importante - controle automatico de temperatura - thiagojoselima

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO

CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

PROJETO DE GRADUAÇÃO

Regulação de Temperatura com Micro-controlador Aplicado a Forno Resistivo PWM

THIAGO JOSÉ LIMA

VITÓRIA – ES FEV / 2006

THIAGO JOSÉ LIMA


Parte escrita do Projeto de Graduação do aluno Thiago José Lima, apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.

VITÓRIA – ES FEV / 2006

THIAGO JOSÉ LIMA


COMISSÃO EXAMINADORA:

_______________________________________ Prof. Dr. Domingos Sávio Lyrio Simonetti Orientador

___________________________________ Profa. Dr. Jussara Farias Fardin Examinador

___________________________________ Prof. Dr. Paulo José Mello Menegáz Examinador

Vitória - ES, 23 de Fevereiro, 2006

i

DEDICATÓRIA

Aos meus pais José Renato Lima e Analice Marin.

ii

AGRADECIMENTOS

Agradeço ao meu orientador Domingos Sávio Lyrio Simonetti pela orientação

nesse projeto e também pela atenção e paciência que tem tido não só comigo, mas

também com todos os membros do Grupo SUPERA; à Professora Jussara Farias

Fardin pela sugestão do projeto e ensinamentos repassados a mim durante o tempo em

que utilizei o LEPAC para dar procedimento aos meus estudos; ao Professor Marcos

Tadeu D’Azeredo Orlando pelo apoio, incentivo e confiança depositados em mim.

Agradeço também a todos os amigos do LEPAC e do Grupo SUPERA que

contribuíram de alguma forma para a conclusão do meu Projeto de Graduação,

especialmente a Renato Orletti e a João Marcos Gomes de Mello pelas horas de sono

abdicadas a favor do projeto.

iii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Resistência elétrica do marcúrio em torno da temperatura de liquefação do

hélio. .............................................................................................................................. 9

Figura 2– Diagrama esquemático do circuito da fonte. ............................................... 15

Figura 3 - Circuito impresso na placa de fenolite. ....................................................... 15

Figura 4 - Foto da placa de fenolite antes da montagem. ............................................ 16

Figura 5 - Foto da fonte montada e regulada. .............................................................. 16

Figura 6 - Diagrama esquemático do circuito da placa de controle ............................ 19

Figura 7 - Circuito da placa de controle impresso na placa de fenolite....................... 20

Figura 8 - Foto da face de baixo da placa de controle. ................................................ 20

Figura 9 - Soquetes adaptados no soquete PDIP32-6. ................................................. 21

Figura 10 - Placa de controle montada. ....................................................................... 21

Figura 11 - Diagrama de blocos do circuito de controle. ............................................ 23

Figura 12 - Conector da porta paralela e sua ligação no buffer de 8 vias . .................. 25

Figura 13 - Diagrama de ligação simplificado do micro-controlador PIC 16F873. .... 26

Figura 14 - Diagrama esquemático de um circuito de disparo empregando

transformador de pulsos. .............................................................................................. 28

Figura 15 - Diagrama esquemático do circuito de disparo utilizando isolador ótico. . 29

Figura 16 - Circuito roteado para confecção da placa de fenolite do isolador ótico. .. 29

Figura 17 - Foto do forno, apelidado de Zé Ternit I. ................................................... 30

Figura 18 - Tensão de entrada e saída para nível lógico alto. ..................................... 32

Figura 19 - Sinal PWM na saída do micro-controlador, para um ciclo de trabalho de

50%. ............................................................................................................................. 33

Figura 20 - Sinal distorcido aplicado ao IGBT para um ciclo de trabalho de

aproximadamente 70%. ............................................................................................... 35

Figura 21 - Fotografia do transformador de pulsos com núcleo de ferrite e

enrolamentos de aproximadamente 200 voltas. ........................................................... 35

Figura 22 - Sinal PWM na entrada do ISO122 (canal 1), no Gate do IGBT (canal 2)

e na saída do micro-controlador (canal 3), para um ciclo de trabalho de 42%. .......... 36

iv


e na saída do micro-controlador (canal 3), para um ciclo de trabalho de 5%. ............ 37


e na saída do micro-controlador (canal 3), para um ciclo de trabalho de 95%. .......... 37

Figura 25 - Forma de onda da tensão VCE (canal 1), tensão VGE (canal 2) e tensão

na carga (canal 3). ........................................................................................................ 38

Figura 26 - Forma de onda da tensão VGE (canal 2), corrente na carga (canal 4) e

tensão na carga (canal 3). ............................................................................................. 38

Figura 27 - Forma de onda da tensão (canal 3) e corrente de entrada (canal 4) no

circuito de potência. ..................................................................................................... 39

Figura 28 - Foto do termopar utilizado no projeto. ..................................................... 40

Figura 29 - Detalhe da soldagem dos soquetes na placa de controle. ......................... 42

v

LISTA DE TABELA

Tabela 1 - Correspondência da refêrencia com a temperatura do forno. ..................... 24

vi

SUMÁRIO

DEDICATÓRIA ........................................................................................................... I

AGRADECIMENTOS .............................................................................................. II

LISTA DE FIGURAS ............................................................................................... III

LISTA DE TABELA .................................................................................................. V

SUMÁRIO ................................................................................................................. VI

RESUMO ................................................................................................................ VIII

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................ 9

1.1 DESCOBERTA DA SUPERCONDUTIVIDADE E EVOLUÇÃO

HISTÓRICA ............................................................................................................. 9

1.2 PRODUÇÃO DAS CERÂMICAS SUPERCONDUTORAS .......................... 11

1.3 JUSTIFICATIVA DO PROJETO..................................................................... 11

1.4 OBJETIVOS ..................................................................................................... 12

1.5 ESTUDOS PRELIMINARES .......................................................................... 13

1.6 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA ................................................................ 13

2 PROCESSO DE MONTAGEM E REGULAÇÃO DA FONTE ................ 14

2.1 DIAGRAMA DE MONTAGEM ...................................................................... 14

2.2 MATERIAIS ..................................................................................................... 16

2.2.1 EQUIPAMENTOS .................................................................................. 17

2.2.2 MATERIAIS DE CONSUMO ................................................................ 17

2.2.3 SOFTWARES ......................................................................................... 17

3 PROCESSO DE MONTAGEM DA PLACA DE CONTROLE ................ 18

3.1 DIAGRAMA DE MONTAGEM ...................................................................... 18

3.2 MATERIAIS ..................................................................................................... 21

3.2.1 EQUIPAMENTOS .................................................................................. 22

3.2.2 MATERIAIS DE CONSUMO ................................................................ 22

3.2.3 SOFTWARES ......................................................................................... 22

4 CIRCUITO DE CONTROLE ....................................................................... 23

4.1 ABORDAGEM INTRODUTÓRIA ................................................................. 23

4.2 O MICROCOMPUTADOR .............................................................................. 23

vii

4.3 O BUFFER SN74LS244 ................................................................................... 24

4.4 O MICRO-CONTROLADOR .......................................................................... 25

4.5 O CIRCUITO DE DISPARO ........................................................................... 26

4.5.1 O TRANSFORMADOR DE PULSOS ................................................... 27

4.5.2 O ISOLADOR ÓTICO ............................................................................ 28

4.6 O CIRCUITO DE POTÊNCIA ......................................................................... 29

4.7 O FORNO ......................................................................................................... 30

4.8 O TERMOPAR ................................................................................................. 30

4.9 O AMPLIFICADOR COMPENSADOR AD595 ............................................. 31

5 RESULTADOS ............................................................................................... 32

5.1 PROGRAMAÇÃO DO MICROCOMPUTADOR .......................................... 32

5.2 O BUFFER SN74LS244 ................................................................................... 32

5.3 O MICRO-CONTROLADOR .......................................................................... 33

5.4 O CIRCUITO DE DISPARO ........................................................................... 34

5.5 O TERMOPAR E O AMPLIFICADOR COMPENSADOR AD595 .............. 39

6 DISCUSSÃO E CONCLUSÕES ................................................................... 41

6.1 DISCUSSÃO .................................................................................................... 41

6.2 CONCLUSÕES ................................................................................................ 43

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................... 45

APÊNDICE ................................................................................................................. 47

APÊNDICE A ......................................................................................................... 47

APÊNDICE B ......................................................................................................... 51

APÊNDICE C ......................................................................................................... 51

viii

RESUMO

A UFES através do PRESLAB / Física já vem fabricando cerâmicas

supercondutoras Hg,Re-1223, desde 1998 [1-8]. A atividade se concentra nesse tipo de

supercondutor, que é de maior temperatura crítica existente até o momento no mundo,

Tc = -140°C. O objetivo do grupo de pesquisa SUPERA consiste na aplicação deste

supercondutor em sistemas de energia. O presente trabalho teve como objetivo a

construção de uma placa para controle da temperatura do forno de cozimento da

cerâmica para obter-se amostras supercondutoras geradas com diferentes gradientes de

temperatura, para análise de suas características. Como objetivo final, a placa de

controle deve gerar uma onda PWM com alta freqüência para um controle preciso da

potência entregue ao forno, proporcionando um controle fino da sua temperatura

interna. O sinal de referência de temperatura é gerado na porta paralela de um

microcomputador e será lido pelo micro-processador incorporado na placa de controle.

