CIRCUITO PARA MEDIÇÃO DE CORRENTES ELEVADAS

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DISCIPLINA: INSTRUMENTAÇÃO ELETRÔNICA PROFESSOR: LUCIANO FONTES CAVALCANTI CIRCUITO PARA MEDIÇÃO DE CORRENTES ELEVADAS ALUNO: JULLIAN LAURENTINO DAS NEVES CARNEIRO MARCIO GOMES DILERMANO NATAL RN JUNHO 2011

2 ALUNO: JULLIAN LAURENTINO DAS NEVES CARNEIRO MÁRCIO GOMES DILERMANO CIRCUITO PARA MEDIÇÃO DE CORRENTES ELEVADAS Projeto prático para disciplina de instrumentação eletrônica na graduação na Universidade Federal do Rio Grande do Norte NATAL RN JUNHO

3 Resumo O projeto tem como objetivo criar um circuito prototipado para medição de correntes elevadas, todo o estudo é direcionado a usar os melhores elementos para o funcionamento perfeito de um sensor de corrente da empresa LEM. O sensor é o LAH 25-np se mostrou durante o projeto muito eficiente atendendo realmente os dados que eram mostrados no seu datasheet, muito robustez, com offset bem pequeno, bom tempo e entre outras qualidades, fizeram dele a melhor escolha. O circuito deve ser usado na prática em sistemas de industriais pois se mostra muito eficiente a correntes elevadas e picos de correntes. 3

4 Lista de figuras Ilustração 1-Efeito Hall...7 Ilustração 2- Lem LAH 25-np...8 Ilustração 4-Dados elétricos...9 Ilustração 5-Conexão...10 Ilustração 6-Performance dinâmica do sensor...10 Ilustração 7-Dimensionamento das Trilhas...12 Ilustração 8 Esquema elétrico interno do LAH 25-np...13 Ilustração 9 LAYOUT no EAGLE...13 Ilustração 10 Trilhas e Soldas...14 Ilustração 11 Componentes da placa...14 Ilustração 12 Montagem com PIC

5 Sumário Introdução Efeito Halll Sensor Lah 25-np Projeto no EAGLE Circuito Prático...14 Conclusão...16 Referências

6 Introdução O circuito a ser implementado é um medidor de correntes elevadas usando um sensor de efeito hall. Foi escolhido esse tipo de dispositivo porque é muito robusto e ao mesmo tempo bastante sensível para as aplicações que será empregado, no caso um sistema de controle que injeta sinais na rede para cancelar harmônicos e corrigir fator de potência do mesmo.o circuito projetado deve apresentar robustez e precisão elevada para garantir a exatidão do sistema de controle, além do mais deve suportar elevadas correntes da ordem de 25A e ter isolação considerável. Espera então obter resultados que possam ser utilizado na prática em sistemas industriais, principalmente em acionamentos de máquinas, o sensor utilizado tem uma margem para trazer excelentes resultados se for bem implementado, o caso real aqui aplicado vai provar a eficiência do mesmo. 6

7 1.Efeito Halll Em 1879, Edwin H. Hall descobriu um fenômeno de forma inesperada. Ele observou que se uma placa fina de ouro for colocada em um campo magnético perpendicular à sua superfície, uma corrente elétrica fluindo ao longo da placa pode causar uma diferença de potencial em uma direção perpendicular tanto ao campo magnético quanto à corrente (Figura 1). Este fenômeno, chamado de efeito Hall, acontece porque as partículas eletricamente carregadas (neste caso, elétrons) movendose em um campo magnético são influenciadas por uma força e defletidas lateralmente. O efeito Hall pode ser usado para determinar a densidade dos portadores de carga (elétrons, ou buracos) em condutores e semicondutores. Este efeito se tornou uma ferramenta útil em laboratórios de física em todo o planeta. Ilustração 1-Efeito Hall O Fenômeno é descrito pelas seguintes equações: 7

8 2.Sensor Lah 25-np O Lah 25-np, figura 2, trata-se de um sensor de malha fechada baseado no efeito Hall, adequado para ser colocado em placas de circuito impresso, devido às suas dimensões reduzidas. Seus terminais primários são a parte de alta potência, trabalham com elevadas correntes, já a parte secundária trabalha em nível de circuito eletrônico, podendo ser utilizado por um dispositivo eletrônico como uma placa de aquisição de dados ou um TMS. A corrente máxima na saída do secundário é de 25mA. O sensor trabalha com três escalas de corrente (8, 12, 25A), a seleção de uma delas é feita por meio de conexão entre os pinos do terminal primário (Figura 3). Ilustração 2- Lem LAH 25-np Ilustração 3 -Seleção de escalas 8

