apostila eletronica de potencia senai sc

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FEDERAO DAS INDSTRIAS DO ESTADO DE SANTA CATARINA SERVIO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL DEPARTAMENTO REGIONAL DE SANTA CATARINA

ELTRNICA INDUSTRIAL

TUBARO 2005

TCNICO EM AUTOMAO INDUSTRIAL

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INDICE

ELETRNICA INDUSTRIAL

PROF. MAURICIO MARTINS

TCNICO EM AUTOMAO INDUSTRIAL COMPONENTES DE PROTEO E CONTROLE

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TERMISTORES O termistor um resistor sensvel temperatura, ou seja, seu valor de resistncia varia com a temperatura a que est submetido. Esta variao no linear. Na fabricao dos termistores dificilmente se consegue uniformidade. As caractersticas de um termistor podem variar com o tempo e com a temperatura Os termistores no podem suportar temperaturas muito elevadas, por isso seu emprego muito limitado. Geralmente, a temperatura mxima que um termistor pode suportar , aproximadamente, 400C. Dados que devem acompanhar todo termistor: * A resistncia (W) a 25 C; * A mxima tenso admissvel; * A corrente mxima suportvel. Os dados para se reconhecer um termistor so fornecidos pelo fabricante. Os termistores PTC so utilizados mais freqentemente em: * Termostatos; * Proteo de bobinados de motores; * Estabilizao de temperatura de um lquido.

Simbologia

Os termistores podem ser de dois tipos: PTC e NTC: PTC Os PTCs possuem coeficiente de temperatura positica, isto , sua resistncia eltrica aumenta com o aumento da temperatura. O teste deste componente feito da seguinte forma: com um ohmmetro mede-se a resistncia do componente a temperatura ambiente, em seguida aproxima-se do componente uma fonte de calor e dever ser notado um acrscimo na resistncia hmica do mesmo.

NTC Os NTCs so resistores formados por semicondutores cermicos feitos de xidos metlicos, cuja resistncia eltrica diminui com o aumento da temperatura. Os NTCs so usados em faixas de temperatura que esto entre 0C e 400 C. ELETRNICA INDUSTRIAL PROF. MAURICIO MARTINS

TCNICO EM AUTOMAO INDUSTRIAL Estes componentes se destacam nas aplicaes tais como: * Medidores de temperatura; * Proteo de circuitos; * Circuitos de alarme.

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Para test-los deve-se medir a sua resistncia temperatura ambiente, em seguida, aproximar o componente de uma fonte qualquer de calor. Observar no multmetro que o valor da resistncia diminui, com o aumento da temperatura. Simbologia

CURVAS DE RESPOSTAS_ NTC

Figura 1

Figura 2

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TCNICO EM AUTOMAO INDUSTRIAL CIRCUITO INTEGRADO LM135/235/335

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O LM135/235/335 um sensor de temperatura de preciso encapsulado em um invlucro TO92.

O LM135/235/335 possui uma tacha de variao de 10mV/0C e possui um terminal ADJ para fator de correo nos casos mais crticos. Como se pode ver sua extrutura interna composta de um diodo zener que tem sua tensoVZ alterada proporcinamente a tenso. Como todo componente eletrnico tambm possuem uma temperatura de trabalho, conforme tabela a seguir.

uma componente muito simples de usar, precisando na maioria dos casos de um circuito comparador. Abaixo mostrado um circuito controlador sugerido SGS-THOMSON, usando uma comparador de preciso LM311.

Figura 3

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LDR O LDR (Resistor Dependente de Luz), o um resistor cuja resistncia eltrica diminui com o aumento da luz incidente na sua superfcie sensvel. Este efeito fotoeltrico (fotocondutividade) se baseia no seguinte princpio: quando um semicondutor recebe a luz, incide sobre ele ftons com energia suficiente para arrancar eltrons da banda de valncia e passar a banda de conduo. A resistncia de uma clula LDR depende do nmero de ftons incidentes e, portanto, da intensidade luminosa. Por no necessitarem de amplificadores os LDRs simplificam em muito os circuitos de controle industriais, uma vez que podem atuar diretamente sobre os rels de comutao. Para testar este componente, usa-se o multmetro em ohms. Primeiramente mede-se sua resistncia na presena de luz em seguida tapa-se a regio sensvel e dever se observar que a resistncia aumenta sensivelmente.

