Planta Térmica 1

Última atualização: 2018-05-29

Atenção

Esse experimento realiza a construção de um controlador de fase, e por isso lida com alta-tensão. Tome muito cuidado ao construir o circuito e realizando medições para evitar risco de morte.

Introdução

O objetivo é criar uma planta térmica controlada utilizando uma resistência e um sistema de medição.

Para realizar o controle da planta térmica desse experimento, vamos construir um controlador de fase para acionar e controlar uma resistência. Um controlador de fase é um circuito que varia o ângulo de disparo em uma onda senoidal de forma a aplicar apenas parte da tensão da rede na carga. Com isso, pode-se variar a tensão RMS na carga.

Projeto do controlador

Descrição do TCA 785

Para isso, vamos utilizar um controlador pronto de fase chamado TCA 785. O jeito como o TCA 785 funciona é criando uma rampa utilizando o capacitor C₁₀ e o resistor R₉. Essa rampa então é comparada com o valor de referência V₁₁ e quando os valores são iguais um pulso é enviado para acionar o triac. Assim, variando a tensão de referência, pode-se alterar o ângulo de disparo.

Embora o circuito integrado tenha 16 entradas e saídas (DIP16), apenas algumas são necessárias. São elas:

GND: ground comum do circuito.
V_SYNC: sinal senoidal para sincronização com a frequência e fase da rede.
I: entrada que ativa o circuito integrado.
V_S: tensão de alimentação de 8V a 18V.
Q₁ e Q₂: pulsos de saída para comando do triac.
L: habilita pulso de acionamento longo.
C₁₂: define largura do pulso de acionamento longo.
V₁₁: tensão de referência.
C₁₀: capacitor de rampa.
R₉: resistor de rampa.

Retificador para alimentação

Para evitar ter que adicionar uma fonte extra de alimentação, e assim evitar eventuais problemas de curto circuito (acredite, eles vão acontecer), iremos utilizar a própria entrada da rede para alimentar o TCA 785. Para tal, basta construir um retificador de meia onda com diodo zener regulador de tensão e capacitor para filtro.

Entrada para Arduino

O Arduino deve gerar um sinal de tensão de referência para o CI, e também deve ser isolado galvanicamente do outro circuito. Para isso, utilizamos um optoacoplador 4N35. Como o sinal de saída ainda é um sinal PWM, também foi adicionado um filtro RC para obter a componente DC do sinal.

Circuito Completo

O circuito completo foi montado se baseando então no circuito de exemplo presente no datasheet do TCA 785.

Baixe os arquivos do projeto no Eagle (esquemáticos e PCB).

Baixar projeto

Design da PCB

O design da PCB foi feito para auxiliar a soldagem dos componentes na placa ilhada 15x15. Caso você pretenda personalizar sua PCB, baixe o projeto no Eagle e altere livremente.

Note que a PCB da figura apresenta 3 camadas. A azul, que deve ser soldada normalmente por baixo da placa, e as trilhas vermelhas e verde, que são jumpers que ligam um ponto ao outro.

Lista de componentes (BOM)

Abaixo selecionamos uma lista de componentes utilizada no nosso projeto, bem como um link para compra para referência visual.

Circuito final

O circuito final pode ser observado nas figuras a seguir.

Medição de temperatura

Para medir a temperatura, vamos utilizar um sensor de temperatura já à prova d’água chamado DS18b20.

De acordo com o datasheet, é necessário apenas um pullup para ligar o sensor, que é feito com um resistor qualquer (10kΩ, por exemplo) entre o pino de entrada e o 5V do Arduino. A figura a seguir mostra como conectar o sensor. Note que a cor dos fios do diagrama é igual ao do sensor com case.

Montagem do Sistema

Atenção!

Não ligue a resistência em um recipiente sem água, pois ela não conseguirá trocar calor e queimará.
Não inverta a fase com o neutro na entrada do circuito de controle. Use uma tomada de três pinos para evitar inverter e sempre cheque se estão na ordem certa antes de ligar o circuito.

A montagem do sistema completo pode ser visto na Figura a seguir, com base no que foi apresentado dos circuitos anteriores.

Para ajudar na montagem, foram feitas também fotos próximas aos principais componentes. A panela conta apenas com uma resistência e o sensor de temperatura preso à sua lateral. Note também que, por medidas de segurança, aterramos o corpo metálico da panela com o terra da rede elétrica. Note também que você deve usar uma panela adequada à sua resistência escolhida.

Por último, o circuito de controle deve ser conectado ao Arduino (cabo vermelho do PWM e cabo azul do GND), à carga (ambos cabos vermelhos, a ordem não importa) e à tensão da rede (cabos brancos, o cabo com marcação vermelha sinalizando a fase e sem marcação para o neutro).