UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
FONTE REGULADA DE ALTA TENSÃO
FONTE DE ALIMENTAÇÃO PARA ELASTÔMEROS ELETROATIVOS
(PROPOR UM MODELO)
Área de Engenharia Elétrica
por
Claudio Barbosa de Oliveira
Luiz Sergio Carvalho Conceição
Orientador
Campinas (SP), Junho de 2008
UNIVERSIDADE SÃO FRANCICO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
FONTE REGULADA DE ALTA TENSÃO
FONTE DE ALIMENTAÇÃO PARA ELASTÔMEROS ELETROATIVOS
(PROPOR UM MODELO)
Área de Engenharia Elétrica
Por
Claudio Barbosa de Oliveira
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao
Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da
Universidade São Francisco, como requisito parcial
à obtenção do título de Licenciado em Engenharia
Elétrica.
Campinas (SP), Junho de 2008
ii
AGRADECIMENTOS
A Deus, que sempre iluminou a minha caminhada.
A meu Orientador Luiz Sergio Carvalho Conceição que
me concedeu sua paciência e orientação durante o
trabalho.
A todos os meus familiares pelo apoio e colaboração.
SUMÁRIO
1. Introdução
2. Polímeros condutores
3. Proposta da composição da fonte de alta tensão
3.1 Regulação de carga e regulação de entrada
3.2 Os módulos da fonte de alimentação
4. Módulos de composição da fonte de alta tensão
4.1 O conversor.
4.2 O transformador
4.3 O circuito de proteção
4. 4 O retificador de alta tensão
4.5 O filtro de alta tensão
4.6 O sensor de corrente e tensão (circuito de proteção)
4.7 O circuito de controle
5. Avaliação do trabalho
6. Anexos
iv
v
LISTA DE ABREVIATURAS
TCC
Trabalho de Conclusão de Curso
USF
Universidade São Francisco
EAP
Eletroactive Polimer (Polímero Eletroativo)
KV
Kilo Volt
HZ
Hertz
HVPS
High Voltage Power Suplly (Fonte de Alimentação de Alta Voltagem)
NBR
Norma Regulamentadora Brasileira
UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul
SCR
Swcht controled Retifie
SUS
> (Silicon Unilateral Switch) Chave Unilateral de Silício
SBS
> (Silicon Bilateral Switch) Chave Bilateral de Silicio.
SCS
> (Silicon Controlled Switch) Chave Controlada de Silicio.
CSCR > (Complementary Silicon Controlled Rectifier) Retificador Controlado de Silicio
DIAC
> (bilateral triggering device ) Dispositivo Bilateral de Disparo
PUT
> (Programmable Unijunction Transistor) Transitor Programável de Unijunção
LASCR > (Light Activated Silicon Controlled Rectifier) Retificador controlado de Silicio
TRIAC >(TRIode for Alternating Current) Triodo para Corrente Alternada
GTO
> (Gate-Turn-Off thyristor) Tiristor com desligamento pela porta
Wkg-
> Potencia especifica
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Esquema mostrando várias aplicações conhecidas e propostas para polímeros
condutores, em função das suas propriedades.
Figura 1. Esquema mostrando várias aplicações conhecidas e propostas para polímeros
condutores, em função das suas propriedades.
Figura 3 Conexão Anti Paralela
Figura 4. Operação de controle por ciclos inteiros.
Figura 5 – Circuito de um gradador monofásico com carga RL.
Figura 6 (a) Forma de onda na carga (Tensão)
Figura 6 (b) Forma de onda na carga (Corrente)
Figura 7 Modelo Elétrico do Auto-Transformador
Figura 8 Esquema do transformador tipo Flyback
Figura 9 Representação esquemática do transformador no processo de transformação de energia
Figura 10 Núcleos magnéticos do transformador monofásico
Figura. 11 Transformadores monofásicos
Figura 12 Esquema básico do circuito com rele
Figura 13 diagrama do rele a ser utilizado no projeto
Figura 14 Tabela 1 Dados diodo de alta tensão
Figura 15 Tabela 2 Especificação do capacitor de alta Tensão
Figura 16 Esboço do circuito de Proteção de sobre-corrente e tensão
Figura 17 Descrição dos pinos do PIC
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Tabela de dados de um diodo de alta tensão
Tabela 2. Tabela de especificação do capacitor de alta Tensão
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 01 Regulação na Carga
Equação 02 Regulação na Entrada
Equação 03 Tensão Eficaz na carga
Equação 04 Tensão Induzida
Equação 05 Fluxo Magnético
Equação 06 Valor Eficaz
Equação 07 Equação do Transformador
Equação 08 Valor Médio p/ Diodo Ideal
Equação 09 Valor Médio p/ Diodo Real
Equação 10 Corrente Média na Carga
Equação 11 Tensão de Pico no Transformador
RESUMO
Os elastômeros eletroativos (polímeros condutores) necessitam de tensão para poder desempenhar
uma de suas características mais interessantes, que tem aplicação na parte de reabilitação motora e
automação de movimentos essa propriedade é a extensão e distensão, para que isso ocorra à
aplicação de uma tensão se faz necessária com a aplicação de energia o polímero proporcionalmente
a tensão envolvidas, sendo assim uma fonte de alta voltagem regulada passa a ter uma importância
no estudo e trabalho com elastômeros eletroativos esse trabalho visa uma caracterização e estudo de
fontes lineares para poder chegar a um modelo de fonte de alta tensão.