Simbologia

Circuito Exemplo

FOTODIODO Trata-se de uma juno P-N, com uma abertura, com lente, para a entrada dos raios de luz. Quando polarizado inversamente, a luz libera mais portadores minoritrios e conseqentemente h um aumento da corrente de fuga. Para testar este componente, coloca-se o multmetro em uma alta escala de resistncia e mede-se com e sem luz incidente sobre a abertura. A medida efetuada com luz deve ter valor consideravelmente inferior medida sem luz.

Figura 4 ELETRNICA INDUSTRIAL PROF. MAURICIO MARTINS

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FOTOTRANSISTOR Componente com a mesma estrutura do transistor bipolar convencional, porm deixada uma abertura com lente na regio da juno base-coletor. Com a incidncia de luz, diminui consideravelmente a resistncia desta juno. A principal diferena entre um fotodiodo e um fototransistor reside no fato de que no fototransistor a corrente mais intensa, uma vez que o transistor j fornece uma amplificao deste sinal.

Para testar este componente, mede-se o valor da resistncia entre coletor-emissor, com e sem luz. A medida efetuada com luz deve apresentar valor bem mais baixo do que a medida efetuada com a superfcie sensvel escurecida.

Figura 5

VARISTOR Os varistores de xido de zinco ou SIOV so componentes bipolares passivos, destinados a proteger circuitos de surtos ou transientes de tenso. A resistncia dos varistores diminui sempre que a tenso aplicada aos seus terminais atinge um valor limite, fazendo com que o componente passe a conduzir corrente e conseqentemente mantendo a um nvel mais baixo o valor da tenso. muito utilizado na proteo de contatos de interruptores para evitar as sobretenses, em circuitos retificadores com diodos de silcio e na entrada de equipamentos eletrnicos com a finalidade de proteg-los de possveis sobretenses. Simbologia

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TCNICO EM AUTOMAO INDUSTRIAL TRANSISTORES DE POTENCIA

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Os transistores esto sendo largamente usados no controles de equipamentos de potencia em CC. A idia projetar equipamentos que possam substituir os contactores. Hoje j so muitos os equipamentos que usam estes componentes, e a tendncia crescente j que o mercado brasileiro esta em expanso. O papel dos transistores funcionar como um chaveador, de maneira que possamos ter o controle do sistema. Um exemplo a fonte chaveada, que possuem uma tecnologia de funcionamento bastante complexa. Por outro lado os transistores de potencia tambm podem ser usados em baixas potencias, dando soluo a diversos projetos. Uma grande vantagem destes componentes que eles podem ser controlados por microcontroladores, que esto presentes em uma enorme quantidade de equipamentos com tendncia de um aumento incrvel nos prximos anos, j que a industria brasileira passa por uma modernizao de seus equipamentos. Portanto o estudo destes componentes se faz necessrio. Veremos alguns tipos a seguir.

TRANSISTOR BIPOLAR DE POTENCIA (BPT) Foram os primeiros a serem introduzidos no disparo e no desligamento nos equipamentos de elevada potencia. Trata-se, portanto, de um transistor normal modificado para aumentar a velocidade de chaveamento e suportar alta potencias. Com relao construo, o transistor de potencia tem diferena veja a seguir.

Para suportar tenses elevadas, existe uma camada intermediria do coletor, com baixa dopagem, a qual define a tenso de bloqueio do componente. O funcionamento anlogo aos TBJs normais.

CONEXO DARLIGNTON Um tipo de conexo muito interessante que usa transistores bipolares a DARLIGNTON. Este tipo de conexo faz com que a conexo funcione como uma unidade nica com o fator de ganho sendo o produto do ganho individual de cada transistor. Assim;

d = 1 . 2A conexo darlignton usando transistores NPN mostrado abaixo:C

B

E

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OBS: existem alguns transistores darlignton no mercado j encapsulados em uma nica pastilha. Podemos destacar o BC517, TIP120, TIP122. Sendo que os transistores da linha TIP so de potncia e o BC517 um transistor de baixa potencia.