A realimentação da temperatura interna do forno é realizada por um Termopar tipo K

ligado a um Amplificador de Instrumentação para adequação do nível de tensão gerado

pelo Termopar, que será lido em uma das portas de entrada analógica do micro-

processador. O Micro-controlador será programado com um Controle Automático do

tipo PI para ler a temperatura de referência da porta paralela do microcomputador e a

realimentação de temperatura proveniente do Termopar, gerando assim uma onda do

tipo PWM para o controle da potência entregue ao forno. A parte de potência do forno

não será abordada nesse projeto, pois faz parte de outro Projeto de Graduação, do

aluno João Carlos Gomes de Mello.

9

1 INTRODUÇÃO

1.1 DESCOBERTA DA SUPERCONDUTIVIDADE E EVOLUÇÃO

HISTÓRICA

Os materiais supercondutores são aqueles que apresentam resistência

desprezível à passagem de corrente elétrica. Tal fenômeno foi descoberto em 1911

pelo físico holandês Kamerlingh Onnes que, três anos antes, havia conseguido

liquefazer hélio (He). Ao fazer medidas da resistência elétrica de materiais em torno

da temperatura de liquefação do hélio (He) (4,2K), ele observou que a resistência do

mercúrio (Hg) caia bruscamente para valores desprezíveis numa certa temperatura Tc=

4,2K, como podemos ver na figura 1.

Figura 1 - Resistência elétrica do marcúrio em torno da temperatura de liquefação do hélio.

Em 1914, Kamerlingh Onnes descobriu que, mesmo em T<Tc, a

supercondutividade era destruída, e a resistência voltava ao normal, quando o material

era submetido a um campo magnético de intensidade acima de um valor crítico Hc, e

também observou que a supercondutividade era destruída com a passagem de uma

corrente elétrica com densidade acima de um valor crítico Jc. Ou seja, em 1914 sabia-

se que a supercondutividade é destruída quando é superado qualquer um dos chamados

10

parâmetros críticos: temperatura critica Tc, o campo critico Hc e densidade de corrente

critica Jc. A partir de então, inúmeros laboratórios e pesquisadores de todo o mundo

passaram a investigar as propriedades elétricas e magnéticas de materiais, à procura de

novos supercondutores com temperaturas críticas mais elevadas.

Inicialmente, descobriu-se que vários metais simples eram supercondutores,

porém todos com baixos valores de Tc. Em 1913, o próprio Onnes observou a

supercondutividade em chumbo (Pb), com Tc=7,2K. Em 1930 foi descoberto o metal

simples com a maior temperatura crítica, o nióbio (Nb) com Tc= 9,2K. Em seguida,

passou-se a investigar ligas e compostos intermetálicos, sendo descobertos vários

compostos de Nb tendo temperaturas críticas mais elevadas. Entretanto, até 1986, a

maior temperatura crítica conhecida era de Tc=23,2K, em GeNb3 . Naquele ano,

Bednorz e Muller, pesquisadores do laboratório da IBM em Zurique, observaram

supercondutividade em cerâmicas de LaBaCuO, com temperatura crítica próxima de

30K. Este fato levou os pesquisadores a procurar a supercondutividade numa nova

classe de materiais ainda inexplorada. Logo no ano seguinte, o grupo de Paul Chu, em

Houston, descobriu a supercondutividade em cerâmicas, tendo como fórmula química

7321 CuBaY O e com Tc=92K.

A importância da descoberta de Chu está no fato de que o 7321 CuBaY O foi o

primeiro material a exibir supercondutividade a temperatura superior a 77,4K. Esta é a

temperatura de liquefação de nitrogênio (N) para 1atm, muito maior do que a do hélio

(He). Hélio (He) e nitrogênio (N) são os líquidos criogênicos mais utilizados para

abaixar a temperatura de materiais. Porém, é muito mais fácil e econômico trabalhar

com nitrogênio liquido, pois, de acordo com Ginzburg [9], os custos do uso e da

manutenção de uma linha de refrigeração com nitrogênio (N) líquido pode se tornar

100 vezes menor do que os custos do uso e da manutenção de uma linha de

refrigeração com o hélio (He) líquido.

A descoberta da supercondutividade em 7321 CuBaY O trouxe grande esperança

de aplicação prática dos supercondutores. Desde 1987, outros óxidos cuprosos

supercondutores foram sintetizados com temperaturas críticas acima de 77,4K.

11

1.2 PRODUÇÃO DAS CERÂMICAS SUPERCONDUTORAS

A UFES através do PRESLAB / Física fabrica cerâmicas supercondutoras

δ+8322180820 OCuCaBaReHg ,, (HgRe-1223), desde 1998 [1-8].

O procedimento de síntese da cerâmica supercondutora, HgRe-1223, inicia-se

com a preparação do precursor da cerâmica através de reações sólidas. Esse processo é

muito importante na síntese de alta pressão de supercondutores a base de mercúrio

[10]. Nesse procedimento de preparação do precursor, mistura-se xOCuCaBa 322 e

2ReO em forma de pó com a relação molar 1:0,18 ( 1 mol de xOCuCaBa 322 e 0,18 mol

de 2ReO ). Esse pó é homogeneizado em um morteiro de ágata e são compactados

com uma pressão uniaxial de 0,5 GPa. As pastilhas são tratadas termicamente a uma

temperatura de 850 ºC em fluxo de oxigênio (O) por 15 horas. O precursor obtido é

esmagado, homogeneizado e compactado novamente. Depois, é submetido a um novo

tratamento térmico a 930 ºC por 12 horas em fluxo de oxigênio (O). Esse último

procedimento é repetido por mais três vezes.

O precursor obtido é então submetido a um novo tratamento de 930 ºC por 24

horas em fluxo de mistura de gases argônio (Ar) e oxigênio (O) mantendo a pressão de

1 bar. Finalmente, aos precursores preparados é misturado HgO com relação molar de

1:0,82. Posteriormente, os precursores são novamente homogeneizados em um

morteiro de ágata e compactados com força uniaxial de 1 GPa formando barras. As

barras com dimensões de 5x5x20 mm, são embrulhadas em folhas de ouro (Au) e

introduzidas em um tubo de quartzo com 8 mm de diâmetro. Além disso, é introduzido

junto com a barra um bastão de quartzo (7mm de diâmetro e 40 mm de comprimento).

A folha de ouro absorve o excesso de mercúrio e forma um amálgama. Todo o

processo é realizado no interior de uma caixa de luva de gás de argônio (Ar).

1.3 JUSTIFICATIVA DO PROJETO

O SUPERA realiza pesquisa em supercondutores do tipo HgRe-1223, que

possui a maior temperatura crítica conhecida, Tc=-140oC. O objetivo do grupo consiste

no estudo de aplicações deste supercondutor em sistemas de energia, já tendo inclusive

12

sido apresentada uma dissertação de mestrado com o tema: Limitador de Corrente de

Falta Supercondutor [11], que consiste em um dispositivo que limita a corrente de

falta, sendo que o supercondutor em operação normal (com corrente nominal do

sistema) não interfere na resistência do sistema, e em situação de sobrecorrente (falta)

sai de sua forma supercondutora e adiciona uma resistência à passagem da corrente

elétrica, regulando assim a corrente de falta.

Para que tais aplicações tornem-se viáveis, é preciso gerar amostras

supercondutoras de alta eficiência, portanto, o controle do processo de fabricação dos

supercondutores é de fundamental importância. Uma das etapas deste processo

envolve o controle do tratamento térmico das amostras, ressalta-se, então, que para

conseguir desenvolver um sistema de controle eficiente é necessária a fabricação de

uma placa de controle da temperatura do forno que será capaz de ajustar a potência

fornecida à resistência de aquecimento do forno, mantendo assim a temperatura interna

do forno constante, para o tratamento térmico desejado.

O PRESLAB / FISICA já possui uma fonte de potência, que foi comprada,

mas o circuito implementado não foi cedido. Por ensaio, pode-se deduzir que a

estrutura utilizada foi a de um relé de estado sólido que de acordo com a temperatura

desejada, controla o tempo em que a resistência de aquecimento do forno fica ligada à

rede elétrica. Infelizmente, esse controle não é satisfatório, e para aprimorar o controle

da potência entregue à carga, facilitar possível manutenção e melhorar a qualidade da

energia usada pela fonte, foi proposto a criação de uma placa de controle de

temperatura interna do forno, que posteriormente será ligada a uma fonte de potência

robusta e com alto fp (fator de potência), desenvolvida por outro aluno em seu Projeto

de Graduação [12].

1.4 OBJETIVOS

Nesse trabalho será abordada a metodologia de construção de uma placa de

controle de temperatura, os objetivos a serem atingidos com o projeto são:

• Minimizar o custo de um forno com temperatura controlável, para a fabricação de

amostra de supercondutores de boa qualidade.

13

• Facilitar a operação do forno pelo operador, pois será necessário apenas ajustar a

temperatura desejada e o controle será automático.

