PROJETO DE UMA FONTE DC PARA PRODUÇÃO DE PLASMA APLICADO EM TRATAMENTO DE MATERIAIS

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1 INPE NTC/367 PROJETO DE UMA FONTE DC PARA PRODUÇÃO DE PLASMA APLICADO EM TRATAMENTO DE MATERIAIS Talyta da Silva Henrique Mário Ueda INPE São José dos Campos 2004

2 AGRADECIMENTOS Agradeço a todas pessoas que me ajudaram a vencer mais esta etapa da vida. Ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE, pelo auxilio financeiro de nove meses de bolsa auxílio de estágio e pela oportunidade de estudos e utilização de suas instalações. Ao Laboratório Associado de Plasma pela oportunidade de estudos e utilização de suas instalações. Aos técnicos e pesquisadores do INPE pelo conhecimento compartilhado. Ao orientador Prof. Dr. Mário Ueda pelo conhecimento passado, e pela orientação e apoio na realização deste trabalho. A meus pais por sempre acreditarem na importância do estudo.

3 RESUMO Neste trabalho, descrevemos o projeto e a construção de uma fonte de 1,4 kv e 2,5 A. Esta fonte DC é alimentada pela rede CA 220V, 60Hz sendo a tensão de saída, e depois esta é filtrada por um banco de capacitores. A fonte de corrente contínua (CC) servirá para formação de plasma por descarga glow, que será aplicado em tratamentos de materiais usando a técnica de implantação iônica tridimensional ou implantação iônica por imersão em plasma (IIIP). Aplicando-se uma diferença de potencial de cerca de 400 a 900V entre o eletrodo e a parede da câmara, forma-se uma descarga glow de alta intensidade. Para auxiliar o início do plasma, um filamento aquecido produz a ionização inicial do gás. Os elétrons colidem com as moléculas neutras do gás e assim forma-se o plasma. O plasma é conhecido como o quarto estado da matéria. Ele é criado quando um gás é superaquecido e os elétrons causam a ionização dos átomos, deixando partículas eletricamente carregadas. Uma condição essencial para o plasma é que ele seja quase completamente neutro. Uma das características é a interação muito forte de suas cargas positivas e negativas o que resulta em uma variedade de propriedades coletivas como ondas eletromagnéticas, ele pode surgir a temperaturas relativamente baixas de acordo com a composição do gás. A chama de uma vela e a luminescência de uma lâmpada fluorescente são alguns exemplos. O plasma aparece naturalmente no espaço interestelar e em atmosferas do sol e das outras estrelas. Porém, ele também pode ser criado em laboratório. Para ser realizada uma experiência de implantação iônica tridimensional ou IIIP, temos disponível no laboratório do INPE: um sistema de vácuo que consiste de uma bomba mecânica e uma difusora; uma câmara de aço inox aterrada que possui várias janelas para diversas saídas como um eletrodo metálico onde é aplicada a tensão da fonte que forma o plasma; as entradas para injeção dos gases (que serão utilizados na produção do plasma), as dos pulsos de alta tensão, do filamento (emissor de elétrons) e do sistema de vácuo. A conjunção de todos estes sistemas independentes funcionando adequadamente, incluindo a fonte CC aqui descrita, é que possibilita a realização plena de tratamentos superficiais em materiais diversos. 2

4 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO PLASMA Noções sobre a Física do Plasma Histórico da Pesquisa em Plasma Características da Descarga Glow Características da Descarga em Arco Características da Implantação de Íons por Imersão em Plasma SISTEMA DE VÁCUO Especificações do Sistema de Vácuo PROJETO DA FONTE DE ALIMENTAÇÃO Principio de funcionamento da fonte Descrição do Sistema de Alta Tensão Cálculos do Sistema de Alta Tensão Funcionamento do Sistema de Proteção Descrição do Sistema de Proteção Cálculos do Sistema de Proteção RESULTADOS OBTIDOS CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES...34 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...35 APÊNDICE 1 LISTA DE COMPONENTES

