Instituto Tecnológico de Aeronáutica

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1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Nome: Jeeves Lopes dos Santos Orientador: Cairo Nascimento Jr. Co-Orientador: Luis Filipe Wiltgen Barbosa Relatório de atividades de estágio em docência A atividade realizada ao longo do primeiro semestre de 2009 vinculada à matéria EA-600 correspondeu ao projeto e construção de um protótipo do dispositivo de Processamento Analógico de Sinal para Controle (PrASCo). Primeiramente visando uma plicação nos experimentos que utilizam o o servomecanismo localizado no laboratório de controle na sala 1232, o PrASCo foi desenvolvido para substituir o módulo de amplificação que é utilizado a mais de 30 anos. Tal substituição se fundamentou nos seguintes objetivos: 1) Facilitar a manutenção do equipamento, uma vez que o amplificador até então utilizado foi construindo inteiramente com elementos discretos; 2) Aumentar a diversidade de experimentos de controle proporcionando um processamento analógico de sinal. DESCRIÇÃO O PrASCo pode ser dividido em três partes : 1) A primeira parte possui dois amplificadores operacionais que devem ser utilizados apenas para o processamento de sinal, cuja saturação ocorre em +/- 28 V, permitindo uma máxima excursão do sinal durante o processamento analógico; 2) A segunda parte consiste em um amplificador operacional para ser usado como estagio de saída, podendo fornecer até 1,2 A. A saturação desse estágio é variável através de um potenciômetro, onde o usuário determina um valor entre +/-4 V e +/-27 V. Tal valor é indicado através de um galvanômetro. Além desse, um outro galvanômetro mostra a corrente de saída do estágio de saída; 3) A terceira parte consiste em um circuito de proteção que desarma o circuito caso a soma da corrente de saída dos dois AMP-OPs da primeira parte ultrapasse 20 ma, ou a corrente de saída ultrapasse 1,2 A. Para que o circuito seja rearmado é necessário que o usuário pressione o botão que possui essa finalidade. A Figura 1 ilustra o PrASCo.

2 Figura 1: Ilustrativo da caixa a ser construída do PrASCo Atualmente foram realizados diversos testes, restando apenas alguns ajustes e a confecção da caixa do equipamento. Além do protótipo, foi confeccionado o manual do equipamento que está em anexo. Jeeves Lopes dos Santos 10 de Julho de 2009

3 Anexo A

4 Manual do PrASCo 10/07/2009 Jeeves Lopes dos Santos 1

5 Sumário Manual do Usuário...3 Descrição...3 Conexões...4 Características de Operação...4 Monitoração...5 Montagens...5 Sistema de Proteção...6 Manual de Manutenção Fontes de Alimentação Amplificadores Operacionais de baixa potência Amplificadores Operacionais de Alta potência Sistema de proteção contra sobre corrente...11 Visualizações da Placa de Circuito Impresso /07/2009 Jeeves Lopes dos Santos 2

6 Manual do Usuário Descrição O dispositivo de Processamento Analógico de Sinal para Controle (PrASCo) consiste em um conjunto de três Amplificadores Operacionais (Amp-Ops), sendo dois de baixa potência com a finalidade específica de processamento de sinal analógico e um de alta potência que, além do processamento do sinal, serve como estágio de saída do dispositivo. A Figura 1 ilustra a visão superior do equipamento. Figura 1: Vista Superior do dispositivo de Processamento Analógico de Sinal para Controle - PrASCo 10/07/2009 Jeeves Lopes dos Santos 3