• Ter disponível uma placa de controle passível de controlar em uma ampla faixa de

valores de temperatura, para obter amostras supercondutoras geradas com

diferentes gradientes de temperatura, para análise de suas características.

1.5 ESTUDOS PRELIMINARES

Foi realizada uma revisão bibliográfica sobre os tipos de sensores de

temperatura que poderiam ser aplicados nessa margem ampla de temperatura, bem

como o estudo de seus custos. Foram estudados também os micro-controladores

disponíveis e os amplificadores de instrumentação recomendados para utilização com

termopares. A partir daí, foi determinado qual micro-controlador, tipo de termopar e

qual amplificador de instrumentação a utilizar.

Estudos em reguladores de tensão ajustáveis foram necessários para a

confecção da fonte. Alguns testes com diferentes amplificadores de instrumentação

foram realizados no intuito de se escolher qual deles seria ideal para a aplicação.

Também foi estudada a idéia de se utilizar como fonte de medição de temperatura um

multímetro com leitura de temperatura e saída RS232, para comunicação serial com o

micro-controlador. As escolhas e os resultados dos testes serão contemplados nesse

trabalho.

1.6 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA

A monografia é composta deste primeiro capítulo, introdutório. No Capítulo 2

faz-se uma explicação do diagrama de montagem da fonte de alimentação da placa de

controle, o Capítulo 3 explica o diagrama de montagem da placa de controle

propriamente dita, no Capítulo 4 discute-se o circuito de controle e seus componentes,

o Capítulo 5 é reservado para os resultados obtidos no projeto, o Capítulo 6 aborda as

discussões sobre o projeto e a conclusão e por fim, são apresentadas as Referências

Bibliográficas e o Apêndice.

14

2 PROCESSO DE MONTAGEM E REGULAÇÃO DA FONTE

2.1 DIAGRAMA DE MONTAGEM

Como o micro-controlador utilizado é um equipamento bastante sensível, a

construção de uma fonte de boa qualidade mostrou-se necessária, inviabilizando a

utilização de reguladores de tensão fixos, cujas tensões de saída não possuem a

exatidão requerida.

Foi escolhido como regulador de tensão o circuito integrado LM317, fabricado

pela Texas Instruments, esse circuito integrado consiste em um regulador de tensão

cuja saída pode ser regulada através de um potenciômetro. Dois desses reguladores de

tensão foram utilizados, um para a regular a tensão em +5V que foi utilizado para

alimentar o micro-controlador e o circuito integrado SN74LS244, que é um buffer de

oito vias utilizado para isolar a porta paralela do microcomputador da placa de

controle, o outro regulador de tensão foi ajustado com uma tensão de saída de +15V

que alimenta tanto o amplificador de instrumentação quanto o circuito de isolação do

sinal PWM. Ambas as regulagens foram feitas sem carga na fonte, uma vez que a

potência exigida pela placa é muito pequena e não alteraria os resultados.

A fonte de tensão foi montada em uma placa de fenolite e o circuito foi

desenhado com ajuda do programa Eagle Cad, que faz automaticamente o roteamento

das trilhas, a partir de um diagrama esquemático de ligação dos componentes.

Na placa da fonte existe a previsão de um regulador de tensão de -5V com o

propósito de alimentar o circuito integrado AD595 (amplificador operacional) quando

uma temperatura abaixo de 0°C precisar ser lida, mas essa parte do circuito não foi

implementada, pois no caso do forno as temperaturas a serem lidas são todas acima de

0°C.

A seguir, são mostrados o diagrama esquemático do circuito da fonte de

tensão (Figura 2), o roteamento das trilhas na placa de fenolite (Figura 3), uma foto da

placa de fenolite pronta para a montagem (Figura 4) e a fonte depois de montada

(Figura 5).

15

Figura 2– Diagrama esquemático do circuito da fonte.

Figura 3 - Circuito impresso na placa de fenolite.

16

Figura 4 - Foto da placa de fenolite antes da montagem.

Figura 5 - Foto da fonte montada e regulada.

2.2 MATERIAIS

Todos os materiais foram disponibilizados pelo LEPAC, SUPERA, PRESLAB

e LIEF.

17

2.2.1 EQUIPAMENTOS

Foi utilizado um computador para a confecção do diagrama esquemático e o

roteamento das trilhas, uma fresa do Laboratório de Manutenção da Engenharia

Elétrica para desenhar as trilhas na placa de fenolite, fontes CC, osciloscópios,

multímetros, ferro de solda e ferramentas em geral.

2.2.2 MATERIAIS DE CONSUMO

Componentes eletrônicos, como: resistores, potenciômetros de precisão,

reguladores de tensão e capacitores.

Um transformador de 127Vac para 18 + 18 = 36Vac, fios de cobre esmaltado,

parafusos, porcas e solda.

2.2.3 SOFTWARES

Empregou-se o Eagle Cad para a confecção da placa de circuito impresso.

18

3 PROCESSO DE MONTAGEM DA PLACA DE CONTROLE

3.1 DIAGRAMA DE MONTAGEM

A placa de controle tem como objetivo controlar automaticamente a

temperatura interna do forno de cozimento de cerâmicas supercondutoras, e foi

idealizada para ser o mais simples possível e com intenção de não requerer nenhum

outro equipamento externo, a não ser o microcomputador que através da porta paralela

fornecerá a temperatura de referência. O microcomputador não pôde ser dispensado,

pois futuramente será implementado no mesmo um programa que conterá as curvas de

temperatura de cozimento das cerâmicas supercondutoras. Esse processo exige que a

cerâmica seja exposta a gradientes de temperatura diferentes e com intervalos de

tempo diferenciados, que variam entre os tipos de cerâmicas.

Na placa de controle encontram-se circuitos com funções especificas que serão

comentados mais à frente neste trabalho.

O funcionamento da placa é bastante simples, mas exigiu componentes com

boa estabilidade, confiabilidade e grande rejeição a ruídos, devido à freqüência do

sinal PWM. Houve a preocupação em desacoplar eletricamente a placa de controle do

computador, utilizando-se um buffer de oito vias (SN74LS244) na porta paralela do

microcomputador, e ainda de se isolar eletricamente o circuito de disparo do IGBT

com a utilização de um transformador de pulsos.

Um micro-controlador PIC16F873 é responsável pelo controle automático de

temperatura do forno e recebe do buffer o sinal de temperatura de referência

proveniente do microcomputador. A realimentação de temperatura é fornecida por um

termopar do tipo K, capaz de suportar temperaturas da ordem de 1200°C, cujo sinal é

tratado por um circuito integrado AD595 que além de amplificar o sinal vindo do

termopar também tem a função de compensação de temperatura ambiente.

Durante o procedimento de confecção da placa percebeu-se que o programa

utilizado para fazer o roteamento automático das trilhas identificou erroneamente o

encapsulamento do PIC16F873 como sendo o tipo PDIP28-6, quando na realidade o

encapsulamento é o PDIP28-3 que tem a metade da largura. Para corrigir esse

19

problema um soquete PDIP20-3 e um PDIP8-3 foram adaptados em um soquete

PDIP32-6, que teve 4 de seus terminais retirados para ficar com apenas 28 pinos.

Abaixo é mostrado o diagrama esquemático do circuito da placa de controle

(Figura 6), o roteamento das trilhas na paca de fenolite (Figura 7), a foto da face de

baixo da placa de controle depois de montada (Figura 8), os soquetes adaptados

(Figura 9) e a placa depois de montada (Figura 10).

Figura 6 - Diagrama esquemático do circuito da placa de controle

20

Figura 7 - Circuito da placa de controle impresso na placa de fenolite.

Figura 8 - Foto da face de baixo da placa de controle.

21

Figura 9 - Soquetes adaptados no soquete PDIP32-6.

Figura 10 - Placa de controle montada.

3.2 MATERIAIS

Todos os materiais foram disponibilizados pelo LEPAC, SUPERA, PRESLAB e

LIEF.

22

3.2.1 EQUIPAMENTOS

Foi utilizado um computador para a confecção do diagrama esquemático e o

roteamento das trilhas, uma fresa do Laboratório de Manutenção da Engenharia

Elétrica para desenhar as trilhas na placa de fenolite, fontes CC, osciloscópios,

multímetros, ferro de solda e ferramentas em geral.

3.2.2 MATERIAIS DE CONSUMO

Componentes eletrônicos, como: resistores, potenciômetros de precisão,

capacitores, circuitos integrados, transistores e um oscilador de 16.62MHz.

Um transformador de pulsos com núcleo de ar, fios de cobre esmaltado,

parafusos, porcas, solda e ferramentas em geral.

3.2.3 SOFTWARES

Empregou-se o Eagle Cad para a confecção da placa de circuito impresso.

23

4 CIRCUITO DE CONTROLE

4.1 ABORDAGEM INTRODUTÓRIA

Todos os componentes do circuito de controle da temperatura do forno estão

incorporados na placa de controle, a não ser o computador que fornece o sinal da

temperatura de referência e o circuito de potência. O diagrama de blocos a seguir

fornece uma visão geral do funcionamento da placa de controle.

Figura 11 - Diagrama de blocos do circuito de controle.