5 LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 Figura 2.2 Figura 2.3 Figura 2.4 Figura 2.5 Figura 3.1 Figura 3.2 Figura 4.1 Figura 4.2 Figura 4.3 Figura 4.4 Figura 4.5 Figura 4.6 Figura 4.7 Figura 4.8 Figura 4.9 Figura 4.10 FIGURA 4.11 FIGURA 5.1 FIGURA 5.2 FIGURA 5.3 FIGURA 5.4 Ionosfera Terrestre Lâmpadas Fluorescentes Descargas elétricas A curva de corrente e voltagem DC em tubo de descarga elétrica, com plasma de baixa energia em tratamentos de difusão térmica esta indicada na região de glow anormal entre os pontos G e H. Esquema do funcionamento do processo de implantação iônica Esquema da câmara de vácuo Câmara e bomba de vácuo do experimento IIIP do LAP/INPE Onda senoidal e saída retificada de onda completa Filtragem de onda completa Diagrama de Blocos da Fonte de Alimentação Esquema da fonte de alimentação Parte traseira da fonte Banco de capacitores e transformador Imagem lateral direita da fonte e suas respectivas ligações Ponte de diodos Placa de circuito impresso do sistema de proteção e calibração dos medidores Circuito para a leitura de tensão Circuito para a leitura de corrente Circuito do teste feito em vazio com a leitura de tensão feita pelo voltímetro Circuito feito para a medição do ripple da fonte Sinal do ripple medido em torno da tensão média de 1,4kV Sinal do ripple em torno de 1,4kV FIGURA 5.5 Descarga do capacitor 4

6 FIGURA 5.6 Resolução da curva de descarga do capacitor Figura 5.7 Figura 5.8 Figura 5.9 Figura 5.10 Circuito feito para a calibração do amperímetro Circuito de medição de corrente Plasma glow DC produzido com a fonte construída neste trabalho Fonte de tensão DC 5

7 LISTA DE SÍMBOLOS SÍMBOLOS SÍMBOLO DE GRANDEZA GRANDEZA W Watt Potência V Volts Tensão elétrica A Ampéres Intensidade de corrente Ω Ohms Resistência elétrica F Faraday Capacitância V p Tensão de pico Tensão elétrica I r Corrente do relé Corrente I c Corrente do coletor Corrente I máx Corrente máxima Corrente V ripple Tensão de ripple Tensão elétrica r Especificação do ripple Tensão elétrica K/W Resistência Resistência térmica τ tau Tempo T e Temperatura do elétron Temperatura T g Temperatura do gás Temperatura 6

8 1 INTRODUÇÃO Este trabalho de engenharia elétrica tem por objetivo descrever as fases de projeto e construção de uma fonte de alimentação variável de alta tensão, de 0 a 1,4 kv e corrente máxima de 2,5 A, para aplicação em processos de geração de plasma por descarga tipo glow em regime contínuo no tratamento de superfícies de materiais diversos por implantação iônica tridimensional. O projeto e a construção da fonte de alimentação foram desenvolvidos a partir do modelo de uma fonte previamente existente no Laboratório Associado de Plasma (LAP) do INPE. Em linhas gerais esta fonte deve, inicialmente, amplificar a tensão de entrada por meio de um transformador, em seguida retificar o sinal de onda convertendo do modo alternado para contínuo e finalmente filtrar o sinal. Um sistema de proteção de sobrecorrente foi também projetado de modo a evitar que excessiva corrente passe através da fonte, o que poderia danificá-la. O tratamento da superfície de materiais por implantação iônica desenvolvido no Laboratório Associado de Plasma (LAP) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais é feito pulsando-se tensão numa amostra imersa num plasma de nitrogênio, com uma certa taxa de repetição. A técnica conhecida como IIIP permite a implantação de uma peça inteira independentemente de forma e tamanho. No dispositivo IIIP, o plasma é gerado por uma descarga glow DC onde pulsos negativos de alta tensão são aplicados repetidamente numa amostra que permitem a formação de uma bainha de plasma em torno da mesma, produzindo a extração e aceleração simultânea dos íons provenientes do plasma e a consequente implantação tridimensional das peças. Quanto ao sistema de vácuo, o mesmo é constituído por uma bomba mecânica, uma bomba difusora e uma câmara cilíndrica de aço inox aterrada com várias janelas de acesso para os sistemas elétricos, de vácuo, de alimentação do gás e de coleta de dados. 7

9 2 PLASMA 2.1 Noções sobre a Física do Plasma A palavra plasma é de origem grega, que significa um material moldável. Através dos tempos, a palavra era usada desta maneira, para designar materiais moldáveis ou que fluem, como um exemplo: o plasma sanguíneo. Atualmente o plasma na física é conhecido como o quarto estado da matéria, isto é: um gás ionizado contendo elétrons, íons e átomos neutros, mantendo-se macroscopicamente neutro [2]. A maior parte da matéria do universo está no estado de plasma. As estrelas são um exemplo, sendo o seu interior e superfície constituída de matérias completamente ionizadas, por causa de suas altas temperaturas. Também temos como exemplo como mostra as figuras 2.1 e 2.2: - a Ionosfera Terrestre que possibilita as comunicações por rádio FIGURA 2.1- Ionosfera Terrestre. 8

