PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE CONTROLE AUTOMÁTICO DE TENSÃO CA Resumo Herbert Souza Andrade Aluno do IFMT, Campus Cuiabá, bolsista PIBIC/Cnpq Ana Claudia de Azevedo Doutora do IFMT, Campus Cuiabá, orientadora André Luis Amorim Fonseca Mestre do IFMT, Campus Cuiabá, colaborador A produção de frango no Brasil tornou-se competitiva a nível mundial sendo comercializada em mais de 150 países. Em consequência, o setor da avicultura tem buscado cada vez mais o desenvolvimento de novas técnicas que garantam o aumento a produção. Essas técnicas vão desde a nutrição das aves até a utilização do controle do ambiente com a inserção dos fotoperíodos de luz com o intuito de aumentar a taxa de alimentação das aves. No entanto, o processo utilizado atualmente é feito manualmente e de forma abrupta. Neste contexto, o presente trabalho se propôs a desenvolver um protótipo eletrônico de controle de iluminação automatizado capaz de simular a incidência luminosa que ocorre no interior da granja através da simulação dos períodos solares, principalmente, do nascer e do por do sol. Para o desenvolvimento deste projeto foi considerada a inserção de fotoperíodos com um ganho de tensão suave, ou seja, a incidência luminosa foi aumentada gradualmente pelo circuito de controle automático realizado pelo microcontrolador arduino até atingir o nível de iluminância próximo a solar. Os testes do circuito implementado foram realizados no laboratório e demonstraram a eficácia do protótipo para o tipo de controle requerido. Palavras-chave: Controladores automáticos, Eletrônica de Potência, Fotoperíodos, Aves, Bemestar animal. Introdução A produção de frango para o abate e comercialização tornou-se um das mais importantes cadeias produtivas do país causando impacto econômico na maior parte das unidades federativas, e, apresentando uma tendência de expansão para regiões produtoras de grãos, como se observa na região centro-oeste. Tal expansão colocou o Brasil como um importante exportador ocupando lugar de destaque no cenário mundial (UBA, 2008). O documento da União Brasileira de Avicultores (UBA) destaca, ainda que as diversas técnicas empregadas nas fases da produção são responsáveis por alavancar esse importante setor produtivo. Dentre essas técnicas destacam-se: genética, nutrição, manejo, biosseguridade, boas práticas de produção, rastreabilidade e programas de bem-estar animal e de preservação do meio ambiente.
Voltando o foco para o programa de bem estar do animal, o documento oferece todos os requisitos que devem ser implementados para que as aves não sofram qualquer tipo de desgaste. Devendo ser criadas sob proteção e conforto adequados com condições de alojamento apropriadas para proteger as aves de condições adversas, oferecendo níveis adequados de ventilação, temperatura, umidade e proteção contra precipitação, insolação direta e ações de animais predadores. Sob esta ótica, pode se destacar a produção de luz, também chamada de fotoperíodos. Segundo (LARDNER, 2010) o emprego de fotoperíodos prolongados serve para elevar ao máximo a velocidade de crescimento dos frangos de corte. O protocolo (UBA, 2008) recomenda que, com exceção da primeira e da última semana de idade das aves, é importante que seja oferecido um período de escuridão de no mínimo 30 minutos em cada ciclo de 24 horas. No entanto, Lardner (2010) observou em suas pesquisas que períodos muito longos sem descanso podem interferir no ganho de peso das aves, causando assim queda na produtividade. A proposta de trabalho ora apresentado tomou como base os estudos dos fotoperíodos adequados realizados por Lardner (2010) visando desenvolver um protótipo eletrônico automatizado através de um microcontrolador que efetua o controle de iluminação no interior da granja. Para atingir o objetivo geral do deste projeto de pesquisa foi necessário estudar e projetar um circuito de controle automático apropriado para o controle da tensão CA e tornalo automatizado através de uso de um microcontrolador. Para tornar o circuito adequado aos fotoperíodos citados anteriormente foram coletados dados de iluminação solar observando sua variação de forma a tornar possível o levantamento das equações utilizadas na programação do microcontrolador. A Eletrônica de Potência e o uso de microcontroladores A Eletrônica de Potência é amplamente utilizada em campos onde se requeira a conversão e o controle da potência elétrica, encontrando, dessa forma, aplicação em uma grande quantidade de equipamentos industriais ou eletrodomésticos devido à alta confiabilidade e ao pequeno porte de seus dispositivos (RASHID, 2015). De uma maneira geral, um conversor eletrônico de potência é composto de dois estágios, a saber: um estágio de potência e um estágio controle. O estágio de potência deve ser conectado com circuitos eletrônicos do segundo estágio cuja finalidade é a geração de pulsos
para condução e corte de chaves semicondutoras que podem ser transistores bipolares, MOSFET s (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) e IGBT s (Insulated Gate Bipolar Transistor) ou tiristores, tais como o SCR (Silicon Controled Rectifier) e TRIACs (Triode for Alternating Current) (AHMAD, 2000). As estratégias para o controle das chaves semicondutoras dos conversores estáticos são variadas, sendo algumas usualmente baseadas em soluções comerciais analógicas com o emprego de circuitos integrados (CIs) comerciais analógicos dedicados ao controle ou através de microcontroladores pela versatilidade destes componentes em aplicações de controle (MIQUELINA, 2015). Para o desenvolvimento desta pesquisa foi selecionado o microcontrolador Arduino UNO, um entre vários de uma família de microcontroladores de código e hardware opensource de baixo custo que possibilitam