O desenvolvimento de um sensor de laço indutivo como ferramenta para estudo de dinâmica e estabilidade de sistemas realimentados.

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1 O desenvlviment de um sensr de laç indutiv cm ferramenta para estud de dinâmica e estabilidade de sistemas realimentads. "O us de uma platafrma integrada de simulaçã e experimentaçã, analógica e digital, cm s paradigmas de vanguarda em terms de prcessament de sinais e prjets de sistemas eletrônics cm s incrprads na platafrma NI ELVIS II+ tem se mstrad vantajss em váris aspects. " - Prf. Anisi R. Braga, COLTEC/UFMG ( O desafi: Ensinar prjet de sistemas eletrônics analógics e digitais utilizand cnceits avançads de sistemas realimentads, estabilidade e rbustez. Fcar n us de tecnlgias de impact que envlva sistemas de mediçã e sensres, prcessament digital de sinais. Integrar tecnlgias utilizand uma abrdagem harmnisa envlvend teria, mdelagem e simulaçã, empactament de sluçã e aplicaçã. A sluçã: Um sensr laç-indutiv é cmpst pr circuit sciladr Clpits, cnversr frequência-tensã e um cmparadr de sinais. Os cnceits de amplificaçã, realimentaçã, mdulaçã, demdulaçã, filtragem e digitalizaçã estã tds presentes. A platafrma NI ELVIS apresenta ferramentas de simulaçã e experimentaçã que permitem prjetar, simular, experimentar e aplicar esses cnceits de frma integrada. Autr(es): Prf. Anisi R. Braga - COLTEC/UFMG ( O ensin de Eletrônica n COLTEC-UFMG e s desafis de frmar cmpetências e habilidades técnicas relevantes. O Clégi Técnic - COLTEC é uma escla de nível técnic integrada à Universidade Federal de Minas Gerais. Fi criad em um cnvêni cm cnselh Britânic n final da década de 60 cm bjetiv de frmar prfissinais cm dmíni tecnlógic em áreas estratégicas para desenvlviment nacinal. Os curss técnics criads, riginalmente, fram: Eletrônica, Instrumentaçã, Química e Análises Clínicas. Psterirmente fi criad curs técnic de Infrmática. O COLTEC tem aprximadamente 60 prfessres, 42 funcináris e 600 aluns. A infraestrutura d COLTEC é frmada pr Oficinas de Artes, Ftgrafia, Madeira, Mecânica e Hialtécnica, frequentadas pr tds s aluns d 1º. an. A ideia destas ficinas é frmar técnics cm cnheciment de marcenaria para cnstruir caixas de instruments, pr exempl, hialtécnica para cnstruçã de frascs de vidr, pipetas, laminas para estud ns curss de Análises Clínicas e Química, e displays para instruments ns curss de Instrumentaçã e Eletrônica. A ficina mecânica ferece frmaçã básica de cnstruçã de peças metálicas e peraçã de equipaments cm trns e fresadras. A ficina de ftgrafia (analógica) atendia as curss de eletrônica, para a cnfecçã de placas de circuit impress e n curs de Análises Clínicas para exames cm registr ftgráfic de imagens de micrscópis. Hje a ftgrafia é abrdada apenas cm prcessament digital. O ensin de desenh técnic era ministrad junt cm a prática nestas ficinas. Cmplementad as experiências práticas das ficinas, s curss técnics cncmitantes cm ensin médi bjetivam frmar técnics cm visã e habilidades técnicas versáteis que smadas a um ensin fcad em áreas tecnlógicas cm uma especializaçã técnica, frma prfissinais preparads para lidar cm s desafis de uma sciedade cada vez mais sfisticada e cm demandas de us eficiente de insums cm energia e matérias primas. Atualmente lecin a disciplina Eletrônica Aplicada para curs de Eletrônica. A Eletrônica Aplicada é ensinada cm um enfque de instrumentaçã, cntrle de prcesss e autmaçã