EQUAES Para clculos de transistores na configurao darlignton como chave, podemos usar as equaes convencionais de polarizao: Eq.1

Icsat =

Vcc RC

Eq.2

Rb =

Vcc 0.7 Ibsat

Eq.3

Ibsat =

min

Icsat

CIRCUITOS DE CHAVEAMENTO COM TRANSISTORESVCC 1 2 Rb VB R Q LAMP

0

0

Comum VCC

3 1 2

5 4

NF NA

VCC Rb VB R Q

0

0

VCC

1 +

A2 VCC Rb VB R Q

MOTOR SERVO

0 0

0

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TCNICO EM AUTOMAO INDUSTRIAL TRANSISTOR MOSFET

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O transistor de potncia MOSFET um dispositivo controlado por tenso, isto , necessitamos aplicar uma tenso no gate para controlarmos a corrente de dreno. A velocidade de chaveamento muito alta (nanosegundos). MOSFETs de potncia so utilizados em conversores de baixa potncia e alta freqncia. Devido s caractersticas construtivas estes transistores apresentam problemas de descargas eletrostticas, necessitando de cuidados especiais. Por exemplo, usando pulseiras antiestaticas e bancadas equipadas com mantas aterradas. Alguns componentes principalmente os de potencia so equipados com diodos internos de proteo. Os MOSFETs podem ser divididos em dois tipos: a) - MOSFET de Depleo; b) - MOSFET de Intensificao. O MOSFET pode ser de canal n ou p. O canal n formado por um substrato de silcio tipo p, com duas regies altamente dopadas de silcio tipo n+ com baixa resistncia de conexo. O gate isolado do canal n por uma fina camada de xido de Silcio. Os trs terminais so: gate (G); dreno (D) e fonte (S). O substrato normalmente ligado fonte (S). A tenso entre gate e fonte (VGS) pode ser, tambm, positiva ou negativa. A figura abaixo mostra a estrutura bsica de um com canal tipo N, e seu respectivo smbolo.

Smbolo do mosfet enriquecimento

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TCNICO EM AUTOMAO INDUSTRIAL CURVA DE TRANSFERNCIA DO MOSFET DE ENRIQUECIMENTO

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EQUAES VGS(on). De acordo com as curvas podemos calcular ID, sabendo que o fabricante nos fornece ID(on) e

Eq. 1

I D = (VGS VT )

2

Eq. 2

=

(V

I D (on )

GS (on )

VT )

2

Observe que para polarizarmos o MOSFET canal N temos que aplicar uma tenso positiva no gate do transistor, com isso a tenso VGS cai. Quando polarizado corretamente a resistncia entre dreno (d) e fonte (s) cai para valores muito baixos. Em alguns tipos esta resistncia pode chegar a 77m. Para polarizarmos o mosfet canal P temos que aplicar uma tenso de 0V. A seguir dois circuitos usados na industria que aproveito a tecnologia MOS CHAVE HH circuito destinado ao controle de motores de corrente continua Usa quatro mosfets dois de canal N e dois de canal P. Este circuito tambm permite a inverso de rotao, basta aplicar pulsos corretos nos transistores.

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FONTE CHAVEADA Abaixo ilustrado um esquema de uma fonte chaveada, tipo fly-back. Dentre as vrias caractersticas desta fonte, a mais importante o no uso do transformador. Isto proporciona flexibilidade, reduo de tamanho, reduo de custo entre outras vantagens.

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IGBT (INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR) Este componente associa as vantagens do transistor bipolar (baixa perda durante a conduo), com as do MOSFET (alta impedncia de entrada). Devido a sua estrutura, a resistncia entre dreno e fonte (RDS) do IGBT controlada de forma que o mesmo se comporte como um transistor bipolar. O smbolo do IGBT mostrado na figura abaixo

Z2 IRGBC20FO IGBT um componente controlado por tenso, semelhante ao MOSFET. Apresenta baixas perdas tanto no chaveamento quanto durante a conduo, apresentando caractersticas semelhantes ao MOSFET como a facilidade de acionamento. Em termos de velocidade, o IGBT mais rpido que o transistor bipolar e mais lento que o MOSFET. A especificao de corrente mxima para um IGBT alta tendo unidades que comportam 400A em 1200V em CC. Sua freqncia de chaveamento pode ser superior a 20kHz. Os IGBTs so utilizados em aplicaes de mdia potncia: acionamento de motores CA e CC; fontes de potncia; rels estticos; etc. Abaixo mostrado um circuito de alta potencia usado para controle de um motor trifsico. Note que os Gates do IGBT so deixados em aberto, indicando que o controle ser feito por outro circuito eletrnico, quase sempre um microprocessador.

