UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO UFOP ESCOLA DE MINAS EM DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO E TÉCNICAS FUNDAMENTAIS DECAT

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO UFOP ESCOLA DE MINAS EM DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO E TÉCNICAS FUNDAMENTAIS DECAT Protótipo de Amostrador Automático para Cromatografia Gasosa MONOGRAFGIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO Tiago Berbel Monteiro Ouro Preto, 2005

2 Tiago Berbel Monteiro Protótipo de Amostrador Automático para Cromatografia Gasosa Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Controle e Automação da Universidade Federal de Ouro Preto como parte dos requisitos para a obtenção de Grau em Engenheiro de Controle e Automação. Orientador: Prof. Ronilson Rocha - DECAT Coorientador: Prof. Robson Afonso - DEQUI Ouro Preto Escola de Minas - UFOP Julho / 2005 ii

3 iii

4 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO Objetivo Motivação REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Cromatografia Classificação da cromatografia Classificação pela Forma Física do Sistema Cromatógrafo Classificação pela Fase Móvel Empregada Classificação pela Fase Estacionária Utilizada Classificação pelo Modo de Separação Cromatografia em Coluna Cromatografia Líquida Clássica Cromatografia Gasoso de Alta Resolução (CGAR) Motores Elétricos Motores AC Motores DC Motor de Passo Servomotores Porta Paralela Transmissão Unidirecional Transmissão Bidirecional Extensão do Cabo Paralelo Endereços da Porta Paralela Registradores Conector DB Conceitos de robótica Robô Cilíndrico Amostrador Automático Conceito Tipos de Amostradores Automáticos...24 iv

5 2.7.2 Amostrador Automático Cartesiano Amostrador Automático Angular Linguagem de programação SuperLogo Ambiente SuperLogo Microcontroladores/Microprocessadores Microcontrolador PIC Módulo CCP Módulo Comparador Analógico Conversor A/D Delta-Sigma Injeção Manual x Automática MECÂNICA Escolha do Tipo de Auto-Injetor Mecânica do Protótipo Base do Auto injetor Haste Conjunto de Injeção PROGRAMAÇÃO Programação do PIC Programação em SuperLogo FUNCIONAMENTO DO EQUIPAMENTO CONCLUSÃO...44 v

6 RESUMO A cromatografia é o processo de análise das substâncias químicas, sendo que essa análise é feita através da separação física-química dos componentes. Esta monografia tem como objetivo o desenvolvimento de protótipo de um amostrador automático, que faz a injeção das substâncias automaticamente no cromatógrafo, para a análise de cromatografia gasosa. A injeção das substâncias para análise de cromatografia hoje é feita manualmente, no Departamento de Quimica (DEQUI) da Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP), tomando assim um grande tempo do operador nas injeções, fazendo com que ele fique preso a esse processo, impossibilitando-o de realizar outras tarefas nesse tempo. O protótipo do amostrador automático desenvolvido aqui não tem a pretenção de substituir por completo um amostrador automático de mercado, já que possui funções limitadas se comparado com os de mercado sendo de difícil aquisição para instituições com dificuldade financeira. Os dispositivos utilizados para o amostrador automático aqui desenvolvido são basicamente dois servomotores de antenas parabólicas, um motor de corrente contínua e ainda a montagem do protótipo feita com madeira, utilizando-se drivers de CDs e disquetes. Para o acionamento é utilizado um microcontrolador, PIC, formando um circuito com outro dispositivos eletrônicos. Para o controle é utilizado a programação em SuperLogo, linguagem simples, se comunicando através da porta paralela do computar. O protótipo possui uma base rotacional que movimenta umas alavanca através de um dos servomotores, na extremidade dessa alavanca está fixado um conjunto de juntas prismáticas, vertical, que faz o movimento de descida / subida da microseringa e outro que faz o movimento de descida / subida do êmbolo da microseringa. O funcionamento básico do Amostrador é o de se deslocar para a amostra desejada, movimento angular, determinada, recolher a amostra, voltar para o ponto zero, ponto de injeção do cromatógrafo, para fazer a injeção da amostra. Palavra-chave: Amostrador Automático, servomotores, microcontrolador PIC, SupreLogo. vi

