Controle de Tensão AC utilizando Arduino e TRIAC

Neste tutorial, ensinaremos a você como controlar o valor de tensão de cargas AC utilizando arduino, no qual será possível ver o resultado observando a variação de luminosidade de uma lâmpada incandescente. Para o controle de potência será utilizado um componente chamado TRIAC, no qual será abordado sobre seu funcionamento e aplicação no decorrer desse tutorial.

Esse tipo de controle é amplamente utilizado, desde controlar a temperatura de uma estufa, até controlar a velocidade de algum equipamento. Ventiladores de teto que possuem a opção de mudar sua velocidade por meio de um potenciômetro apresentam um sistema no qual também é empregado o controle de potência, onde chamamos o sistema que pode efetuar esse controle de dimmer.

Antes de irmos para a parte prática de montagem e programação do arduino, devemos entender alguns conceitos que nos farão compreender a fundo o que está ocorrendo, possibilitando fazer melhorias e corrigir possíveis problemas que o circuito apresentar. Começaremos falando sobre o que é Corrente Alternada.

Corrente Alternada (AC)

Defini-se como a corrente elétrica no qual ocorre a mudança no sentido da corrente em função do tempo, assumindo valores tanto positivos quanto negativos. Sua forma de onda em grande parte das situações se assemelha a uma senoide, como pode ser visto logo abaixo. Isso se deve ao fato de a forma de onda da tensão variar de maneira que se assemelhe a uma senoide, e como a corrente assume valores em função da relação V = R · I, a corrente acaba assumindo uma forma semelhante.

Potência Elétrica

É definida como a quantidade de energia consumida em uma determinada variação do tempo. É dado em Watts (W), que corresponde a quantidade de energia por segundo (joule/segundo).

Potência = Tensão · Corrente

Quando se trata de circuitos de corrente alternada, a potência elétrica se divide em três outras grandezas elétricas, que são: potência ativa, reativa e aparente.

Potência Ativa

É a parte da potência convertida em trabalho de fato. Corresponde ao que foi realmente consumido para a realização do que foi proposto. Sua unidade de medida é em W (Watts) e sua fórmula é dada por:

P = V · I · cosΦ

Potência Reativa

Corresponde a parte da potência que é perdida nas excitações de campos magnéticos e elétricos. Sua unidade de medida é em VAr (Volt Ampère reativo).

Q = V · I · senΦ

Potência Aparente

Trata-se da potência total consumida pela carga. Corresponde a soma vetorial das potências ativa e reativa. Sua unidade de medida é em VA (Volt Ampère) e sua fórmula é dada por:

S = V · I

Fator de Potência

Dentro da área da elétrica, existem termos dados a certas características que os circuitos apresentam, que são eles: resistivo, capacitivo e indutivo.

Circuitos resistivos são compostos basicamente por resistores, no qual eles não apresentam nenhuma influência sobre as formas de onda da corrente e da tensão.

Circuitos capacitivos são compostos por capacitores, e apresentam a característica de afetar a forma de onda da corrente de tal forma que faça com que ela seja 90º adiantada em relação a tensão. Ou seja, as formas de onda agora apresentam uma defasagem entre si, no qual a forma de onda da tensão está defasada (atrasada) em 90º da forma de onda da corrente.

Circuitos indutivos são compostos por indutores, e apresentam um comportamento semelhando ao do circuito capacitivo, porém com uma diferença, de que agora a corrente é que está defasada em 90º da forma de onda da tensão.

Esse ângulo de defasagem entre a forma de onda da tensão e corrente dá origem ao que chamamos de Fator de Potência, que equivale ao cosseno do ângulo de defasagem entre a tensão e a corrente.

O que são Controladores de Tensão AC?

Consiste em um circuito que controla a tensão, possibilitando controlar indiretamente a corrente e a potência de uma carga AC por meio de dispositivos semicondutores de potência, como: SCR, TRIAC, Mosfet, IGBT. Por meio do controle do valor da tensão de entrada, é possível controlar a potência média entregue a carga, e com isso controlar certas ações de equipamentos.

Esse controle é efetuado distorcendo a forma de onda entregue a carga, como a imagem indica logo acima, no qual definindo o ângulo de disparo, parte da forma de onda antes do disparo “sumirá”, pois o TRIAC não estará em condução, fazendo com que a tensão média entregue a carga diminua.

Com isso encerramos a parte teórica introdutória ao tutorial. Mais ao final do tutorial serão feitas explicações mais profundas a respeito dos acontecimentos ocorridos no circuito.

Mãos à obra – Controlando a Luminosidade de uma Lâmpada Incandescente

Componentes necessários

Para a realização da atividade prática proposta por esse tutorial, serão necessários:

• 1 x Arduino;
• 1 x Protoboard;
• 1 x TRIAC;
• “” x resistores de “”Ω;
• “” x capacitores de “”μF;
• Jumpers.

O modelo de TRIAC utilizado é o BTA41 600b. Seu datasheet pode ser visto clicando aqui.

Montando o projeto

 

Programando

 

Colocando pra funcionar

 

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Entendendo a fundo

Hardware

Neste tópico serão abordados os componentes utilizados no circuito bem como suas características.

TRIAC

É um dispositivo semicondutor capaz de controlar a passagem de corrente em dois sentidos. Possui o comportamento semelhante a dois SCRs ligados em antiparalelo, no qual ele só passará a conduzir corrente entre os terminais A1 e A2 quando houver um pulso de corrente no terminal do gate. O TRIAC para de conduzir assim que a tensão entre seus terminais cair abaixo da tensão de manutenção (próximo de zero). Clique aqui para visualizar o datasheet do componente.

O controle de tensão é feito atuando diretamente na forma de onda da tensão, no qual por meio de um semicondutor de potência é possível deformar a forma de onda, alterando com isso os valores de corrente e tensão da carga. Tomemos como exemplo a senoide e o circuito de exemplo logo abaixo.

Por meio do controle da condução de corrente AC, o TRIAC

Optoacoplador

É um dispositivo isolador óptico no qual apresenta um LED e um fototransistor internamente, onde quando há passagem de corrente pelo LED, fará com que o fototransistor passe a conduzir.

Detecção da Passagem por Zero

Agora que sabemos que o TRIAC deixa de conduzir no momento em que a tensão cai para abaixo da tensão de manutenção, sabemos que a cada mudança de semiciclo (positivo para negativo e vice-versa) o TRIAC deixará de conduzir, retornando ao funcionamento aós um pulso de corrente no gate. Com isso, devemos estabelecer um sistema de controle em que após o TRIAC parar de conduzir, o arduino permita com que ele volte a conduzir.

Uma forma de solucionarmos isso é por meio de um circuito de detecção de zero, no qual esse circuito indicará ao arduino o momento em que a forma de onda passa pela tensão de 0 V, mostrando que o TRIAC deixou de conduzir, permitindo ao arduino acionar novamente o TRIAC no ângulo desejado.

O circuito de detecção de zero desenvolvido para este tutorial pode ser visualizado logo abaixo.

(CIRCUITO DETECTOR DE ZERO)

— Explicação —

Circuito para Disparo do TRIAC

Software

Considerações finais