Post on 15-Nov-2018
CAPÍTULO - 8
CIRCUITOS DE COMANDO
8.1 - FUNÇÃO
O circuito de comando de um conversor é destinado a enviar aos gatilhos dos tiristores
as correntes de disparo com formas e valores adequados, em instantes bem determinados, para
colocá-los em condução.
8.2 - COMANDOS VERTICAL E HORIZONTAL
Seja a estrutura representada na figura 8.1.
+
vL
-
iGR1v t( )
Fig. 8.1 - Retificador monofásico de meia onda.
As formas de onda correspondentes estão representadas na figura 8.2.
Cap. 8 - Circuitos de Comando
Eletrônica de Potência
203
VC
1v
Lv
Mv
t
t
t
t
a
b
c
d
e
t
Fig. 8.2 - Formas de onda para a estrutura representada na figura 8.1.
Na figura 8.2.d está representado o comando vertical. O circuito de comando gera uma
onda dente-de-serra, constante na forma e nos valores, sincronizada com a tensão v1(t) da rede e
em fase com o ciclo positivo. O instante de comando é definido pela interseção da dente-de-
serra fixa com a tensão de comando VC.
A variação do ângulo é representado pela expressão (8.1).
V
V
C
M (8.1)
Para 0 < VC < VM.
Na figura 8.2.e está representado o comando horizontal. O circuito de comando gera
uma onda com a forma de um dente-de-serra, constante na forma e nos valores, sincronizada com
a tensão v1(t) da rede. O impulso de corrente de gatilho é produzido no instante em que a dente-
de-serra torna-se maior do que zero. Desse modo a variação do ângulo ocorre quando a dente-
de-serra é deslocada horizontalmente em relação a v1(t).
Nos conversores industriais o comando vertical é praticamente o único empregado. O
comando horizontal é empregado nos sistemas simples, como o controle de intensidade luminosa
de pequenas potências ou de velocidade de pequenos motores.
Cap. 8 - Circuitos de Comando
Eletrônica de Potência
204
8.3 - TENSÃO DE REFERÊNCIA COSENOIDAL E DENTE-DE-SERRA
Consideremos as duas tensões de referência representadas na figura 8.3.
vMVC
VC
vM
t
t
Fig. 8.3 - Tensões de referência.
O ângulo em função de VC, para as ondas dente-de-serra e cosenoidal, é dado
respectivamente pelas relações (8.2) e (8.3).
V
V
C
M (8.2)
cos V V
V
M C
M
2 (8.3)
Consideremos o conversor representado na figura 8.4 funcionando em condução
contínua comandado pelos dois métodos.
0 2
VP
P
Fig. 8.4 - Conversor monofásico de onda completa e sua tensão média de saída.
A tensão média de saída é dada pela expressão (8.4).
V VLmed o 2 cos (8.4)
Levando-se as expressões (8.2) e (8.3) na expressão (8.4) obtém-se as expressões (8.5) e
(8.6) respectivamente.
+
vL
-
1v t( )
Cap. 8 - Circuitos de Comando
Eletrônica de Potência
205
V
V
V
V
Lmed
o
C
M2
cos (8.5)
V
V
V V
V
Lmed
o
M C
M2
2
(8.6)
Constata-se que a tensão de referência cosenoidal resulta numa característica linear do
conversor, contrariamente à tensão de referência em dente-de-serra. Do ponto de vista do
controle e da modelização do sistema do qual o conversor faz parte, a relação linear é mais
interessante. Apesar disso, a referência em dente-de-serra é mais empregada industrialmente por
ser uma solução eletrônica mais simples.
8.4 - ORGANIZAÇÃO DE UM CIRCUITO DE COMANDO
Seja o diagrama de blocos representado na figura 8.5. Ele representa a organização
básica de um circuito de comando para um tiristor de um retificador. As formas de onda mais
importantes estão representadas na figura 8.6.
vL
Carga
3
1v1 2
vR v5
v44
v65
iG
VC
2. Comparador.1. Sincronismo e Geração da dente de serra.
3. Oscilador.
5. Amplificação, isolamento e ataque.4. Porta Lógica "E".
Fig. 8.5 - Organização básica de um circuito de comando.
Cap. 8 - Circuitos de Comando
Eletrônica de Potência
206
v1
vL
iG
v6
v5
v4
vRVC
t
t
t
t
t
t
t
Fig. 8.6 - Formas de onda de um circuito de comando.