7 ABSTRACT The chromatography is the process of analysis of the chemical substances, and that analysis is made through the physics-chemical separation of the components. This monograph has as objective the development of prototype of an autosampler, that he/she makes the injection of the substances automatically in the chromatography, for the analysis of gaseous chromatography. The injection of the substances for chromatography analysis today is made manually, in the Department of Chemistry (DEQUI) of the Federal University of Ouro Preto (UFOP), taking like this a great time of the operator in the injections, doing with that he is arrested to that process, disabling him/it of accomplishing other tasks on that time. The prototype of the autosampler developed here doesn't have the objective of substituting an automatic amostrador of market entirely, since it possesses limited functions if compared with the one of market being of difficult acquisition for institutions with financial difficulty. The devices used for the autosampler here developed are basically two servomotors of satellite dishes, a motor of continuous current and still the assembly of the prototype done with wood, being used drivers of CD and diskettes. For the controller a microcontroller, PIC, is used forming a circuit with other electronic devices. For the control the programming is used in SuperLogo, simple language, communicating through the parallel door of computing. The prototype possesses a rotation base that moves some lever through one of the servomotors, in the extremity of that lever a prismatic, vertical group of committees is fastened, that he/she makes the movement of descent / ascent of the microtiter and another that makes the movement of descent / ascent of the piston of the microtiter. The basic operation of the autosampler is it of moving for the wanted sample, I move angular, certain, to collect the sample, to return for the "point zero", point of injection of the chromatography, to do the injection of the sample. vii

8 LISTAS DAS FIGURAS Figura Diagrama dos Tipos de Cromatografia...4 Figura Coluna Cromatográfica Empacotada com Sílica...5 Figura Componentes Básicos de um Cromatógrafo Gasoso...7 Figura Servomotor...12 Figura Representação Servomotor...12 Figura Operação do Servomotor...13 Figura Exemplo de um Servomotor Atuando no Leme de um Barco...14 Figura Estrutura Simplificada de um Servomotor...14 Figura Tensão Aplicada por um Divisor Resistivo...15 Figura Giro do Motor...15 Figura Tensão de Referência e Tensão de Saída...16 Figura Oscilação do Servomotor em Torno da Tensão...17 Figura DB25 (Fêmea) que fica atrás do Microcomputador...21 Figura Conector Macho do Cabo Paralelo...21 Figura Foto do conector DB25 macho do cabo Paralelo...21 Figura Esquema de funcionamento do DB25 no modo SPP...22 Figura Juntas em Cadeia de Cinemática Aberta...23 Figura Configuração Cilíndrica...23 Figura Volume de trabalho do RPP...24 Figura Amostrador Automático Cartesiano...25 Figura Amostrador Automático Angular...25 Figura Ambiente do SuperLogo...27 Figura Recursos Ativados por Botões...28 Figura Pinagem do PIC 16F Figura Representação do Amostrador...33 Figura Volume de Trabalho do Amostrador...34 Figura Vista Superior do Protótipo do Amostrador Automático...35 Figura Vista Lateral do Protótipo do Amostrador Automático...35 Figura Haste do Movimento do Conjunto de Injeção...36 viii

9 Figura Suporte do Conjunto Injetor...37 Figura Foto Frontal do Conjunto Injetor...38 Figura Foto Traseira do Conjunto de Injeção...38 Figura Posicionador de Segurança da Microsseringa...39 Figura Ilustração de um Conjunto com a Microsseringa...39 ix