Palavras-chave: Fonte de Tensão. Elastômeros Eletroativos
ABSTRACT
The electroatives elastomers (conductor polymers) need to stress to play one of its most important
features, which has direct application in the daily life extension and distension, the application of
controlled high voltage makes the polymer react proportionately the voltage applied, and thus a
source of high - voltage regulated and basic tool to work with eletroactives elastomers.
Keywords: Electroatives Elastomers, Power Supply
1. INTRODUÇÃO
O objetivo deste trabalho é apresentar um estudo sobre modelos de fonte de alimentação de
tensão continua; suas características e topologias básicas dentro de uma perspectiva que possa nos
subsidiar a propor um modelo de fonte de alimentação para uso em polímeros condutores.
Os polímeros condutores são materiais que podem ter a sua condutividade elétrica aumentada de
várias ordens de grandeza, isso acontece por meio da intercalação de espécies químicas aceitadoras
ou doadoras em sua malha polimérica (dopagem) e, dependendo do polímero, podem-se atingir
valores típicos de um metal. Este crescimento é acompanhado de modificações nos espectros de
absorção óptica e susceptibilidade magnética, que são característicos de uma transição isolantemetal. Eles são compostos formados por uma repetição mais ou menos regular de um número
grande de grupos atômicos (unidades) conectados por ligações químicas formando longas cadeias
lineares ou ramificadas, ou redes tridimensionais, cujo processo de formação é chamado de
polimerização. Sendo alvo de pesquisa e trabalho em aplicações tais como músculos artificiais que
podem vir a substituir músculos naturais.
Contudo para a aplicação em elastômeros eletroativos como são chamados os atuadores de EAP
(Eletroactive Polymers) que possuem a capacidade tanto de geração quanto de absorção de energia
semelhante à dos músculos naturais faz se necessária uma fonte de energia. Já foi conseguida uma
potência máxima de 40 Wkg-1 que foi alcançada em um ciclo de 10HZ, com deformação de 2,5% a
uma tensão de estímulo de “6KV”.
[http://www2.dbd.puc-rio.br/pergamum/tesesabertas/0510808_07_cap_02.pdf].
Esses
resultados
mostraram que a potência gerada pelo atuador encontra-se dentro da fronteira dos valores para os
músculos naturais quando próximos da ativação máxima [Bar-Cohen, 2004]. Vemos então no acima
exposto que a tensão de estimulo de 6KV foi o motivo que nos levou a fazer esse trabalho para
poder propor um modelo de fonte de alta tensão (HVPS) [NBR 5410] da ordem de 7KV com
características de regulação adequadas, proteção de sobre corrente e tensão, tendo como pretensão a
futura construção de um protótipo com um custo baixo podendo ser aplicado em situações didáticas
ou de pesquisa.
OBJETIVOS
Objetivo Geral
Nosso objetivo geral e estudar e analisar um modelo de fonte de alimentação que possa ser
usada para aplicação em elastômeros eletroativos (polímeros condutores).
Objetivos Específicos
Estudando e analisando características de fontes de alimentação e sua aplicabilidade no
trabalho com polímeros tem os seguintes pontos específicos.
•
Compreender o funcionamento das fontes de alimentação lineares;
•
Verificar a aplicabilidade das varias topologias de fontes lineares para a aplicação
determinada;
•
Propor um modelo de fonte que seja exeqüível em custo e desenvolvimento em forma de
projeto modular para a aplicação no teste de polímeros condutores.
METODOLOGIA
A metodologia utilizada foi à pesquisa de base em textos, teses, dissertações, livros,
catálogos de fabricantes bem como a comunicação via e-mail ou telefone com centros de pesquisa
que trabalham com o assunto ou tenham uma relação com o tema.
ESTRUTURA DO TRABALHO
O trabalho tem uma estrutura baseada na leitura e pesquisa sobre o assunto para subsidiar o
projeto proposto, foi feita uma divisão de capítulos de forma a termos a historia do objeto de
aplicação (Polímeros Condutores), seguido das bases necessárias ao entendimento de uma fonte de
alimentação (Conceitos e modelos), por fim a explanação do modelo de fonte proposto que é o
grande objetivo do trabalho ora apresentado como segue abaixo:
2
1. Introdução
2. Polímeros condutores
3. Proposta da composição da fonte de alta tensão
3.1 Regulação de carga e regulação de entrada
3.2 Os módulos da fonte de alimentação
4. Módulos de composição da fonte de alta tensão
4.1 O conversor.
4.2 O transformador
4.3 O circuito de proteção
4. 4 O retificador de alta tensão
4.5 O filtro de alta tensão
4.6 O sensor de corrente e tensão (circuito de proteção)
4.7 O circuito de controle
3
2. POLÍMEROS CONDUTORES
Vamos buscar a etimologia da palavra polímero “adjetivo (poli + mero) Química Diz-se do
composto que, em relação a um outro, moléculas de tamanhos diferentes, mas com as mesmas
propriedades químicas” [Moderno Dicionário da Língua Portuguesa Michaelis] separando a mesma
em seus dois radicais básicos temos do grego poli (muitas) + mero (partes), transferindo isso para o
lado da química vemos uma coerência interessante, um polímero é uma repetição de muitas
moléculas iguais em uma seqüência e arranjo geométrico, ou seja, (poli) muitos e (mero) tipo de
composto químico, Já a polimerização é o processo que pode gerar varias unidades de repetição que
reagem entre si para conseguir-se uma cadeia de polímeros.