4.2 O MICROCOMPUTADOR

O microcomputador fornece a temperatura de referência que deve ser

controlada no forno. Através de um programa escrito em linguagem de programação

C, o operador pode variar o sinal de saída da porta paralela do microcomputador desde

0 até 255 (oito bits ou um Byte), ou seja, 256 níveis de temperatura pré-estabelecidos,

correspondente a uma variação de 0°C até 1195,3°C, como se pode ver na Tabela 1.

Essa faixa de temperatura foi um requisito do Professor Marcos Tadeu D´Azeredo

Orlando que é o responsável pela fabricação das cerâmicas.

24

Tabela 1 - Correspondência da refêrencia com a temperatura do forno.

Ref Temp. Forno Ref. Temp.

Forno Ref. Temp. Forno Ref. Temp.



Forno

0 0 32 150 64 300 96 450 128 600 160 750 192 900 224 1050 1 4,6875 33 154,69 65 304,69 97 454,69 129 604,69 161 754,69 193 904,69 225 1054,7 2 9,375 34 159,38 66 309,38 98 459,38 130 609,38 162 759,38 194 909,38 226 1059,4 3 14,063 35 164,06 67 314,06 99 464,06 131 614,06 163 764,06 195 914,06 227 1064,1 4 18,75 36 168,75 68 318,75 100 468,75 132 618,75 164 768,75 196 918,75 228 1068,8 5 23,438 37 173,44 69 323,44 101 473,44 133 623,44 165 773,44 197 923,44 229 1073,4 6 28,125 38 178,13 70 328,13 102 478,13 134 628,13 166 778,13 198 928,13 230 1078,1 7 32,813 39 182,81 71 332,81 103 482,81 135 632,81 167 782,81 199 932,81 231 1082,8 8 37,5 40 187,5 72 337,5 104 487,5 136 637,5 168 787,5 200 937,5 232 1087,5 9 42,188 41 192,19 73 342,19 105 492,19 137 642,19 169 792,19 201 942,19 233 1092,2

10 46,875 42 196,88 74 346,88 106 496,88 138 646,88 170 796,88 202 946,88 234 1096,9 11 51,563 43 201,56 75 351,56 107 501,56 139 651,56 171 801,56 203 951,56 235 1101,6 12 56,25 44 206,25 76 356,25 108 506,25 140 656,25 172 806,25 204 956,25 236 1106,3 13 60,938 45 210,94 77 360,94 109 510,94 141 660,94 173 810,94 205 960,94 237 1110,9 14 65,625 46 215,63 78 365,63 110 515,63 142 665,63 174 815,63 206 965,63 238 1115,6 15 70,313 47 220,31 79 370,31 111 520,31 143 670,31 175 820,31 207 970,31 239 1120,3 16 75 48 225 80 375 112 525 144 675 176 825 208 975 240 1125 17 79,688 49 229,69 81 379,69 113 529,69 145 679,69 177 829,69 209 979,69 241 1129,7 18 84,375 50 234,38 82 384,38 114 534,38 146 684,38 178 834,38 210 984,38 242 1134,4 19 89,063 51 239,06 83 389,06 115 539,06 147 689,06 179 839,06 211 989,06 243 1139,1 20 93,75 52 243,75 84 393,75 116 543,75 148 693,75 180 843,75 212 993,75 244 1143,8 21 98,438 53 248,44 85 398,44 117 548,44 149 698,44 181 848,44 213 998,44 245 1148,4 22 103,13 54 253,13 86 403,13 118 553,13 150 703,13 182 853,13 214 1003,1 246 1153,1 23 107,81 55 257,81 87 407,81 119 557,81 151 707,81 183 857,81 215 1007,8 247 1157,8 24 112,5 56 262,5 88 412,5 120 562,5 152 712,5 184 862,5 216 1012,5 248 1162,5 25 117,19 57 267,19 89 417,19 121 567,19 153 717,19 185 867,19 217 1017,2 249 1167,2 26 121,88 58 271,88 90 421,88 122 571,88 154 721,88 186 871,88 218 1021,9 250 1171,9 27 126,56 59 276,56 91 426,56 123 576,56 155 726,56 187 876,56 219 1026,6 251 1176,6 28 131,25 60 281,25 92 431,25 124 581,25 156 731,25 188 881,25 220 1031,3 252 1181,3 29 135,94 61 285,94 93 435,94 125 585,94 157 735,94 189 885,94 221 1035,9 253 1185,9 30 140,63 62 290,63 94 440,63 126 590,63 158 740,63 190 890,63 222 1040,6 254 1190,6 31 145,31 63 295,31 95 445,31 127 595,31 159 745,31 191 895,31 223 1045,3 255 1195,3

4.3 O BUFFER SN74LS244

A função do buffer de oito vias SN74LS244, fornecido pela Texas Instruments

[13] como amostra grátis, é de desacoplar eletricamente a placa de controle do

microcomputador, aumentando assim a confiabilidade do projeto, pois surtos

decorrentes da placa de controle não afetariam o microcomputador e vice-versa. Outra

função do buffer é adequar o nível de tensão da porta paralela do microcomputador

para a entrada de dados do micro-controlador, pois a porta paralela do

microcomputador trabalha com 3,5V de saída e o micro-controlador com 5V.

O buffer SN74LS244 não requer adição de componentes externos o que

facilita e reduz o custo da confecção da placa de controle. O conector da porta paralela

25

foi ligado diretamente nas oito entradas do buffer a as oito saídas foram ligadas

diretamente a oito entradas do micro-controlador, que são lidas como um byte, como

mostra a Figura 12, abaixo.

Figura 12 - Conector da porta paralela e sua ligação no buffer de 8 vias .

4.4 O MICRO-CONTROLADOR

A lógica da placa de controle foi implementada em um micro-controlador

PIC16F873 da Microchip Technology Inc [14-15]. A freqüência do oscilador utilizado

é 16,620MHz, neste caso cada instrução é executada em 250ns. Os 8kBytes de

memória de dados nos permitem a elaboração de um programa com até 4096

instruções, apesar de terem sido utilizados apenas 12% desse potencial. Além disso,

este micro-controlador possui 386Bytes de memória para dados. A utilização do

PIC16F873 como controlador é facilitada pelos módulos PWM integrados.

A Figura 13 apresenta o esquema de ligação simplificado do PIC16F873, com

suas alimentações, entrada de dados e saída do sinal PWM.

26

Figura 13 - Diagrama de ligação simplificado do micro-controlador PIC 16F873.

O micro-controlador recebe os sinais externos e os utiliza para resolver uma

equação de controle digital do tipo PI simplificado, implementado por software. O

resultado da equação são os dados que definem o ciclo de trabalho do sinal PWM.

A porta de saída RC2/CCP1, pino 13, fornece o sinal PWM para o circuito de

comando. As entradas RB0 até RB7, pinos 21 a 28, foram configuradas como entradas

analógicas e são responsáveis por receber o sinal de referência de temperatura vindo

do buffer de oito vias. O micro-controlador lê esses dados simultaneamente e os

armazena em uma variável de 8bits ou 1Byte. A entrada RA0, pino 2, foi configurada

como entrada analógica e possui um conversor D/A de 10 bits, o sinal proveniente do

amplificador de instrumentação é lido como uma variável de 10bits e os dois bits

menos significativos são truncados, transformando o sinal num valor de 8bits ou

1Byte.

4.5 O CIRCUITO DE DISPARO

O circuito de disparo recebe o sinal PWM do micro-controlador e tem duas

funções principais. A primeira função do circuito de disparo é de isolar a placa de

controle do circuito de potência, evitando que um surto no circuito de potência

danifique algum componente da placa de controle, já que os níveis de tensão e

27

correntes no circuito de potência são elevados. A segunda função do circuito de

disparo é de elevar o nível de tensão do sinal PWM de saída do micro-controlador de

5V para 15V, uma vez que o circuito de potência utiliza IGBT para chaveamento de

potência. Se o sinal estiver em 15V, o IGBT estará ligado e permitirá a passagem da

corrente pela resistência de aquecimento do forno, se o pulso estiver em 0V, o IGBT

estará bloqueado e não haverá corrente circulando pela resistência de aquecimento do

forno, ou seja, o IGBT será uma chave que será controlada pela largura de pulso do

sinal PWM.

4.5.1 O TRANSFORMADOR DE PULSOS

O transformador de pulsos, que usualmente, possui o mesmo número de

espiras no primário e secundário, serve para realizar o desacoplamento elétrico entre

dois circuitos. Neste caso, separa eletricamente um circuito de sinal (circuito de

disparo) de um circuito de tensão superior (circuito de potência).

As técnicas de construção usadas nos transformadores variam de acordo com a

aplicação dos mesmos. O projeto do transformador é determinado pela freqüência,

pelas tensões e correntes envolvidas e por vários outros fatores. Os transformadores

são encontrados em aplicações de uma ampla faixa de valores de tensão, corrente e

freqüência, o que resulta numa variedade enorme de modelos, tamanhos e formatos. A

aplicação determina, em primeiro lugar, que tipo de núcleo ele terá e como serão seus

enrolamentos.