10 - as Lâmpadas fluorescentes (plasmas gerados em laboratórios) FIGURA Lâmpadas Fluorescentes. Alguns dos parâmetros dos quais o plasma depende são: pressão, densidade, temperatura, presença de campos magnético e elétrico. Como exemplo podemos citar a ionização de um gás, resultante da aplicação de um campo elétrico, que provoca o surgimento de uma descarga elétrica, conhecida como descarga contínua tipo glow 1. Podemos definir o plasma genericamente como sendo um sistema composto por partículas neutras e eletricamente carregadas, mas macroscopicamente neutro. Isto significa que no plasma a densidade dos íons é praticamente igual à densidade dos elétrons. Outra característica do plasma é o comportamento coletivo, ou seja, o movimento das partículas do plasma por forças de longo alcance, a força que as partículas carregadas de um plasma exercem sobre uma dada carga, diminui com a distância do ponto onde foi medido o potencial até a carga [2]. O plasma pode ser produzido em temperaturas de milhões de graus centígrados e tem aplicações de grande importância em pesquisa de produção de energia termonuclear, ou seja, a fusão termonuclear controlada por confinamento magnético, como em dispositivos tokamak 2 em que reações nucleares podem vir a contribuir, para o fornecimento futuro de energia elétrica. A forma mais simples de se obter um plasma é através de uma descarga elétrica, ou seja, aplicando uma diferença de potencial elétrico entre dois eletrodos. 1 Glow:, brilhos, luminescência 2 Tokamak: Uma câmara toroidal usada em pesquisa de fusão nuclear, na qual um plasma é aquecido e confinado através de campos magnéticos 9

11 2.1.1 Histórico da Pesquisa em Plasma M. Faraday (1830) realizou estudos sobre descargas elétricas na atmosfera para estudo de reações químicas induzidas por correntes elétricas. Observou estruturas gasosas luminosas que indicavam um novo estado da matéria; FIGURA Descargas elétricas. J.J.Thonson (1895) descobriu o elétron. Em 1900 o aperfeiçoamento das técnicas de vácuo, permitindo estudos de descargas elétricas em ambiente controlado; I. Langmuir e Crookes (1903) estudaram tubos de descarga com gases sob baixa pressão (retomada do antigo trabalho de Faraday). Também nesse período, surgiram os primeiros modelos teóricos para ionização, recombinação, difusão, colisões de elétron-íon, formação de íons negativos; P. Jawsend e J.J.Thonson (1920) investigam ionizações a partir de colisões múltiplas; I. Langmuir e H. Mott-Smith (1926) utilizam pela primeira vez o termo plasma para designar gases ionizados; Em 1929 I. Langmuir e L. Janks utilizam pela primeira vez sondas eletrostáticas para diagnosticar plasmas em descargas sob baixa pressão. Tais experimentos foram precursores dos tubos de descarga com mercúrio para iluminação. Também neste período, ocorreram duas importantes descobertas: as oscilações naturais do plasma (f p ) e a blindagem de cargas (λ d ) no plasma; Os cientistas H. Alfven, E. Appleton, S. Chandrasekhar, S. Chapman, T. Cawling, M.Saha e L. Spitzer; (1930 a 1950) fundamentaram teorias da física de plasma, através do estudo de plasmas astrofísicos. Em 1958 Van Allen descobre os cinturões de radiação no plasma confinado na magnetosfera terrestre; Em 1961 o surgimento do primeiro conceito bem sucedido de confinamento magnético de plasmas: o TOKAMAK; 10

12 Os primeiros resultados tecnológicos oriundos da pesquisa em plasma surgiram em 1970 com as lâmpadas especiais; o arco de plasma para solda e corte; as chaves de alta tensão; a implantação de íons; a propulsão espacial; o laser a Plasma e reações químicas com plasma reativo. Na atualidade lâmpadas a base de hidrogênio por RF, são comercializadas; terminais de vídeo plano a plasma desenvolvido em Osaka no Japão; a utilização de filtros a plasma, que elimina 90% de gases poluentes de veículos automotores; a utilização bem sucedida de propulsores iônicos para propulsão primária com Xenônio na aeronave Deep Space 1[2]. 2.2 Características da Descarga Glow A descarga tipo glow se desenvolve em um gás com pressões menores de mbar conforme mostra a figura 2.4 na faixa de corrente entre 10-6 e 1A, produzida entre dois eletrodos, o catodo (-) e o anodo (+). Os elétrons são liberados através da ionização do gás ou dos eletrodos, pela colisão dos íons. Isto requer uma quantidade definida de energia, o valor de energia necessária para ionizar um átomo ou molécula é chamado de energia de ionização [1]e[3]. FIGURA 2.4 A curva de corrente e voltagem DC em tubo de descarga elétrica,com plasma de baixa energia em tratamentos de difusão térmica esta indicada na região de glow anormal entre os pontos G e H.[2] 11