8.5 - ESTÁGIO DE ATAQUE
O estágio de ataque de um circuito de comando deve apresentar as seguintes
características:
- Amplificar os sinais de comando oriundos dos estágios de sinais;
- Propiciar o isolamento adequado entre o comando e o tiristor;
- Atacar o tiristor com características de fonte de corrente e não como fonte de tensão;
- Impedir que uma tensão negativa seja aplicada na junção gatilho-catodo.
A configuração de um estágio de ataque está representada na figura 8.7.
Cap. 8 - Circuitos de Comando
Eletrônica de Potência
207
V
R1
cc
D3
A
G
2DGi
Tp
D1
Dz
R2
R3
GvT1 K
Fig. 8.7 - Estágio de ataque de um circuito de comando.
Tp - é o transformador de pulsos. O seu nível de isolamento deve ser da ordem de 2KV para
aplicações envolvendo tensões inferiores a 600V. É construído com núcleos de ferrite.
Deve possuir baixas indutâncias de dispersão para assegurar uma boa reprodução da
tensão de entrada.
T1 - é o transistor cuja função é amplificar o sinal vG proveniente dos estágios anteriores. Em
geral é empregado em comutação. Desse modo as perdas são baixas.
DZ - é um diodo zener destinado a desmagnetizar o núcleo do transformador no intervalo de
tempo em que T1 encontra-se bloqueado.
D1 - é um diodo de roda livre. Conduz durante a desmagnetização do transformador.
R1 - é destinado a limitar a corrente de gatilho do tiristor.
D3 - é um diodo destinado a impedir qualquer desvio da corrente principal pelo gatilho.
D2 - é um diodo destinado a impedir que uma tensão negativa seja aplicada na junção gatilho-
catodo durante a desmagnetização do transformador.
8.6 - SINCRONIZAÇÃO DO RETIFICADOR DE MEIA ONDA MONOFÁSICA
Nesse caso, deve ser gerada uma dente-de-serra sincronizada com a tensão da rede, em
fase com o ciclo positivo, como está representado na figura 8.8.
Cap. 8 - Circuitos de Comando
Eletrônica de Potência
208
vRede
vR
t
t
Fig. 8.8 - Sincronização do retificador monofásico de meia onda.
Um circuito capaz de realizar essa função está representado na figura 8.9.
T1
R
3
A2
C
v
VccR3-
A1
R1
Rede
TR
R2
Fig. 8.9 - Circuito gerador de dente-de-serra sincronizado com a tensão de rede.
O transformador TR reduz a tensão da rede para 10V e propicia o isolamento.
R1 e R2 constituem um divisor de tensão. A1 opera como um comparador com zero. A2
opera como um integrador com constante de tempo dada pelo produto de R3 com C3. A
integração inicia quando t = 0. No instante t = a tensão na saída do comparador torna-se
positiva e satura o transistor T1, levando a zero a tensão vR.
8.7 - SINCRONIZAÇÃO DO RETIFICADOR MONOFÁSICO DE ONDA
COMPLETA
Nesse caso a dente-de-serra é produzida nos ciclos positivos e negativos como está
representado na figura 8.10.
Cap. 8 - Circuitos de Comando
Eletrônica de Potência
209
vRede
vRVC
t
t
Fig. 8.10 - Tensão de referência para o retificador de onda completa.
O retificador de onda completa está representado na figura 8.11.
vRede
Fig. 8.11 - Retificador de onda completa a tiristor.
A cada semi-ciclo da rede um pulso de comando é enviado aos quatro tiristores.
Somente aquele que estiver diretamente polarizado entra em condução.
Um circuito capaz de realizar a função descrita está representado na figura 8.12.
TR2K2
1N4148
A2v
100 F
e
1K
2K2
A1
1N4148
vd
10K
vb
D
vaRede
+15V56K 1K
-15V
100K
+
-
Fig. 8.12 - Circuito de sincronismo para o retificador monofásico de onda completa.
Cap. 8 - Circuitos de Comando
Eletrônica de Potência
210
O transformador TR, a exemplo do caso anterior, é empregado para isolar o circuito da
rede e para reduzir a tensão. A ponte retificadora D produz a tensão retificada de onda completa
vb que é comparada com a tensão Vc.
