CONTROLE MICROPROCESSADO DE POTÊNCIA DE LÂMPADA INCANDESCENTE COM ENTRADA DE SETPOINT VIA TECLADO EXTERNO

CONTROLE MICROPROCESSADO DE POTÊNCIA DE LÂMPADA
INCANDESCENTE COM ENTRADA DE SETPOINT VIA TECLADO EXTERNO
Adriana Monteiro Oliveira Britto1, Claussen Pires da Cruz Brito2, Cristiano André
Santos de Jesus3, Elcimar Rocha4, Lucas Galvão5, Marco Rios6, Mario Pinheiro7, Pedro
Ribeiro8, Rafael Santos9, Vagner Souza10, Vinicius Almeida11.
Area1 Faculdade de Ciência e Tecnologia – Curso de Engenharia Elétrica
ÁREA1 - FTE – FACULDADE DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
Resumo: O objetivo deste artigo é
apresentar o projeto de um sistema de
controle de potência para uma lâmpada
incandescente de 6 volts corrente continua
(vcc) através de um circuito eletrônico
gradador PWM. O sistema é composto
basicamente de um teclado numérico para
ajuste da luminosidade, um circuito
controlador, um conversor DC/DC, e fonte
de alimentação.
Palavras-chave: Controle de Potência,
Circuito Gradador PWM, Chopper.
Abstract: The objective of the article is to
present the project of a system of potency
control for an incandescent lamp of 6 volts
current continues (vcc) through a circuit
electronic gradador PWM. The system is
composed basically of a number pad for
adjustment of the brightness, a controlling
circuit, a converter DC/DC, and feeding
source.
Word-key: Control of Potency, Circuito
Gradador PWM, Chopper.
1. Introdução
O controle de iluminação serve
para controlar a intensidade com que uma
lâmpada incandescente ilumina, o que é
muito útil porque permite adequar a luz de
um ambiente para cada cenário,
proporcionando conforto, bem estar e
economia. Em tempos de economia de
energia elétrica, ter uma iluminação
eficiente com o consumo necessário é um
desafio que muitos engenheiros estão
encontrando no seu dia-a-dia. Neste
projeto apresentamos um controlador de
iluminação usando um microcontrolador
da série PIC16 (16F877A).
2. OBJETIVO
Este artigo apresenta o escopo do
projeto de um sistema eletrônico para
controle da intensidade luminosa de uma
lâmpada incandescente, por meio da
interface com um teclado. Em razão das
funções de controle definidas por software,
pode-se controlar a potência elétrica, de
forma contínua, obtendo-se vários níveis
de luminosidade em contraste aos habituais
estados de ligado/desligado. É importante
ressaltar que o projeto foi concebido com a
intenção de programar um protótipo de
cunho acadêmico de um controlador
digital.
3. SISTEMA PROPOSTO
Propomos neste artigo, um
controlador de iluminação que é totalmente
programável, para controlar a taxa de
luminosidade da lâmpada incandescente. O
circuito possui um display que exibe o
percentual de luminosidade que está sendo
empregado.
Segue abaixo as principais
características do sistema:
• Teclado numérico para ajuste do
nível de luminosidade da
lâmpada;
• Luminosidade exibida em
display com escala de 0 a 100%,
0 para apagada e 100% para
maior intensidade;
• Programação do nível em que a
lâmpada irá acender. Dado
gravado na EEPROM do PIC;
• Cérebro PIC16F877A;
• Lâmpada incandescente.
Como cérebro utilizamos o PIC
16F877A, que tem as seguintes
características que nos interessam:
• Memória de Programa de 8 KB;
• Memória RAM de 368 bytes;
• EEPROM de 256 bytes;
• 8 Canais analógicos de 10 bits
cada.
A Figura 1 representa o circuito
eletrônico completo do projeto:
Figura 1: Esquema do circuito completo do sistema
de controle de luminosidade.
Ao analisar o circuito eletrônico
completo, percebe-se que este é formado
pelos seguintes módulos: circuito de
controle com saída PWM (Modulação por
Largura de Pulso); circuito conversor
DC/DC e sistema de alimentação, os quais
estão descritos a seguir.