13 2.3 Característica da Descarga em Arco Petroff (1800) foi quem descobriu uma descarga em arco que persiste quando a pressão do ar é reduzida num tubo de descarga. Em uma descarga em arco não existe diferença entre as temperaturas do gás de trabalho e do elétron são de ~ 5000K 25000K. A descarga de arco acontece na atmosfera assim como em baixas ou altas pressões, tanto em gases quanto em vapores. É a região de descarga que tem a corrente mais alta. 2.4 Característica da Implantação de Íons por Imersão em Plasma Implantação de íons em superfície de materiais é uma técnica que tem mostrado um grande potencial para melhorar o desempenho de componentes de uso industrial e óptico tais como: resistência à corrosão, dureza e tempo de fadiga. Neste processo os íons são acelerados com uma alta energia e introduzidos dentro da superfície do material a ser tratado. Átomos penetram no substrato a uma profundidade de 0,01µm 10µm, dependendo do número atômico e da energia dos íons, o que resulta numa fina camada modificada ligada à superfície do substrato. Quando um átomo ou molécula absorve energia de um elétron, um ou mais elétrons são perdidos e partículas de carga positiva são formadas, e este processo é chamado de ionização. O processo de ionização mais importante é o obtido por colisões de elétrons com átomos neutros. O plasma contendo os íons assim formados se torna à fonte de cátions para a implantação. No processo IIIP (Implantação de Íons por Imersão em Plasma) as amostras ou peças com acabamento a serem tratadas são completamente imersas em plasma e submetidas a pulsos negativos de alta voltagem (10-100µs, kV) os quais são aplicados repetitivamente ( Hz) à bainha de plasma que se forma em torno do alvo, permitindo assim a extração e aceleração simultânea dos íons provenientes do plasma e a conseqüente implantação tridimensional das peças-alvo. Na fig.2.5, um sistema IIIP típico é mostrado, onde apresentamos um alvo de geometria extremamente complexa que é submetido a uma implantação tridimensional de íons. A maior parcela de alta tensão aplicada aparece na bainha de plasma que se expande rapidamente enquanto a implantação iônica prossegue até o fim do pulso de tensão. A distribuição de potencial resultante é conforme e conseqüentemente a implantação tridimensional é obtida. Com a devida montagem dos alvos, o processamento IIIP pode ser 12

14 aplicado em um grande número de peças simultaneamente, ou em peças de grande porte ou peças de pesos excessivos dependendo da câmara de tratamento disponível. Estas características importantes do IIIP são extremamente favoráveis à industrialização em larga escala de produtos com propriedades superficiais de alto desempenho obtidas por implantação iônica. O processamento de superfície pelo método IIIP é considerado como tecnologia emergente com grandes aplicações em engenharia de superfície de materiais englobando metais, dielétricos e semicondutores. Os principais objetivos da aplicação de implantação iônica por IIIP em metais são: - o aumento de resistência ao desgaste; - aumento da dureza; - resistência à corrosão e ferrugem; em dielétricos e semicondutores são : - resistência a arranhões; - condução elétrica; - filtros ópticos. As desvantagens principais do processamento IIIP são: - camada superficial modificada é muito fina; - inexistência de separação de elementos de massas diferentes; - íons com distribuições de energias variando de zero ao valor máximo do pulso; - presença de elétrons secundários que limitam a eficiência do processo e que vem acarretar na produção de raio-x. [1]e[2] 13

15 FIGURA 2.5 Esquema do Funcionamento do Processo de Implantação Iônica (IIIP). FONTE: [1]. 14

16 3 SISTEMA DE VÁCUO 3.1 Especificações do Sistema de Vácuo O principal fator que implica na dificuldade de se obter plasma na superfície terrestre é pressão atmosférica. Para produzir plasma precisamos de baixa pressão, visto que a diferença de potencial necessária para produzir a descarga elétrica que dá início ao plasma é proporcional à pressão, sendo que, na pressão atmosférica, esta descarga é extremamente difícil de se obter. [7] Um segundo ponto vem da recombinação das partículas (troca de cargas). Num meio muito denso (alta pressão) os íons facilmente seriam neutralizados não havendo assim tempo suficiente para existir o plasma. Logo, o plasma somente ocorre naturalmente no espaço (no vácuo), ou na alta atmosfera (à exceção das chamas e dos raios). No laboratório o mesmo é obtido sempre em câmaras nas quais é feito vácuo através de bombas de vácuo. Para se alcançar estas pressões, são necessários diversos tipos de bomba de vácuo trabalhando em conjunto. A escolha e feita de acordo com o intervalo de pressões em que cada uma delas funcionam, e as principais bombas utilizadas em laboratório são as bombas mecânicas, difusoras e as turbomoleculares. O sistema de Implantação Iônica por Imersão em Plasma, (IIIP), do LAP/INPE, consiste numa câmara de vácuo como mostra a figura 3.1 e 3.2, em aço inoxidável, de 38cm de comprimento e 28cm de diâmetro interno. Uma bomba mecânica rotativa é utilizada para diminuir a pressão da câmara até cerca de 10-2 mbar, quando também é ligada a bomba difusora, com a qual a pressão na câmara é reduzida até cerca de mbar. A pressão do gás de trabalho, durante a implantação iônica é da ordem de mbar.[7] 15