7 Conexões O acesso aos terminais dos Amp-Ops é realizado através de Conectores do tipo Protoboard (CTP), onde os elementos discretos (resistores, capacitores, fios, etc.) devem ser conectados intermediando a ligação entre os terminais dos Amp-Ops e os sinais de entrada e a referência. Os sinais de entrada são conectados através de Conectores do tipo Banana (CTB). Situado acima do conjunto de conexões de cada Amp-Op, existe um potenciômetro de 1 M com seus terminais disponíveis através de CTPs para ser utilizado nos experimentos. Características de Operação Cada Amp-Op tem seu range limitado pela sua alimentação. Essa característica é ilustrada na Figura 2 através do gráfico entre a Tensão de saída do Amplificador (TSA) e a Tensão Teórica de Saída (TTS). Figura 2: Comportamento da Tensão de Saída de um Amplificador Operacional. Considerando que os Amp-Ops do dispositivo são alimentados por fontes simétricas, as limitações impostas pelo componente são delimitadas por +/- A Tensão de Saturação (TS), como apresentado na Figura 2. Para os dois Amp-Ops de baixa potência o valor de TS é fixo em 26,7 V, fornecendo um range de 53,4 V. Para o Amp-Op do estágio de saída (Amp-Op de alta potência) o valor de TS é ajustável, podendo variar entre 3,3 V e 25,6 V. Esse ajuste é realizado através do potenciômetro de Ajuste de Tensão de Alimentação. Os Amp-Ops de baixa potência possuem um ajuste de offset para compensar possíveis desbalanceamentos na entrada. Para ajusta-lo, após colocar os componentes discretos na configuração desejada, deve-se aterrar todas as entradas e ajustar o potenciômetro do Amp-Op em questão utilizando uma chave de fenda até que a saída apresente 0 V. Este mesmo ajuste pode ser utilizado para compensar tensões DC existentes na fonte de alimentação em até +/- 1,4 V. Para tal, deve-se conectar a fonte a uma das entradas e aterrar as 10/07/2009 Jeeves Lopes dos Santos 4

8 demais (se houver), então o potenciômetro deve ser ajustado até que a tensão média do sinal de entrada seja de 0V. Monitoração O módulo da tensão de alimentação do Amp-Op de alta potência pode ser monitorada através do voltímetro. Além dessa tensão, o usuário pode monitorar a corrente de saída deste Amp-Op, mensurando a corrente exigida pelo dispositivo controlado. Montagens A utilização dos três Amp-Ops juntamente com elementos discretos (resistores, capacitores, fios, etc.) permite o processamento analógico do sinal, onde os Amp-Ops podem operar como subtratores, somadores, integradores, etc. A Figura 3 apresenta algumas combinações dessas funcionalidades originando ações de controle. 10/07/2009 Jeeves Lopes dos Santos 5

9 Figura 3: Controladores utilizando Circuitos com Amplificadores Operacionais Sistema de Proteção O dispositivo possui um sistema de proteção que desarma o equipamento caso: O módulo da soma das correntes de saída dos Amp-Ops excedam 20 ma; O módulo da corrente de saída do Amp-Op de alta potência exceda 1,2 A. 10/07/2009 Jeeves Lopes dos Santos 6

10 O led Desarmado sinaliza para o usuário quando o dispositivo está desarmado. E, após corrigir a anomalia que gerou o desarme do dispositivo, é necessário pressionar o botão Armar para que o mesmo volte a operar normalmente. P.S.: Ao ligar o equipamento, o mesmo encontra-se desarmado, necessitando pressionar o botão Armar para iniciar a sua utilização. 10/07/2009 Jeeves Lopes dos Santos 7