a automatização e implementação de diversos tipos sistemas eletrônicos programáveis (ARDUINO UNO, 2015). O Arduino é um microcontrolador em uma PCB educacional, sua função básica é executar rotinas do usuário, aquisitando dados externos e exercendo controle sobre seus sinais de saída através do uso de códigos que representam a composição de instruções que ditam ao seu programa o que deve ser realizado, seja trabalhar as informações captadas através dos sensores ou enviar sinais de resposta ou controle para circuitos eletrônicos (ARDUINO, 2015). O controle da tensão CA O controle de tensão para sistemas de corrente alternada é feito através do dispositivo semicondutor TRIAC que corresponde a dois retificadores controlados de silício ligados em antiparalelo e com um terminal de gatilho comum (RASHID, 2015) que permite o controle dos instantes de condução através do circuito de controle apropriado. Dessa forma, trata-se de uma chave bidirecional capaz de conduzir em intervalos sincronizados com o sinal CA que está sendo controlado. As características do circuito exigiram adaptações no controle usualmente utilizado para os TRIACs. Assim, houve a necessidade de se realizar o isolamento elétrico do circuito de potência que opera em CA e do circuito CC de alimentação do microcontrolador através do acoplador óptico MOC3021. O sincronismo do circuito de controle foi garantido pelo emprego de um circuito detector de passagem por zero. O circuito implementado no proteus para fins de simulação computacional e, posteriormente, montado em PCB está ilustrado na figura 1. Pode-se observar apresenta os
detalhes do circuito de controle destacando o optoacoplador e o detector de passagem por zero. Figura 1: Circuito de controle e circuito de potência montado para testes. Fonte: Do autor A Figura 2 mostra as formas de onda da tensão na fonte de alimentação, tensão na carga para um dado ângulo de disparo e pulso de tensão no gatilho do TRIAC, respectivamente, obtidas pela simulação do circuito mostrado na figura 1. Figura 2: Formas de onda obtidas na simulação. Fonte: Do autor
A coleta de dados solares Os dados de incidência luminosa foram obtidos através de medições e serviram como parâmetros de entrada para alimentar o programa implementado para o microcontrolador Arduino. Para detectar a intensidade luminosa do ambiente foi utilizado um sensor LDR (light dependent resistor), que é consiste em um resistor cuja resistência diminui com o aumento da temperatura, um microcontrolador Arduino, um RTC (Real-Time Clock), um módulo de cartão SD. Também foi desenvolvida uma rotina responsável por gerenciar o circuito que coletou o nível de tensão na porta conectada ao LDR, identificou o a data e hora que a leitura nessa porta foi efetuada e armazenou todas as informações em no cartão SD. Os dados foram analisados e tratados por programas computacionais para gerar gráficos. Devido a grande quantidade de pontos coletados optou-se por apresentar neste trabalho os considerados como fotoperíodos onde se dá os picos de alimentação das aves, ou seja, no amanhecer. A figura 3 mostra o gráfico referente a esse período. Figura 3 Período correspondente ao amanhecer com sua respectiva equação Fonte: do autor A partir dos gráficos foi possível estimar as equações de variação de intensidade luminosa que foram utilizadas na criação do programa que executou o controle da tensão através do Arduino. Além disso, foi necessário também calcular o delay ou o tempo de espera para que a tensão desejada fosse obtida. Em outras palavras foi necessário calcular a variação dos ângulos de disparo para que se pudesse obter a variação da tensão e consequentemente da intensidade luminosa Considerações Finais O sistema proposto para o controle de potência microcontrolado se mostrou bastante satisfatório com relação ao controle da tensão e em consequência da intensidade luminosa. O sistema automatizado apresentou melhores resultados que o similar manual que é utilizado
atualmento.. Apesar de não se limitar a esta aplicação, o sistema de controle desenvolvido, juntamente com as equações extraídas dos dados solares coletados foi capaz de simular a variação da intensidade da luz solar de forma satisfatória. No entanto, ainda são necessários alguns ajustes na programação do Arduino para que os resultados se adequem às teorias de controle de tensão CA. É importante salientar, que o trabalho ainda se encontra em desenvolvimento para que sejam efetuados os devidos ajustes no sistema de controle e, após esta fase, o protótipo será ampliado e se buscará parceria com granjeiros para que se possa dar continuidade ao projeto com a instalação do sistema em granjas e a execução de análises com relação ao comportamento e ao processo de engorda das aves. Referências UBA - UNIÃO BRASILEIRA DE AVICULTURA. Protocolo de Bem-estar para Frangos e Perus. Junho de 2008. LARDNER, Karen Schwean, CLASSEN, Hank. Programa de Luz para Frangos de Corte. 2010, Disponível em:http://cn.aviagen.com/assets/tech_center/bb_foreign_language_docs/portuguese/ilumi nao-para-frangos-de-corte-verso-final.pdf. Acessado em 03 de Maio de 2015. RASHID, M. H. Eletrônica de Potência: Circuitos, Dispositivos e Aplicações. 4ª ed., São Paulo: Makron Books, 2015. AHMED, Ashfaq. Eletrônica de Potência. 4ª. ed. Pearson Prentice Hall, São Paulo, 2000. MIQUELINA, Nuno José Machado. Controlo de Conversores de Potência Genéricos por FPGA. Dissertação de Mestrado. Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, Lisboa, Dezembro 2015. ARDUINO UNO. Overview. Disponível em https://www.arduino.cc/en/main/arduinoboarduno. Acessado em 30 de novembro de 2015. ARDUINO. AC Phase Control. Disponível em http://playground.arduino.cc/main/acphasecontrol. Acessado em 09 de novembro de 2015.