3.1 CIRCUITO DE CONTROLE COM
SAIDA PWM
Como a proposta prevê o controle
via teclado numérico para acionamento dos
níveis de luminosidade da lâmpada
incandescente. O sinal para aumentar a
intensidade da luminosidade da lâmpada
será colocado na porta E0 e o sinal para
diminuir a intensidade da luminosidade
será colocado na porta E1 do MC que por
sua vez obedecendo a uma lógica de
programação que dará uma resposta de
saída em PWM com modulação
proporcional ao comando que foi
imputado. Este sinal será injetado na
entrada do conversor DC/DC (chopper) o
MCLR
ADC
VDD
VSS
OSC 1
OSC 2
XTAL
22 pF
22 pF
Teclado
Driver
Potencia
100nF
PWM
+Vcc
5V
+Vcc
5V
10kΩ
V.Lamp.
MUC B0
B1
B2
B3
B4
1kΩ
1kΩ
1kΩ
1kΩ
1kΩ
E2
E0
E1
RD3
RD1
RD2
RD0
qual proporcionará um controle de
potencia da carga (lâmpada incandescente)
tendo como efeito à variação da sua
luminosidade. Para fechar a malha de
controle, o sinal que alimenta a carga
realimentará o MC através da sua porta
ADC (Conversor Analógico Digital).
Para um melhor entendimento do
funcionamento do PWM, está é uma
técnica de modulação para obtenção de
resultados analógicos com meios digitais.
O controle digital é usado para criar
uma onda quadrada de um sinal alternado
entre ligado e desligado. Este modelo onoff
pode simular tensões entre 100% (5
Volts) e 0% (0 Volts), alterando a parte do
tempo do sinal gasto em relação ao período
que o sinal possui. A duração relativa do
"tempo" é chamada de largura de pulso.
Para obter diferentes valores analógicos,
muda-se, ou modula-se a largura de pulso.
Se for repetir esse modelo on-off rápido o
suficiente sobre uma carga, por exemplo, o
resultado é integrativo, como se o sinal
fosse uma tensão variando entre 0 e 5v
controlando a potencia na carga. Essa
tensão constante equivale à tensão média
do sinal ao longo do tempo. Para uma onda
quadrada com o "duty cycle" de 50%. A
largura do pulso no nível 1 é igual a do
nível 0. Isso significa que, se a amplitude
do sinal é 5V, a saída será a tensão média
em todo ciclo, que é 2.5V. É como ter uma
tensão constante de 2.5V e para um "duty
cycle" de 10% teria uma tensão média de
0.5V.
Na figura 2, as linhas verdes
representam um período de tempo regular.
Esta duração ou período é o inverso da
frequência PWM. Considerando uma
freqüência PWM em cerca de 500Hz, as
linhas verdes estarão representando um
período de 2 milisegundos. Pode-se
observar também na figura a variação da
largura dos pulsos entre 0 e 100% da
duração do período.
Figura 2: Gráfico representativo de sistema PWM.
3.2 ACIONAMENTO DA CARGA
ATRAVÉS DE UM CIRCUITO
CONVERSOR DC/DC
Esta etapa é um conversor DC/CC
conhecido como Chopper usado para obter
uma tensão DC variável a partir de uma
fonte de tensão DC constante cujo valor
médio de tensão de saída varia quando se
altera a proporção do tempo no qual a
saída permanece ligada à entrada.
O principio de funcionamento é
baseado em uma chave ligada em série
com uma fonte DC e a carga. A chave
pode ser um transistor de potencia tipo
TBJ (transistores bipolares de junção), um
MOSFET (transistor de efeito de campo
metal-oxido-semicondutor), um SCR
(retificador controlado de silício) ou um
transistor GTO (tiristores de desligamento
por porta).
Figura 3: Chopper básico.
O referido circuito é acionado
através de pulsos (PWM) injetados na base
de um transistor tipo TBJ em configuração
Darllington, cujo disparo ou condução
Vi
d
_ Chopper
S
Vo R
Ii Io
_
+
ocorre durante o tempo de nível alto do
pulso. Sendo assim o TBJ conduzindo
(lâmpada alimentada) e TBJ cortado
(lâmpada desligada), de tal forma que a
medida que variamos a largura do pulso
alto variamos o tempo de condução do TBJ
fornecendo mais ou menos energia para
lâmpada, variando assim, a intensidade
luminosa da mesma.
Figura 4: Circuito Conversor DC/CC.
3.3 SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO
Para este módulo foi escolhida uma
fonte chaveada de desktop por apresentar
as características de alimentação
requeridas pelo sistema proposto: ter
entrada de tensão alternada de 127 V (rede
comercial), ser estabilizada e regulada, ter
disponibilidade de potência suficiente e
saída de tensão de 5 Vcc correspondente a
tensão de operação do circuito do sistema
de controle proposto no projeto.