Com relação ao material do núcleo, este pode ser construído a partir dos

seguintes materiais, de acordo com a freqüência:

• Para operação em baixas freqüências, como 60 Hz da rede, os núcleos são

construídos de finas chapas laminadas de aço silício, com 3% de Si. As chapas são

isoladas eletricamente umas das outras, visando diminuir as perdas;

• Para operações em altas freqüências, utilizam-se núcleos maciços de ferrite

(mesmo tipo de ferrite utilizadas em indutores);

28

• Para freqüências extremamente elevadas, utilizam-se núcleos de ar (neste caso, as

bobinas são enroladas em suportes de papelão, plásticos ou cerâmicos).

O diagrama esquemático de um possível circuito de disparo empregando

transformador de pulsos pode ser visto na figura 14, abaixo.

Figura 14 - Diagrama esquemático de um circuito de disparo empregando transformador de pulsos.

4.5.2 O ISOLADOR ÓTICO

O circuito de disparo testado utilizava o isolador óptico ISO122, um circuito

integrado cedido pela Texas Instruments como amostra grátis. Esse circuito tem fácil

implementação, necessitando de poucos componentes externos, porém precisa de duas

fontes simétricas isoladas de +15V / -15V para alimentação dos seus circuitos primário

e secundário, fazendo com que a placa de controle fique um pouco grande.

A seguir é apresentado o diagrama esquemático do circuito de disparo

utilizando isolador ótico (Figura 15) e o circuito roteado para confecção da placa de

fenolite do isolador ótico (Figura 16).

29

Figura 15 - Diagrama esquemático do circuito de disparo utilizando isolador ótico.

Figura 16 - Circuito roteado para confecção da placa de fenolite do isolador ótico.

4.6 O CIRCUITO DE POTÊNCIA

O circuito de potência utilizado não foi desenvolvido nesse estudo, portanto

não será descrito com detalhes nesse documento, mas seu funcionamento baseia-se em

chaves de potência do tipo IGBT.

30

4.7 O FORNO

O forno utilizado, Figura 17, tem uma construção simples, sendo constituído de um

cilindro de cerâmica envolto por um fio de kantal que faz o papel da resistência de

aquecimento. Esse fio é envolto com pequenas miçangas cerâmicas que evitam o contado

direto do fio com o cilindro principal. Em volta desse conjunto foi colocada uma manta de

fibra de vidro, que faz a isolação térmica e melhora o coeficiente térmico do forno. Por fim

foram colocadas duas paredes de concreto para dar resistência mecânica ao forno. A

resistência do fio de kantal, medida com multímetros, fica em torno dos 8ohms. A tensão

aplicada no forno é de 127V RMS, então a potência máxima fornecida pela rede ao forno fica

em torno de 2KW, o que é suficiente para aquecer o forno a mais de 1200°C em poucos

minutos.

Figura 17 - Foto do forno, apelidado de Zé Ternit I.

4.8 O TERMOPAR

O termopar é um sensor composto de dois metais distintos que quando

aquecidos produzem uma diferença de tensão em suas extremidades. São baratos,

podem medir uma vasta gama de temperaturas e podem ser substituídos sem introduzir

erros relevantes. Embora praticamente se possa construir um termopar com qualquer

combinação de dois metais, utilizam-se apenas algumas combinações normalizadas,

31

isto porque possuem tensões de saída previsíveis e suportam grandes gamas de

temperaturas.

Para esse projeto foi escolhido o termopar do tipo K (Cromel / Alumel), por

ser um termopar genérico, de baixo custo e suportar temperaturas entre -200°C e

1200°C. Sua sensibilidade aproximada é de 41µV/°C.

O termopar será inserido dentro do forno e medirá a temperatura o mais

próximo possível da cerâmica supercondutora a ser cozida.

Uma tabela da tensão gerada versus temperatura, no termopar, pode ser vista

no Apêndice A.

4.9 O AMPLIFICADOR COMPENSADOR AD595

Como a tensão do sinal do termopar é baixa, e para uma precisão maior na

leitura da temperatura do forno, foi utilizado um circuito integrado, amplificador

operacional modelo AD595A, fabricado pela Analog Devices [16], com compensador

de temperatura ambiente e também compensador da não linearidade do termopar. Esse

amplificador é ligado diretamente ao termopar e fornece na sua saída um sinal com

sensibilidade de 10mV/°C, que é uma tensão bem mais elevada do que aquela

fornecida diretamente pelo termopar. Assim a tensão de saída do amplificador é de

aproximadamente 0V quando o termopar é submetido a uma temperatura de 0°C e de

aproximadamente 12V quando o termopar é submetido a uma temperatura de 1200°C.

A tabela de tensão versus temperatura do amplificador pode ser vista no Apêndice B.

Uma vez que a tensão de saída do amplificador chega a aproximadamente 12V

e a entrada analógica do micro-controlador suporta no máximo 5V, um potenciômetro

de 5kohms foi adicionado à placa de controle, servindo como um circuito divisor de

tensão ajustável. Para uma tensão de 12V aplicada no potenciômetro, sua saída foi

ajustada para 5V e ligada à entrada analógica do micro-controlador, dessa forma 5V na

entrada analógica do microprocessador significa que a temperatura no interior do forno

alcançou os 1200°C exigidos pelo processo. A resistência do potenciômetro escolhido

é elevada para minimizar a corrente que circula por ele, evitando assim distorções nos

sinais lidos pelo micro-controlador.

32

5 RESULTADOS

5.1 PROGRAMAÇÃO DO MICROCOMPUTADOR

O programa que o operador utiliza para selecionar a temperatura de referência

já estava pronto quando esse projeto foi sugerido. A linguagem utilizada na

programação do microcomputador foi a linguagem C, e a interface é muito simples de

ser utilizada, requerendo apenas que o operador tenha à disposição a Tabela 1, de

correspondência da referência com a temperatura do forno. No microcomputador o

operador utiliza apenas duas teclas o “+” e o “-”, do teclado numérico para aumentar

ou diminuir, respectivamente, a temperatura de referência.

Futuramente será implementado no microcomputador um programa que

armazenará as curvas de temperatura de cozimento das cerâmicas supercondutoras.

Esse processo exige que a cerâmica seja exposta a gradientes de temperatura diferentes

e com intervalos de tempo diferenciados, que variam entre os tipos de cerâmicas.

5.2 O BUFFER SN74LS244

A escolha do buffer SN74LS244 mostrou-se acertada, pois os resultados práticos

foram exatamente os esperados, a velocidade de resposta é compatível e o nível de ruídos é

baixíssimo. As tensões de entrada e saída para nível lógico alto em um bit podem ser vistas na

Figura 18, abaixo.

Figura 18 - Tensão de entrada e saída para nível lógico alto.

33

5.3 O MICRO-CONTROLADOR

Os resultados obtidos da equação de controle digital foram bastante positivos.

Uma vez que o controle da temperatura do forno mostrou-se estável e bastante

confiável. O sinal PWM obtido na saída no micro-controlador para um ciclo de

trabalho de 50% pode ser visto na Figura 19 abaixo.

Figura 19 - Sinal PWM na saída do micro-controlador, para um ciclo de trabalho de 50%.

A adição de um capacitor de filtragem de 4,7uF na entrada analógica do

micro-controlador resolveu um problema de ruído causado pelo circuito de disparo,

outro capacitor de filtragem de 10uF foi adicionado entre a alimentação e o terra do

micro-controlador, para evitar que ruídos externos interferissem no controle ou mesmo

danificassem o PIC16F873.

A tensão de alimentação do micro-controlador foi escolhida como sendo 5V,

para facilitar a leitura da temperatura medida, já que para a porta analógica uma tensão

de 5V de entrada no conversor D/A de 10 bits corresponde a 1023, e no nosso caso,

34

como os dois bits menos significativos são truncados, o valor corresponde a 255, ou

1byte. Poderíamos ter escolhido uma tensão menor, mas como a fonte também é

utilizada para alimentar o buffer teríamos que construir outra fonte para alimentar

somente o micro-controlador, além de ajustar novamente o potenciômetro.

Na programação do micro-controlador foi utilizada a ferramenta de

programação MPLAB IDE, fornecida pele Microchip Technology Inc, juntamente

com o compilador PIC C. O programador utilizado foi o PICSTART PLUS [17-18]. O

código fonte comentado do programa está disponível no Apêndice C.

5.4 O CIRCUITO DE DISPARO

O circuito de disparo foi elaborado com o intuito de elevar a tensão de saída

do sinal PWM de 5V para os 15V requeridos pelo circuito de potência e isolar

eletricamente a placa de controle do circuito de potência. Inicialmente o

funcionamento do circuito de disparo parece bem simples, mas tivemos problemas

com o transformador de pulsos. Várias configurações foram tentadas, primeiro com

toróides de ferrite e enrolamentos primário e secundário com mesmo número de

espiras. As tentativas iniciaram-se com 10 voltas, depois 20 voltas, depois 35 voltas e

chegamos a testar até 200 voltas. Os resultados eram semelhantes. Ligados no gerador

de função a onda de entrada, quadrada de 20kHz (freqüência de operação sugerida

para o projeto) e com ciclo de trabalho de 50% era reproduzida fielmente na saída do

transformador de pulsos, mas quando ligado no circuito de disparo e variando o ciclo

de trabalho para valores acima de 60%, a distorção era tal que descaracterizava a

forma de onda e fazia com que o IGBT trabalhasse na região linear, fazendo-o aquecer

e até mesmo queimar.

