponte que deve proporcionar a corrente pulsante para alimentação da carga. Com capacidade de corrente que chega a 12 A, este circuito encontra aplicações tanto domésticas como industriais.

Os SCRs (diodos controlados de silício) são dispositivos de estado sólido que tem comportamento semelhante aos diodos semicondutores e, portanto, conduzem a corrente num único sentido.

No projeto de controles de potência que utilizem SCRs e que sejam ligados à rede de corrente alternada encontramos problemas que nos levam a duas alternativas de aplicação: ou fazemos o controle de meia onda, aplicando a carga apenas metade dos semiciclos da rede, ou então acrescentamos ao projeto uma ponte que forneça uma alimentação de onda completa e que normalmente encarece a montagem, pois são necessários 4 diodos para esta finalidade.

O projeto apresentado usa SCRs e faz o controle de onda completa, mas com a finalidade de se obter uma certa economia de montagem, em lugar de 4 diodos utilizamos apenas 2, já que os outros 2 necessários a retificação dos dois semiciclos da tensão da rede são os próprios SCRs.

O uso de um sistema de disparo com transistor unijunção e transformador de pulso garante uma excelente linearidade na faixa de controle que vai bem próximo de zero até 100%, e além disso com total isolamento da rede o que permite a instalação remota do potenciômetro.

As características principais deste projeto são:

Características:

Tensões de entrada: 110/220 VCA

Corrente máxima controlada: 12ª (dependendo dos SCRs)

COMO FUNCIONA

Na rede local temos uma corrente alternada cuja forma de onda é mostrada na figura 1 (a).

Figura 1 – Formas de onda da rede e na carga para meia onda

Para controlar esta corrente, se usarmos um SCR somente, teremos a aplicação na carga somente dos semiciclos positivos ou negativos, dependendo da polaridade do componente, conforme mostra a mesma figura 1(b).

Dependendo do ângulo de disparo do SCR, ou seja, se ele for disparado no início do semiciclos ou no final, podemos ter a aplicação de maior ou menor potência na carga que é ligada em série com o circuito.

Para poder controlar um circuito de potência com SCRs a solução básica consiste no uso de uma ponte com 4 diodos, conforme mostra a figura 2.

Figura 2 – Usando uma ponte com 4 diodos

Os diodos usados devem ser dimensionados de acordo com a corrente da carga controlada o que significa um custo relativamente alto nos casos de maiores potências.

Uma solução interessante é a mostrada na figura 3, e que adotamos neste projeto.

Figura 3 – Solução com dois diodos e dois SCRs

Os próprios SCRs são usados como diodos da ponte (já que se comportam como tal, quando disparados), e seu disparo é feito segundo um ângulo apropriado conforme a potência que se deseja aplicar a carga.

Quando disparamos o SCR1 , a corrente circula por este componente e por D2, fechando o percurso com a rede de corrente alternada. Quando disparamos SCR2, conduz este componente e d diodo D1.

Cada SCR desta forma está em série com um diodo convencional, ficando por conta do SCR a determinação da parcela do semiciclo que deve ser conduzida, conforme mostra a figura 4.

Figura 4 – Correntes nos dois semiciclos

O ângulo de condução dos SCRs em cada semiciclo é determinado por um circuito de disparo em que temos um transistor unijunção.

O capacitor C1 carrega-se através de P1 e R2 numa velocidade que depende justamente do ajuste de P1.

Se P1 estiver na posição de mínima resistência a carga é rápida e o ponto de disparo do unijunção é atingido no inicio do semiciclo, quando então temos maior potência aplicada a carga.

Se P1 estiver na posição de máxima resistência, temos a produção do pulso de disparo no final do semiciclo e pouca ou nenhuma potência é aplicada à carga.

Quando dos SCRs vai disparar em cada pulso produzido pelo unijunção é dado pela ligação do transformador de pulsos com dois secundários.