No dia a dia os polímeros são conhecidos como plásticos, borrachas, etc. e estão presentes em todas
as áreas de nossa vida desde a mais simples aplicação (tampa de garrafas) até aplicações de
engenharia de alta complexidade (Ônibus Espacial) nesse caso eles são chamados de plásticos de
engenharia sendo sua produção o resultado de pesquisa e desenvolvimento de técnicas de físicoquímica para obtenção do produto que necessita de um desempenho elevada e com nível de
segurança alto.
Esses polímeros têm uma característica muito importante para área da engenharia elétrica que a de
ser um excelente isolante essa característica com a adição de substancias dopante pode mudar
passando a conduzir corrente elétrico chamado de “Metal Sintético” [De Paoli, Ruggeri,
Kosima,Scandiucci,Faez,http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc11/v11a03.pdf] ele tem propriedades
interessantes que são aproveitadas em muitas aplicações dentre elas uma que nos interessa muito
que é na produção e elaboração de atuadores eletroativos em outras palavras músculos artificiais
como mostra a figura 1. Estes atuadores eletroativos necessitam de energia para poder evidenciar
suas propriedades de distensão e contração, para que isso ocorra uma um fenômeno chamado
Tensor de Maxwell [James Clerk Maxwell 1831-1879] é usado para explicar a distensão e
contração do polímero semelhante a um músculo humano que por meio de impulsos elétricos e
reações químicas consegue viabilizar movimentos e ações que nos possibilitam viver normalmente.
Em artigo publicado na SCIENTIFIC AMERICAN de Novembro 2003 edição 18 por Steven
Ashley diz que “quando expostos a um campo elétrico, todos os plásticos isolantes, como o
poliuretano, contraem-se na direção das linhas do campo e se expandem perpendicularmente em
relação a elas. Esse fenômeno, diferente da eletroestrição, é denominado Tensor de Maxwell”.
Figura 1. Esquema mostrando várias aplicações conhecidas e propostas para polímeros condutores,
em função das suas propriedades. [De Paoli; http://lpcr.iqm.unicamp.br/arquivos/1-introducao.pdf]
5
3. PROPOSTA DA COMPOSIÇÃO DA FONTE DE ALTA TENSÃO
Partindo da definição de alta tensão como sendo a partir de 1500 volts em corrente-continua
segundo a Norma Regulamentadora Brasileira 5410 podemos considerar que nosso trabalho esta
coerente na titulação e também na segurança que devemos ter na manipulação de um possível
circuito prático. Esse circuito deverá ser capaz de oferecer ao usuário algumas características que
são:
3.1 Regulação de Carga e Regulação de Entrada
Para que uma fonte tenha uma resposta adequada em relação à aplicação de carga na em seus
terminais de saída a sua regulação de carga deve ser adequada ao nível de resposta esperada dessa
forma temos que a regulação na carga é calculada pelo valor de tensão máxima na saída menos o
valor de tensão mínima conseguida como mostra a expressão abaixo:
da regulação de carga
Equação (01)
[members. fortunecity.com/camusp/relatorios/Labdeeletronica/RELCHUP.DOC]
Definições:
> Tensão na carga para corrente máxima.
> Tensão na carga para corrente mínima.
Não podemos esquecer que o fornecimento de tensão na entrada deve suprir a necessidade do
circuito regulador por isso devemos ter em mente que o valor da regulação de entrada é um
parâmetro importante dessa forma a regulação da tensão de entrada é definida como o delta, ou seja,
a diferença entre a Max tensão de saída regulada e a Min. tensão de saída regulada sobre o delta da
tensão Max de entrada e Min. tensão de entrada como vemos na expressão abaixo:
> Regulação de entrada
Equação (02)
[members. fortunecity.com/camusp/relatorios/Labdeeletronica/RELCHUP.DOC]
6
e
> Tensões máxima e mínima de saída
e
> Tensões máxima e mínima de entrada
Esses parâmetros servirão para quando o circuito estar montado podermos medir sua eficiência,
contudo devemos usar com o decorrer do processo de testes outras formas de avaliação.
3.2 Os módulos da fonte de alimentação
Dentro de nossas expectativas nossa fonte será capaz de manipular uma tensão de saída da ordem de
poucos volts até um máximo de 7000 volts DC sua alimentação poderá ser escolhida entre 127 ou
220 volts AC a variação da tensão de saída não oferece riscos devido à configuração do circuito de
controle e de potencia ser na nossa concepção ambos totalmente isolados e protegidos por um
circuito de proteção. Ela será composta dos seguintes módulos como segue abaixo.
