Projeto de Circuito para Controle do Inversor

O inversor Varispeed E7 conta com um m ´odulo de entrada anal ´ogica para con- trole da refer ˆencia de frequ ˆencia do motor. Essa entrada anal ´ogica pode ser um sinal de tens ˜ao de 0 a 10 V ou um sinal de corrente de 4 a 20 mA. Por padr ˜ao, o inversor utiliza o sinal de tens ˜ao como entrada.

O inversor possui uma fonte de tens ˜ao de 15 V, sinal +V, uma refer ˆencia de 0 V, sinal AC, e um canal de entrada A1, veja a Figura 3.9. O m ´odulo de controle manual da Figura 3.3 utiliza um potenci ˆometro de 2 kΩ para dividir a tens ˜ao da fonte e controlar

o valor do sinal A1.

Figura 3.9: M´odulo de entrada anal´ogica do inversor de frequˆencia - Sinais +V, A1 e AC

Tabela 3.1: Sinais do m´odulo de entrada anal´ogico do inversor Sinal Descri¸c˜ao

+V sinal de 15 V vindo da fonte do inversor A1 sinal de controle de 0 a 10 V para o inversor AC sinal de 0 V vindo da fonte do inversor

Para controlar o valor de tens ˜ao do sinal A1, veja Tabela 3.1, ser ´a utilizado o sinal de sa´ıda PWM do Arduino. Para isso, ´e preciso estar atento a alguns detalhes. Primeiro, o sinal PWM do Arduino opera na faixa de 0 a 5 V, enquanto o sinal A1 opera entre 0 e 10 V. Al ´em disso, como os circuitos s ˜ao independentes pode haver problemas de aterramento, ou problemas de acoplamento. Isso significa, de forma grosseira, que a refer ˆencia de 0 V para o Arduino pode n ˜ao significar 0 V para o inversor, o que pode causar diversos problemas no funcionamento da placa.

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E poss´ıvel resolver o problema da faixa de operac¸ ˜ao do sinal PWM do Arduino atrav ´es de transistores bipolares. O principio do transistor ´e poder controlar a corrente que passa entre dois dos seus terminais. Ele ´e montado em uma estrutura de cris- tais semicondutores, formada por tr ˆes camadas. Cada uma dessas camadas recebe

um nome em relac¸ ˜ao `a sua func¸ ˜ao na operac¸ ˜ao do trans´ıstor. As extremidades s ˜ao chamadas de emissor e colector, e a camada central ´e chamada de base.

Os transistores funcionam de forma a liberar a passagem de corrente entre o co- letor e emissor quando h ´a uma determinada corrente na base. A corrente necess ´aria na base do transistor pode ser de ordem muito inferior `a corrente que passa entre os outros terminais. Os transistores bipolares podem ser do tipo PNP ou NPN, Figura 3.10.

Figura 3.10: Transistores bipolares NPN e PNP

Existem centenas de formas diferentes para a utilizac¸ ˜ao dos transistores. Nesse trabalho vamos utiliz ´a-los como amplificadores e como chaves ”liga-desliga”, em ingl ˆes switches. Para amplificar a escala do sinal PWM de 0 a 5 V para 0 a 10 V, ´e necess ´ario que haja um fonte que fornec¸a uma tens ˜ao de, pelo menos, 10 V. Como o sinal PWM ´e uma onda quadrada, quando ele estiver em n´ıvel alto a sa´ıda do Arduino ir ´a gerar um sinal de 5 V, quando ele estiver em n´ıvel baixo a sa´ıda ser ´a de 0. Assim, se o pino de sa´ıda do Arduino for conectado em um resistor de valor R, toda vez que o PWM estiver em n´ıvel alto ser ´a gerada uma corrente i que entrar ´a na base de um transistor bipolar NPN. O transistor, por sua vez, chavear ´a o sinal da fonte e, com isso, amplificar ´a a sa´ıda PWM. A Figura 3.11 mostra o esquem ´atico desse circuito.

O uso do circuito da Figura 3.11 em teoria resolve o problema do controle do inversor, uma vez que ´e poss´ıvel utilizar os sinais +V e AC como uma fonte externa. Na pr ´atica, esse circuito n ˜ao se mostrou uma boa opc¸ ˜ao. Todas as vezes que o circuito era montado e iniciava-se os testes para controlar a refer ˆencia de frequ ˆencia do inversor, a placa do Arduino reinicializava sozinha e cortava a comunicac¸ ˜ao com o computador. A raz ˜ao desse comportamento inst ´avel ´e que, com esse tipo de acoplamento entre os circuitos, muitos ru´ıdos e picos de corrente vinham do inversor de frequ ˆencia at ´e o Arduino, o que causava o mal funcionamento do mesmo.

Para desacoplar eletricamente os circuitos ´e necess ´ario a utilizac¸ ˜ao de optoa- copladores. Optoacopladores, tamb ´em conhecidos como optoisoladores ou fotoisola-

Figura 3.11: Utilizando transistor para amplificar sinal PWM do Arduino

dores, s ˜ao componentes eletr ˆonicos projetados para transferir sinais el ´etricos atrav ´es de ondas de luz, isolando eletricamente dois circuitos diferentes. A ideia principal do uso de optoacopladores ´e ”evitar que altas tens ˜oes, ou variac¸ ˜oes r ´apidas de tens ˜ao, de um lado do circuito cause danos no circuito do outro lado” [29].

A ligac¸ ˜ao ´otica utilizada pelos optoacopladores se d ´a entre um diodo emissor de luz e um outro componente sens´ıvel a luz, como por exemplo um foto transistor. No caso do foto transistor, o feixe de luz emitido pelo diodo age como uma corrente na base de um transistor bipolar, chaveando os terminais do coletor e emissor. Os optoacopladores s ˜ao projetados para resistir a altas voltagens (500 V a 10 kV) en- tre sua entrada e sa´ıda. Esse ´e o principal par ˆametro que indica a sua func¸ ˜ao de isolador el ´etrico. A Figura 3.12 mostra o esquema do circuito integrado (CI) de um optoacoplador.

Figura 3.12: Princ´ıpio de funcionamento dos optoacopladores

resolver o problema da ampliac¸ ˜ao do sinal PWM discutido anteriormente, sem a ne- cessidade do uso de outro transistor. A Figura 3.13 mostra o circuito final para controle do inversor. O funcionamento b ´asico do circuito ´e o mesmo da Figura 3.11, com a diferenc¸a de que o terra do Arduino n ˜ao est ´a conectado junto `a refer ˆencia de 0 V do inversor.

Figura 3.13: Circuito para controle da entrada anal´ogica do inversor de frequˆencia