A1 opera como comparador e A2 como integrador. Quando vd é negativo, o integrador
integra a tensão -Vcc, produzindo uma rampa na sua saída. Quando vd torna-se positiva por um
intervalo de tempo muito curto, o capacitor do integrador é descarregado e o sistema pode
reiniciar uma nova rampa.
As formas de onda correspondentes estão representadas na figura 8.13.
va
vb
Vc
vd
ve
t
t
t
t
Fig. 8.13 - Sinais para o circuito de sincronismo representado na figura 8.12.
8.8 - SINCRONIZAÇÃO DO RETIFICADOR TRIFÁSICO DE PONTO MÉDIO.
A estrutura do retificador trifásico de meia onda está representada na figura 8.14.
1T
+2T
vL
-
3T
1v t( )
2v t( )
3v t( )
Fig. 8.14 - Retificador trifásico de meia onda.
Cap. 8 - Circuitos de Comando
Eletrônica de Potência
211
As tensões envolvidas estão representadas na figura 8.15.
A figura 8.15 mostra que a fase 1 pode ser sincronizada com a tensão da fase 2. Do
mesmo modo, as fases 2 e 3 são sincronizadas pelas tensões das fases 3 e 1, respectivamente.
A tensão de comando Vc deve variar de -VM a +VM. Com isto o ângulo variará de zero
até 180o.
v1
vR1
VC
v3 v2 v1v3 v2 v3
vR2
vR3
-VM
+VM
VC
VC
t
t
t
t
Fig. 8.15 - Sincronização do retificador trifásico de meia onda.
Quando a tensão de referência vRi torna-se maior que a tensão de comando, é enviado o
pulso da corrente de gatilho.
Esta técnica de sincronização é muito simples, porque dispensa os geradores de rampa,
além de propiciarem uma relação linear entre a tensão de saída e a tensão de comando.
Um diagrama de blocos simplificado capaz de permitir a implementação do método
proposto é apresentado na figura 8.16.
O método para a sincronização do retificador de meia onda não é o único possível. É
muito difundido o emprego de módulos de comando com rampa interna. Para que possam ser
empregados corretamente, os transformadores de sincronismo devem possuir o defasamento
correto, o que é conseguido com conexões do tipo triângulo-estrela.
Cap. 8 - Circuitos de Comando
Eletrônica de Potência
212
1T
2T
3T
Comando Tv1 3
2Comando T3v
v Comando T2 1
1v t( )
2v t( )
3v t( )
Fig. 8.16 - Diagrama do comando do retificador trifásico de meia onda.
8.9 - SINCRONIZAÇÃO DA PONTE TRIFÁSICA MISTA
A ponte mista está representada na figura 8.17.
T1 T2 T3
R
D1 D2 D3
1v t( )
2v t( )
3v t( )
Fig. 8.17 - Ponte mista trifásica.
As formas de onda envolvidas estão representadas na figura 8.18.
Cap. 8 - Circuitos de Comando
Eletrônica de Potência
213
Na figura 8.18 está indicada a rampa que comanda o tiristor T3. Ela é obtida da senóide
vS3 que está atrasada de 60o em relação à tensão de fase v3(t). Esse defasamento é obtido com o
diagrama de ligações representado na figura 8.19.
v = -vS3
iG3
VC
vR3
v3
2
v1 v 2 v3-v2 -v3 -v1 -v2
t
t
t
t
Fig. 8.18 - Tensões para a sincronização da ponte trifásica mista.
8.10 - SINCRONIZAÇÃO DA PONTE TRIFÁSICA COMPLETA
A ponte trifásica completa é empregada quando se deseja operação em dois quadrantes.
Para ângulos de disparo compreendidos entre zero e 90o, opera como retificador. Para
compreendido entre 90o e 180
o, opera como inversor.
As estruturas apresentadas ao longo deste capítulo podiam funcionar perfeitamente com
apenas um pulso de corrente no gatilho de cada tiristor no instante do seu disparo.
No caso particular da ponte completa, um único pulso não seria suficiente. A partir do
instante em que o tiristor deve entrar em condução deve-se enviar ao gatilho um trem de pulsos
com uma duração de 120o independentemente do valor de .
De acordo com a figura 8.20, verifica-se que o ângulo 1 pode ser sincronizado na
passagem por zero da tensão v31, tornando-se negativa. Na figura 8.21 estão representadas as
tensões de sincronismo e os respectivos tiristores.