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TIRISTORES

SCR O SCR foi desenvolvido em 1965 pelo laboratrio Bell Telefone (USA). E por sua versatilidade e robustez utilizado como interruptores para elevadas tenses e potencias. Porem utilizado em baixas freqncias ( FT< 50Khz). Seu smbolo esquemtico ilustrado a seguir:

(A) anodo

(G) gate

(C) catodo

Basicamente um diodo retificador, a diferena que existe um terminal (gate), que far o disparo do dispositivo. Para efetuarmos o disparo do SCR usamos algumas tcnicas: Aplicao de uma tenso positiva no terminal gate. Desta forma o dispositivo passa do estado de desligado para ligado. Ficando nesta condio indefinidamente. Aps efetuarmos o disparo, podemos retirar a tenso de disparo do terminal do gate, que ainda assim o componente continuar no estado ligado. Por luz. Quando uma luz incidir sobre a camada de semicondutor do dispositivo tambm provocamos o disparo do componente. Por aumento significativo da temperatura. Elevando-se o valor da tenso Anodo-catodo para o valor de ruptura

CARACTERISTICAS TCNICAS O SCR possui resistncias e tenses de conduo muito reduzidas, o que torna o componente muito robusto, podendo interromper potencias da ordem de 10MW. Com valores individuais de at 2000A em 1800V. TCNICAS DE INTERRUPO Uma vez efetuado o disparo do componente no possvel efetuarmos o desligamento atravs do terminal de gate. Para efetuarmos o desligamento do SCR, existem algumas tcnicas: Colocar em curto os terminais anodo e catodo Inverso de polaridade Reduo da corrente de anodo at a mnima corrente de manuteno. Reduzirmos a tenso de catodo ate a mnima tenso de manuteno Desligarmos a fonte de alimentao PROF. MAURICIO MARTINS

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Nos grficos abaixo algumas formas de onda do SCR em conduo (ligado) e em bloqueio (desligado).

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TCNICO EM AUTOMAO INDUSTRIAL EXERCCIOS 1. Fazer montagem do circuitos abaixo no proto board e comprovar o funcionamento do SCR.

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J2 Key = A

R2 1kohm V1 12V

J2 Key = A

R2 1kohm

V1 16.97V 12.00V_rms 60Hz 0Deg

R1 1kohm

LED1 LED_red

R1 1kohm

LED1 LED_red

D1 BT151_500R

D1 BT151_500R

SCR EM CARGAS INDUTIVAS Apesar de conduzir corrente em apenas um sentido, o SCR largamente utilizado em CA, em manobras com cargas indutivas. Porem necessrio observar que preciso alguns circuitos de apoio de maneira que o SCR possa efetuar a manobra corretamente. Estes circuitos so filtros ou redes supressoras que vo minimizar os efeitos da FCEM (fora contra eletromotriz). Tambm so utilizados diodos ligados de tal forma que possam ser um caminho fcil para estas transientes (picos de tenso gerados pela FCEM). Veja um circuito deste tipo.L1 9.1H R2 1ohm

Filtro RCR1 1kohm V1 311.13V 220.00V_rms 60Hz 0Deg C1 100nF

Controle

D1 BT151_500R

Quando o SCR entra em bloqueio, a carga armazenada em L1 encontra em R1 um caminho fcil para carregar C1. Quando no prximo semiciclo o SCR entrar em conduo o capacitor C1 que esta carregado, vai se descarregar pelo diodo D1 (SCR) atravs de R1. Desta forma o circuito RC desvia a corrente que fica armazenada em L1, protegendo o diodo D1.

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TCNICO EM AUTOMAO INDUSTRIAL TRIAC

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O TRIAC pode ser representado como sendo dois SCR ligados em antiparalelo. Conforme figura abaixo. Por possuir esta configurao ele pode conduzir os dois semiciclos da corrente alternada.

