Apostila de Interfaces entre Circuitos de Potência e de Controle
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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.