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Elementos de comutação controlados (como os SCRs e TRIACs) são muito utilizados na indústria para as mais diversas funções. O método mais comum de controle desses dispositivos é o disparo por fase. Mas o que muita gente não sabe, é que este tipo de controle tem um grande inconveniente: pode gerar pulsos eletromagnéticos e interferências do tipo EMI. Para resolver este e outros problemas, uma técnica diferente costuma ser utilizada: o disparo na passagem por zero ou Zero Crossing. Vejamos como funciona essa técnica, quais são os componentes disponíveis no mercado e suas vantagens e desvantagens.

O que é um controle de disparo por fase?


Para entender este conceito vamos começar por um circuito simples, como é o caso de um dimmer controlado por SCR, mostrado na figura 1.


Figura 1 - Dimmer com SRC

Ao variarmos a resistência no potenciômetro R2, muda-se o tempo de disparo do SCR. Isto altera a forma de onda aplicada a carga, como pode ser visto na figura 2.


Figura 2 - Variação da forma de onda de acordo com a variação de tempo de disparo do SRC. Acima tensão sobre a carga, e abaixo tensão sobre o SRC

Dependendo da posição de disparo do SCR, uma parcela da senóide não é aplicada à carga, diminuindo a potência que esta pode consumir. Exatamente aí está o problema. Quando o disparo ocorre durante o pico de um ciclo, o valor da variação de tensão sobre a carga é elevado. A tensão deve sair de zero volt para o valor de pico em poucos microssegundos. Essa variação repentina de tensão na carga gera ruídos na rede elétrica, aumenta o número de harmônicas, eleva a emissão de interferências eletromagnéticas (EMI), entre outros problemas. A figura 3 exemplifica esta situação.


Figura 3 - Variação brusca de tensão na carga


O que é um controle de disparo por passagem no zero (Zero Crossing)?

Se o disparo acontecer exatamente no momento em que a senóide passa pelo valor de tensão igual a zero, a subida de tensão na carga não será tão brusca e isso evitará a emissão de interferências, reduzindo a geração de harmônicas e diminuindo sobremaneira os problemas que são gerados pelo controle por fase. Essa técnica é conhecida como Zero Crossing, e pode ser visualizada na figura 4.


Figura 4 - Variação de tensão na carga em Zero Crossing


Como detectar o exato momento em que a senóide passa por zero volt? Um circuito simples para fazer essa detecção é sugerido na figura 5. Nele, o sinal senoidal retificado está presente no ponto A. Enquanto o nível de sinal é alto, o resistor de base R2 mantém o transistor Q1 saturado. Isto faz com que a tensão seja igual a zero no ponto B. Quando o valor da tensão retificada passar por zero, a corrente pelo resistor R2 irá cessar, e o transistor Q1 entrará em corte. Agora a tensão no ponto B é fornecida pelo capacitor C1, que foi carregado durante o ciclo positivo, através do diodo D2. Este mesmo diodo impede que o capacitor se descarregue pela rede elétrica. O gráfico obtido por este funcionamento pode ser visto na figura 6.



Figura 5 - Circuito detector de passagem por zero



Figura 6 - Sinais obtidos nos pontos A(acima) e B (abaixo) do circuito detector de Zero Crossing


Estes pulsos obtidos na saída do circuito detector são utilizados para o disparo do SCR ou do TRIAC, fazendo-os conduzir no exato momento da passagem por zero. Mas como controlar a potência da carga se ela sempre recebe a senóide a partir de seu início? Controlando o número de ciclos que a carga recebe. Acompanhe na figura 7 uma amostra de senóides em 60 hertz, durante três segundos. A variação de disparo foi feita de modo que o número de ciclos ativos diminua gradativamente, controlando a potência entregue à carga.

O controle se dá então através do número de ciclos que são entregues à carga, e não no ângulo de disparo do SCR, como era feito no modo anterior. A tabela 1 mostra como pode ser feito este controle para um ciclo de trabalho (duty cycle) de 3 segundos (180 ciclos em 60 hertz).

É fácil perceber que um circuito do tipo PWM pode controlar o acionamento da carga, onde a duração do ciclo de trabalho (duty cycle) é responsável pela potência da carga. Como pode ser visto na figura 8, onde a curva 1 representa o chaveamento do PWM, e a curva 2 a tensão entregue à carga.



Figura 7 - Acionamento de passagem por zero com tempos variáveis




Tabela 1 - Potência na carga em função do número de ciclos


Figura 8 - PWM acionando o funcionamento da carga


Dispositivos com Zero Crossing

Dentre alguns dispositivos existentes no mercado vamos destacar a família de opto-isoladores MOC30XX, da Fairchild Semiconductors. São dispositivos de 6 pinos, cujo diagrama interno é exibido na figura 9 e as opções mais comuns fornecidas na tabela 2.



Figura 9 - Diagrama interno da familia MCO30XX

Tabela 2 - Características da família MOC30XX.

Um circuito típico para uso deste chip é sugerido pelo fabricante, sendo ilustrado na figura 10.


Figura 10 - Circuito típico de funcionamento sugerido pela Fairchild Semiconductors


Aplicações do Zero Crossing

Grande parte das aplicações que necessitam de circuitos Zero Crossing é de controles de aquecedores, em seus mais diversos usos: secadoras, fornos, câmaras de aquecimento, destilarias, etc. e nos mais variados ambientes industriais(vidro, plásticos, alimentos, química, petróleo, metais, têxtil, papel, etc.)

Além disso, pode ser utilizado para o controle de:
• Solenóides;
• Chaves estáticas e relés de estado sólido;
• Iluminação;
• Partida de motores.

Utilizando cargas indutivas

O problema ao controlar cargas indutivas é a reatância indutiva, fenômeno que faz com que a corrente e a tensão estejam defasadas. Assim, mesmo que o início de condução seja no ponto zero de tensão, não haverá garantias que a corrente que circula pela carga também seja zero naquele instante, fazendo com que todos os problemas citados anteriormente voltem a acontecer.

A solução é a colocação de um circuito snubber na saída do comutador (SCR ou TRIAC). Um snubber é um circuito elétrico simples que tem a função de tentar eliminar (snub) transientes elétricos.

A maneira de compensar a indutância é colocar uma capacitância equivalente, como pode ser visto na figura 11.


Figura 11 - Capacitor Cs com função de Snubber


Conclusão

Este método de acionamento, por passagem no zero, permite um controle tão eficiente quanto o de disparo por fase, mas com a vantagem de evitar interferências ou gerar harmônicas.
Mostraremos em breve algumas aplicações práticas para este tipo de controle, como um dimmer zero crossing.

Alessandro F. Cunha é engenheiro elétrico, trabalha em telecomunicações desde 1994 e professor da rede SENAI.

*Originalmente publicado na revista Eletrônica Total - Ano 19 - Edição - 126 - Mês Set/Out/07