O unijunção produz um pulso em cada semiciclo, graças a existência de uma segunda ponte de diodos (de baixa potência) que alimenta seu circuito de baixa tensão.

Se o pulso for produzido quando o SCR está polarizado no sentido direto e SCR2 no inverso e o SCR1 que dispara e vice-versa.

Obtemos então o disparo alternado dos SCRs segundo ângulo de condução dado por P1, aplicando-se assim energia dos dois semiciclos da corrente alternada da rede no circuito de carga.

Observe que o transformador de pulso e o transformador de baixa tensão T2 isolam o circuito do unijunção e controle da rede local o que pode ser um ponto muito favorável para determinadas aplicações do controle.

P1 pode ficar longe da carga, num circuito de baixa tensão com grande segurança.

MONTAGEM

O diagrama completo do aparelho é mostrado na figura 5.

Figura 5 – Diagrama completo do controle

A montagem dos componentes menores podem ser feita numa placa de circuito impresso, conforme mostra a figura 6.

Figura 6 – Placa de circuito impresso para a montagem

Observe que deixamos os SCRs e os diodos fora da placa, em vista da intensidade de corrente que devem conduzir. Devemos usar para ligação destes componentes fios grossos.

Os SCRs que devem ser montados em bons radiadores de calor, admitirão diversas possibilidades que são dadas a seguir:

5 ampères:

- TlC106B - 110V

- TlC106D – 220V

8 ampères:

- TlC116B - 110V

- TlC116B – 220 V

12 ampères:

- TlC126B – 110 V

- TlC126D – 220 V

O transformador T1 é do tipo TP 1 :1:1 da THORNTON (*) e o modo de sua ligação é importante para garantir o funcionamento do circuito, pois se um dos enrolamentos for invertido o SCR correspondente não conduzirá a corrente no momento certo.

O fusível deve ser escolhido de acordo com a intensidade de corrente na carga.

O transformador T2, deve ter enrolamento primário de acordo com a tensão da rede e secundário de 9 + 9 ou 12 + 12 V com 100 mA a 500 mA de corrente.

Os diodos D1 e D2 devem ter a mesma tensão inversa dos SCRs, ou seja, 200 V na rede de 110 V e 400 V na rede de 220 V, e também a mesma intensidade de corrente direta.

Os diodos D5 a D8 podem ser 1N4002 ou equivalentes, já que nestes componentes teremos correntes bastante baixas e tensões da mesma ordem que as obtidas no secundário do transformador T2.

O transistor unijunção não admite equivalente e os resistores podem ser tanto de 1/8 como ¼ W com 10 ou 20% de tolerância. O capacitor C1, que determina a faixa de variação do controle pode ser cerâmico ou de poliéster e o potenciômetro é linear.

Para a conexão do potenciômetro, se for remota, pode ser usado um fio paralelo comum, já que não há perigo de captação de ruídos ou interferências neste circuito.

Se o circuito for instalado numa caixa, ela deve ter condições de proporcionar boa ventilação aos SCRs.

PROVA E USO

Para a prova pode ser usada como carga uma lâmpada incandescente comum de 40 a 100 watts, com tensão conforme a rede local.

Ligando a unidade, e girando o controle P1 devemos variar a potência aplicada na lâmpada de 0 a 100%. Se isso não ocorrer, como uma variação máxima de 50%, por exemplo, então um dos SCRs não está disparando, o que pode ser devido a inversão do enrolamento correspondente do transformador de pulsos.

A ausência de brilho na lâmpada, em qualquer posição do controle pode significar a falta de pulsos no unijunção o que pode ser verificado com a medida de tensão na comporta dos SCRs ou secundário do transformador de pulso, ou então pela inversão dos dois enrolamentos do transformador de pulso, o que deve ser verificado.

Comprovado o funcionamento, com controle total da potência aplicada à carga, é só proceder a instalação definitiva.

No caso de interferências produzidas via rede, um filtro apropriado deve ser usado.