Arduino Lab 12 Detector de passagem por zero e controle de ângulo de disparo Parte 2: Controle por aplicativo e Bluetooth

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1 Arduino Lab 12 Detector de passagem por zero e controle de ângulo de disparo Parte 2: Controle por aplicativo e Bluetooth Neste Lab trabalharemos na montagem de um aplicativo para Android, utilizando o MIT App Inventor 2, em conjunto com um módulo Bluetooth para enviar os valores de controle do ângulo de disparo dos Triac s para o Arduino a uma distância de até 10m. Imagem detalhe do módulo Bluetooth Montagem do aplicativo O aplicativo elaborado para este Lab foi criado utilizando a ferramenta criada pela Google e agora mantida pelo MIT denominada MIT App Inventor 2. Este baseia-se em um método de programação utilizando a montagem de blocos, semelhante a

2 linguagem Scratch, onde mesmo que o usuário não saiba métodos de programação, tendo conhecimento mínimo de lógica, é possível a elaboração de aplicativos interessantes e funcionais como o utilizado neste Lab. Uma imagem da construção da interface deste aplicativo pode ser observada abaixo. Imagem da interface do aplicativo Outras empresas como a National Instruments com o LabVIEW e a MathWorks com o Simulink também utilizam o método de montagem de blocos que garante funcionalidade a sistemas complexos de supervisão de processos e variáveis industrias e até mesmo a simulação de sistemas que envolvam vidas humanas como o controle de estabilidade de automóveis e aviões. O arquivo.apk do aplicativo pode ser baixado no primeiro link abaixo e o arquivo.aia, que contém a montagem da interface do aplicativo e os blocos, está no link subsequente. O vídeo abaixo explica passo a passo a montagem e teste deste aplicativo com o circuito de controle.

3 Algoritmo e testes O algoritmo utilizado nesta segunda parte sofreu uma pequena modificação na função onde o valor de comparação do timer é passado aos registradores OCR2A e OCR1A. A função map() foi utilizada para inverter a ordem dos valores enviados ao Arduino pois um valor muito pequeno, supondo 5, faz com que a contagem do timer seja muito rápida e o pulso de disparo enviado ao Triac aconteça com maior frequência e, consequentemente, entregando uma maior porção de potência a carga. Do ponto de vista do usuário, enviar um valor pequeno ao registrador de comparação para se ter uma grande potência entregue não faz muito sentido. Desta forma, o aplicativo envia valores entre 0 e 100, em uma escala de %, e a função map() equaliza estes valores proporcionalmente aos valores de comparação do timer que são de 0 e 505 para a carga indutiva e 0 a 122 para a carga resistiva. Logo, a modificação do algoritmo do Lab11 deve ser feita apenas nas duas funções indicadas abaixo. Modificação no algoritmo dolab 11 O novo diagrama de montagem, agora acrescentando o módulo

4 Bluetooth, está indicado abaixo. Diagrama de ligação Lab 12 De acordo com o datasheet do controlador Bluetooth HC05, mesmo que o módulo seja alimentado em 3V3, os níveis de tensão para a comunicação serial entre o módulo e o Arduino são TTL, ou seja, suportam no máximo 5V. Dessa forma, não foi preciso a montagem de um shift level entre o Bluetooth e o Arduino. Uma imagem com a descrição dos pinos está indicada abaixo.

5 Pinout do módulo Bluetooth O módulo utilizado apresenta uma construção básica e não contém os pinos de conexão com uma protoboard. Uma imagem com os terminais de ligação e um detalhe amplo do esquema estão indicados abaixo. Detalhe esquema Bluetooth

6 Imagem módulo Bluetooth Conclusão Neste Lab nós finalizamos o entendimento e o projeto do protótipo para o controle de ângulo de fase de duas cargas típicas industriais. O aplicativo foi elaborado utilizando uma ferramenta gratuita, funcional e de fácil entendimento, porém, relativamente poderosa. Dessa forma, o controle das cargas agora pode ser feito a distância utilizando-se um Smart Phone ou outro dispositivo, com tecnologia Android, encontrado no mercado e que possua Bluetooth para a conectividade à novas aplicações. Arduino Lab 11 Controle de ângulo de fase para uma carga indutiva e resistiva Parte 1 Neste Lab iremos discutir o método de controle de ângulo de fase para cargas indutivas e resistivas em Corrente Alternada

7 (AC). Falaremos também das características e dificuldades no trabalho em cargas indutivas quando trabalhando neste tipo de controle. Montagem completa Controle de ângulo de fase O método de controle denominado controle de ângulo de fase pode ser descrito como sendo o controle do fluxo de potência, neste caso através da variação do valor eficaz de tensão CA, aplicada a uma carga seja ela indutiva, resistiva ou de outra natureza. Como exemplo de aplicações, podemos citar o controle aquecimento em fornos e estufa, mudança de derivação transformadores sob carga, controle de iluminação, controle velocidade de maquinas de indução (motores), controle eletroímãs CA entre outros. de de de de Um circuito típico para este tipo de controle é indicado na figura abaixo. De uma forma simples, após a detecção do ponto de cruzamento de zero da onda de tensão, o microcontrolador aguarda um tempo para estabelecer um pulso no gate do Triac