Na Figura 20, a seguir, é mostrado o sinal distorcido aplicado ao IGBT para

um ciclo de trabalho de aproximadamente 70% e na Figura 21 é mostrado um

transformador de pulsos com toróide de ferrite com aproximadamente 200 voltas nos

enrolamentos primário e secundário.

35

Figura 20 - Sinal distorcido aplicado ao IGBT para um ciclo de trabalho de aproximadamente 70%.

Figura 21 - Fotografia do transformador de pulsos com núcleo de ferrite e enrolamentos de aproximadamente

200 voltas.

36

Na tentativa de resolver o problema de distorção do sinal causado pelo

transformador de pulsos, foi utilizado um circuito isolador ótico, que produziu

resultados excelentes do ponto de vista do sinal PWM, mas em contrapartida esse

circuito não é apto a trabalhar com freqüências elevadas, limitando assim o projeto a

funcionar com 1kHz. Os resultados mostrados utilizam essa topologia de isolamento

de sinais, pois com a topologia que utiliza transformador de pulsos não foi possível

coletar dados na carga com ciclos de trabalho maiores que 60%.

As Figuras 22, 23 e 24, a seguir, apresentam as formas de onda do sinal PWM

na entrada do ISO122, no gate do IGBT e na saída do micro-controlador. Na Figura

25, são mostradas as formas de onda da tensão VCE, da tensão VGE e da tensão na

carga. A Figura 26 apresenta as formas de onda da tensão VGE, da corrente e tensão

na carga. Finalmente, as formas de onda da tensão e corrente de entrada no circuito de

potência são mostradas na Figura 27.

Figura 22 - Sinal PWM na entrada do ISO122 (canal 1), no Gate do IGBT (canal 2) e na saída do micro-

controlador (canal 3), para um ciclo de trabalho de 42%.

37





38

Figura 25 - Forma de onda da tensão VCE (canal 1), tensão VGE (canal 2) e tensão na carga (canal 3).

Figura 26 - Forma de onda da tensão VGE (canal 2), corrente na carga (canal 4) e tensão na carga (canal 3).

39

Figura 27 - Forma de onda da tensão (canal 3) e corrente de entrada (canal 4) no circuito de potência.

5.5 O TERMOPAR E O AMPLIFICADOR COMPENSADOR AD595

Os resultados obtidos com a utilização do amplificador compensador AD595

foram os mais satisfatórios possíveis. O AD595 comportou-se exatamente como

previsto no seu Data Sheet [16]. O termopar mostrou-se bastante robusto e seu

comportamento também foi exatamente como o esperado. A linearidade obtida com a

utilização casada desses dois componentes foi suficiente para a aplicação em questão,

uma vez que o amplificador compensador possui internamente compensadores para a

não linearidade do termopar e compensadores de temperatura ambiente. Na Figura 28,

a seguir, é mostrada uma foto do termopar utilizado.

40

Figura 28 - Foto do termopar utilizado no projeto.

41

6 DISCUSSÃO E CONCLUSÕES

6.1 DISCUSSÃO

A dificuldade inicial foi descobrir quais pinos do conector da porta paralela

estavam sendo usados, o que foi feito com a ajuda de um multímetro e do

microcomputador. No que diz respeito ao micro-controlador, dois problemas

ocorreram e foram sanados. O primeiro, no que diz respeito ao soquete onde o micro-

controlador fica encaixado na placa de controle, pois como dito anteriormente, o

programa utilizado para fazer o roteamento da placa de controle identificava o micro-

controlador PIC16F873 como tendo encapsulamento PDIP28-6, quando na realidade o

seu encapsulamento é PDIP28-3. Portanto, um adaptador teve que ser construído

utilizando-se um soquete do tipo PDIP32-6, um do tipo PDIP20-6 e outro do tipo

PDIP8-3. O adaptador não demonstrou problemas de contato elétrico. Seu interior e

respectivos fios de ligação utilizados foram preenchidos com cola quente de silicone

para evitar que o mesmo desmontasse e também por ser um bom isolante elétrico,

evitando algum curto-circuito em qualquer dos contatos expostos (como pode ser visto

na Figura 9). O segundo problema ocorreu durante os testes do micro-controlador,

onde falhas no código do programa (declaração do tipo de variáveis) em execução

faziam com que o ciclo de trabalho do sinal PWM proveniente do micro-controlador

fosse elevado a 100%, quando na realidade deveria ser de 0%. A inclusão de alguns

testes de valores das variáveis no código do programa foi suficiente para solucionar

esse problema.

O amplificador compensador AD595 apresentou problemas de ruído no sinal

analógico direcionado ao potenciômetro de ajuste do nível do sinal enviado para o

micro-controlador. A adição de um capacitor de filtro, ligada entre o terra e a saída do

potenciômetro, tornou-se necessária para que o ruído não interferisse no

funcionamento da malha de controle.

O circuito de disparo isolado com transformador de pulsos, mostrado na

Figura 14, foi adicionado à placa de controle mostrada na Figura 6, mas a parte do

secundário não foi ligada, devido ao mal funcionamento do circuito para ciclos de

trabalho maiores que 60% (ficando o mesmo previsto, caso seja decidido utilizá-lo

42

posteriormente mesmo com essa limitação). Como o sinal PWM de saída do micro-

controlador é de 5V, ajustes nos resistores R2 e R3 (circuito da Figura 14) foram

necessários para melhorar a forma da onda do sinal PWM medido no resistor R4 e

aplicado ao circuito de disparo com isolador ótico, quando a freqüência foi ajustada

para 1kHz. No circuito da Figura 14, o resistor R5 serve como um resistor de descarga.

Seu valor foi alterado de 4,8kohms para 1kohms, o que suprimiu picos de tensão na

borda do sinal PWM, além de melhorar a parte da descida da onda, deixando-a mais

quadrada e evitando que o IGBT funcione na região linear, para ciclos de trabalho

abaixo de 60%, o que poderia levá-lo à queima.

Vale ressaltar que um cuidado especial foi tomado no tocante à soldagem da

placa de controle, tendo em vista não só a estética como também a preocupação em

não se provocar curtos-circuitos entre terminais próximos. A Figura 29 mostra o

detalhe da soldagem dos soquetes.

Figura 29 - Detalhe da soldagem dos soquetes na placa de controle.

43

6.2 CONCLUSÕES

A utilização do microcomputador para geração do sinal de referência de

temperatura facilitou a utilização do micro-controlador, uma vez que implementar essa

função tornaria o programa mais complicado, além de requerer a confecção de outro

hardware, com um teclado simplificado e um display, para suprir essa necessidade.

O micro-controlador mostrou-se extremamente ágil e robusto, sua

programação foi simples e a única dificuldade encontrada foi a de modificação do

código do programa inicialmente implementado, o que foi feito rapidamente com a

ajuda do software MPLAB IDE [18] e do programador PICSTART PLUS [17].

O amplificador compensador ligado ao termopar tipo K respondeu

rapidamente a mudanças mínimas de temperatura e o erro de medição da ordem de

2°C não chegou a interferir no processo de controle. A única alteração nessa parte do

projeto foi a inclusão do capacitor de filtro na saída do amplificador compensador.

O circuito de disparo foi a parte mais trabalhosa de se ajustar, mas depois de

trocar o circuito com transformador de pulsos pelo circuito com isolador ótico e

abaixar a freqüência do sinal PWM para 1kHz os resultados foram ótimos, apesar

dessa freqüência ser um pouco inconveniente, pois gera ruídos audíveis e

conseqüentemente poluição sonora. Outro problema de se utilizar 1kHz é o baixo fator

de potência, devido aos elevados índices de distorções harmônicas.

O forno mostrou ter uma inércia térmica bastante elevada, o que dificultou o

ajuste dos parâmetros da malha de controle digital, pois mesmo sem potência injetada

na resistência de aquecimento do forno o mesmo continuava esquentando, em razão da

grande quantidade de calor armazenada pelo isolamento térmico e também pela

distância entre a resistência de aquecimento e o cilindro de cerâmica. O resultado

esperado foi alcançado diminuindo o ganho da malha de controle, o que aumentou o

tempo de aquecimento do forno, mas não a ponto de interferir no processo.

Por fim fica a sugestão de implementação de um programa mais elaborado

para o controle digital do tipo PI, mas que contemple também as funções exercidas

pelo microcomputador nesse projeto, bem como o estudo de outras tecnologias para o

44

isolamento da placa de controle do circuito de potência, que permitam a utilização de

sinais PWM com freqüências da ordem de 20kHz ou mais.

45

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Microchip Technology Inc 2004.

