Medidas em Circuitos com Tiristores (INS575)

As formas de onda encontradas nos circuitos de controles de potência que usam tiristores tais como SCRs, TRlACs e outros apresentam formatos que não são perfeitamente senoidais. Por esse motivo instrumentos comuns como voltímetros, wattímetros não dão indicações corretas sobre as grandezas medidas. Para trabalhar com tais circuitos e preciso contar com instrumentos e técnicas especiais que são descritas neste artigo.

Nos controles de potência e outros circuitos que usam SCRs e TRIACs, esses componentes comutam sinais no meio dos ciclos da tensão de alimentação da rede, conforme ilustra a figura 1.

 

 

   Figura 1 – Formas de onda de comutação de um triac
Figura 1 – Formas de onda de comutação de um triac

 

 

Se a carga for resistiva, temos simplesmente um corte do sinal, mas se ela for indutiva, as rápidas mudanças da corrente podem fazer com que picos de tensões sejam gerados.

Isso significa que, ao analisar um circuito que trabalhe dessa maneira é preciso levar em conta a presença de alterações da forma de onda senoidal.

O problema maior ocorre quando usamos instrumentos comuns para a medida e que podem ter sido calibrados exclusivamente para fornecer resultados corretos quando trabalham com tensões senoidais.

Isso acontece com voltímetros e wattímetros analógicos comuns e também quando usamos técnicas tradicionais de medidas com o osciloscópio.

De fato, quando vamos analisar as formas de onda de um circuito utilizando um osciloscópio comum, pontas apropriadas que contêm capacitores são usadas para captar os sinais alternados, conforme mostra a figura 2.

 

   Figura 2 – Ponta de prova capacitiva
Figura 2 – Ponta de prova capacitiva

 

 

Em altas frequências estas pontas não significam muito para o circuito,e praticamente nenhuma modificação na forma de onda do sinal ocorre.

No entanto, quando trabalhamos com baixas frequências da rede de energia, a reatância capacitiva da ponta de prova do osciloscópio se torna importante causando alterações das formas de onda observadas, conforme mostrado na figura 3.

 

 

   Figura 3 – Deformação do sinal por uma capacitância
Figura 3 – Deformação do sinal por uma capacitância

 

 

Para superar este problema é comum que sejam empregados métodos

diferentes para se obter os sinais dos circuitos que são analisados.

Um deles é através de resistores-shunt que são ligados em série com a

alimentação como indica a figura 4.

 

 

   Figura 4 – Usando shunts
Figura 4 – Usando shunts

 

 

Com este tipo de recurso, podem ser usadas pontas de corrente contínua que não afetam, por conseguinte, as formas de onda a serem analisadas.

Entretanto, é preciso ter em mente mais um problema que pode surgir neste caso, que é a alteração da forma de onda introduzida pelo próprio resistor no circuito.

Os resistores de fio de alta potência são enrolados com fio de nicromo e, portanto, se comportam como indutâncias não desprezíveis neste tipo de aplicação.

Um resistor que tenha uma indutância residual de 1 uH se comporta como um resistor de 6,8 ohms num circuito de 1 MHz.

Essa impedância é mais do que suficiente para alterar a forma de onda de um transiente rápido, observada no osciloscópio.

A melhor maneira de se evitar esses problemas é com a utilização de pontas de corrente que operem captando o campo magnético do circuito, de acordo com a figura 5.

 

 

Fig. 5 - Amostrando o sinal por sensor magnético.
Fig. 5 - Amostrando o sinal por sensor magnético.

 

 

Essas pontas operam segundo o mesmo princípio dos alicates amperométricos funcionando como transformadores de corrente.

O sinal captado pela bobina que envolve o condutor no qual se deseja

levar o sinal é entregue a um amplificador de alto ganho, e depois aplica-

do ao osciloscópio permitindo assim que a forma de onda seja observada

sem muitas deformações.

 

MEDIDAS TRUE RMS

Os instrumentos de medida comuns não são True-RMS, ou seja, não respondem ao valor RMS verdadeiro, pois são sensíveis às formas de onda dos sinais com que trabalham.

Se bem que existam multímetros e outros instrumentos de medida que possuam características True-RMS, em uma aplicação poderá ser necessário trabalhar com um instrumento comum, e isso significa problemas de leitura.

Para o caso de circuitos de potência que operam com SCRs e TRIACs, a deformação da forma de onda que impede que instrumentos não True-

RMS sejam usados, e a necessidade de se monitorar-corrente, tensão ou potência podem exigir cuidados especiais.