1- Conversor
2- Transformador elevador
3- Circuito de Proteção (Atuador)
4- Retificador de Alta Tensão
5- Filtro de Alta Tensão
6- Sensor de Tensão e Corrente
7- Circuito de Controle
7
4. MODULOS DE COMPOSIÇÃO DA FONTE DE ALTA TENSÃO
Figura 2 Os módulos da fonte de Alta Tensão
8
4.1 O Conversor.
O primeiro circuito referenciado em nosso diagrama de blocos e o conversor que terá como função
principal variar a tensão do enrolamento primário do transformador elevador, o principal elemento
no conversor e o SCR (Silicon Controled Rectifier) Retificador Controlado de Silício o SCR que faz
parte da família dos tiristores.
Os tiristores são componentes eletrônicos cujo principio de funcionamento é baseado em uma ação
regenerativa. Eles podem possuir até quatro camadas PN (o PN se refere à junção semicondutora
onde impurezas aceitadoras e doadoras caracterizam a parte P ou parte N). O numero de terminais
de conexão pode variar de dois até quatro. Podemos classificar os tiristores como segue abaixo:
Utilização em Circuitos de Potência;
SCR
> (Silicon Controlled Rectifier) Retificador Controlado de Silício
TRIAC > (TRIode for Alternating Current) Triodo para Corrente Alternada
GTO
> (Gate-Turn-Off thyristor ) Tiristor com desligamento pela porta
Para tensões e correntes mais baixas comuns em circuitos de controle e Disparo;
SUS
> (Silicon Unilateral Switch) Chave Unilateral de Silicio
SBS
> (Silicon Bilateral Switch) Chave Bilateral de Silício.
SCS
> (Silicon Controlled Switch) Chave Controlada de Silício.
CSCR > (Complementary Silicon Controlled Rectifier) Retificador Controlado de Silício
DIAC
> (bilateral triggering device) Dispositivo Bilateral de Disparo
PUT
> (Programmable Unijunction Transistor) Transitor Programável de Unijunção
LASCR > (Light Activated Silicon Controlled Rectifier) Retificador controlado de Silício
Controlado pela Luz
De todos os elementos acima colocados o SCR é o mais utilizado nas aplicações de controle tendo a
versatilidade de poder estar na faixa de capacidade de dissipação de energia desde a mais baixa até
a mais alta onde os níveis de tensão e corrente aplicados podem chegar à casa das centenas.
Em nosso circuito proposto iremos utilizar uma configuração com dois desses componentes sendo a
formação uma configuração que podemos chamar de antiparalela. Figura 1
9
Figura 3 Conexão Anti Paralela
Para poder controlar os (SCRs) podemos usar dois tipos de controle que são denominados:
1- Controle liga-desliga
2- Controle de fase.
O controle liga desliga é usado em situações em que a constante de tempo da carga é muito grande
em relação ao período da rede CA, como em sistemas de aquecimento (fornos, estufas etc.).
Basicamente esse tipo de controle funciona desligando e ligando a alimentação da carga (em geral
uma resistência) carga resistiva. O intervalo de condução e também o de bloqueio do interruptor é
tipicamente de muitos ciclos da rede sendo que dentro de nossa necessidade esse controle não é
adequado principalmente devido à necessidade de linearidade que devemos ter.
Quando a carga é do tipo resistivo, tanto o início da condução quanto seu final podem ocorrer em
situações em que tensão e corrente são nulas chamado de “Zero crossing” (início e final de cada
semi-ciclo da rede) tem-se, então, o chamado controle por ciclos inteiros conhecido também como
Full Cycle (Ciclo Cheio). Uma de suas vantagens é o de praticamente eliminar problemas de
Interferência Eletromagnética (IEM) devido a baixos valores de di/dt e dv/dt produzidos por este
tipo de modulação. [Almeida,1996 ] .
Deve-se escolher uma base de tempo contendo muitos ciclos da tensão de alimentação. Dentro do
período escolhido, a duração do fornecimento de potência à carga varia desde um número máximo
inteiro de semi-ciclos até zero. A precisão do ajuste depende, assim, da base de tempo utilizada. Por
exemplo, numa base de 1 segundo existem 120 semi-ciclos. O ajuste da tensão aplicada à carga
pode ter uma resolução mínima de 1/120 [www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/eltpot/cap10.pdf].
Um método de se conseguir o controle é usar um gerador de sinal triangular, de freqüência fixa que
é comparado com um sinal CC de controle em nosso projeto iremos utilizar o integrado TCA 785
10
[Siemens]. O sinal dente de serra estabelece a base de tempo do sistema. O sinal de controle CC
vem do circuito de controle. A potência entregue à carga varia proporcionalmente a este sinal. A
figura 4 ilustra este funcionamento. Durante “n” ciclos a carga permanece conectada à alimentação,
enquanto fica “m” desconectada.
Figura 4. Operação de controle por ciclos inteiros.