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APÊNDICE

APÊNDICE A

Tabela ITS-90 para termopares tipo K

°C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tensão do Termopar em mV

0 0.000 0.039 0.079 0.119 0.158 0.198 0.238 0.277 0.317 0.357 0.397 10 0.397 0.437 0.477 0.517 0.557 0.597 0.637 0.677 0.718 0.758 0.798 20 0.798 0.838 0.879 0.919 0.960 1.000 1.041 1.081 1.122 1.163 1.20330 1.203 1.244 1.285 1.326 1.366 1.407 1.448 1.489 1.530 1.571 1.61240 1.612 1.653 1.694 1.735 1.776 1.817 1.858 1.899 1.941 1.982 2.023

50 2.023 2.064 2.106 2.147 2.188 2.230 2.271 2.312 2.354 2.395 2.43660 2.436 2.478 2.519 2.561 2.602 2.644 2.685 2.727 2.768 2.810 2.85170 2.851 2.893 2.934 2.976 3.017 3.059 3.100 3.142 3.184 3.225 3.26780 3.267 3.308 3.350 3.391 3.433 3.474 3.516 3.557 3.599 3.640 3.68290 3.682 3.723 3.765 3.806 3.848 3.889 3.931 3.972 4.013 4.055 4.096

100 4.096 4.138 4.179 4.220 4.262 4.303 4.344 4.385 4.427 4.468 4.509110 4.509 4.550 4.591 4.633 4.674 4.715 4.756 4.797 4.838 4.879 4.920120 4.920 4.961 5.002 5.043 5.084 5.124 5.165 5.206 5.247 5.288 5.328130 5.328 5.369 5.410 5.450 5.491 5.532 5.572 5.613 5.653 5.694 5.735140 5.735 5.775 5.815 5.856 5.896 5.937 5.977 6.017 6.058 6.098 6.138

150 6.138 6.179 6.219 6.259 6.299 6.339 6.380 6.420 6.460 6.500 6.540160 6.540 6.580 6.620 6.660 6.701 6.741 6.781 6.821 6.861 6.901 6.941170 6.941 6.981 7.021 7.060 7.100 7.140 7.180 7.220 7.260 7.300 7.340180 7.340 7.380 7.420 7.460 7.500 7.540 7.579 7.619 7.659 7.699 7.739190 7.739 7.779 7.819 7.859 7.899 7.939 7.979 8.019 8.059 8.099 8.138

200 8.138 8.178 8.218 8.258 8.298 8.338 8.378 8.418 8.458 8.499 8.539210 8.539 8.579 8.619 8.659 8.699 8.739 8.779 8.819 8.860 8.900 8.940220 8.940 8.980 9.020 9.061 9.101 9.141 9.181 9.222 9.262 9.302 9.343230 9.343 9.383 9.423 9.464 9.504 9.545 9.585 9.626 9.666 9.707 9.747240 9.747 9.788 9.828 9.869 9.909 9.950 9.991 10.031 10.072 10.113 10.153

250 10.153 10.194 10.235 10.276 10.316 10.357 10.398 10.439 10.480 10.520 10.561260 10.561 10.602 10.643 10.684 10.725 10.766 10.807 10.848 10.889 10.930 10.971270 10.971 11.012 11.053 11.094 11.135 11.176 11.217 11.259 11.300 11.341 11.382280 11.382 11.423 11.465 11.506 11.547 11.588 11.630 11.671 11.712 11.753 11.795290 11.795 11.836 11.877 11.919 11.960 12.001 12.043 12.084 12.126 12.167 12.209

300 12.209 12.250 12.291 12.333 12.374 12.416 12.457 12.499 12.540 12.582 12.624310 12.624 12.665 12.707 12.748 12.790 12.831 12.873 12.915 12.956 12.998 13.040

48

320 13.040 13.081 13.123 13.165 13.206 13.248 13.290 13.331 13.373 13.415 13.457330 13.457 13.498 13.540 13.582 13.624 13.665 13.707 13.749 13.791 13.833 13.874340 13.874 13.916 13.958 14.000 14.042 14.084 14.126 14.167 14.209 14.251 14.293

350 14.293 14.335 14.377 14.419 14.461 14.503 14.545 14.587 14.629 14.671 14.713360 14.713 14.755 14.797 14.839 14.881 14.923 14.965 15.007 15.049 15.091 15.133370 15.133 15.175 15.217 15.259 15.301 15.343 15.385 15.427 15.469 15.511 15.554380 15.554 15.596 15.638 15.680 15.722 15.764 15.806 15.849 15.891 15.933 15.975390 15.975 16.017 16.059 16.102 16.144 16.186 16.228 16.270 16.313 16.355 16.397

400 16.397 16.439 16.482 16.524 16.566 16.608 16.651 16.693 16.735 16.778 16.820410 16.820 16.862 16.904 16.947 16.989 17.031 17.074 17.116 17.158 17.201 17.243420 17.243 17.285 17.328 17.370 17.413 17.455 17.497 17.540 17.582 17.624 17.667430 17.667 17.709 17.752 17.794 17.837 17.879 17.921 17.964 18.006 18.049 18.091440 18.091 18.134 18.176 18.218 18.261 18.303 18.346 18.388 18.431 18.473 18.516

450 18.516 18.558 18.601 18.643 18.686 18.728 18.771 18.813 18.856 18.898 18.941460 18.941 18.983 19.026 19.068 19.111 19.154 19.196 19.239 19.281 19.324 19.366470 19.366 19.409 19.451 19.494 19.537 19.579 19.622 19.664 19.707 19.750 19.792480 19.792 19.835 19.877 19.920 19.962 20.005 20.048 20.090 20.133 20.175 20.218490 20.218 20.261 20.303 20.346 20.389 20.431 20.474 20.516 20.559 20.602 20.644

500 20.644 20.687 20.730 20.772 20.815 20.857 20.900 20.943 20.985 21.028 21.071510 21.071 21.113 21.156 21.199 21.241 21.284 21.326 21.369 21.412 21.454 21.497520 21.497 21.540 21.582 21.625 21.668 21.710 21.753 21.796 21.838 21.881 21.924530 21.924 21.966 22.009 22.052 22.094 22.137 22.179 22.222 22.265 22.307 22.350540 22.350 22.393 22.435 22.478 22.521 22.563 22.606 22.649 22.691 22.734 22.776

550 22.776 22.819 22.862 22.904 22.947 22.990 23.032 23.075 23.117 23.160 23.203560 23.203 23.245 23.288 23.331 23.373 23.416 23.458 23.501 23.544 23.586 23.629570 23.629 23.671 23.714 23.757 23.799 23.842 23.884 23.927 23.970 24.012 24.055580 24.055 24.097 24.140 24.182 24.225 24.267 24.310 24.353 24.395 24.438 24.480590 24.480 24.523 24.565 24.608 24.650 24.693 24.735 24.778 24.820 24.863 24.905

600 24.905 24.948 24.990 25.033 25.075 25.118 25.160 25.203 25.245 25.288 25.330610 25.330 25.373 25.415 25.458 25.500 25.543 25.585 25.627 25.670 25.712 25.755620 25.755 25.797 25.840 25.882 25.924 25.967 26.009 26.052 26.094 26.136 26.179630 26.179 26.221 26.263 26.306 26.348 26.390 26.433 26.475 26.517 26.560 26.602640 26.602 26.644 26.687 26.729 26.771 26.814 26.856 26.898 26.940 26.983 27.025

650 27.025 27.067 27.109 27.152 27.194 27.236 27.278 27.320 27.363 27.405 27.447660 27.447 27.489 27.531 27.574 27.616 27.658 27.700 27.742 27.784 27.826 27.869670 27.869 27.911 27.953 27.995 28.037 28.079 28.121 28.163 28.205 28.247 28.289680 28.289 28.332 28.374 28.416 28.458 28.500 28.542 28.584 28.626 28.668 28.710690 28.710 28.752 28.794 28.835 28.877 28.919 28.961 29.003 29.045 29.087 29.129

49

700 29.129 29.171 29.213 29.255 29.297 29.338 29.380 29.422 29.464 29.506 29.548710 29.548 29.589 29.631 29.673 29.715 29.757 29.798 29.840 29.882 29.924 29.965720 29.965 30.007 30.049 30.090 30.132 30.174 30.216 30.257 30.299 30.341 30.382730 30.382 30.424 30.466 30.507 30.549 30.590 30.632 30.674 30.715 30.757 30.798740 30.798 30.840 30.881 30.923 30.964 31.006 31.047 31.089 31.130 31.172 31.213

750 31.213 31.255 31.296 31.338 31.379 31.421 31.462 31.504 31.545 31.586 31.628760 31.628 31.669 31.710 31.752 31.793 31.834 31.876 31.917 31.958 32.000 32.041770 32.041 32.082 32.124 32.165 32.206 32.247 32.289 32.330 32.371 32.412 32.453780 32.453 32.495 32.536 32.577 32.618 32.659 32.700 32.742 32.783 32.824 32.865790 32.865 32.906 32.947 32.988 33.029 33.070 33.111 33.152 33.193 33.234 33.275

800 33.275 33.316 33.357 33.398 33.439 33.480 33.521 33.562 33.603 33.644 33.685810 33.685 33.726 33.767 33.808 33.848 33.889 33.930 33.971 34.012 34.053 34.093820 34.093 34.134 34.175 34.216 34.257 34.297 34.338 34.379 34.420 34.460 34.501830 34.501 34.542 34.582 34.623 34.664 34.704 34.745 34.786 34.826 34.867 34.908840 34.908 34.948 34.989 35.029 35.070 35.110 35.151 35.192 35.232 35.273 35.313