9 Este sensor apresenta diversas vantagens: Boa precisão Ótima Linearidade Pouca variação com a temperatura Bom tempo de resposta Imunidade a interferências eletromagnéticas Robustez Suas principais aplicações são: Controle de velocidade com corrente alternada Conversor estático para controle de motores DC Controle de corrente em maquinas de solda Fontes de potência chaveadas As características elétricas do dispositivo são exibidas na figura a seguir: Ilustração 4-Dados elétricos 9

10 O sensor pode ser alimentado por tensões de ±15V ou ±12V, isso garante uma maior flexibilidade de utilização, porém a resistência de medição deve ser ajustada, para a solução desse problema foi adotado um potenciômetro de precisão em paralelo a R m (Figura 5), também com a função de regular o valor da tensão de saída do dispositivo. Ilustração 5-Conexão Outra característica importante do sensor é o seu comportamento dinâmico, através dele pode-se determinar a faixa de operação do circuito e corrigir medidas, no caso do LEM o offset é irrisório quando comparado a sua escala de medição, por meio de software pode-se facilmente corrigir esse valor, pois esse valor se manteve praticamente constante nas várias medições feitas (21mV). Ilustração 6-Performance dinâmica do sensor 10

11 3.Projeto no EAGLE Esta ferramenta integra as funções do desenho do circuito elétrico (esquemático) ao projeto da placa de circuito impresso (PCI). Deste modo, partindo-se das bibliotecas de componentes constrói-se o esquema elétrico que será usado como base no projeto da PCI. Assim sendo é muito importante a seleção correta do componente, pois além de sua aplicação básica também servirão de referência suas características gerais, tais como tamanho, encapsulamentos, potências, etc. Também é possível a criação de componentes, neste projeto foi necessária a criação do sensor LAH 25np, para tanto, foi utilizado o datasheet do mesmo para obtenção das medidas exatas do componente. Isso é muito importante, pois esses valores serão usados para a prototipagem do circuito e conseqüente encaixe. Após a criação do componente LEM, partiu-se para a criação do esquemático elétrico, ou seja, a ligação entre os componentes. É importante destacar que o EAGLE não simula circuitos, apenas é usado para geração de esquemático elétrico e layout de placas, logo é muito importante ter-se certeza de como são as ligações entre os componentes e seu funcionamento, para tanto se podem utilizar simuladores tais como o MODELSIM. Como o esquema elétrico elaborado gera-se o LAYOUT em si. Para facilitar a determinação das espessuras das trilhas, utiliza-se o gráfico abaixo, onde de acordo com a temperatura de trabalho, a corrente nominal que passa pela trilha e também o tipo de material e espessura do condutor da trilha, conseguiremos determinar a espessura mínima da trilha, sempre que possível espessuras maiores devem ser utilizadas, possibilitando uma maior margem de segurança. 11

12 Ilustração 7-Dimensionamento das Trilhas 12

13 O caso mais crítico na operação do circuito ocorre na escala de 25A, nesse caso, cada pino transporta uma corrente de 8,33A, pois pelo mostrado na figura 3 os terminais de 1 a 3 e 4 a 6 são ligados. O esquema interno do LEM é mostrado na Figura 8. Portanto as trilhas devem suportar no mínimo esta corrente, por questões de segurança optou-se por um sobre dimensionamento. A espessura do cobre utilizado foi de 35µm e uma temperatura de operação de 75 C. Portanto, pelo gráfico da figura 6 a espessura da trilha foi de 110mils (2,8mm). Obedecendo aos critérios do projeto chega-se ao seguinte LAYOUT (Figura 9). Ilustração 8 Esquema elétrico interno do LAH 25-np Ilustração 9 LAYOUT no EAGLE 13

14 Em seguida geram-se os arquivos de exportação a prototipadora LPKF, são apenas três arquivos um com a camada BOTTON outro com o contorno externo da placa (OUTSIDE) e um com a posição dos furos e seus respectivos diâmetros (DRILL). Com os arquivos já gerados importa-se para o software da máquina que converte tudo na linguagem que a prototipadora compreende, finalmente imprimi-se a placa de circuito na qual serão soldados os componentes. 4.Circuito Prático Após a montagem, o aspecto do circuito é o mostrado nas figuras 8 e 9. Ilustração 10 Trilhas e Soldas Ilustração 11 Componentes da placa 14

15 Visando a disciplina de instrumentação foi utilizado um conversor A/D e um Display LCD, tornando mais didática a amigável sua interface, para realização foi usado um PIC, rodando uma simples rotina. O circuito montado usando o PIC é mostrado na figura 12. Ilustração 12 Montagem com PIC 15

16 Conclusão Ao fim do trabalho a satisfação com resultados evidente, o trabalho ficou bastante coerente e com resultados precisos, a motivação para no futuro fazer um projeto bem mais complexo é obvia. Este projeto serve como base para um futuro trabalho de conclusão de curso na área de acionamentos de máquinas e eletrônica de potência. 16

17 Referências :Acesso em 13/06/2011 : Acesso 10/05/

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