A tensão eficaz aplicada à carga (considerando o período T) é dada por:
Equação (03)
[www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/eltpot/cap10.pdf]
Que irá chegar à seguinte expressão;
[www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/eltpot/cap10.pdf]
11
onde Vi é o valor de pico da tensão de entrada (senoidal); Vef é o respectivo valor eficaz e δ é a
relação entre o número de ciclos de alimentação da carga dividido pelo número total de ciclos
controláveis, podendo ser interpretada como a “razão cíclica” do controlador [Almeida, 1996]. Em
termos do impacto deste tipo de controle sobre a qualidade da energia elétrica, embora não se tenha
problema de IEM, (interferência Eletromagnética) tem-se a produção de variação de tensão no
alimentador em virtude da carga estar ou não conectada.
[www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/eltpot/cap10.pdf].
Já no chamado Controle de Fase, em um dado semi-ciclo da rede, o interruptor (tiristor) é acionado
em um determinado instante, fazendo com que a carga esteja conectada à entrada por um intervalo
de tempo menor ou igual a um semi-ciclo. Os valores de tensão, corrente e potência na carga
dependerão, não apenas de ângulo de disparo, mas também do tipo de carga alimentada pelo
circuito de potência.
Carga indutiva
Na prática, a maioria das cargas, até um certo ponto, é indutiva No caso de nosso circuito proposto
a carga será totalmente indutiva, ou seja, a bobina do primário do transformador elevador. Supondo
que o tiristor T1 seja disparado durante o semiciclo positivo devido à indutância no circuito, a
corrente no tiristor T1 não cai à zero em wt=π quando a tensão de entrada começa a ficar negativa.
O tiristor T1 continuará a conduzir até que sua corrente i1 caia a zero em wt=β. O ângulo de
condução do tiristor T1 é δ = β - α e depende do ângulo de disparo α e do ângulo do fator de
potência da carga θ (figuras 5). As formas de onda para corrente de carga, pulsos de gatilho e tensão
de carga são mostradas na (figura 6 a e b). [www.ee.pucrs.br/~fdosreis/ftp/LabPot/experiencia11.pdf]
Figura 5 – Circuito de um gradador monofásico com carga RL.
12
Os sinais de gatilho dos tiristores para um controlador com carga resistiva podem ser pulsos curtos.
Entretanto, esses pulsos de curta duração não são apropriados para cargas indutivas. Quando o
tiristor T2 é disparado em wt = π + α, o tiristor T1 ainda está conduzindo devido à indutância da
carga. Quando a corrente no tiristor T1 cai a zero e este é desligado em wt = β = α + δ, o pulso de
gatilho do tiristor T2 já cessou (caiu à zero) e, conseqüentemente, T2 não será disparado. Como
resultado, apenas o tiristor T1 operará, causando formas de onda assimétricas da tensão e corrente
de saída. Essa dificuldade pode ser resolvida utilizando-se sinais de gatilho contínuos com uma
duração de (π - α). Tão logo a corrente de T1 caísse à zero, o tiristor T2 seria disparado. Entretanto,
um pulso de gatilho continuo aumenta as perdas de chaveamento dos tiristores e requer um
transformador de isolamento maior para o circuito de disparo.
[www.ee.pucrs.br/~fdosreis/ftp/LabPot/experiencia11.pdf]
Na prática, um trem de pulsos de curta duração, normalmente é utilizado para superar esses
problemas. Sendo que nossa intenção e usar um MOC 3020 para minimizar ainda mais esse
problema. Basicamente o MOC 3020 e um circuito integrado constituído diodos emissores de
infravermelhos, opticamente acoplados a um interruptor silício bilateral (SBS).
Figura 6 (a) Forma de onda na carga (Tensão)
Figura 6 (b) Forma de onda na carga (Corrente)
13
4.2 O Transformador
Nosso principal elemento nessa empreitada será o transformador que é um dispositivo
eletromagnético constituído por duas bobinas acopladas através de um núcleo magnético de elevada
permeabilidade magnética. O princípio de funcionamento do transformador baseia-se no fenômeno
da indução eletromagnética, e em particular da indução eletromagnética mútua entre bobinas. A
principal função de um transformador é elevar ou reduzir as amplitudes da tensão ou da corrente
entre as bobinas do primário e do secundário. O transformador caracteriza-se pela relação de
transformação de tensão entre o primário e o secundário. Onde temos o numero de espiras do
primário esta para a tensão do primário assim como o numero de espiras do secundário esta para a
tensão do secundário.
Nossa primeira tentativa seria a utilização de um autotransformador, o autotransformador tem um
baixo custo de confecção devido ao mesmo usar pouco material ferromagnético em seu núcleo
devido ao seu principio de funcionamento baseado na divisão de espiras do secundário, contudo
devido ao valor das tensões envolvidas no trabalho ele foi descartado pelo motivo de não existir
uma isolação entre o secundário no caso de nosso projeto (alta tensão 7kv) e o primário (127 v).
Abaixo temos a ilustração de um autotransformador
Figura 7 Modelo Elétrico do Auto-Transformador
.
