SISTEMA DE CONTROLE DE LUMINOSIDADE DE UMA LÂMPADA INCANDESCENTE VIA PORTA PARALELA DO COMPUTADOR

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA 4ª Semana do Servidor e 5ª Semana Acadêmica 2008 UFU 30 anos SISTEMA DE CONTROLE DE LUMINOSIDADE DE UMA LÂMPADA INCANDESCENTE VIA PORTA PARALELA DO COMPUTADOR Rodrigo Sousa Ferreira Universidade Federal de Uberlândia Faculdade de Engenharia Elétrica Av. João Naves de Ávila, 2121 Bloco 3N rodrigosfufu@gmail.com Daiane Rezende Carrijo daianecarrijo51@gmail.com Edylara Ribeiro Rangel aralyde@gmail.com Daniel Cardoso Dias daniel.cardoso.dias@hotmail.com Ernane Antônio Alves Coelho ernane@ufu.br Resumo: O objetivo deste trabalho é apresentar um sistema de controle de potência para uma carga elétrica monofásica através de um circuito gradador, controlado através de um computador compatível PC. O sistema é composto basicamente de um conversor D/A escada R-2R, conectado à porta paralela do PC, um circuito para controle do ângulo de disparo do TRIAC, com isolamento galvânico para proteção do circuito do computador efontes de alimentação. Palavras-chave: Controle de Potência, Circuito Gradador, Conversor D/A R-2R, Porta Paralela. 1. INTRODUÇÃO Este trabalho apresenta a implementação de um sistema eletrônico para controle da intensidade luminosa de uma lâmpada incandescente, por meio do interfaceamento com um computador compatível PC via porta paralela. É importante ressaltar que originalmente o projeto foi desenvolvido para controle da luminosidade de lâmpadas incandescentes, mas é possível controlar a potência elétrica de qualquer carga até o limite nominal, a qual não tenha restrições à forma de onda da tensão aplicada. Em razão das funções de controle definidas por software, pode-se controlar a potência elétrica, de forma contínua, obtendo-se no caso da lâmpada vários níveis de luminosidade em contraste aos habituais estados ligado e desligado e ainda incorporar funções específicas como vincular a potência elétrica a outras variáveis disponíveis no computador, como hora, dia, etc.. 2. SISTEMA PROPOSTO Para a realização da meta proposta desenvolveu-se um sistema constituído de módulos que utilizam à conexão de diversos componentes eletrônicos. Cada módulo do sistema caracteriza-se por uma funcionalidade específica, e a junção destes gera o controle desejado. A Figura 1 representa o circuito eletrônico completo do projeto: 1 Rodrigo Sousa Ferreira, Daiane Rezende Carrijo, Edylara Ribeiro Rangel, Daniel Cardoso Dias <Engenharia Elétrica>; 2 Ernane Antônio Alves Coelho 1

2 Figura 1: Esquema do circuito completo do sistema de controle de luminosidade de uma lâmpada incandescente via porta paralela Ao analisar o circuito eletrônico completo, percebe-se que este é formado por quatro módulos: conversão digital analógica (A/D); circuito de controle; acionamento da carga (gradador) e sistema de alimentação, os quais estão descritos a seguir. 3. CONVERSOR DIGITAL ANALÓGICO A variação contínua da potência, em princípio, implica o uso de uma variável de controle analógica. Como a proposta prevê o controle digital (via computador), é necessária a utilização de uma variável discreta com resolução suficiente para a representação adequada desta variável analógica de controle, ou seja, com número de bits suficientes para acomodar todos os níveis discretos de potência desejável para a carga. Para que o computador possa atuar no circuito gradador, modificando o nível de potência, é necessário converter a variável de controle da sua forma digital para analógica. Assim optou-se pela utilização de um conversor D/A escada R-2R de 8-bits conectado à porta paralela do computador. A Figura 2 mostra o conversor conectado à porta paralela do computador (conector DB25). Os pinos de 2 a 9 do 1conector, constituem os bits de dados de 0 a 7. Conforme o byte escrito na porta, determina-se a tensão nos pinos de saída e consequentemente a entrada do conversor D/A. O bit alto define 5V no pino correspondente e o bit baixo corresponde a 0V (lógica TTL). Tais valores são nominais, sendo que na prática observa-se pequenas variações. Definida a tensão nos pinos D0 a D7, é possível determinar a tensão no ponto 1 por meio do cálculo dos divisores resistivos compostos pela escada R-2R. Através dos resistores, 256 níveis discretos serão definidos no ponto 1, de 0V a (5-1LSB)V, com passo de 1LSB (least signicant bit) = (5/256)V. O nível estabelecido será função do byte escrito, de 0 a