industrial. Os bjetivs e desafis pdem ser resumids cm: ensinar Eletrônica Analógica e Digital para jvens d sécul XXI cmpreendend e cativand essas nvas gerações cnectadas e dtadas de váris aparelhinhs eletrônics atraentes e que distraem, tais cm Tablets, Smartphnes, Ntebks, Víde games e brinqueds de cntrle remt. Manter fc em tecnlgias impactantes para as prtunidades de empreg n país, tais cm: sistemas de mediçã e Sensres, Cnversã Analógic-Digital (Pequens Sinais), Prcessament Digital, Cnversã Digital-Analógic e Sistemas de Atuaçã (Elet. Ptência). Neste cenári, a atividade de ensin precisa integrar tecnlgias mdernas utilizand uma abrdagem harmnisa que envlva teria (para estabelecer saber), mdelagem e simulaçã (para permitir a análise de variads cass e planejament de decisões de prjet), empactament de sluçã (cnstruçã de prtótips cm interface amigável a usuári final. E finalmente experimentar em ambiente cntrlad, s desafis de aplicações relevantes. Para atender a estes desafis, ptu-se pel us da platafrma NI ELVIS II+ que é um sistema integrad cm sluções analógicas e digitais que permite a instrutr nã apenas trabalhar s váris aspects envlvids na frmaçã técnica em eletrônica, mas send em si um exempl de sistema eletrônic mdern integrad cm ferramentas de hardware e sftware, permite a experimentaçã interativa, explrand cnceits teórics, abstrats e cmplexs via simulaçã e aplicads cm cmparaçã em temp real de resultads. Estud de cas: Ensinand cnceits fundamentais da eletrônica. Um exempl de aplicaçã que envlve s cinc cnceits fundamentais da eletrônica, i.e. Amplificaçã, Realimentaçã, Mdulaçã-Demdulaçã, Filtragem e Digitalizaçã é desenvlviment de um sensr de laç indutiv. O diagrama em blcs da figura 1 apresenta as partes típicas de um sistema de laç indutiv usad para detecçã de veículs e cntrle de tráfeg. A detecçã de presença e velcidade de veículs é feita cmumente cm laçs indutivs acplads a circuits sciladres Clpits cnfrme ilustrad na Figura 1. Este exempl fi esclhid para ilustrar a análise de sistemas dinâmics realimentads pr váris mtivs: Aspects teórics Exibe cmprtament de amplificaçã nã-linear mas linear pr partes. Apresenta s três cmprtaments dinâmics característics de sistemas realimentads, i.e. Instável, Estável, e Oscilatóri. Opera exatamente na cndiçã crítica de malha fechada, i.e. ( ). Ilustra cnceit de mdulaçã e demdulaçã em frequência. Baseia-se n fenômen físic da crrente de Fucault (Eddy Current), efeit a distância, sem cntat mecânic, prprcinand invisibilidade tecnlógica. Ilustra fat de que a análise de estabilidade de malha fechada pde ser feita de frma direta pr mei da funçã de malha aberta usand s cnceits de amplitude e fase, i.e. aplicaçã de funções cmplexas. Aspects prátics É um circuit largamente utilizad em sistemas eletrônics (de sistemas de cntrle de tráfeg a cmputadres digitais mas na frma digital cnhecida cm sciladr Pierce); É simples de mntar e testar; Ilustra que acntece cm um veícul a passar pr um radar u sistema de cntrle de tráfeg (tecnlgia relevante, amplamente presente na vida ctidiana). O sensr primári é uma bbina que utiliza de 3 a 6 espiras cnectadas em um circuit sciladr Clpits que scila na faixa de 50kHz a 150kHz, 1/5