17 FIGURA 3.1 Esquema do sistema IIIP do LAP/INPE. FIGURA 3.2 Câmara e Bomba de Vácuo do Laboratório do LAP/INPE. 16

18 4 PROJETO DA FONTE DE ALIMENTAÇÃO 4.1 Princípio do Funcionamento do Sistema de Alta Tensão O presente trabalho teve por objetivo o projeto e construção de uma fonte de alimentação variável de alta tensão, de 0 a 1,4 kv e corrente de até 2,5 A. Os componentes foram dimensionados para que futuramente a fonte possa fornecer uma corrente até 10A. Para isto basta a substituição do variac por um de maior potência. A operação da fonte de alimentação variável de alta tensão consiste primeiramente de uma amplificação da tensão da rede. Para tal é utilizado um transformador com um variac 3 em sua entrada para regulagem da tensão de entrada. Em seguida a tensão senoidal é retificada através de uma ponte de diodo obtendo-se assim uma tensão retificada de onda completa, como mostra a figura 4.1. [5] FIGURA Onda senoidal e saída retificada de onda completa FONTE: [5]. Depois de retificada a tensão é filtrada pelo banco de capacitores que apresentará uma ondulação numa freqüência de ondulação de 120 Hz. Neste caso o capacitor é carregado com uma frequência duas vezes maior que a da rede e com isso tem somente a metade do tempo na descarga, obtendo-se assim a vantagem da capacitância necessária para filtrar ser a 3 Variac: Variador de tensão 17

19 metade em comparação ao um retificador de meia onda. A tensão filtrada apresenta-se com o perfil da linha contínua, mostrada na figura 4.2. FIGURA Filtragem de onda completa. FONTE: [5]. Esta onda tem um ripple 4 que é calculado pela expressão abaixo: V r = r.v p onde: V r = tensão de ripple V p = tensão de pico r = especificação do ripple relativo (ex.: com 10% de o ripple será 0,10) Escolhida a porcentagem da tensão de ripple podemos calcular o valor da capacitância pela expressão abaixo V I = r f C V r = tensão de ripple I = corrente nominal f = frequência C = capacitor 4 Ripple: Ondulação 18

20 4.2 Descrição do Circuito de Alta Tensão A retificação do sinal foi feita por uma ponte de diodos (1,2kV, 16A) em série para suportar a tensão reversa que vai ser aplicada sobre eles. Estes diodos foram montados sobre uma base isolante de fenolite, e esta base montada em um suporte de celeron, que isola os diodos do gabinete, como mostra a figura 4.5 e 4.7 com suas respectivas ligações. A filtragem da onda completa é feita por um banco de capacitor composto por oito capacitores de 40µF/2,5kV ligados em paralelo totalizando uma capacitância de 320µF. Essa capacitância foi determinada para garantir um ripple máximo de 20% quando futuramente a corrente de saída atingir 10 A. O banco de capacitores foi isolado do gabinete por uma base de PVC e milar, vide a figura 4.6. Foi incluída uma resistência de 60kΩ em paralelo com estes capacitores, para a descarga destes quando o circuito for desligado, garantindo assim a total descarga do banco após alguns minutos. Uma resistência, composta por dois resistores em paralelo de 3,3Ω, 200W, foi colocada para limitar a corrente de saída da fonte em torno de 800A caso a mesma seja acidentalmente curto-circuitada, como por exemplo no caso da formação de um arco entre os eletrodos de descarga. A resistência foi instalada no gabinete utilizando um suporte de fenolite. Como mostrado nas figuras 4.3 e 4.4 temos o diagrama de blocos do circuito que foi utilizado no projeto e o esquema elétrico. Contator Rede 220/60Hz Variac Transformador Retificador Filtro Câmara (Eletrodo) Sistema de Proteção FIGURA 4.3 Diagrama de Blocos do Circuito da Fonte DC. 19