Cap. 8 - Circuitos de Comando
Eletrônica de Potência
214
T1 T2 T3
Carga
D1 D2 D3
G3K3
1
G1K1G2K2
Comando T3
1 Comando T2
3Comando T2
VComando
1v t( )
2v t( )
3v t( )
Fig. 8.19 - Diagrama de sincronização da ponte trifásica mista.
Na figura 8.22 estão representadas esquematicamente as ligações que devem ser
realizadas para a obtenção das tensões de sincronismo.
No diagrama mostrado, cada tiristor é comandado por um módulo independente.
Poderiam ser empregados apenas 3 transformadores de sincronismo.
T
v
1
1
12
0
t
T6
6 0
T
v
2
2
23
0
T4
4 0
T
v
3
3
31
0
T5
5 0
v13 v21 v32
Fig. 8.20 - Tensões para ponte de GRAETZ.
Cap. 8 - Circuitos de Comando
Eletrônica de Potência
215
Tiristor Tensão de Sincronismo
T1 v13
T2 v21
T3 v32
T4 v31
T5 v12
T6 v23
Fig. 8.21 - Tabela das tensões de sincronismo dos tiristores.
Como já foi mencionado, os módulos de comando devem enviar aos tiristores trens de
pulso com duração de 120o a partir da ordem de disparo.
As formas de onda mais importantes de um módulo de comando que realiza tais funções
estão representadas na figura 8.23.
T3T2T1
T4
Z
T5 T6
T1v13
v31
v21
4
T
T
2
5Tv12
v32
v23
T3
6T
v1v2v3
1v t( )
2v t( )
3v t( )
Fig. 8.22 - Sincronização da ponte trifásica completa.
Cap. 8 - Circuitos de Comando
Eletrônica de Potência
216
v1
120o 120o
vR VC
t
t
t
t
Fig. 8.23 - Formas de onda para um módulo de comando da ponte trifásica mista.
V1 - tensão de referência.
VR - rampa sincronizada com a tensão de referência.
VC - tensão de comando.
V7 - sinal intermediário.
Ig - corrente de gatilho de um tiristor.
O diagrama de blocos do módulo de comando que produz os sinais representados na
figura 8.23 está representado na figura 8.24.
GeradorPorta
Estágio
de
PotênciaE
MonoestávelComparadorde
Rampa
Astável
vR
VC
v7v1
Fig. 8.24 - Diagrama de blocos do módulo de comando.
8.11 - DURAÇÃO DOS PULSOS DE GATILHO
Cap. 8 - Circuitos de Comando
Eletrônica de Potência
217
Nos casos em que o conversor alimenta uma carga puramente resistiva, um pulso de
corrente de gatilho com 10s de duração é suficiente para colocar um tiristor em condução.
Quando a carga é indutiva, a corrente de gatilho deve ser mantida com o valor adequado
ao tiristor durante o tempo necessário para que a corrente de ânodo atinja o valor da corrente de
retenção IL. Se a duração do pulso de corrente de gatilho não for suficiente, quando ela se anula o
tiristor se bloqueia.
Para uma carga fortemente indutiva deve ser respeitada a relação (8.7).
tLI
E
L (8.7)
Há casos particulares onde devem ser empregados pulsos de corrente longos em relação
à duração necessária para se disparar um único tiristor.
Seja um retificador de onda completa monofásico alimentando uma carga que contenha
uma força contra-eletromotriz, cujas formas de onda estão representadas na figura 8.25.
t t
t1 t2 t1 t2 t1 t2 t3t3t3
iG
iL
Eot
t
t
vL
Fig. 8.25 - Comando do retificador com carga incluindo f.c.e.m.
Se a duração t do pulso da corrente de gatilho for tal que
t t t 2 1 (8.8)
o tiristor não entrará em condução pois nesse intervalo encontra-se polarizado
negativamente. A solução consiste em aplicar um pulso longo de modo que a relação (8.9) seja
verificada.
t t t 2 1 (8.9)
Cap. 8 - Circuitos de Comando
Eletrônica de Potência
218
Caso haja necessidade de isolação entre o comando e a rede, deve-se empregar
transformadores de pulso, o que impossibilitaria o emprego de pulsos longos. Nesses casos a
solução ideal é o emprego de um trem de pulsos como aparece na figura 8.25.