MT1

Gate MT2

O funcionamento anlogo ao SCR, com a diferena que existe a conduo dos dois semiciclos. Cada SCR conduzir um ciclo da onda. Caractersticas tcnicas Diferentemente dos SCRs os TRIACS no so componentes adequados para trabalharem em altas potencias. Sendo que seu uso esta limitado a potencias medias (em torno de 10KW). Porem so componentes bastante versteis, sendo muito encontrados em circuitos domsticos e circuitos industriais de mdio porte.

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TCNICO EM AUTOMAO INDUSTRIAL EXERCCIOS 1. Montar o circuito abaixo. Fazer o circuito de comando com o circuito integrado CD4017.

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RET1 +12V Q1 BC548A R1 100R R5 16 U3 14 13 4.7K 3 2 4 7 10 1 5 6 9 11 12 Q2 BC548A R2 100R R6 4.7K Q3 BC548A D2 D1N4007 X2 2N6160 D1 D1N4007 X1 2N6160 RET2 RET3 RET4 NEUTRO

Clock

0

RESET

VSS

O0 O1 CLK O2 O3 CLKINHIBIT O4 O5 O6 O7 O8 O9 CARRY OUT 15

VDD

R3 100R

D3 D1N4007

X3 2N6160

CD4017A 8 R7 4.7K

0

Q4 BC548A

R4 100R

D4 D1N4007

X4 2N6160

R8 4.7K

0

TRIAC EM CARGAS INDUTIVAS Semelhantemente como no caso dos SCRs estes componentes tambm precisam ser protegidos com transientes devidos ao chaveamento de cargas indutivas. Os circuitos porem, so os mesmos utilizados para o caso dos SCRs. Vale lembrar tambm que no caso de chaveamento de motores deve se levar em conta a corrente de partida destes e que se deve usar componentes bem dimensionados de maneira a executar o chaveamento sem danificar nosso componente. Existe outra tcnica e componente que executam este trabalho mais eficazmente. CIRCUITOS DE DISPARO Tanto no caso do SCRs como no caso dos TRIACs, se faz necessrio um circuito de disparo que far que o dispositivo entre no estado ligado ou desligado. Esta operao pode ser de varias maneiras e tcnicas, veremos algumas:

DISPARO ATRAVS DE FONTE CC O circuito anterior usa esta tcnica, que utiliza um transistor NPN do tipo BC548, um resistor e um diodo. O circuito de ir fornecer uma corrente no terminal gate do TRIAC que far o disparo do dispositivo. Portanto para que isso acontea necessrio polarizar a base do transistor de maneira que ele entre em saturao, o que facilmente implementado com um circuito lgico. Esta montagem muito interessante quando queremos controlar uma carga de alta potencia com circuitos lgicos (microcontrolador, por exemplo). A desvantagem desta tcnica que no existe isolamento entre os circuitos de baixa e alta potencia. Esta montagem requer alguns cuidados neste sentido. interessante observar que o terminal (-) _GND; tem que ser conectado no terminal MT2 do TRIAC. Este procedimento a referencia entre os dois circuitos, de maneira que o TRIAC possa ser disparado pela etapa de baixa potencia. ELETRNICA INDUSTRIAL PROF. MAURICIO MARTINS

TCNICO EM AUTOMAO INDUSTRIAL DIAC

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O DIAC um dispositivo de quatro camadas bidirecional disparado por tenso. A tenso de disparo pode variar de 20 a 42V. Por ser um dispositivo bidirecional pode conduzir a corrente eltrica em dois sentidos. O grfico a seguir mostra as caractersticas de funcionamento do DIAC.

Conforme vemos pela figura quando a tenso VBO atinge valor especificado (depende do modelo usado) a corrente IF cresce rapidamente atingindo valores altos. Ficando nessa situao at que fique abaixo da tenso de manuteno mnima (VBO - V). O mesmo acontece no sentido oposto da tenso. Resumindo: o DIAC se comporta como um circuito aberto at que a tenso em seus terminais atinja a tenso de disparo VBO. Quando isso ocorrer, o dispositivo se comporta como um caminho de baixa resistncia. Esta caracterstica aproveitada em muitas aplicaes, por exemplo, no disparo de tiristores. O smbolo DIAC mostrado abaixo, assim como seu aspecto fsico;MT1

MT2

EXERCCIOS 2. Montar os circuitos a seguir. Trata-se de dois circuitos que utilizam o DIAC como elemento de disparo. Estes circuitos so muito usados no controle de lmpadas incandescentes.