8 que entrará em condução e deixará a corrente fluir através da carga. O pulso no gate será retirado e, quando a onda de tensão cruzar o zero novamente, o tiristor para de conduzir e o fluxo de corrente é interrompido. Circuito típico de controle Esse ciclo de funcionamento se repetirá enquanto o circuito estiver energizado. Detecção de passagem por zero (Zero Crossing) O primeiro passo no controle de cargas por ângulo de fase é estabelecer o sincronismo entre a tensão de alimentação e o circuito de controle. O circuito utilizado para o Zero Crossing neste Lab está ilustrado abaixo. Circuito de Zero Crossing O nível de tensão é reduzido de 127Vrms para 12Vrms. Uma ponte retificadora em onda completa gera o nível DC necessário ao

9 Led interno ao foto-acoplador 4N25. O dobramento na frequência nas pontes em onda completa é essencial pois precisamos detectar o zero inclusive no meio do ciclo (Transição do semiciclo positivo para o negativo). A simulação abaixo ilustra em Amarelo a tensão de entrada do circuito e em Azul a tensão na saída da ponte retificadora. Simulação senoide e saida da ponte retificadora A saída do 4N25 está conectada a entrada não inversora do amplificador operacional LM358N configurado como um comparador que, quando o foto transistor interno ao 4N25 não conduz, recebe 5 volts direto da alimentação. Já na condução, a tesão fornecida a não inversora do acoplador é proporcional à vista na entrada do acoplador. A entrada não inversora possui um divisor de tensão, configurado para uma razão de ½, recebendo 2,5V. Quando o nível de tensão na porta não inversora ultrapassa os 2,5V presentes na entrada inversora como referência, o amplificador satura positivamente gerando o pulso de cruzamento de zero. Quando abaixo, o amplificador satura negativamente assumindo o nível mais baixo presente no amplificador, que no caso, é 0V. A imagem abaixo ilustra a dinâmica das formas de onda no circuito onde em Amarelo a forma de onda na entrada do

10 acoplador 4N25, em Azul a saída do 4N25 e em Rosa os pulsos de Zero Crossing presentes na saída do amplificador operacional. Simulação do Zero Crossing no Proteus Controle de cargas resistivas Controlar cargas de caraterística resistiva se torna menos complexo comparado a cargas indutivas. Isto se dá devido a corrente estar sempre em fase com a tensão. O circuito típico para o controle de cargas resistivas foi ilustrado acima e produz uma forma de onda igual a indicada abaixo. Diagrama de forma cargas resistivas de onda para

11 Em Azul temos os pulsos no gate do Triac e em rosa temos a tensão de alimentação da carga. Já na cor verde temos a forma de onda da tensão entregue a carga, sofrendo os cortes e diminuindo a tensão média. Em vermelho a corrente na carga que no caso dos circuitos resistivos, fica em fase com a tensão. Por último, em roxo, temos a forma de onda presente sobre o Triac. Matematicamente, sendo a tensão de entrada e o ângulo de disparo, tanto para o semiciclo positivo quanto para o negativo, for, a tensão eficaz de saída poderá ser encontrada a partir da equação: Equação circuito Resistivo Onde, se variarmos ordem. de 0 a, poderá variar de a 0, nesta Uma imagem da tela do osciloscópio das formas de onda de tensão e corrente no controle do circuito resistivo está indicada abaixo. Em branco, temos a onda de referência da tensão de entrada da rede em 127V. Já em amarelo a forma de onda da tensão entregue a carga e em azul a da corrente ambos em fase.

12 Imagem Controle carga resistiva Controle de cargas indutivas O circuito utilizado para o controle de uma carga de característica indutiva está ilustrado abaixo. Circuito de disparo cargas indutivas No nosso dia a dia, a maioria das cargas apresentam uma

13 característica indutiva, por mínima que seja, e quanto maior esta característica, maiores são as dificuldades de controle. Como mostrado no diagrama abaixo, a corrente entregue a carga ilustrada na cor vermelha, não cruza o ponto zero no mesmo instante em que a tensão. Há uma defasagem onde a corrente é atrasada em relação a tensão. O ângulo mínimo de disparo do Triac depende exclusivamente da indutância característica da carga. Diagrama para cargas Indutivas Se o Triac for disparado antes da corrente acabar, formas de onda distorcidas com altos harmônicos aparecerão sobre a carga e, dependendo do tipo de equipamento, poderá queimar o mesmo por excesso de temperatura e outros fatores. Neste Lab, utilizamos um micromotor, de 20mhp de potência, como carga indutiva. Algumas imagens ilustrativas do enrolamento interno e montagem da carcaça do mesmo estão indicadas abaixo.