10 LISTAS DAS TABELAS Tabela Endereçamento das portas...19 Tabela Nomes dos Endereços das Portas...20 x

11 1 INTRODUÇÃO 1.1 Objetivo O objetivo do projeto tem como meta a construção de um protótipo de Auto Injetor para o cromatógrafo do Departamento de Química (DEQUI) da Universidade Federal de Ouro Preto. 1.2 Motivação. A injeção hoje feita no laboratório de cromatografia da Universidade federal de Ouro preto, é manual, podendo ser passível de erros ou incômodos para o operador. O Auto Injetor permite maior confiabilidade e precisão na injeção, fazendo com que o operador tenha somente o trabalho de dar entrada nos dados, como número das amostras (frascos), ordem de injeção, bem como o tempo necessário pra as operações de sucção e injeção. Sendo assim o Auto-Injetor será muito útil para as análises feitas no laboratório de cromatografia da UFOP, já que todos os Auto-Injetores que existem no mercado atualmente não são de procedência nacional, sendo produtos caros e de difícil acesso para instituições com pouca disponibilidade financeira. A construção do protótipo conta, a princípio, com materiais de fácil acesso, isto é, dispositivos que podem ser encontrados em sucatas, como servomotores de antenas parabólicas,motores de corrente contínua de drivers de CD e ainda suas partes mecânicas, com algumas partes confeccionadas de madeira. xi

12 2 REVISÃO BILIOGÁFICA 2.1 Cromatografia Segundo Degan, Cass e Vieira (Maio de 1998) a cromatografia é um método físico-químico de separação. Ela está fundamentada na mínima diferencial dos componentes de uma mistura, que ocorre devido a diferentes interações, entre duas fases imiscíveis, a fase móvel e a fase estacionária. A grande variedade de combinações entre variedade de combinações entre fases móveis e estacionárias. A grande variedade de combinações entre fases móveis e estacionárias a torna uma técnica extremamente versátil e de grandes aplicações. O termo cromatografia foi primeiramente empregado em 1906 e sua utilização é atribuída a um botânico russo ao descrever suas experiências na separação dos componentes de extratos de folhas. Nesse estudo, a passagem de éter de petróleo (fase móvel) através de uma coluna de vidro preenchida com carbonato de cálcio (fase estacionária), à qual se adicionou o extrato, levou à separação dos componentes em faixas coloridas. Este é provavelmente o motivo pelo qual a técnica é conhecida como cromatografia (chrom = cor e graphie = escrita), podendo levar à errônea idéia de que o processo seja dependente da cor. A cromatografia foi praticamente ignorada até a década de 30, quando foi redescoberta. A partir daí, diversos trabalhos na área possibilitaram seu aperfeiçoamento e, em conjunto com os avanços tecnológicos, levaram-na a um grau de sofisticação, o qual resultou no seu grande potencial de aplicações em muitas áreas. A cromatografia pode ser utilizada para identificação de compostos, por comparação com padrões previamente existentes, para a purificação de compostos, separando-se as substâncias indesejáveis e para a separação dos componentes de uma mistura. As diferentes formas de cromatografia podem ser classificadas considerando-se diversos critérios. 2

13 2.2 Classificações da Cromatografia Classificação pela Forma Física do Sistema Cromatográfico Em relação à forma física do sistema, a cromatografia pode ser subdividida em cromatografia em coluna e cromatografia planar. Enquanto a cromatografia planar resume-se à cromatografia em papel (CP), à cromatografia por centrifugação (Chromatotron) e à cromatografia em camada delgada (CCD), são diversos os tipos de cromatografia em coluna, os quais serão mais bem compreendidos quando classificados Pelos critérios a seguir Classificação pela Fase Móvel Empregada Em se tratando de fase móvel, são três os tipos de cromatografia: a cromatografia gasosa, a cromatografia líquida e a cromatografia supercrítica (CSC), usando-se na última um vapor pressurizado, acima de sua temperatura crítica. A cromatografia líquida apresenta uma importante subdivisão: a cromatografia líquida clássica (CLC), na qual a fase móvel é arrastada através da coluna apenas pela força da gravidade, e a cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE), na qual se utiliza fases estacionárias de partículas menores, sendo necessário o uso de uma bomba de alta pressão para a eluição da fase móvel. A CLAE foi inicialmente denominada cromatografia líquida de alta pressão, mas sua atual designação mostra-se mais adequada. No caso de fases móveis gasosas, separações podem ser obtidas por cromatografia gasosa (CG) e por cromatografia gasosa de alta resolução (CGAR). A diferença entre os dois tipos está na coluna. Enquanto na CGAR são utilizadas colunas 3