2 O sensr primári é uma bbina que utiliza de 3 a 6 espiras cnectadas em um circuit sciladr Clpits que scila na faixa de 50kHz a 150kHz, tipicamente. A passagem de um veícul sbre a bbina enterrada na pista prduz uma diminuiçã da indutância d laç que pr sua vez resulta em aument da frequência crítica d sciladr Clpits. O frmat d veícul bem cm a massa metálica d mesm prduz uma mdulaçã em frequência n sciladr. Na figura 1 ilustra-se a variaçã n temp típica de um veícul FIAT Mille usad num experiment em camp. Um circuit demduladr, basead em Phase Lcked Lp PLL, é usad cm cnversr de frequência para tensã. Um circuit cmparadr digitaliza a saída demdulada d PLL prduzind um puls prprcinal a cmpriment e velcidade d veícul. Para se estudar e prjetar um sistema de laç indutiv é necessári us de ferramentas que permitam analisar sistemas eletrônics dinâmics realimentads, mdulaçã-demdulaçã n dmíni d temp e da frequência. O us de equipaments cm funções de scilscópi e analisadr de espectr bem cm de medidres de impedância para caracterizaçã de partes cm laç indutiv, cuja cnstruçã e prjet sã empíricas neste estud de cas, sã fundamentais. O prjet d laç indutiv para detecçã de veículs O circuit de um sciladr Clpits é apresentad na figura 2. O sciladr Clpits usa uma malha de realimentaçã em π cm dis capacitres e um indutr. O amplificadr é um únic transistr biplar cuj ganh varia cm a intensidade da crrente de base, Ib. Para entender funcinament deste sciladr é interessante analisar diagrama equivalente mstrad na figura 3 usand s cnceits da teria de cntrle realimentad. Para entender a imprtância da malha fechada e as implicações de variaçã de ganh e fase cm a frequência, é interessante analisar um circuit que pere exatamente na cndiçã crítica cm Osciladr Clpits, i.e. e. Na figura 3 apresenta-se diagrama de uma malha realimentada negativamente e as respectivas frmas de nda previstas tericamente para as três pssibilidades d módul d sistema em malha aberta perand na frequência crítica,, i.e. a que prduz deslcament de fase igual a 180. O amplificadr pssui ganh nã-linear que diminui cm aument da crrente de base. Assim, quand se energiza circuit, ganh de tensã d amplificadr inicialmente é alt (-200), que faz cm as scilações realimentadas psitivamente (360 de defasagem) cresçam rapidamente cnfrme ilustrad na figura 3. Prém, ganh diminui à medida que a crrente de base aumenta, causand uma reduçã n ganh que fica mmentaneamente menr que 1 (Cmprtament assintticamente estável) e, finalmente, atracand na frequência que resulta em um ganh de malha unitári e cm defasagem de 180 na malha de realimentaçã frmada pela bbina d laç indutiv e dis capacitres C1 e C2. A frequência crítica d Osciladr Clpits é calculada cnfrme ilustrad na figura 2. A Figura 3 mstra um diagrama esquemátic de um circuit cm amplificadr peracinal cnectad cm uma malha fechada cm realimentaçã negativa em que sinal de entrada d circuit, que está aterrada, é ruíd térmic gerad internamente n amplificadr peracinal, cuj espectr de frequência é plan, i.e. ruíd branc e cntém tdas as frequências cm amplitudes na faixa de micrvlts. Prjet d laç cm a platafrma NIELVIS II+ O prjet de um sciladr Clpits cmeça cm a mntagem da bbina d sensr primári d laç indutiv e a caracterizaçã ds cmpnentes a serem usads na mntagem, i.e. transistr, capacitr e resistres cnfrme ilustrad na figura 4 para um prtótip didátic em escala reduzida. Para iss NIELVIS ferece s instruments virtuais (aplicativs LabVIEW) de traçadr de curvas características e analisadr de impedância. Cm s valres medids de indutância, simula-se circuit d sciladr cm s valres esperads para a variaçã da indutância e respectiv prjet