3 Figura: 2. Conversor R-2R conectado à porta paralela. Por meio do processo descrito anteriormente, ao variar a palavra digital de entrada de 00H a FFH (0 255), tem-se uma tensão em rampa no ponto 1, o que caracteriza a conversão digital analógica. 4. CIRCUITO DE CONTROLE O controle de variação da intensidade luminosa da lâmpada incandescente é feito utilizando o circuito integrado TCA785, o qual é um circuito integrado analógico de 16 pinos, desenvolvido para gerar pulsos e controlar o ângulo de disparo de tiristores e TRIAC, continuamente entre 0 e 180 em aplicações para controle de tensão de saída nos retificadores controlados e controladores de fase. Sua estrutura interna e a possibilidade externa de seleção do ponto de chaveamento permitem um grande número de opções de funcionamento, evitando um circuito externo volumoso. Este circuito integrado gera uma onda dente de serra que é sincronizada com a onda de tensão proveniente da rede, conforme mostrado na Figura 3: Figura 3: Onda dente de serra gerada, sincronizada com a rede, pelo TCA785. 3

4 O gerador da onda dente de serra consiste em uma fonte controlada de corrente constante que carrega linearmente um capacitor externo conectado ao pino 10. A corrente desta fonte é determinada por uma resistência externa ligada ao pino 9. O tempo de subida da onda é determinado pela combinação RC. Para a geração de pulsos há um comparador interno ao circuito integrado TCA785, que compara a onda dente de serra com a de controle, proveniente do conversor digital analógico, tensão esta aplicada ao pino 11. A saída desta comparação constitui-se de pulsos de disparos positivos com aproximadamente 30µs presentes nos pinos 14 (sincronizada com o semi-ciclo negativo) e 15(sincronizada com o semiciclo positivo). A duração destes pulsos pode ser alterada por meio de capacitores ligados ao pino 12 e caso este pino seja aterrado, a largura do pulso pode atingir 180. A Figura 4 mostra a geração de pulsos: Figura 4: Geração de pulsos. Na Figura 4 percebe-se que a posição inicial do pulso depende do ponto comum das formas de onda (dente de serra e tensão de controle). Como a potência aplicada à lâmpada depende da posição inicial do pulso, esta é alterada quando há uma variação no valor da tensão de controle. Portanto o controle automático da intensidade luminosa da lâmpada incandescente é feito quando ocorre a variação do valor da tensão de controle, ou seja, quando os níveis lógicos enviados à porta paralela são alterados. O circuito montado para este módulo está mostrado na Figura 5. Figura 5: Circuito de controle. 4

5 Ao observar o circuito eletrônico completo, percebe-se a presença de um amplificador operacional (LM741) que atua como um buffer que interliga o conversor digital analógico ao circuito de controle. O objetivo desta conexão é uma isolação entre estes módulos, ou seja, para que o circuito de controle não cause nenhuma interferência no divisor de tensão resistivo do conversor R-2R. 5. ACIONAMENTO DA CARGA O circuito representado na Figura 6 demonstra como foi realizado o acionamento da carga. Figura 6: Circuito de acionamento da carga. Ao observar o circuito acima percebe-se que o acionamento da carga é feito por um Triode for Alternating Current (TRIAC), o qual é um componente eletrônico equivalente a dois retificadores controlados de silício (SCR/tiristores) ligados em antiparalelo com o terminal de disparo (gate) em comum. Este tipo de ligação resulta em uma chave eletrônica bidirecional que pode conduzir corrente elétrica nos dois sentidos, sendo assim este pode ser disparado por uma tensão, tanto positiva quanto negativa, aplicada no eletrodo de disparo (gate). Uma vez disparado, o dispositivo continua a conduzir até que a corrente elétrica de carga caia abaixo do valor de corte, o que torna o TRIAC um conveniente dispositivo de controle para circuitos de corrente alternada, permitindo acionar grandes potências por meio de circuitos de controle com valores de corrente da ordem de miliampères. O TRIAC de baixa potência também pode ser utilizado em outras aplicações, como controles de potência para lâmpadas, dimmers, controles de velocidade para ventiladores, entre outros. O resistor de 180Ω no circuito visa um valor de corrente necessário para ativar o TRIAC. Já o fotoacoplador é utilizado para isolar o sistema de carga do restante do circuito. O isolamento galvânico é necessário para que a rede não esteja conectada diretamente ao circuito ligado a porta paralela do computador, uma vez que sem esse artifício o computador poderia ser danificado por distúrbios presentes na rede. Para o funcionamento do fotoacoplador um diodo Zener foi conectado ao pino 5 deste dispositivo, mantendo assim uma tensão contínua de 15V na entrada de alimentação do mesmo. A utilização do capacitor é sugerida pelo fabricante do tiristor, devido à necessidade da eliminação dos ruídos da rede que afetam o disparo do TRIAC. 5