21 R3 R7 220V +V K3 F1 Variac T1 D1 C1 R9 R2 +V -220V K4 R5 R1 NO DATA DC V K2 B2 R10 NO DATA DC A CHgeral S21 +V 6V K1 R4 A1 C6 D2 R6 Q1 S1 +V -6V B1 S11 D4 R8 C7 T2 FONTE 5V PARA ALIMENTAÇÃO DO RELE U2 IN OUT 6V +V D3 C2 COM C4 C3 U3 IN OUT -6V +V COM C5 FIGURA 4.4 Esquema da Fonte de Alimentação. FIGURA 4.5 Parte traseira da fonte composta pela ponte de diodos. 20

22 FIGURA 4.6 Banco de Capacitores e transformador. FIGURA 4.7 Imagem da lateral direita da fonte e suas respectivas ligações. 4.3 Cálculos para o Sistema de Alta Tensão Para saber os valores foram feitos os seguintes cálculos: - Tensão de pico: V p = V rms 0,707 1KV = = 1,4kV 0,707 - Tensão de ripple: Vripple = 20 % Vp = 20% 1400= 280V - Capacitância: 21

23 I 10 C = = = 300 µf fv ripple - do resistor de descarga do capacitor o tempo foi submetido à 18 segundos, tendo uma resistência de: 18 R = τ = = kω C - a potência do resistor é de: V P = = = 33W R 60KΩ Sendo I arco = 1kA, o cálculo do resistor limitador e sua potência são: V 1400 R = = = 1, 4Ω I P = R I = 1,4 10 = 150W (Foi calculada com a corrente de 10 A, porque este será o máximo de corrente especificado para o sistema). Os cálculos dos dissipadores dos diodos foram feitos através das características do componente. Os dissipadores foram construídos na oficina mecânica do LAP/INPE. T J = P ( R + R + R ) + T θ JC θcd DA A θ 175 = 6 (0,5 + 1,6 + R θ DA ) R θ = 2,1 = 20K / W DA 6 22

24 FIGURA 4.8 Ponte de diodos. 4.4 Funcionamento do Sistema de Proteção O circuito de proteção baseia-se em um amplificador operacional que no caso trabalha como um comparador de tensão. São comparadas duas tensões, uma proveniente do resistor shunt que reflete a corrente que está sendo drenada da fonte e a outra determinada pelo trimpot R4, que estabelece qual corrente o circuito vai atuar.é portanto aplicada uma tensão na entrada não-inversora do operacional através do trimpot R4, de modo a fazer o circuito atuar quando a corrente de saída for ligeiramente superior a corrente nominal da fonte. A tensão do resistor shunt é aplicada na entrada inversora. Em condições normais de uso da fonte, isto é, quando a corrente de saída for inferior a corrente nominal a entrada inversora é submetida a tensões mais positivas em relação à não-inversora, assim a saída do operacional permanece em aproximadamente V cc, fazendo com que Q1, fique cortado e em conseqüência disso o relé desoperado. Quando ocorre uma sobrecorrente na saída da fonte a entrada inversora passa a ter com um potencial mais negativo do que na entrada nãoinversora, fazendo com que a saída do operacional assuma um potencial próximo a +V cc. Com isso o transistor é polarizado diretamente via R6 e passa para o estado de saturação, acionando o relé RL1 que através de seu contato normalmente fechado, corte a alimentação da bobina do contator principal K1, desligando assim todo o circuito de potência. 4.5 Descrição do Circuito de Proteção Primeiramente foram feitas as montagens do sistema de proteção no protoboard e depois à montagem na placa final. 23

25 Para testar o sistema de proteção o circuito foi ajustado para desarmar com uma corrente de 1A. Essa corrente foi obtida aplicando-se uma tensão de 100mV no resistor tipo shunt 5 de 0.1Ω. Na montagem foi utilizado um suporte de PVC para fixação da placa do sistema de proteção no gabinete. A figura 4.9 mostra uma placa que contém o sistema de proteção e a calibração dos medidores de tensão e de corrente. FIGURA 4.9 Placa de circuito impresso do sistema de proteção e calibração dos medidores Cálculos para a Construção do Sistema de Proteção As características dos componentes para os medidores foram calculadas com suas correntes máximas sendo de 100 µa e outra de 50 µa. Suas potência então são: P = I R = ( ) 0,1 = 1nW P = I R = (50 10 ) 0,1 = 0, 25nW Utilizamos dois trimpots com ajuste nos valores de 10kΩ e 500Ω, devido à existência de uma resistência interna nos amperímetros no caso de R int (100µA) = 1,6 kω e R int (50µ A) = 3,9 kω. Este circuito mostrado na figura 4.10 formado por um trimpot R2 de ajuste no valor de 500Ω, uma resistência R7 no valor total de 4MΩ e um voltímetro composto por uma 5 Shunt: Uma conexão de baixa-resistência entre dois pontos em um circuito elétrico que forma um caminho alternativo para uma porção da corrente 24