ds capacitres d filtr (vide figura 2) para verificar se circuit realmente pera cm esperad. Para iss se utiliza s instruments virtuais Analisadr de espectr (DSA) e scilscópi d NIELVIS II+ que permite cmparar s resultads de simulaçã cm d experiment real mntad num prtbard cnfrme ilustrad na figura 5. Num prcess iterativ, estudante é mtivad a fazer mdificações nas partes cm a bbina, na tensã de alimentaçã d circuit e na prximidade da bbina cm veícul (de brinqued neste cas) para verificar as cndições limites de peraçã d detetr de laç indutiv. Neste prcess, verifica-se que tensões de alimentaçã maires que 5V tendem a saturar circuit e distrcer as scilações até que as mesmas cessam. Aprximar veícul demasiadamente d laç resulta numa reduçã cnsiderável da indutância da bbina d laç prvcand a extinçã das scilações também. Para fazer tdas estas bservações e cmprvar impact de cada parte n cnjunt d sistema, é imprtante ter integrad numa platafrma única cm NIELVIS II+ s váris instruments necessáris para realizar tdas as medições em temp hábil previst para a atividade de análise e prjet d sensr de laç indutiv. A curva de aprendizad das ferramentas NI Ferramentas cmputacinais gráficas cm interfaces amigáveis e que apresentam semelhanças e paradigmas realistas de uma bancada de trabalh típica facilitam enrmemente aprendizad e dmíni d us das ferramentas, permitind a utilizaçã das ptencialidades das mesmas sem a necessidade de treinaments lngs e cmplexs. O us de uma platafrma integrada de simulaçã e experimentaçã, analógica e digital, cm s paradigmas de vanguarda em terms de prcessament de sinais e prjets de sistemas eletrônics cm s incrprads na platafrma NI ELVIS II+ tem se mstrad vantajss em váris aspects dentre s quais destaca-se: Integraçã de instruments. Integraçã de Simulaçã e Experimentaçã. Simplificaçã de Treinament cm fc em cnceits e prcediments explrand pder de análise das ferramentas de simulaçã. Análise de sistemas dinâmics usand linguagem matemática cm recurss de simulaçã. Análise n dmíni d temp e da frequência Prjet e prttipaçã basead em resultads de simulaçã e experiments. Os resultads mais esperads já sã ntads a se avaliar diferencial na frmaçã de vanguarda que s técnics em Eletrônica d COLTEC estã recebend. Embra ensin técnic ainda nã desfrute a final d curs de tda uma bagagem de cálcul integral e diferencial, s egresss cnseguem perar cm sistemas eletrônics sfisticads tant n dmíni d temp quant da frequência, que s capacitam a analisar e sintetizar circuits e sistemas cmplexs cm s que eles mesms utilizam: telefnes celulares, cmputadres, sistemas de autmaçã e cntrle remt, sensres e atuadres nipresentes em nss dia a dia. Infrmações d autr: Prf. Anisi R. Braga COLTEC/UFMG ( Diagrama esquemátic de detecçã de veículs basead em laç indutiv. 2/5

3 Circuit de um Osciladr Clpits e respectiva variaçã nã-linear d ganh de crrente d transistr biplar. Diagrama esquemátic de um circuit cm amplificadr peracinal cnectad cm uma malha fechada cm realimentaçã negativa. 3/5

4 Caracterizaçã experimental ds cmpnentes d circuit sciladr. Avaliaçã d prjet pr simulaçã e testes reais. 4/5

5 Infrmações legais Esse estud de cas (esse "estud de cas") fi desenvlvid pr um cliente da Natinal Instruments ("NI"). ESSE ESTUDO DE CASO É FORNECIDO "COMO ESTÁ", SEM GARANTIAS DE QUALQUER NATUREZA E SUJEITO A DETERMINADAS RESTRIÇÕES, COMO ESTABELECIDO DE FORMA MAIS ESPECÍFICA NOS TERMOS DE USO DA NI.COM ( ( 5/5