A regulação do sistema funciona
transformando a tensão de entrada não
regulada em uma tensão de saída regulada.
Os reguladores de tensão podem ser
implementados com componentes
discretos ou podem ser obtidos na forma
de circuitos integrados (CI). Este último
são, geralmente mais precisos, e tornam o
circuito mais compacto por ocuparem
menos espaço.
O alimentador será aplicado na
entrada do circuito e será regulado pelo
sinal de controle do teclado numérico.
Quanto mais for incrementado o sinal,
mais corrente passará para o circuito, desta
forma alimentando o microcontrolador, de
maneira a gerar o sinal PWM na saída do
mesmo.
3.4 SOFTWARE UTILIZADO
O Programa para controle do nível
de luminosidade da lâmpada incandescente
pode ser desenvolvido na linguagem Basic
(MikroElektronika), baseado na versão 7.2
do compilador MikroBasic ou linguagem
programação C. É importante ressaltar que
o código fonte do programa será bem
documentado, assim qualquer um pode
compreender seu funcionamento. Após a
lógica de programação pronta, devemos
então gravar todos os dados na EEPROM
do microcontrolador.
4. MODELAGEM MATEMATICA
Para avaliar o comportamento do
circuito analógico mostrado na figura 5,
composto basicamente de um capacitor e
um resistor (lâmpada incandescente) se faz
necessário fazer uma modelagem
matemática do sistema físico para que seja
obtida a equação de transferência e, de
posse desta utilizar a ferramenta
MATLAB, obtendo-se a constante K para
controle do sistema.
Considerando que I¹ = I² + I³:
I¹ = Corrente Inicial
I² = C(dv/dt) = C (dx(t)/dt)
Considerando tensão inicial como
x(t):
I³ = V/R = x(t)/R
Logo,
I(t) = Ic + Ir
I(t) = {C dx(t)/dt} + {x(t)/R} =
{RC dx(t)/dt} + {x(t)}
Aplicando Laplace:
I(s) = R C s x(s) + x(s)
x(s)/i(s) = 1 / (R C s + 1)
Figura 5: Modelagem do circuito.
Com a utilização do Matlab
podemos ver na figura abaixo a resposta ao
degrau do circuito modelado.
Através de medições foi possível
encontrar o valor de 12,5Ω para a
resistência do circuito.
Como a tensão de entrada do do
mesmo é de 5V, podemos definir então:
f = 5kHz 􀃎 T = 1/f 􀃎 T= 0,2 ms
Logo,
e^[RT/C] = 5V 􀃎 C = 15,54 mF
Portanto, a função de transferência
do cicuito é dada por:
Y(s) = 1/ (0,194s +1)
Figura 6: Diagrama de Blocos do Circuito.
Para a resposta ao degrau temos a
seguinte expressão:
Y(s) = 1/ s(0,194s+1)
Com isso temos a seguinte saída em
degrau:
Figura 7: Gráfico da Resposta ao Degrau
5. CONCLUSÃO
Foi apresentado neste artigo o
conjunto de módulos, os quais compõem
um sistema para o controle da
luminosidade de lâmpadas incandescentes
via teclado numérico. Tivemos a
oportunidade de montar um aparelho útil
usando um microcontrolador, que serve
como referência para projetos maiores.
6. REFERÊNCIAS
ABNT. NBR 6022: informação e
documentação: artigo em publicação
periódica científica impressa:
apresentação. Rio de Janeiro, 2003. 5 p.
AHMED, Asfaq. Eletrônica de Potência.
2001. 1 ed. São Paulo: Ed. Pearson Brasil,
2000.
HIRZEL, Timothy. PWM. Disponível em:
< http://www.arduino.cc/en/Tutorial/PWM
>. Acesso em: 4 abr. 2010.
Portal Saber Eletrônica. Controlador de
iluminação automatizado com
PIC16F877A. Disponível em: <
http://www.sabereletronica.com.br/secoes/l
eitura/1465 >. Acesso em: 5 abr. 2010.
Portal Eficiência Energética. Controle de
Potência com Dispositivos Eletrônicos.
Disponível em:
<http://www.webeficienciaenergetica.kit.n
et/controledepotencia >. Acesso em: 5 abr.
2010.