Desenvolvimento Eficiente de AVR Usando ASICs GreenPAK Programáveis

Reguladores Automáticos de Tensão (AVRs) modernos dependem cada vez mais de controle digital, mas as soluções compactas e custo-efetivas oferecidas por ASICs de sinal misto programáveis — como o GreenPAK SLG46537V da Dialog Semiconductor — provam ser especialmente valiosos para unidades AVR portáteis.

Contexto e Aplicações

AVRs, comumente chamados de estabilizadores de tensão, mantêm uma tensão de saída estável compensando flutuações no fornecimento. São essenciais para geradores em navios, sistemas de energia de emergência e plataformas de petróleo, e protegem eletrodomésticos como condicionadores de ar e geladeiras de irregularidades de tensão.

Para concessionárias, a regulação precisa de tensão através da rede de distribuição é essencial para qualidade de energia. Em regiões como o Sul da Ásia, desafios como furto de energia e escassez de geração podem desencadear shedding de carga e oscilações de tensão, tornando AVRs portáteis uma proteção popular.

Limitações dos Projetos Tradicionais

Projetos tradicionais de AVR empregam um autotransformador com derivações e um loop de realimentação acionado por relés. O circuito tipicamente consiste em uma unidade de sensoriamento que monitora tensões de entrada e saída e uma unidade de regulação que aciona relés para selecionar a derivação correta do transformador. Historicamente, esta realimentação era implementada com CIs operacionais e comparadores analógicos; projetos mais recentes usam microcontroladores de 8 bits. No entanto, a plataforma GreenPAK entrega funcionalidade equivalente a menor custo e footprint, eliminando a necessidade de firmware de MCU separado.

Arquitetura do Sistema

A Figura 1 mostra o diagrama de blocos do AVR. A saída CA é condicionada a um nível CC adequado para o GreenPAK, que por sua vez aciona relés eletromecânicos para selecionar a derivação apropriada do autotransformador. O controlador também alimenta o circuito de acionamento dos relés e fornece indicadores LED de status.

Figura 1: Diagrama de blocos funcional (fonte: BarqEE)

As principais especificações do AVR são:

• Tensão de entrada: 125 V – 240 V
• Saída regulada: 200 V – 240 V
• Proteção de subtensão (<180 V) e sobretensão (>255 V) desconectam a saída.
• Quatro relés eletromecânicos acionam as derivações do autotransformador (135 V, 174 V, 196 V, 220 V) e um relé de segurança.
• Forma de onda e frequência de saída correspondem à entrada.
• Design de controlador custo-efetivo.
• Indicadores LED para estados normal, sobretensão e subtensão.

Estes parâmetros podem ser ajustados no firmware do GreenPAK para atender outras aplicações.

Implementação Funcional

Figura 2: Arquitetura detalhada do AVR (fonte: BarqEE)

Condicionamento de Energia

A CA da fase é reduzida para 12 V e depois regulada para 5 VCC para alimentar o GreenPAK.

Sensoriamento de Tensão

A saída CA (Live_out) é atenuada, retificada e filtrada para produzir uma referência CC estável (Vsense). Um fator de escala de 0,01 converte 200 VCA para ~2 VCC, correspondendo à faixa de entrada do CI.

Controle GreenPAK

Vsense alimenta os comparadores e a máquina de estados do GreenPAK. Saídas digitais acionam drivers de relé baseados em transistores e LEDs de status. O esquemático da configuração de IO do GreenPAK é mostrado na Figura 3.

Figura 3: Esquemático do design GreenPAK (fonte: BarqEE)

Acionamento de Relés

Três relés (RL1–RL3) comutam a entrada do transformador entre as quatro derivações. Um quarto relé (RL4) desconecta a saída sob condições de proteção.

Design Lógico do GreenPAK

O arquivo do GreenPAK Designer está disponível aqui (download gratuito).

Figura 4: Máquina de estados finitos de cinco estados (fonte: BarqEE)

A FSM controla a seleção de relés: cada estado mapeia para uma razão de derivação específica do autotransformador, conforme resumido na Tabela 1.

Tabela 1: Razões de derivação do autotransformador por estado (fonte: BarqEE)

Estado	Razão de derivação
0	220/135 ≈ 1,63
1	196/135 ≈ 1,45
2	220/174 ≈ 1,26
3	196/174 ≈ 1,13
4	220/220 = 1

Transições de estado ocorrem quando a tensão de saída sensoriada sai da faixa de 200 V–240 V. Atrasos de ≈ 0,5 s evitam chattering de relés durante excursões transitórias.

Sobretensão e subtensão são detectadas pelos comparadores ACMP2 e ACMP3. Após debounce de 50 ms, a lógica desabilita RL4 e ativa o LED correspondente.

Validação Experimental

Configuração de Hardware

Figura 6: Banco de teste do protótipo (fonte: BarqEE)

O harness de teste usa um Variac para varrer a tensão de entrada, um osciloscópio para capturar formas de onda, e uma placa de desenvolvimento GreenPAK para acionar os relés.

PCB e Circuito de Relés

Figura 7: Layout do PCB (fonte: BarqEE)

A placa abriga os drivers de relé, BJTs e componentes auxiliares.

Métricas de Desempenho

• Carga: 450 VA – 550 VA
• Tensão de entrada: 125 V – 240 V
• Tensão de saída: 200 V – 240 V
• Frequência: 50 Hz – 60 Hz
• Resistência de isolamento: > 5 MΩ
• Tempo de resposta: 10 ms – 15 ms
• Elevação de temperatura do transformador: 65 °C – 70 °C a 1,2× carga nominal
• Eficiência: > 95%
• Faixa de temperatura ambiente: –40 °C a 0 °C

Análise de Forma de Onda

Figura 8: Resultados quantitativos do osciloscópio (fonte: BarqEE)

O AVR rastreia a tensão de entrada e mantém a saída dentro da faixa alvo ciclando através das derivações dos relés.

Figura 9: Regulação normal (fonte: BarqEE)

Quando a entrada sobe em direção ao limite superior, o AVR muda para a menor razão de derivação (1,00) para trazer a saída de volta a 200 V–240 V.

Figura 10: Aproximando-se de sobretensão (fonte: BarqEE)

Durante uma excursão de sobretensão, RL4 abre e a saída colapsa, protegendo a carga.

Figura 11: Proteção contra sobretensão (fonte: BarqEE)

Proteção análoga ocorre sob condições de subtensão, como ilustrado nas Figuras 12 e 13.

Figura 12: Aproximando-se de subtensão (fonte: BarqEE)

Figura 13: Proteção contra subtensão (fonte: BarqEE)

Durante toda a regulação, a frequência e fase de saída permanecem idênticas à entrada.

Conclusão

ASICs programáveis como o GreenPAK SLG46537V podem substituir controladores AVR discretos e microcontroladores, entregando regulação de tensão confiável a menor custo e área de PCB. O protótipo demonstra a viabilidade desta abordagem para aplicações residenciais e industriais, e a arquitetura pode ser escalada para controladores mais complexos aproveitando ASICs com estados de FSM adicionais.

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Aamir Hussain Chughtai é doutorando em Engenharia Elétrica na LUMS, Lahore. Sua pesquisa foca em processamento de sinais, aprendizado de máquina e IoT. Ele co-fundou a BarqEE e pode ser contatado em chughtaiah@barqee.com.

Muhammad Saqib possui M.S. em Engenharia Elétrica pela NUCES, Lahore. Sua especialidade inclui eletrônica de potência, sistemas embarcados e instrumentação. Ele co-fundou a BarqEE e pode ser contatado em saqib.awan@barqee.com.

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