850 35.313 35.354 35.394 35.435 35.475 35.516 35.556 35.596 35.637 35.677 35.718860 35.718 35.758 35.798 35.839 35.879 35.920 35.960 36.000 36.041 36.081 36.121870 36.121 36.162 36.202 36.242 36.282 36.323 36.363 36.403 36.443 36.484 36.524880 36.524 36.564 36.604 36.644 36.685 36.725 36.765 36.805 36.845 36.885 36.925890 36.925 36.965 37.006 37.046 37.086 37.126 37.166 37.206 37.246 37.286 37.326

900 37.326 37.366 37.406 37.446 37.486 37.526 37.566 37.606 37.646 37.686 37.725910 37.725 37.765 37.805 37.845 37.885 37.925 37.965 38.005 38.044 38.084 38.124920 38.124 38.164 38.204 38.243 38.283 38.323 38.363 38.402 38.442 38.482 38.522930 38.522 38.561 38.601 38.641 38.680 38.720 38.760 38.799 38.839 38.878 38.918940 38.918 38.958 38.997 39.037 39.076 39.116 39.155 39.195 39.235 39.274 39.314

950 39.314 39.353 39.393 39.432 39.471 39.511 39.550 39.590 39.629 39.669 39.708960 39.708 39.747 39.787 39.826 39.866 39.905 39.944 39.984 40.023 40.062 40.101970 40.101 40.141 40.180 40.219 40.259 40.298 40.337 40.376 40.415 40.455 40.494980 40.494 40.533 40.572 40.611 40.651 40.690 40.729 40.768 40.807 40.846 40.885990 40.885 40.924 40.963 41.002 41.042 41.081 41.120 41.159 41.198 41.237 41.276

1000 41.276 41.315 41.354 41.393 41.431 41.470 41.509 41.548 41.587 41.626 41.6651010 41.665 41.704 41.743 41.781 41.820 41.859 41.898 41.937 41.976 42.014 42.0531020 42.053 42.092 42.131 42.169 42.208 42.247 42.286 42.324 42.363 42.402 42.4401030 42.440 42.479 42.518 42.556 42.595 42.633 42.672 42.711 42.749 42.788 42.8261040 42.826 42.865 42.903 42.942 42.980 43.019 43.057 43.096 43.134 43.173 43.211 1050 43.211 43.250 43.288 43.327 43.365 43.403 43.442 43.480 43.518 43.557 43.5951060 43.595 43.633 43.672 43.710 43.748 43.787 43.825 43.863 43.901 43.940 43.9781070 43.978 44.016 44.054 44.092 44.130 44.169 44.207 44.245 44.283 44.321 44.3591080 44.359 44.397 44.435 44.473 44.512 44.550 44.588 44.626 44.664 44.702 44.740

50

1090 44.740 44.778 44.816 44.853 44.891 44.929 44.967 45.005 45.043 45.081 45.119 1100 45.119 45.157 45.194 45.232 45.270 45.308 45.346 45.383 45.421 45.459 45.4971110 45.497 45.534 45.572 45.610 45.647 45.685 45.723 45.760 45.798 45.836 45.8731120 45.873 45.911 45.948 45.986 46.024 46.061 46.099 46.136 46.174 46.211 46.2491130 46.249 46.286 46.324 46.361 46.398 46.436 46.473 46.511 46.548 46.585 46.6231140 46.623 46.660 46.697 46.735 46.772 46.809 46.847 46.884 46.921 46.958 46.995 1150 46.995 47.033 47.070 47.107 47.144 47.181 47.218 47.256 47.293 47.330 47.3671160 47.367 47.404 47.441 47.478 47.515 47.552 47.589 47.626 47.663 47.700 47.7371170 47.737 47.774 47.811 47.848 47.884 47.921 47.958 47.995 48.032 48.069 48.1051180 48.105 48.142 48.179 48.216 48.252 48.289 48.326 48.363 48.399 48.436 48.4731190 48.473 48.509 48.546 48.582 48.619 48.656 48.692 48.729 48.765 48.802 48.838 1200 48.838 48.875 48.911 48.948 48.984 49.021 49.057 49.093 49.130 49.166 49.2021210 49.202 49.239 49.275 49.311 49.348 49.384 49.420 49.456 49.493 49.529 49.5651220 49.565 49.601 49.637 49.674 49.710 49.746 49.782 49.818 49.854 49.890 49.9261230 49.926 49.962 49.998 50.034 50.070 50.106 50.142 50.178 50.214 50.250 50.2861240 50.286 50.322 50.358 50.393 50.429 50.465 50.501 50.537 50.572 50.608 50.644 1250 50.644 50.680 50.715 50.751 50.787 50.822 50.858 50.894 50.929 50.965 51.0001260 51.000 51.036 51.071 51.107 51.142 51.178 51.213 51.249 51.284 51.320 51.3551270 51.355 51.391 51.426 51.461 51.497 51.532 51.567 51.603 51.638 51.673 51.7081280 51.708 51.744 51.779 51.814 51.849 51.885 51.920 51.955 51.990 52.025 52.0601290 52.060 52.095 52.130 52.165 52.200 52.235 52.270 52.305 52.340 52.375 52.410 1300 52.410 52.445 52.480 52.515 52.550 52.585 52.620 52.654 52.689 52.724 52.7591310 52.759 52.794 52.828 52.863 52.898 52.932 52.967 53.002 53.037 53.071 53.1061320 53.106 53.140 53.175 53.210 53.244 53.279 53.313 53.348 53.382 53.417 53.4511330 53.451 53.486 53.520 53.555 53.589 53.623 53.658 53.692 53.727 53.761 53.7951340 53.795 53.830 53.864 53.898 53.932 53.967 54.001 54.035 54.069 54.104 54.138 1350 54.138 54.172 54.206 54.240 54.274 54.308 54.343 54.377 54.411 54.445 54.4791360 54.479 54.513 54.547 54.581 54.615 54.649 54.683 54.717 54.751 54.785 54.8191370 54.819 54.852 54.886 °C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

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APÊNDICE B

APÊNDICE C

Código fonte comentado do programa carregado no micro-controlador. #include <16F873.H> #use delay(clock=16620000) #fuses NOWDT,NOPROTECT,PUT,BROWNOUT,NOLVP,NOCPD,NOWRT,HS //#include <stdlib.h> // ------ variaveis ------ int ref,termopar; // Recebe o valor de referencia de temperatura e temperatura atual

// do forno int kp=2,ki=1; // Ganhos dos Controladores P e I int per=255; // periodo do modulo PWM - 1 khz, modificar setup_timer_2 para

// T2_DIV_BY_16 int per=206; // periodo do modulo PWM - 20 khz, modificar setup_timer_2 para

// T2_DIV_BY_1 int per=110; // periodo do modulo PWM - 30 khz, modificar setup_timer_2 para

// T2_DIV_BY_1 int dc; // duty cicle do PWM varia de 0 - 255 short sempre=1; // 1-continua e 0-desliga o programa (nunca deve desligar)

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long aux; // variavel auxiliar para a criação do duty cicle do PWM signed long erro,ant=20; //valores do erro atual e anterior do PI // ------ Programa Principal ------ void main() { delay_ms(100); // deley inicial para carregamento dos capacitores setup_timer_2(T2_DIV_BY_1,per, 1); // freq. PWM f= FOSC/(4*(per+1)) prescaler=1 // para PWM de 20kHz ou 30kHz utilizar

// T2_DIV_BY_1 // para PWM de 1kHz utilizar, T2_DIV_BY_16 setup_timer_1(T1_INTERNAL | T1_DIV_BY_1 ); setup_timer_0(RTCC_INTERNAL | RTCC_DIV_256); setup_ccp1(CCP_PWM); set_pwm1_duty(0); // PWM inicial zerado setup_port_a(ALL_ANALOG); // abilita o port A como estradas analógicas

// (usado apenas o A0) setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL ); // seta o modo do ADC set_adc_channel(0); // seleciona o canal a ser lido delay_us(10); // deley para carregamento do capacitor do ADC ant=0; while(sempre) { // entra Loop principal, nunca sai desse loop! setup_port_a(ALL_ANALOG); // abilita o port A como estradas analógicas

// (usado apenas o A0) setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); set_adc_channel(0); // seleciona o canal a ser lido delay_us(20); // deley para carregamento do capacitor do ADC termopar=read_adc(); // le a temperatura do forno ref=input_b(); // le a temperatura de referencia // -------- controle -------- erro=ref-termopar; // erro da malha de controle (diferenca da temperatura

// de referencia e a do forno) aux=(kp*erro) - (ki*ant); // PI simplificado dc=aux; // a variável de 8 bits recebe o valor final do duty cicle set_pwm1_duty(dc); // seta o duty cicle do PWM if(aux>=255) // testa o limite superior do duty cicle set_pwm1_duty(255); // seta valor máximo do duty cicle if(termopar>=ref) // testa o limite inferior do duty cicle set_pwm1_duty(0); // seta o valor minimo do duty cicle ant=erro; // move o valor do erro para o erroant, que sera usado

// no proximo loop delay_ms(100); // deley de 0,1 segundos } // end while } // end main

importante - controle automatico de temperatura - thiagojoselima

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