Introdução às Interfaces entre Circuitos de Controle e de Potência Gabriel Mortensen

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GABRIEL MORTENSEN

Apostila de Introdução às Interfaces entre Circuitos de Controle e de

Potência – Versão 1 (março de 2013)

Sumário 1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 1

2. ACOPLADORES ÓPTICOS ............................................................................................. 2

2. 1. LDR (LIGHT DEPENDENT RESISTOR) ................................................................ 3

2.2. DIODO EMISSOR DE LUZ (LED) ........................................................................... 4

2.3. FOTODIODO ............................................................................................................... 4

2.4. FOTOTRANSISTOR .................................................................................................. 5

2.5. ACOPLADOR ÓPTICO ............................................................................................. 6

3. RELÉS .................................................................................................................................. 7

4. RELÉ DE ESTADO SÓLIDO ............................................................................................ 8

5. REFERÊNCIAS .................................................................................................................. 9

1. INTRODUÇÃO

Os equipamentos eletrônicos utilizados em controle para comandar

cargas (como motores), tais como, inversores de frequência, clp, entre outros,

são equipamentos que utilizam circuitos sensíveis e por essa razão não devem

receber oscilações provenientes da carga. Isso gera a necessidade de uma

separação (isolação) entre o circuito de controle e a carga comanda.

Veja o exemplo abaixo:

Na ilustração acima, o circuito de controle atua diretamente em um

transistor, controlando-o de forma a chavear (ligar e desligar) uma carga. O

transistor está representando um circuito de potência que é comando pelo

circuito de controle. Repare que não há separação elétrica dos circuitos e que

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dessa forma, um problema que aconteça com a carga pode danificar inclusive

o circuito de controle. Dessa situação surge a necessidade de utilizar o que

chamamos de isolação galvânica, que é a separação elétrica de dois circuitos,

o de comando e o comandado (circuito de potência), não existindo caminhos

para a condução de corrente. A isolação galvânica quando aplicada nesse

contexto é chamada de interface entre circuito de controle e de potência.

Um transformador (com seus enrolamentos primário e secundário) é o

exemplo mais comum de isolação galvânica. Quando se precisa transferir uma

informação (comando) entre duas partes (circuitos) de um mesmo sistema sem

que haja condução elétrica entre elas, podemos utilizar diferentes meios, como

indução eletromagnética (transformadores), meios ópticos (acopladores

ópticos), ou mecânicos (relés).

Neste texto, você verá as principais características dos meios mais

comumente utilizados para interfaceamento entre controle e potência, como

acopladores ópticos, relés e relés de estado sólido.

2. ACOPLADORES ÓPTICOS

O acoplador óptico, também chamado de isolador óptico, é um

dispositivo optoeletrônico, um componente que possui em seu encapsulamento

dois circuitos com altíssima isolação entre si. A comunicação entre eles é

formada por um feixe de luz gerado pelo primeiro circuito, e que ao ser

recebido pelo segundo circuito, faz com que esse permita a passagem de

corrente entre dois terminais.

Observe a figura abaixo.

Conforme a figura acima demonstra, o acoplador óptico possui na

entrada um LED (diodo emissor de luz) infravermelho (você verá detalhes do

LED no item 2.2 deste texto), que ao ser percorrido por uma corrente elétrica

emite radiação infravermelha (uma forma de luz que não é visível ao olho

humano) ao segundo circuito através de um meio transparente e de alta

isolação elétrica.

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O segundo circuito possui um elemento fotodetector, que ao receber a

luz emitida pelo primeiro a transforma em sinal elétrico. Esse sinal atua sobre

um transistor que opera como chave (você terá melhores explicações no item

2.4 deste texto), permitindo a passagem de corrente entre seus terminais

quando o fotodetector recebe luz.

A seguir você irá conhecer as características básicas de alguns

componentes optoeletrônicos.

2. 1. LDR (LIGHT DEPENDENT RESISTOR)

O fotorresistor ou LDR é um componente cuja resistência elétrica

diminui quando aumenta a incidência de luz. A figura abaixo mostra seu

símbolo e seu aspecto físico.

Embora esses componentes sejam utilizados mais comumente

para detecção de fumaça, controle de luminosidade, contagem de

peças, e não sejam comuns de serem encontrados em interfaces de

isolação, que é nosso objeto de estudo, é importante que você o

conheça, já que é possível o seu uso em interfaces.

A figura abaixo mostra um circuito de detecção de luz com

transistor, que utiliza um fotorresistor (LDR).

Na figura acima, o potenciômetro de 47k, o resistor de 470 e o

LDR formam um divisor de tensão. Na presença de luz a resistência do

LDR é baixa, com um ajuste adequado do potenciômetro de 47k, a

tensão que chega à base do transistor não é suficiente para fazê-lo

saturar, dessa forma ele corta (não conduz). Na ausência de luz a

resistência do LDR aumenta, aumentando assim a tensão aplicada nele,

isso faz com que a tensão aplicada à base do transistor aumente,

saturando-o e fazendo o relé ligar.