26 resistência interna no valor de 3,9kΩ. Os cálculos foram feitos para que a corrente de fundo de escala do instrumento 50µ A seja atingida quando a tensão da fonte for de 2kΩ. + V1 R7 R2 NO DATA DC V FIGURA 4.10 Circuito para leitura de tensão. Para medição de corrente utiliza-se uma amostra da tensão do resistor R4, tipo shunt convenientemente condicionada por este circuito mostrado na figura 4.11 para que o medidor atinja um deflexão máxima com a corrente nominal da fonte. Os valores dos componentes são: R5 = 0,1Ω, R1=10kΩ R5 R1 NO DATA DC A FIGURA 4.11 Circuito para leitura de corrente. Sabendo a tensão do relé é de 6V e sua resistência de 52 Ω, temos o valor da corrente do relé e do coletor do transistor que são: 6 I r = = 115mA Ir = I c = 115 ma 52 Devido a esse valor esperado de corrente, foi utilizado o transistor BC337 que suportaria a mesma. 25

27 Os cálculos a seguir são para a fonte de 6V, utilizada na alimentação do sistema de sobrecorrente. O valor do capacitor utilizado é de: C = f I V ripple 0,75 = 7,35mF 120 0,85 Foi utilizado o capacitor de 4700 µ F, dos mais comuns no mercado. - Foi calculado com 10% de tensão do ripple que será : V ripple = 10 % 8,5 = 0, 85V - O tempo foi submetido em 60s 60s R = = 8, 2 kω 7,35mF P 8,5 2 = = 8, mw 8,2 kω 8 26

28 5 Resultados Obtidos Foram feitos os testes com o sistema em vazio chegando ao máximo de tensão do voltímetro, no caso 1kV, e utilizando um osciloscópio, chegando à tensão máxima de 1,4kV. Também foi feita a calibração do voltímetro da fonte como mostra figura V FIGURA 5.1 Circuito do teste feito em vazio com a leitura de tensão feita pelo voltímetro. Medimos também o ripple da fonte aplicando a tensão máxima da fonte e um conjunto de três resistores em série de 600Ω e 500W cada, totalizando 1,8kΩ. A corrente máxima nos resistores foi de: V 1400 I máx. = = 0, 8 A, R 1800 assim, a potência dissipada em cada resistor foi de: 2 2 P = R I = 600 0,8 = 384W, ou seja, menor que a potência nominal de cada resistor. A figura 5.2 mostra o esquema utilizado para a medição de ripple da fonte. 27

29 1400V osciloscópio NO DATA DC V 600 FIGURA 5.2 Circuito feito para medição do ripple da fonte. O sinal do ripple obtido no osciloscópio em nível DC, apresentou-se como mostrado na figura V r =15,4 V Tensão (V) ,00 0,01 0,02 0,03 0,04 Tempo (s) FIGURA 5.3 Sinal do ripple medido em torno da tensão média de 1,4kV. 28

30 Em nível AC no osciloscópio tem-se um ripple como a figura V r =14,8V Tensão (V) ,005 0,010 0,015 0,020 Tempo (s) FIGURA 5.4 Sinal do ripple em torno de 1,4kV Curva de descarga do capacitor 1000 Curva de descarga do capacitor 800 V d (V) Tempo (s) FIGURA 5.5 Descarga do capacitor 29

31 Equação da Curva da Descarga do Capacitor V ( t)= V i e t RC ln( V ) = ln( V e i t RC ) = lnv + lne i t RC 1 y = ax+b, então b = ln (V i ) e a = RC = lnv i t RC Os valores experimentais calculados a partir dos dados medidos de queda de tensão em função do tempo são: b= 6,90 ± 0,02 a = 0,0525 ± a RC = 1 1 RC = = 19,05s 0,0525 O valor teórico é : τ = = = 19,20s A figura 5.6 mostra a resolução da curva de descarga do capacitor ln(v d ) Tempo (s) FIGURA 5.6 Resolução da curva de descarga do capacitor 30

32 Este circuito da figura 5.7 foi utilizado para fazer a calibragem do amperímetro. 253V amperímetro NO DATA DC V FIGURA 5.7 Circuito feito para calibração do amperímetro. A corrente da fonte é medida através da queda de tensão em um resistor shunt de 0,1Ω. Para uma corrente máxima de 2,5 A no fundo de escala do amperímetro, a queda de tensão no resistor shunt será de: V = R I = 0,1x 2,5 = 0, V. shunt máx 25 Como o fundo de escala do outro amperímetro é de 100µA, então a resistência em série com o amperímetro deve ser de: V 0,25 R = = = 2, 5kΩ 4 I 10 R = resistência I máx = corrente máxima I = corrente do fundo de escala do amperímetro V = tensão A resistência interna do microamperímetro é de 1,6kΩ, e desta forma foi colocado um trimpot multivoltas para ajustar a resistência como mostrado na figura 5.8. FIGURA Circuito de medição de corrente. R = 5kΩ (resistência de ajuste da corrente de fundo de escala) 31