8.12 - MÓDULO DE COMANDO DISCRETO DE BAIXO CUSTO
Seja o circuito representado na figura 8.26.
+Vcc
R1
1D 2D
R3
R24v
R5 R6
5vT3 3D
G
K
Tp
C R72
2
R4T1
TCV
1Cv
3v
C1
+
-
TR
1v
Fig. 8.26 - Módulo de comando discreto para um tiristor de pequena potência.
As formas de onda fundamentais estão representadas na figura 8.27.
O transformador TR com D1 e C1 produzem a rampa vC1. VC representa a tensão de
comando do ângulo de disparo. A tensão v3 é deslocada verticalmente em relação à massa quando
VC varia. Quando v3 torna-se positiva, o transistor T1 é saturado, T2 é bloqueado e o transistor
unijunção T3 oscila livremente. Quando T1 é bloqueado, T2 é saturado e T3 deixa de oscilar. Os
pulsos gerados por T3 são enviados ao gatilho do tiristor pelo transformador de pulsos Tp.
A tensão de comando VC pode ser proveniente dos circuitos de regulação do conversor.
Caso se deseje apenas comando manual, a fonte VC pode ser substituída por um resistor variável
adequado.
O circuito apresentado é muito simples e econômico e contém as funções mais
importantes para um bom comando.
Cap. 8 - Circuitos de Comando
Eletrônica de Potência
219
v1
iG
v5
v4
v3
VC
vC1
t
t
t
t
t
t
t
Fig. 8.27 - Formas de onda para o circuito representado na figura 8.26.
8.13 - MÓDULOS DE COMANDOS INTEGRADOS
Os fabricantes de componentes eletrônicos colocam a disposição dos técnicos os
módulos de comando integrados. Com eles consegue-se uma sensível redução do volume dos
circuitos de comando e um aumento considerável na confiabilidade.
A título de ilustração está representado na figura 8.28 o módulo TCA785 produzido pela
ICOTRON (SIEMENS), com suas funções básicas.
Cap. 8 - Circuitos de Comando
Eletrônica de Potência
220
C12
12
51
2
14
4
15
2
3
7
6
3=
16
7 =
4
5
1
R9
89C
10
10
136
8
I
V11
Fig. 8.28 - Funções básicas do módulo de comando TCA785.
v5
v10 V11
P
v15a
v14a
v15b
v14b
v3
v7
P
N N
t
t
t
t
t
t
t
t
Fig. 8.29 - Formas de onda principais para o integrado TCA785.
Cap. 8 - Circuitos de Comando
Eletrônica de Potência
221
1 - Detetor de zero.
2 - Memória de sincronização.
3 - Monitor de descarga.
4 - Comparador de controle.
5 - Transistor de descarga.
6 - Unidade lógica.
7 - Regulador interno de tensão.
8 - Fonte controlada de corrente constante.
As formas de onda principais do módulo TCA785 estão representadas na figura 8.29.
v5 representa a tensão de sincronização proveniente da rede. v10 é a rampa, disponível no
pino 10. O capacitor externo C10 é carregado linearmente por uma fonte de corrente definida pelo
resistor externo R9.
v15 e v14 são os sinais de saída, sincronizados com o ciclo positivo e negativo da tensão
de sincronização. A largura desses pulsos é alterada pelo capacitor externo C12. Quando o pino 12
é aterrado a largura do pulso atinge 180o, ou seja, a largura é igual a 180
o - .
Ao se conectar o pino 6 à terra inibe-se todas as tensões de saída do módulo.
Para o comando de um Triac pode ser empregada a tensão v7 que é uma combinação
lógica dos sinais v14 e v15.
A tensão de alimentação é ligada ao pino 16 e pode estar compreendida entre 8 e 18V.
Na figura 8.30 está representado um circuito proposto pelo fabricante, para o comando
de um Triac. Nesse caso, a corrente de gatilho é obtida diretamente do integrado. Durante o
semiciclo positivo da rede, o sinal de comando é fornecido pelo pino 15. Durante o semiciclo
negativo o sinal de comando é fornecido pelo pino 14.
Para corrente de gatilho superiores a 250mA, deve ser empregado um estágio
amplificador antes do gatilho.
Os dados técnicos detalhados para projeto devem ser obtidos com o fabricante do
circuito integrado.