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2.2. DIODO EMISSOR DE LUZ (LED)

O diodo emissor de luz (Light Emitting Diode, LED) é basicamente

uma junção PN (junção de material semicondutor positivo e negativo) na

qual existe uma abertura pela qual sai radiação luminosa quando o diodo

está conduzindo corrente. Assim como um diodo comum, o LED só

conduz corrente em um único sentido. A luz emitida pelo LED pode

apresentar as seguintes cores: verde, amarela, vermelha, azul, pode

também ser infravermelha, não visível ao nosso olho.

Os LEDs são usados como indicadores de ligado ou desligado

(seja em ambiente industrial ou na televisão da sua casa), para

iluminação em display de equipamentos eletrônicos em geral.

Atualmente estão substituindo lâmpadas incandescentes em

residências, comércios e inclusive nos carros. O LED emissor de

infravermelho é utilizado em sistemas de alarmes, em sensores ópticos

no ambiente industrial, no controle remoto de sua televisão, e em

acopladores ópticos (utilizados nas interfaces que estamos estudando).

Uma dica interessante é utilizar uma câmera de vídeo, pode ser até a de

um aparelho celular para perceber o funcionamento de um LED emissor

de infravermelho.

A figura abaixo exemplifica o LED.

2.3. FOTODIODO

O fotodiodo funciona de forma contrária a um LED, ou seja,

quando recebe luz em sua junção ele produz corrente elétrica

proporcional à intensidade luminosa. Possui diversas aplicações como

detectar intensidade luminosa, posição, cor e presença de objetos.

Células Fotovoltaicas utilizadas para captação de energia solar são

constituídas de fotodiodos. Os fotodiodos são também utilizados em

chaves ótica, dispositivos compostos por um LED emissor de

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infravermelho (emissor) e um fotodiodo (receptor), dispostos um de

frente para o outro, quando um objeto se posiciona entre eles, o feixe do

emissor deixa de atingir o receptor. Um acoplador óptico pode ser

confeccionado com fotodiodo.

O aspecto físico de um fotodiodo lembra um LED.

2.4. FOTOTRANSISTOR

Antes de explicar sobre o fototransistor, é importante que você

tenha uma ideia do funcionamento de um transistor normal. Basicamente

um transistor é um componente que possui três terminais: coletor, base

e emissor. O transistor serve para se controlar a passagem de corrente

que é aplicada entre dois de seus terminais, o coletor e o emissor, esse

controle é feito através do terminal da base. Uma pequena corrente

aplicada na base permite a passagem de uma corrente muito maior

entre o coletor e o emissor. O transistor pode ser utilizado de duas

formas distintas, como amplificador, que para uma variação da corrente

aplicada na base ele fornece uma variação proporcional na passagem

entre o coletor e o emissor. Outra forma é o uso do transistor como

chave, em que só existem dois estados entre coletor e emissor, conduzir

ou não conduzir a corrente.

A figura abaixo mostra o símbolo e a foto de um transistor.

O fototransistor difere do anterior pelo fato de que ao invés do

controle da corrente entre emissor e coletor ser feito pela injeção de

corrente na base, a base do fototransistor é óptica. O fototransistor é

mais sensível que um fotodiodo. Existem fototransistor com dois

terminais (coletor e emissor) e com três terminais (base, emissor e

coletor), no fototransistor com três terminais, o terminal de base permite

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controlar a sensibilidade do fototransistor à luz. A sensibilidade é

máxima com a base aberta (sem conexão).

A figura abaixo mostra o símbolo de um fototransistor com

terminal de base, outro sem a base e uma foto de um fototransistor com

terminal de base.

2.5. ACOPLADOR ÓPTICO

Retomando o que foi dito no início do texto, o acoplador óptico é

um componente que possui em seu encapsulamento dois circuitos, o

primeiro que constitui o emissor, utiliza um LED infravermelho, o

segundo, isolado do primeiro, é um circuito que possui um fotodetector,

e, que, ao receber o feixe de luz emitido pelo primeiro, gera um sinal.

Sua função é isolar eletricamente o circuito de controle do circuito de

potência.

No mercado existem diversos tipos de acopladores ópticos que se

diferenciam basicamente pelo tipo de fotossensor utilizado na saída. Os

principais fotossensores são o fotodiodo, fototransistor, fotoscr e o

fototriac (esses dois últimos não serão abordados no presente texto).

Um exemplo de acoplador óptico comercial é o 4N25, que possui

seis pinos (terminais), sendo utilizados apenas 4 ou 5, dependo do uso.