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OPTO ACOPLADOR MOC 3020 Outro dispositivo usado em disparo de tiristores o fotoacoplador OPTOTRIAC. O smbolo mostrado abaixo:

O funcionamento simples: dentro de um nico encapsulamento temos um led infravermelho e um TRIAC sensvel luz. Todas as vezes que polarizarmos o LED IV diretamente, este emitir uma luz IV que ser sentida pelo TRIAC, que ser disparado, ficando nessa situao (ligado) at interrompermos a corrente do Led. A grande vantagem neste tipo de dispositivo est na tenso de isolamento. Isto , o circuito de comando (baixa tenso) est isolado do circuito de disparo. Alguns dispositivos como o MOC 3020 tem um a tenso de isolamento de 7500V.

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EXERCCIO 1. Montar o circuito abaixo sugerido pela Texas Instruments.

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CIRCUITOS E COMPONENTES DE APLICAO INDUSTRIAL

CIRCUITO INTEGRADO LM723/723C O LM723/LM723C um regulador de tenso usado em circuitos de regulao serie. Possue uma corrente mxima de saida de 150 mA; podendo ser aumentada com o uso de transistores. O circuito integrado conta ainda com uma proteo contra curto-circuito. Este circuito integrado garante uma boa perfomance em uma variao trmica de 0C +70. O componente pode ser alimenta do com at 40V, possibilitando uma regulagem de 2V a 37V. Abaixo a pinagem e o diagrama em blocos do LM723

A figura abaixo ilustra uma fonte usando o circuito integrado LM723

OBS: A tenso Vref que sai pelo pino 6 7,15V, obtidos do manual.

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CIRCUITO INTEGRADO ULN2002 O ULN2001A, ULN2002A, ULN2003 e ULN2004A possuem sete drives de alta corrente com dois transistores em configurao darlington cada. Cada drive possue limite de 500mA e correntes de pico de 600mA possuindo tambm supressores para transientes indutivos. A configurao de pinagem do componente permite uma simplificao na elaborao de placas de circuito impresso. Existem quatro verses disponiveis comercialmente:

Este versatil componente pode ser usado como drive de solenoides, reles, motores DC, displays de LEDs, filamento de lmpadas e motores de passo. O LN2001A/2002A/2003Aand 2004A fornecido em encapsulamento plastico de 16 pinos.

CONTROLADOR DE MOTOR DE PASSO O circuito a seguir se destina ao controle de motores de passo de at 500mA. Os pulsos ABCD, So informaes sincronizadas, que devem ser respeitas para o correto funcionamento do motor. Normalmente usado um microcontrolador neste processo.

VCC U2 1 2 3 4 5 6 7 VCC 9 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B COM ULN2003A 1C 2C 3C 4C 5C 6C 7C 16 15 14 13 12 11 10 1 2 3

MG1 MOTOR STEPPER

A B C D

4

5

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CIRCUITO INTEGRADO TCA785 O TCA785 um circuito integrado de controle de fase desenvolvido pela Siemens. Devido as caractersticas dos sinais que capaz de gerar se torna ideal para controlar o disparo de dispositivos de potencia. Abaixo mostrado a pinagem e logo a seguir o diagrama em blocos do TCA785.

Abaixo mostrado o circuito completo para o controle de potencia.

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Conforme anlise do circuito o controle de disparo efetuado pelo potencimetro ligado ao pino 11e a sada para o triac atravs dos pinos 14e 15. O resistor de 4.7K/9W, em conjunto com o diodo 1N4005, o diodo zener de 15V e o capacitor de 470uF/16V garante a alimentao do TCA785 Os componentes ligados aos pinos 9 e 10 fazem parte de circuito oscilador e o circuito formado pelo resistor Rsinc de 220K, pelos diodos BAY61 e o capacitor de 0.47uF fazem parte do circuito detector de zero atravs do pino 5. EXERCCIOS 1. Monte o circuito no protoboard e enumere algumas aplicaes prticas.

Bibliografia 1999. Boylestad & Nashelsky, Dispositivos Eletrnicos e Teoria de Circuitos, editora LTC

Almeida, Jos Luiz Antunes de; Dispositivos Semicondutores: Tiristores, editora rica 7o edio 2002 Sites www.alldatasheet.com

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