14
Um modelo que seria interessante devido a sua aplicação típica seria o transformador de saída
horizontal o chamado Flyback usado para alimentar o circuito de alta tensão dos sistemas de vídeo.
Suas tensões são altas e comercialmente são fáceis de encontrar, contudo novamente o fator de
segurança aliado nesse caso a necessidade de um oscilador característico para esse transformador
(freqüência de aproximadamente 14 kHz) dessa forma descartamos o possível uso de tipo de
transformador.
Figura 8 Esquema do transformador tipo Flyback
Com um estudo de algumas características, principalmente a segurança e adequando bem a relação
de transformação e custo beneficio encontramos o transformador chamado de isolado monofásico.
Representado na figura 9 com suas relações e fluxos de energia.
Figura 9 Representação esquemática do transformador no processo de transformação de energia
Nesse transformador os condutores do primário e secundário estão isolados eletricamente, não
existe ligação entre os condutores sendo essa característica no caso de uma montagem prática de
15
fundamental importância devida principalmente a segurança. O acoplamento requerido para a
transformação de energia é conseguido através de um fluxo magnético. Portanto, os condutores
estão enrolados num núcleo de ferro, de forma a estarem isolados eletricamente uns dos outros. O
núcleo de ferro é constituído por várias lâminas isoladas umas das outras. Como resultado as
correntes de (Foucault) [Jean Bernard Léon Foucault, 1819 -1868) e as perdas por histerese
mantém-se baixas. O isolamento das lâminas pode ser feito por diferentes materiais. Dependendo
do desenho do núcleo magnético os transformadores monofásicos distinguem-se como couraçados e
não-couraçados. As colunas e as culatras (núcleo que fecha o fluxo magnético) têm a mesma
secção, assim o fluxo magnético presente é igual em todo o núcleo de ferro. Em contradição com
isto, apenas a coluna central do transformador couraçado é diferente. Por isso, o fluxo magnético é
distribuído metade para cada uma das outras colunas. Assim sendo, as colunas laterais têm apenas
metade da secção da coluna central conforme a figura 25
Figura 10 Núcleos magnéticos do transformador monofásico
[www.estv.ipv.pt/.../aulas%20práticas/1.ª%20aula%20pratica/Transformador%20monofásico. pdf]
Se uma tensão alternada U1 é aplicada ao primário (N1), com o secundário em vazio, circula uma
corrente Io em N1. O fluxo magnético gerado por Io no enrolamento de entrada produz um fluxo
magnético φ1, no circuito magnético. Este, de acordo com U1 e Io, é um fluxo alternado. Este
atravessa o secundário e então induz uma tensão alternada U2o. No caso de nosso estudo usaremos
o transformador monofásico couraçado com secundário encapsulado em resina epóxi de alta
resistência mecânica motivados pelo aspecto de segurança em função da voltagem induzida.
16
Figura. 11 Transformadores monofásicos
[www.estv.ipv.pt/.../aulas%20práticas/1.ª%20aula%20pratica/Transformador%20Monofásico. pdf]
A tensão também é induzida no enrolamento primário de acordo com a Lei da indução. Em
conformidade com a Lei de Lenz [Heinrich Friedrich Emil Lenz, 1804-1865] esta tensão autoinduzida U1o, opõe-se à tensão aplicada no primário U1 figura 25. De acordo com a Lei da indução
aplica-se o seguinte para a magnitude da tensão induzida:
Equação (04)
A curva do fluxo magnético pode ser considerada sinusoidal. Se isto for verdade, verifica-se:
Equação (05)
Precisamos definir também algumas situações como segue;
Freqüência >
Fluxo Magnético>
Podemos então definir também
17
Sendo que os termos abaixo são denominados;
•
= Valor máximo de fluxo magnético
•
= Freqüência da tensão alternada
•
= Indução Magnética
•
= Área do núcleo de ferro
•
= Numero de espiras
Devemos verificar que a tensão é indicada em valores eficazes como segue abaixo:
Equação (06)
Com isso podemos agora definir a equação principal do transformador que fica assim;
Equação (07)
Portanto, o enrolamento de maior tensão tem sempre maior número de voltas (espiras) do que o
enrolamento de menor tensão, mas não importa qual dos enrolamentos é o primário ou o
secundário.
[www.estv.ipv.pt/.../aulas%20práticas/1.ª%20aula%20pratica/Transformador%20Monofásico.pdf]
18
4.3 O Circuito de Proteção
O circuito de proteção tem a função de, em resposta a um sinal do circuito de controle fazer a
interrupção do fornecimento de alta tensão no secundário do transformador. Ele é composto
basicamente por um rele de alta sensibilidade. O que determina a utilização de um relé numa
aplicação prática são suas características. O entendimento dessas características é fundamental para
a escolha do tipo ideal. A bobina de um relé é enrolada com um fio esmaltado cuja espessura e
número de voltas é determinado pelas condições em que se deseja fazer sua energização. A
intensidade do campo magnético produzido e, portanto, a força com que a armadura é atraída
depende tanto da intensidade da corrente que circula pela bobina como do número de voltas que ela
contém. Por outro lado, a espessura do fio e a quantidade de voltas determinam o comprimento do
enrolamento, o qual é função tanto da corrente como da tensão que deve ser aplicada ao relé para
sua energização, o que no fundo é a resistência do componente. Todos estes fatores entrelaçados
determinam o modo como a bobina de cada tipo de relé é enrolada. [Site Meltatex.com.br]
Figura 12 Esquema básico do circuito com rele
De um modo geral podemos dizer que nos tipos sensíveis, que operam com baixas correntes, são
enroladas milhares ou mesmo dezenas de milhares de voltas de fios esmaltados extremamente finos,
alguns até mesmo mais finos que um fio de cabelo.