33 O teste final com a fonte foi o de produzir o plasma através da descarga glow DC. O plasma foi criado na câmara descrita no capítulo 3, utilizando o gás nitrogênio, a uma pressão de mbar. Com a ajuda do filamento emissor de elétrons, o plasma acendeu com uma tensão de ~ 100V e uma corrente de 0,5A, como mostra a figura 5.9. Foi testado o sistema de proteção de corrente, variando a tensão aplicada no eletrodo da descarga, onde verificamos que este funcionou de acordo com o esperado.a fonte foi ligada junto com o pulsador de alta tensão e foi verificado que não houve interferência na fonte de ruídos gerados pelo pulsador. FIGURA 5.9 Plasma glow DC produzido com a fonte construída neste trabalho 32

34 A figura 5.10 mostra a fonte de tensão DC construída neste trabalho de graduação. FIGURA 5.10 Fonte de tensão DC. 33

35 6 Conclusões e considerações O trabalho realizado concluiu-se com a construção de uma fonte de alimentação de regime contínuo. Esta fonte de alimentação foi construída para produção de plasma por descarga glow, com a finalidade de utilizá-lo em tratamentos de superfície de materiais pelo processo de Implantação Iônica por Imersão de Plasma (IIIP). Foi desenvolvido um sistema de proteção da fonte que atua caso a corrente ultrapasse o limite pré-ajustado. De acordo com os resultados obtidos nos testes dos circuitos de sobrecorrente e alta tensão, podemos considerar que o projeto alcançou o objetivo estabelecido neste trabalho de graduação. Devido à complexidade do trabalho foi feito um estudo específico na área de física de plasma. 34

36 Referências Bibliografia [1] Anders, A. Handbook of plasma immersion ion implantation and deposition. Lawrence Berkeley National Laboratory [2] Boening, H. V. Plasma science and technology. Cornell University Press. [3] Gomes, Geraldo Francisco. Construção e diagnósticos básicos de um Z- Pinch.Guaratinguetá-SP, [4] Mello, Luiz Fernando P. Projeto fonte chaveada. Érica, [5] Malvino, Albert Paul. Eletrônica. São Paulo: Ed. McGraw-Hill, v. 1 e [6] Rashid, M. H. Spice for power electronics and electric power. Englewood Cliffs, N.J: Prentice Hall, [7] Ueda, M. ; Gomes, G. F. ; Castro, R.M.; Berni, L.A.; Oliveira, R. Q. Desenvolvimento e otimização de uma fonte de descarga glow DC par a através Implantação Iônica por Imersão em Plasma(IIIP) e caracterização do plasma obtido de sonda de Langmuir com aquisição digitalizada de dados. São José dos Campos: INPE, 1/

37 Apêndice 1 Lista de Componentes PARA O CIRCUITO DE ALTA TENSÃO Quantidade Referência Componentes Características 8 C1 Capacitor Bosh MP, 40µF/2.5kV 8 D1 Diodo 16FR120, I surto =310A, I DC =16A, I média =5A, T máx(j) =175, 1200V, junção de encapsulamento: 1,6K/W, 0,5K/W 2 R3 Resistor 3,3Ω/200W 4 R7 Resistor 1MΩ/0,25W 6 R9 Resistor 10kΩ/10W 1 T1 Transformador RM552003, série: , 220/1000V, 10 A 1 Variac Mod.:2415/-, 220/240V, 15A, 3,6kW Para o circuito de Sistema de Proteção Quantidade Referência Componentes Características 1 A1 Amplificador HA17741 V cc =18V Operacional 2 C2, C3 Capacitor Eletrolítico 4.7kV/16V 4 C4, C5, C6, Capacitor 100nF/16V C7 1 K1 Contator Siemens- Contator Bipolar, 2NA+2NF, 63A/690V 3TF47, 22-0AN1 5 D3, D4 Diodo 1N4007 V rms =1kV, I=1A 1 R5 Resistor 0,1Ω/2,5W 1 R8 Resistor 3kΩ/1W 1 R6 Resistor 1kΩ/1W 1 S1 Relé 52Ω/6V, 1 U2 Regulador 7806 Tensão 1 U3 Regulador 7906 Tensão 1 R1 Trimpot Multivoltas 10kΩ 36

38 1 R2 Trimpot 500Ω Multivoltas 1 R4 Trimpot 1kΩ Multivoltas 1 T2 Transformador Com Center-Tape,220V de entrada, 6VCT6V, 750mA 37