14 Imagem 1 dos componentes do motor de indução imagem 2 dos componentes motor de indução Na imagem acima observamos em detalhe a construção das 4 bobinas do enrolamento do motor. Na imagem abaixo podemos

15 observar os dados do motor. Detalhe placa de dados do motor A tensão eficaz de saída neste tipo de controle pode ser encontrada por: Onde, é o ângulo de disparo, corrente. é o ângulo de extinção da Um detalhe importante no controle deste tipo de carga é a montagem de uma rede de proteção RC denominada Snubber. Um circuito Snubber é normalmente conectado em paralelo ao semicondutor como observado no diagrama de controle para

16 cargas indutivas acima e tem a função de limitar a rápida variação de tensão em relação ao tempo dv/dt, dentro da especificação do tiristor, evitando assim falsos pulsos de controle. No caso deste Lab, como estamos utilizando um tiristor que conduz em ambos os lados, o Snubber escolhido deve ser do tipo não polarizado. Um valor comum para esta aplicação é 100 Ohms para o resistor e 0,22uF a 100nF para o capacitor de poliéster. Note que o resistor nunca deve ser omitido desta montagem pois nenhum outro dispositivo irá prevenir que o capacitor descarregue sob o Triac criando uma alta di/dt em condições desfavoráveis. A imagem abaixo, retirada da tela do osciloscópio no momento do teste do controle para o circuito indutivo, mostra a entrega de 100% da potência a carga. Em amarelo temos a forma de onda da tensão e em azul a da corrente. Detalhe para alta defasagem entre tensão e corrente. Imagem controle carga indutiva 1 A imagem abaixo já mostra o comportamento da tensão e corrente quando sob o controle do ângulo de fase. Novamente, em amarelo

17 a tensão entregue a carga, que não cessa seu valor até que a corrente, ilustrada na cor azul, alcance o valor zero. Forma de onda do controle para carga indutiva Dinâmica de controle O controle por ângulo de fase exige que a rede seja sincronizada com a lógica de controle. Esse sincronismo diz respeito ao momento exato no qual o tiristor deve receber um pulso em seu gate. Quando queremos entregar 100% da potência a carga, esse pulso deve ser enviado ao gate o mais próximo possível do cruzamento da tensão por zero. Já no caso contrário, a entrega de pouca potência se dará com o pulso o mais distante do ponto zero. A imagem abaixo simula a onda de entrada (amarelo) da rede, o pulso de cruzamento pelo zero (azul) e os dois pulsos de controle dos Triac s (rosa e verde).

18 Simulação dos pulsos Observe que a carga controlada pelo pulso na cor rosa receberá uma maior porção de potência, por estar mais próximo do pulso de cruzamento, do que a carga controlada pelo pulso na cor verde que está um pouco mais distante do zero. Um estudo detalhado sobre o funcionamento do módulo timer do ATMEGA 328 foi feito com o intuito de trabalhar com dois timers ao mesmo tempo, em um nível de abstração menor, para um melhor aproveitamento e domínio das funções destes módulos. No corpo do algoritmo há uma explicação detalhada da configuração e funcionamento. Um diagrama detalhado do fluxo de funcionamento pode ser observado abaixo.

19 Fluxo de funcionamento Algoritmo e testes O diagrama de ligação para este teste está indicado na figura abaixo. Nela podemos observar os blocos, com suas respectivas funções, destacados para um melhor entendimento. Os Triac s utilizados foram os do modelo TIC426D que pode trabalhar com até 400 V de pico e 16 A (rms). Os resistores Shunt são de potência, pois toda a corrente da carga passa por eles, e servem apenas para medição da corrente

20 (forma de onda e valor eficaz) Os foto acopladores garantem uma completa isolação do circuito de potência com o de controle. Diagrama de ligação O algoritmo aplicado ao Arduino Nano está indicado abaixo. Seu entendimento se torna simples visto que há muitos comentários e referências de leitura no datasheet para as configurações dos timers. Os valores dos comparadores devem ser enviados via serial para o Arduino. No próximo Lab, um aplicativo para Android será desenvolvido afim de simplificar o controle das cargas. Outras funções também serão implementadas. [crayon-59d9151f38be /] Um vídeo que mostra em detalhes o funcionamento dos circuitos individualmente, inclusive mostrando o comportamento da corrente e tensão em tempo real foi elaborado e está exposto

21 abaixo. Conclusão Neste Lab discutimos a implementação e o funcionamento do controle de cargas em AC utilizando o método do controle de ângulo de fase. Vimos também as diferenças no controle de cargas de natureza resistiva e indutiva. A aplicação e entendimento de dois timers trabalhando simultaneamente foi o maior legado deste trabalho, visto que a utilização de módulos externos a CPU permite que outras funções possam ser executadas, como por exemplo a monitoração dos dados via serial, enquanto os outros periféricos trabalhem independentemente. No próximo Lab, um aplicativo para Android será desenvolvido no intuito de melhorar e tornar ainda mais interessante o controle das cargas e a comunicação com o protótipo.