14 capilares, na qual a fase estacionária é um filme depositado na mesma, a CG utiliza colunas de maior diâmetro empacotadas com a fase estacionária Classificação Pela Fase Estacionária Utilizada Quanto à fase estacionária, distingue-se entre fases estacionárias sólidas, líquidas e quimicamente ligadas. No caso da fase estacionária ser constituída por um líquido, este pode estar simplesmente adsorvido sobre um suporte sólido ou imobilizado sobre ele. Suportes modificados são considerados separadamente, como fases quimicamente ligadas, por normalmente diferirem dos outros dois em seus mecanismos de separação Classificação pelo modo de separação Por este critério, separações cromatográficas se devem à adsorção, partição, troca iônica, exclusão ou misturas desses mecanismos. Para se ter uma visão mais ampla dos diferentes tipos de cromatografia, os mesmos estão dispostos no diagrama da Figura Figura Diagrama dos Tipos de Cromatografia. (Fonte: Degan, Cass e Vieira, Maio de 1998). Dentre os vários tipos de cromatografia, especial ênfase será dada à cromatografia em camada delgada (CCD), à cromatografia líquida clássica e de alta eficiência (CLAE) e à cromatografia gasosa de alta resolução (CGAR). 4

15 2.3 Cromatografia Em Coluna Cromatografia Líquida Clássica Esta técnica é muito utilizada para isolamento de produtos naturais e purificação de produtos de reações químicas. As fases estacionárias mais utilizadas são sílica e alumina, entretanto estes adsorventes podem servir simplesmente como suporte para uma fase estacionária líquida. Fases estacionárias sólidas levam à separação por adsorção e fases estacionárias líquidas por partição. Suportes quimicamente modificados também têm sido usados, sendo o processo de separação misto neste caso. Esses suportes são acondicionados em tubos cilíndricos geralmente de vidro, de diâmetros variados, os quais possuem uma torneira em sua extremidade inferior. A Figura é uma ilustração de uma coluna cromatográfica empacotada com sílica, sendo mostrados seus demais constituintes. Figura Coluna Cromatográfica Empacotada com Sílica. (Fonte: Degan, Cass e Vieira, Maio de 1998). Os adsorventes possuem partículas na faixa de mesh, de modo a possibilitar um fluxo razoável do solvente através da coluna. 5

16 O uso de sílica de partícula menor ( mesh) como adsorvente para essas colunas requer a utilização de um sistema de bombearnento para o empacotamento e eluição, sendo conhecido como Cromatografia Flash. A principal etapa ao se utilizar essa técnica é o empacotamento, o qual, entre outros fatores, definirá a eficiência da separação. Enquanto a alumina é empacotada em sua forma original, a sílica deve sê-lo na forma de suspensão. A coluna adiciona-se uma pequena quantidade de solvente e deposita-se na sua extremidade inferior um chumaço de algodão com espessura de aproximadamente 0,5cm para impedir a passagem de partículas da fase estacionária. A adição de sílica deve ser feita com a torneira semi-aberta. O adsorvente é adicionado lentamente à coluna fixada na posição vertical, batendo-se continuamente ao longo da mesma para que todo o ar seja expulso, de modo a se obter uma compactação uniforme. A existência de ar entre as partículas leva à formação de canais na coluna, os quais alargam as bandas eluídas. Nunca se deve permitir que o nível do solvente desça abaixo do nível do adsorvente, o que poderia acarretar rachaduras, comprometendo a eficiência da coluna. Após o empacotamento, é conveniente que se passe uma certa quantidade do eluente (duas a três vezes o volume da coluna) a ser utilizado através da coluna antes da introdução da amostra. Esta é adicionada à coluna com o auxílio de uma pipeta no momento em que o nível do eluente esteja o mais próximo possível do adsorvente. Esse procedimento ameniza o alargamento das bandas a serem eluídas. Tendo a amostra penetrada no adsorvente, o eluente é então adicionado cuidadosa e continuamente. A escolha do eluente segue os princípios discutidos em CCD, mas neste caso ele pode ser mudado durante o processo cromatográfico. Se, por exemplo, a amostra é constituída por duas substâncias, uma apolar e outra polar, utilizam-se primeiramente um eluente apolar e em seguida um eluente polar. O volume das frações a serem recolhidas é função da quantidade de amostra e do grau de dificuldade da separação. Para análise das mesmas, recorre-se a alguma técnica auxiliar, usualmente CCD. Em vista de que geralmente algumas partículas da amostra permanecem irreversivelmente adsorvidas á fase estacionária, a cada separação é necessário um tratamento para a recuperação do adsorvente. 6