6 6. SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO Os dispositivos eletrônicos utilizados no projeto necessitam de tensão de alimentação contínua, sendo assim foi montado uma fonte com saídas de ± 15Volts. A montagem de tal dispositivo é justificável, pois substitui o uso de uma fonte externa, ou seja, tem-se uma maior praticidade na utilização do projeto. O circuito do sistema de alimentação está mostrado na Figura 7. Figura 7: Sistema de alimentação. Com este módulo finaliza-se o processo de entendimento do circuito, a partir da funcionalidade específica de cada parte. O protótipo implementado pode ser visto na Figura SOFTWARE UTILIZADO Figura 8: Protótipo implementado. Para teste do protótipo implementado foi elaborado um software de controle da intensidade luminosa da lâmpada incandescente, escrito na linguagem CSharp, o qual possibilita o acesso à porta paralela do computador. Foi criada uma interface com o usuário, que permitia controlar a 6

7 intensidade luminosa da lâmpada incandescente de formas distintas: movimentação do mouse de um lado para outro (movimento do mouse para a direita aumenta a intensidade luminosa da lâmpada e movimento do mouse para a esquerda diminui intensidade luminosa da lâmpada); inserção de um valor numérico entre 0 e 255, ou seja, valores que estão relacionados a uma intensidade luminosa desde apagada à plena potência; utilização das teclas direcionais do teclado (direcional direito e esquerdo, indicando aumento e redução da intensidade luminosa, respectivamente) e a possibilidade de selecionar um modo automático que varia a freqüência, do ciclo acende apaga, ou a intensidade luminosa. A janela criada pelo software de controle para a interface com o usuário pode ser vista na Figura 9. Figura 9: Janela de Interface. Deve-se ressaltar que o software implementado possui apenas funções básicas para teste, mas muitas outras funções de controle podem ser implementadas, como um dispositivo de temporização, controle remoto via internet, etc. Além disso, o sistema não se restringe ao controle de lâmpadas incandescentes, mas a qualquer carga elétrica a qual possa ser alimentada com tensão eficaz variável sem restrições quanto à forma de onda. O software de controle pode ser adaptado para diferentes funções ou cargas elétricas. 8. CONCLUSÃO Foi apresentado em detalhes neste trabalho o conjunto de módulos, os quais compõem um sistema para o controle da luminosidade de lâmpadas incandescentes via porta paralela de um computador compatível PC. Após o estudo de todas as partes do circuito é importante relacionar as saídas e as entradas dos circuitos adjacentes, com finalidade de entender todo o comportamento do projeto. O sistema permite a aplicação de todos os recursos disponíveis em um computador PC na função de controle de potência de uma carga elétrica através da variação da tensão eficaz aplicada. Foi implementado um protótipo, incluindo software e hardware para a validação do sistema. 9. REFERÊNCIAS Ahmed, A., Eletrônica de Potência, Prentice Hall, 1ª Edição, São Paulo, Guia prático de funcionamento do TCA785, Circuito de comando para retificadores controlados estudo do CI TCA785, Aulas práticas da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Telecomunicações do Instituto Politécnico da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, acessado em 9 de Maio de 2008, em: tica_03.pdf. Idoeta, I. V. and. Capuano, F. G, Elementos de Eletrônica Digital, Érica Ltda, 38a Edição, São Paulo,

8 Catálogo do TCA785, acessado em 9 de Maio de 2008, em: Catálogo do TRIAC (TIC226D), acessado em 9 de maio de 2008, em: 9/POINN/TIC226D.html LUMINOSITY CONTROL SYSTEM OF INCANDESCENT LAMP VIA COMPUTER PARALLEL PORT Rodrigo Sousa Ferreira Universidade Federal de Uberlândia Faculdade de Engenharia Elétrica Av. João Naves de Ávila, 2121 Bloco 3N rodrigosfufu@gmail.com Daiane Rezende Carrijo daianecarrijo51@gmail.com Edylara Ribeiro Rangel aralyde@gmail.com Daniel Cardoso Dias daniel.cardoso.dias@hotmail.com Ernane Antônio Alves Coelho ernane@ufu.br Abstract: This paper presents a single phase electric power controller using a TRIAC converter connected to PC parallel port. The system consists in a R-2R D/A converter connected to parallel port, a integrated circuit to control triggering angles of the TRIAC, a galvanic isolation circuit to protect computer interface, and power supplies. Keywords: Power Controller, Triac Converter, R-2R D/A Converter, Parallel Port. 8