As armaduras dos relés devem ser construídas com materiais que possam ser atraídos pelos campos
magnéticos gerados, ou seja, devem ser de materiais ferromagnéticos e montadas sobre um sistema
de articulação que permita sua movimentação fácil, e retorno à posição inicial quando o campo
desaparece. Peças flexíveis de metal, molas ou articulações são alguns dos recursos que são usados
na montagem das armaduras. A corrente máxima que os relés podem controlar depende da maneira
como são construídos os contatos. Além disso, existe o problema do centelhamento que ocorre
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durante a abertura e fechamento dos contatos de relé, principalmente no controle de determinado
tipo de carga (indutiva).
O material usado deve então ser resistente, apresentar boa capacidade de condução de corrente e,
além disso, ter um formato próprio, dependendo da aplicação a que se destina o relé.
Dentre os materiais usados para a fabricação dos contatos podemos citar o cobre, a prata e o
tungstênio. A prata evita a ação de queima provocada pelas faíscas, enquanto os contatos de
tungstênios evitam a oxidação. O número de contatos e sua disposição vão depender das aplicações
a que se destinam os relés. Iremos utilizar no projeto um modelo AZ2280 do fabricante Zettler
Eletronics.
Figura 13 diagrama do rele a ser utilizado no projeto [Zettler]
4. 4 O Retificador de Alta Tensão
A principal característica do retificador e de poder suportar as tensões que serão geradas no
secundário do transformador que vão estar em torno de valores que vão de aproximadamente zero
volt até um máximo de 7000 volts. Utilizaremos um circuito de Onda Completa em ponte. Sendo
que neste caso a freqüência da tensão de saída dobra de valor, a tensão média na carga também
dobra, ou seja, temos que para um diodo ideal a equação (30-05) e para o diodo real a equação (3105)
Equação (08)
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Equação (09)
Para especificar os diodos devemos ter em foco que cada diodo conduz corrente somente em um
semi-ciclo, a corrente que eles devem suportar corresponde à metade da corrente média na carga. Já
a tensão reversa que deve ser suportada deve ser a tensão de pico do secundário do transformador.
[Marques, 2001]
Equação (10)
Equação (11)
Figura 14 Tabela 1 Dados diodo de alta tensão
21
4.5 O Filtro de Alta Tensão
A filtragem normal em retificadores com tensões consideradas normais fica dentro de cálculos
padrões que são encontrados facilmente no mercado, contudo para aplicação de nosso projeto
procuramos uma adaptação com capacitores usados em fornos de micro-ondas onde devemos fazer
uma associação com pelo menos quatro peças de capacitor, a filtragem da onda completa é feita por
esse banco de capacitores composto de uma associação de elementos ligados em paralelo
totalizando uma capacitância adequada à necessidade da fonte deverá ser incluída uma resistência
de em paralelo com estes capacitores, para a descarga destes quando o circuito for desligado,
garantindo assim a total descarga do banco após alguns minutos abaixo temos uma especificação de
capacitor:
MODELO: Taeyang 2500V S-CLASS
Rated Voltage: 2500v
Rated Capacitance: 0.70~1.20
Permissible Temperature:- 25~+85
Applied Standard: VDE 0560
(Tensão Nominal)
(Capacitância Nominal)
(Temperatura permissível)
(Norma de aplicação)
Com quatro capacitores teremos uma tensão total de 2500 volts x 4= 10000 Volts que para a
situação apresentada em projeto torna-se segura.
Figura 15 Tabela 2 Especificação do capacitor de alta Tensão
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4.6 O Sensor de Corrente e Tensão (circuito de proteção)
Nossa idéia para um circuito de proteção baseia-se em um amplificador operacional que trabalha
como um comparador de tensão. São comparadas duas tensões, uma proveniente de um resistor
shunt que reflete a corrente que está sendo drenada da fonte e a outra determinada por um
potenciômetro, que estabelece qual corrente o circuito vai atuar. Dessa maneira, portanto é aplicada
uma tensão na entrada não-inversora do operacional através do potenciômetro, 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 (derivação) 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 a não-inversora, assim a saída do operacional
permanece em aproximadamente-Vcc, fazendo com que o transistor de controle do rele, fique
cortado e em conseqüência disso o relé desligado. Quando ocorre uma sobre corrente na saída da
fonte a entrada inversora passa a ter com um potencial mais negativo do que na entrada não
inversora, fazendo com que a saída do operacional assuma um potencial próximo a +Vcc. Com isso
o transistor é polarizado diretamente via resistor de base e passa para o estado de saturação,
acionando o relé de proteção que através de seu contato normalmente fechado, corte a alimentação
do transformador, desligando assim todo o circuito de potência.