17 2.3.2 Cromatografia Gasosa de Alta Resolução (CGAR) Em contraste à CLAE, o principal mecanismo de separação da cromatografia gasosa está baseado na partição dos componentes de uma amostra entre a fase móvel gasosa e a fase estacionária líquida. A utilização de fases estacionárias sólidas, as quais levariam à separação por adsorção, apresenta poucas aplicações. A cromatografia gasosa é uma das técnicas analíticas mais utilizadas. Além de possuir um alto poder de resolução é muito atrativa devido à possibilidade de detecção em escala de nano a picogramas ( 10 g ). A grande limitação deste método é a necessidade de que a amostra seja volátil ou estável termicamente, embora amostras não volátil ou instável possam ser derivadas quimicamente. Pode ser utilizada para separações preparativas apenas na faixa de microgramas a miligramas, não sendo muito empregada para esse fim. A Figura mostra os componentes básicos de um cromatógrafo gasoso Figura Componentes Básicos de um Cromatógrafo Gasoso. (Fonte: Degan, Cass e Vieira, Maio de 1998). Como dito anteriormente, a diferença entre CG e CGAR está na coluna. Colunas de CGAR são maiores em comprimento, menores em diâmetro, possuem a fase 7

18 líquida como um filme aplicado diretamente às paredes do tubo da coluna e são mais eficientes. Essas colunas são tubos longos de metais como aço ou cobre, vidro ou teflon. Colunas de CG têm diâmetro de cerca de 3mm e comprimento em torno de 3m, ao passo que colunas de CGAR têm diâmetro na faixa de 0,15-0,75mm e comprimentos variados, usualmente entre 10me 100m. Os gases utilizados como fase móvel devem ter alta pureza e ser inertes em relação à fase estacionária. Hidrogênio, nitrogênio e hélio são os mais usados. A injeção da amostra é feita através de microsseringas ou válvulas semelhantes às utilizadas em CLAE. Os detectores de maior aplicação são o detector por ionização em chama e o detector de condutividade térmica. Os dados podem ser obtidos através de um registrador potenciométrico, um integrador ou um microcomputador, sendo as amostras identificadas por seus tempos de retenção. Nesses equipamentos é necessário o controle da temperatura do injetor, da coluna e do detector, as quais são mantidas por termostatos. Como a temperatura é um fator extremamente importante, grande parte das análises por cromatografia gasosa é feita com programação de temperatura, obtendo-se melhor separação com picos mais simétricos em menor tempo. Para o empacotamento de colunas de CG, geralmente empregam-se terras diatomáceas como suporte. A escolha da fase estacionária é de fundamental importância, sendo ela o componente crítico da coluna. As fases estacionárias podem ser polares, apolares ou quirais. Fases polares são baseadas em polietileno glicol puro ou modificado e apolar em metilsiloxano puro ou modificadas. As fases quirais mais comuns são compostas de ciclodextrinas. Atualmente, espectrômetros de massa têm sido acoplados a equipamentos de cromatografia gasosa, possibilitando a identificação imediata das substâncias presentes na amostra. 2.4 Motores Elétricos 8