No circuito de entrada há um LED infravermelho (utilizando-se de dois

pinos), no de saída há um fototransistor. O fototransistor utilizado possui

três terminais, sendo que um deles, a base, é de uso opcional, servindo

para controlar a sensibilidade do fototransistor à luz, como mencionado

no item 2.4 deste texto.

A figura abaixo mostra o aspecto físico do 4N25 e seus circuitos,

de entrada e saída.

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3. RELÉS

O relé é um interruptor eletromecânico.

Um interruptor ou chave é um componente que pode permitir ou não a

passagem de corrente, ele realiza esse trabalho a partir de partes móveis, ou

seja, ele possui internamente um mecanismo que conecta ou desconecta

fisicamente dois pontos elétricos. Quando os dois pontos estão conectados,

dizemos que a chave está fechada, e nesse caso há passagem de corrente, o

contrário, dizemos que está aberta (interrompida). O “botão” que há nas

paredes das residências para acender ou apagar as lâmpadas é um exemplo

de interruptor.

Um interruptor eletromecânico (relé) é um interruptor ou chave que, ao

invés de depender de um acionamento manual (ou outra forma de contato), ele

é comandado eletricamente.

Obs. Repare que o transistor pode ser utilizado como uma chave, e é

comandado eletricamente, no entanto, o transistor não possui partes móveis. O

transistor, quando utilizado como chave, não fornece isolação galvânica entre

suas partes, essa propriedade pode ser obtida com o acoplador óptico que

também não possui parte móvel.

Um relé possui basicamente dois terminais de entrada, para comando, e

três terminais em sua saída, sendo um comum e os outros dois são conectados

de forma alternada, conforme a entrada é ativada.

Veja a figura abaixo que ilustra a chave de saída

O contato que permanece conectado sem que a entrada seja ativada é

chamado de normal fechado (NF), o outro de normal aberto (NA).

A entrada é constituída de uma bobina ou indutor, que ao ser energizado

atrai (como um imã) uma parte móvel que é o contato. Quando a entrada é

desligada, a parte móvel retorna à posição inicial através de molas. Pelo fato

de o relé possuir partes móveis, ele tem uma limitação maior que os anteriores

em termos da frequência de operação (quantidade de vezes em que ele é

acionado e desacionado em um período de tempo).

A figura abaixo mostra a constituição física de um relé.

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Como você pode notar o relé se caracteriza como uma interface, já que

há isolação entre a entrada e a saída. A saída do relé pode ser considerada

como um circuito de potência.

4. RELÉ DE ESTADO SÓLIDO

O relé de estado sólido (Solid-State Relay, SSR) é um componente

semicondutor, que assim como o anterior, é capaz de comandar cargas de

correntes elevadas a partir de pequenos sinais. Diferente do anterior, esse não

possui partes móveis, o que proporciona uma capacidade de operar com

frequências mais altas (maior velocidade), e sem desgaste.

Os relés de estado sólido derivam dos acopladores ópticos, sendo

assim, possuem emissor de infravermelho e receptor fotossensível

internamente. Os acopladores ópticos surgiram para transferir sinais, quando

usados para comutar cargas, temos o que se denomina de relé de estado

sólido. Assim como os acopladores ópticos, os relés de estado sólido possuem

em sua saída um dispositivo semicondutor sensível à luz como um fotodiodo,

fototransistor, fotoscr e o fototriac, etc, dependendo da aplicação. O elemento

sensível pode ser usado para comutar um dispositivo de maior capacidade

como um TRIAC, um SCR ou mesmo MOSFET de potência, itens que serão

abordados posteriormente.

Dica: pesquise alguns modelos de relés de estado sólido e procure saber quais

as tecnologias utilizadas e os parâmetros de trabalho desses componentes.

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5. REFERÊNCIAS

[1] ALBUQUERQUE, RÔMULO OLIVEIRA. Utilizando Eletrônica com AO,

SCR, TRIAC, UJT, PUT, CI 555, LDR, LED, IGBT e FET de Potência.

Rômulo de Oliveira Albuquerque, Antonio Carlos Seabra. 2. Ed. - São

Paulo: Érica, 2012.

[2] Galvanic Isolation. Disponível em:

http://en.wikipedia.org/wiki/Galvanic_isolation. Acesso em 12/03/2013.

[3] Testando Relés. Disponível em:

http://www.sabereletronica.com.br/secoes/leitura/837. Acesso em 11/03/2013.

[4] Relés de Estado Sólido. Disponível em:

http://www.sabereletronica.com.br/secoes/leitura/1487. Acesso em 11/03/2013.

[5] Relés de Estado Sólido. Disponível em:

http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/1436-art210.

Acesso em 11/03/2013.

[6] Como Funcionam os Foto-diodos. Disponível em:

http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/4715-art1181.

Acesso em 11/03/2013.

[7] Acopladores e Chaves Ópticas. Disponível em:

http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/872-acopladores-e-

chaves-opticas-art120. Acesso em 12/03/2013.