Existem alguns circuitos simples que podem ser colocados para adaptar os circuitos a instrumentos que não sejam True-RMS de modo que eles

possam realizar esse tipo de medida.

Um primeiro circuito é mostrado na figura 6 e faz uso de uma lâmpada incandescente comum.

 

 

Fig. 6 - Adaptador true - RMS.
Fig. 6 - Adaptador true - RMS.

 

 

As lâmpadas incandescentes comuns, pela inércia no aquecimento do filamento, não respondem às variações rápidas da tensão, e a sua temperatura ou brilho é proporcional ao valor RMS da tensão aplicada.

Esta característica pode ser aproveitada para se obter um adaptador True-RMS para ser usado com instrumentos comuns ou mesmo para a elaboração de instrumentos indicadores com boa precisão.

No circuito ilustrado na figura 6 é usada uma pequena lâmpada de 4 W

acoplada a um fotorresistor(LDR).

O brilho da lâmpada será proporcional à tensão RMS no circuito e, portanto, à excitação do LDR.

Utilizando-se um multímetro comum ou um microamperímetro com uma fonte própria pode-se calibrar a escala para valores RMS de potência ou de tensão numa carga, conforme se observa no circuito completo da figura 7.

 

 

Figura 7 – Um adaptador true-rms
Figura 7 – Um adaptador true-rms

 

 

A lâmpada usada deverá ser de acordo com a tensão máxima que será encontrada na carga e, eventualmente, poderão ser acrescentados resistores ao circuito de modo a se fazer a redução, caso o circuito monitorado deva trabalhar com uma tensão muito maior do que a suportada pela lâmpada.

Uma outra tecnologia que pode ser empregada para medidas RMS de potência, por exemplo, é a que faz uso de um termistor (NTC), veja o circuito básico da figura 8.

 

 

Fig. 8 - Indicador true-RMS usando NTC.
Fig. 8 - Indicador true-RMS usando NTC.

 

 

Da mesma forma que no caso da lâmpada, o aquecimento de um resistor é proporcional à tensão RMS nos seus terminais, e este componente tem uma inércia suficientemente grande para não responder a transientes de curta duração, mesmo os de grande intensidade.

Assim, basta montar o NTC junto a um resistor de derivação (shunt) Iigado em série com o circuito que se deseja monitorar.

O resistor precisa ser dimensionado para fornecer uma boa faixa de temperaturas nas potências que devem ser indicadas e ao mesmo tempo não deve causar uma queda de tensão no circuito maior que 1 V.

Para a indicação podemos empregar as mesmas técnicas do circuito com LDR: ou usamos um multímetro comum medindo sua resistência e comparando o valor com uma tabela previamente elaborada, ou usamos um microamperímetro com a escala já calibrada para os valores de corrente ou potência desejados.

O importante neste tipo de circuito é que ele independe das formas de onda, tanto que pode ser usado em equipamentos alimentados por circuitos trifásicos, conforme ilustra a figura 9.

 

 

Figura 9 – Indicador de potência com NTC.
Figura 9 – Indicador de potência com NTC.

 

 

A ligação do resistor de derivação, neste caso, será feita na conexão à terra, de acordo com a figura, permitindo assim que a potência real consumida pelo equipamento seja monitorada independentemente da forma de onda do sinal de controle ou ainda da tensão de alimentação trifásica.

Observamos mais uma vez que os resistores de derivação devem ter valores suficientemente baixos e de preferência não devem ser indutivos.

Existem fabricantes de shunts de alta corrente que os fazem segundo uma construção “não indutiva", na forma de barras, tornando-os ideais para este tipo de aplicação.

 

CONCLUSÃO

A monitoração das potências consumidas pelos equipamentos de uso industrial e mesmo doméstico é, em alguns casos, um fator de extrema importância não apenas para o correto desempenho dos próprios equipamentos, mas também para o controle dos custos com energia.

O fato de controles eletrônicos causarem deformações nas formas de onda dos sinais aplicados é um problema que deve ser considerado quando acoplamos a um equipamento qualquer tipo de instrumento indicador.

O leitor deverá estar atento a estes fatos, principalmente se for um profissional que trabalha com máquinas industriais que fazem uso de tiristores tais como TRlACs e SCRs.

 Para saber mais sobre TRUE-RMS sugerimos a leitura de diversos artigos que tratam deste tema, disponíveis no site na seção de Instrumentação.

 


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