19 Um motor elétrico é um dispositivo que transforma energia elétrica em energia mecânica, em geral energia cinética. Ou seja, num motor, a simples presença da corrente elétrica, seja cc ou ac, nos garante movimento em um eixo, que pode ser aproveitado de diversas maneiras dependendo da aplicação do motor. O acionamento de máquinas e equipamentos mecânicos por motores elétricos é um assunto de grande importância econômica. Estima-se que o mercado mundial de motores elétricos de todos os tipos seja da ordem de uma dezena de bilhões de dólares por ano. No campo dos acionamentos industriais, avalia-se que de 70 a 80% da energia elétrica consumida pelo conjunto de todas as indústrias seja transformada em energia mecânica através de motores elétricos. Isto significa que, admitindo-se um rendimento médio da ordem de 80% do universo de motores em aplicações industriais, cerca de 15% da energia elétrica industrial transforma-se em perdas nos motores. No Brasil, a fabricação de motores elétricos é um segmento relevante da atividade econômica. No início da década de 80 a indústria brasileira de motores produziu em torno de três milhões de unidades por ano, tendo mais do que 80 mil unidades acima de 20cv. Entre o fabricante e o usuário final deve existir uma estreita comunicação, de forma que seja feita uma correta seleção do motor a ser utilizado em determinada aplicação. Fundamentalmente o processo de seleção de um acionamento elétrico, corresponde à escolha de um motor que possa atender a pelo menos três requisitos do utilizador: Fonte de alimentação: tipo, tensão, freqüência, simetria, equilíbrio, etc. Condições ambientais: agressividade, periculosidade, altitude, temperatura, etc. Exigências da carga e condições de serviço: potência solicitada, rotação, esforços mecânicos, configuração física, ciclos de operação, confiabilidade, etc. A divisão em motores de corrente contínua e de corrente alternada é devida, obviamente, ao tipo de tensão de alimentação. Apresentamos abaixo algumas características básicas dos motores AC e DC Motores AC 9

20 A grande maioria das aplicações tem sua configuração mais econômica com a utilização de motores de indução de gaiola. Estima-se que 90% (em unidades) dos motores fabricados sejam deste tipo. Quando não há necessidade de ajuste e controle de velocidade e a potência é inferior a 500cv, sua utilização é amplamente dominante. Pode-se dizer que outros tipos de motores são utilizados somente quando alguma peculiaridade determina tal opção Motores DC São conhecidos por seu controle preciso de velocidade e por seu ajuste fino e são, portanto, largamente utilizados em aplicações que exigem tais características. Vale comentar que a utilização dos motores de corrente contínua teve um grande incremento nos últimos anos, graças à eletrônica de potência. Fontes estáticas de corrente contínua com tiristores confiáveis, de baixo custo e manutenção simples, substituíram os grupos conversores rotativos. Com isso, motores de corrente contínua passaram a constituir alternativa mais atrativa em uma série de aplicações. O funcionamento básico do motor DC está fundamentado na Força de Lorentz aplicada em uma carga em movimento dentro de um campo magnético (F = qvb). Consideremos uma espira de corrente inserida num campo magnético criado por um ímã permanente, em que há uma corrente criada por uma bateria (fonte DC). De uma forma simplificada, a simples passagem desta corrente faz com que apareçam duas forças de sentidos contrários, aplicadas uma em cada lado da espira. Estas forças criam um torque que, obviamente, faz a espira girar, transformando a energia elétrica da corrente em energia cinética num eixo acoplado às espiras. A direção da rotação depende da polaridade da bateria e da direção das linhas de campo magnético criadas pelo ímã. Um motor real é composto de conjuntos múltiplos de espiras, dispostas de tal forma que as forças que agem em cada espira sejam somadas e produzam um torque significativo para uma possível aplicação. Os motores DC são utilizados, por exemplo, em aplicações como o posicionamento de um braço de robô. Mas eles apresentam uma grande desvantagem. 10

21 Para que um computador dê um comando para que o braço se mova para uma determinada posição com precisão, é necessário um complicado circuito externo provido de sensores de posição, que informe ao computador que o braço já está na posição determinada (feedback). É justamente para que se resolva este problema que foi desenvolvido o chamado motor de passo, descrito no item a seguir Motor de Passo O motor de passo é um transdutor que converte energia elétrica em movimento controlado através de pulsos, o que possibilita o deslocamento por passo, onde passo é o menor deslocamento angular. Com o passar dos anos houve um aumento na popularidade deste motor, principalmente pelo seu tamanho e custo reduzidos e também a total adaptação por controle digitais. Outra vantagem do motor de passos em relação aos outros motores é a estabilidade. Quando quisermos obter uma rotação específica de um certo grau, calcularemos o número de rotação por pulsos o que nos possibilita uma boa precisão no movimento. Os antigos motores passavam do ponto e, para voltar, precisavam da realimentação negativa. Por não girar por passos a inércia destes é maior e assim são mais instáveis Servomotores São órgãos efetuadores que transforma sinais elétricos em movimentos, sendo encontrados em robôs, braços mecânicos, aeromodelismos entre outras utilidades. 11