Figura 16 Esboço do circuito de Proteção de sobre-corrente e tensão
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4.7 O Circuito de Controle
O circuito de controle terá a função de processar todos os sinais que seguem abaixo:
• Controle de tensão via usuário.
• Controle de tensão e corrente via circuito de proteção.
• Controle de sinal para TCA 785 via sinais de disparo da ponte retificadora.
A base de nosso circuito de controle será um micro processador da família PIC 16877. Esse
microprocessador tem uma grande versatilidade sendo facilmente encontrado no mercado para
programá-lo usaremos o Kit didático da Smart pic que possui todos os recursos necessários ao
desenvolvimento do programa para controlar a fonte de alimentação. Salientando que o PIC
receberá sinais de entrada em valores de tensão e corrente e deverá enviar sinais de controle
também em corrente e tensão, dessa forma o conversor analógico digital será de extrema
importância.
Figura 17 Descrição dos pinos do PIC
[ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/30292c.pdf]
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5. AVALIAÇÃO DO TRABALHO
Dentro do objetivo inicial do presente trabalho poderíamos dizer que nosso intento foi alcançado
parcialmente, fazendo com que a analise de circuitos lineares de fonte de alimentação fosse feita na
base de sua especificidade. Contudo esse mesmo objetivo nos deixou com a visão menos estreita
levando nosso modo de analisar ser mais critico na medida em que a leitura e interpretação dos
textos, teses, livros e artigos e consultas de sites ia acontecendo, mas o tempo foi decisivo como
mediador de ações e nossa medida teve que ser dosada. Dessa forma nossa avaliação deve ser tão
dosada quanto foi o trabalho, entretanto o esboço dos módulos da fonte de alimentação foram
traçados e foram definidos os princípios básicos norteadores que servirão de alicerce para a
construção e projeto de um modelo de circuito eletrônico de custo baixo e funcionamento simples
dentro das perspectivas necessárias a aplicação em polímeros condutores na área escolar e de
pesquisa.
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6.ANEXOS
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ARTIGOS, LIVROS, TESES, PAPERS:
[1] Bar - Cohen Y. (Ed.), “Electroactive Polymer (EAP) Actuators as Artificial Muscles - Reality, Potential and
Challenges,” ISBN 0-8194-4054-X, SPIE Press, Vol. PM98, (March 2001).
[2] Marco-A De Paoli, Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola Plásticos Inteligentes.
Edição especial – Maio 2001
[3] The Nobel Prize in Chemistry, 2000: Conductive polymers.
[4] Rizzato. Prof. Dr.Felipe Barbedo, Notas de Aula, U F R G S, 1988.
[5] Symon. Keith R, Mechanics, Addison-Wesley, Second Edition, University of Wisconsin (1965)
[6] Brophy J.J. “Eletrônica Básica”, 3a Ed., Guanabara Dois, 1978.
[7] Boylestad, Robert. Nashelsky, Louis. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos,
Prentice/Hall, Terceira Edição, 1984
[8] Cutler Phillip, Teoria dos Dispositivos de Estado Sólido, McGraw-Hill, 1997
[9] Cipelli, Antonio Marco Vicari, Sandrini, Waldir João, Teoria e Desenvolvimento de Projetos
Eletrônicos, Erica, 1985.
[10] Maurício de Souza Flavio Prof. MS. Notas de Aulas, Eletrônica de Potência, 2/2004
[11] ALMEIDA, José Luiz Antunes de Eletrônica de Potência, 4ª Ed, Editora Érica,
São Paulo, 1991.
[12] Marques, A.Eduardo B. Chouri, Salomão Junior. Eduardo, Cesar A. Cruz, Dispositivos
Semicondutores: Diodos e Transistores, Editora Erica, 6 ª, Ed 2001.
[13] Agilent Technologies Handbook Dc Power Supply, Application Note 90B, 2005
[14] ARTMUS – Artificial Muscles, Risø National Laboratory, The Technical University of
Denmark Danfoss A/S, December 30, 2001.
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Sites pesquisados
[1] ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/30292c.pdf
.[2] Site Meltatex.com. br
[3] www.estv.ipv.pt/.../aulas%20práticas/1.ª%20aula%20pratica/Transformador%20Monofásico.pdf
[4] www.ee.pucrs.br/~fdosreis/ftp/LabPot/experiencia11.pdf
[5]www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/eltpot/cap10.pdf
[6] members.fortunecity.com/camusp/relatorios/Labdeeletronica/RELCHUP.DOC
[7] De Paoli; http://lpcr.iqm.unicamp.br/arquivos/1-introducao.pdf
[8] http://www2.dbd.puc-rio.br/pergamum/tesesabertas/0510808_07_cap_02.pdf
[9] De Paoli, Ruggeri, Kosima,Scandiucci,Faez,http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc11/v11a03.pdf
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