22 Os servomotores são dispositivos que convertem um sinal elétrico em um movimento proporcional ou num deslocamento de uma alavanca. Foto de um servomotor, Figura Figura Servomotor. O servo consta de um motor que, por meio de um sistema de redução ou não, aciona um dispositivo de realimentação e uma alavanca. O dispositivo de realimentação serve para indicar a posição da alavanca de modo que o circuito de corrente possa levá-la até uma posição desejada. Na Figura temos a representação simbólica de um servomotor. Figura Representação Servomotor. (Fonte: Mecatrônica Fácil, 2002). Se um servo pode ter uma alavanca que se mova 90 graus, por exemplo, quando a tensão de entrada varia de 0 a 1 volt, as tensões intermediárias aplicadas na entrada do circuito podem levar a alavanca a qualquer posição intermediária cujo ângulo seja proporcional a essas tensões. 12

23 Essa proporcionalidade entre o movimento e a tensão de entrada (ou outra grandeza) também leva esses dispositivos a serem classificados como de controles proporcionais. Em outras palavras, existe uma proporção diretamente entra o ângulo de giro da alavanca do servomotor e a tensão aplicada, Figura 2.4.3, em sua entrada. Figura Operação do Servomotor. Essa característica permite que esse possa ser usado numa infinidade de aplicações práticas. Em uma aplicação de controle, por exemplo, basta ter um sensor que indique na forma de uma tensão, qual é a posição que deve ser levado um braço mecânico ou alavanca, para que o servo seja capaz de movimentá-la até a posição desejada. Outra aplicação muito comum para este tipo de dispositivo é no controle remoto de brinquedos, tais como um barco ou aeromodelo. Uma alavanca de controle no transmissor tem um potenciômetro que gera um sinal que corresponde a posição que desejamos levar o leme ou o acelerados, por exemplo. No receptor, um circuito decodificador transforma esse sinal numa tensão proporcional que é aplicada ao servo correspondente. Essa forma, o braço do servo atua sobre o leme ou o acelerador, levando a posição desejada. Figura

24 Figura Exemplo de um Servomotor Atuando no Leme de um Barco. (Fonte: Mecatrônica Fácil, 2002). Na Figura temos a estrutura simplificada de um servomotor que irá servir de base para nossa análise do princípio de funcionamento. Figura Estrutura Simplificada de um Servomotor. (Fonte: Mecatrônica Fácil, 2002). O motor gira normalmente num sentido ou noutro, conforme a polaridade da tensão aplicada, pois se trata de um motor de corrente contínua comum. De modo a impedir que ele movimente muito rápido os demais elementos do servo, um sistema simples de engrenagens (ou mesmo correias) pode ser usado. O motor, nesse caso, movimenta tanto a alavanca que irá proporcionar o acionamento externo, ou seja, que será acoplada ao dispositivo final, como também o eixo de um potenciômetro. Este último funciona como sensor de posição para o circuito de realimentação. O circuito de realimentação tem por base um comparador de tensão comum. 14

25 Um comparador de tensão nada mais é do que um amplificador operacional com um ganho muito alto, de modo a haver uma comutação muito rápida de sua saída em determinadas condições. Tais condições podem ser facilmente entendidas a seguir. Na entrada inversora (-) aplicamos uma tensão que vai ser a referência do circuito. Essa tensão pode ser aplicada por um divisor resistivo ou mesmo um potenciômetro. Figura Figura Tensão Aplicada por um Divisor Resistivo. (Fonte: Mecatrônica Fácil, 2002). Depois, aplicamos na entrada não inversora (+) uma tensão que vai aumentando vagarosamente de valor a partir de zero. Observe que a fonte de alimentação usada nesse circuito é simétrica, ou seja, temos uma tensão positiva em relação ao ponto de zero volt e uma tensão negativa a partir de zero volt. Lembre-se que o motor gira num sentido quando aplicamos uma tensão positiva, e gira no sentido oposto quando aplicamos uma tensão negativa, conforme ilustra a Figura Figura Giro do Motor. (Fonte: Mecatrônica Fácil, 2002). 15

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