11 Manual de Manutenção Basicamente, o circuito que compõe o sistema de amplificação pode ser dividido em 4 subcircuitos: 1 Fontes de Alimentação; 2 Amplificadores operacionais de baixa potência; 3 Amplificador Operacionais de alta potência; 4 Sistema de proteção contra sobre corrente; 1 Fontes de Alimentação O circuito é composto por três fontes simétricas: A primeira fonte fornece uma tensão fixa de +/- 26,7V (VAP e VAN) para alimentar os amplificadores de baixa potência. Esse circuito é implementado através dos CIs U12 (LM317) e U6 (LM337). Na saída dessa fonte existem resistores de 10 ohms que são utilizados pelo sistema de proteção contra sobre-corrente para monitorar a corrente consumida pelos amplificadores de baixa potência; A segunda fonte simétrica fornece uma tensão ajustável variando de 3,3 V a 25,6 V, controlada através do potenciômetro duplo R8 de 10 K. Essa fonte é implementada através dos CIs U4 (LM317) e U5 (LM337). Essa tensão é monitorada através de um galvanômetro, funcionando como um voltímetro, que está ligado ao terminal positivo da fonte simétrica. A terceira fonte fornece uma tensão de +/- 12V e é utilizada para alimentar o sistema de proteção do circuito. Ele é implementado pelos CIs U1 (LM7812) e U3 (LM7912). O circuito está ilustrado na Figura 4, onde os componentes K1:B e K1:C correspondem ao relé que é acionado pelo sistema de proteção de sobre-corrente quando o limite estipulado é ultrapassado. 10/07/2009 Jeeves Lopes dos Santos 8

12 Figura 4: Circuito contendo 3 fontes simétricas: +/-12 V (VCP,VCN), +/- 26,7 V (VAP,VAN) e a fonte ajustável entre +/-3,3 V a +/-25,6 V (VPP,VPN). 2 Amplificadores Operacionais de baixa potência No circuito existem dois amplificadores operacionais de baixa potência (OPA445) que serão utilizados pelos alunos nos experimentos. Esses amplificadores são alimentados pela fonte simétrica de tensão fixa anteriormente descrita, possuem um potenciômetro para ajuste de off-set e possuem algumas conexões de acesso aos seus terminais, como ilustrado na Figura 5. 10/07/2009 Jeeves Lopes dos Santos 9

13 Figura 5: Ligação do amplificador de baixa potencia OPA445 3 Amplificadores Operacionais de Alta potência No circuito há um amplificador operacional de alta potência (OPA548) que será utilizado pelos alunos nos experimentos como o estágio de saída. Esse amplificador: É alimentado pela fonte simétrica variável anteriormente descrita; Possui um resistor que limita a corrente de saída em 1,5 A; Possui um resistor de 0,5 ohms utilizado pelo sistema de proteção contra sobre corrente para determinar a corrente de saída; Possui algumas conexões de acesso aos seus terminais. Em paralelo com o resistor de saída, há um resistor em série com um galvanômetro que está funcionando como um amperímetro. A Figura 6 está ilustrando essa parte do circuito. 10/07/2009 Jeeves Lopes dos Santos 10

14 Figura 6: Ligação do amplificador de alta potencia OPA548 4 Sistema de proteção contra sobre corrente Por fim, o circuito possui um sistema de proteção contra sobre-corrente. Esse sistema ativa o relé existente no circuito (K1) desativando as fontes simétricas que alimentam os amplificadores operacionais (Amp-Ops de baixa potência e do estágio de saída). O relé K1 é acionado quando a soma da corrente de saída dos dois Amp-Ops de baixa potência ultrapassa 20 ma, ou quando a corrente de saída do Amp-Op de potência ultrapassa 1,2 A, evitando que esses componentes sejam queimados pelo uso incorreto. Um led sinaliza que o circuito está desarmado, e para rearmá-lo o botão S1 deve ser pressionado. O circuito funciona seguindo os seguintes passos: 1) Amplificação do sinal das correntes de saída dos Amp-Ops através do CI U8 (LM383). Essas correntes são identificadas através: a) da diferença entre os sinais de tensão obtidos nas resistências de saída da fonte de alimentação simétrica dos Amp-Ops de baixa potência; b) do sinal de tensão obtido no resistor de saída do Amp-Op de alta potência (R32). 2) Comparação dos sinais obtidos com duas referências (realizado pelo CI U7, o LM324); 3) Os sinais passam por uma porta OU negada que gera o sinal para acionar a chave (implementada pelo TBJ U10, o BC635) que, por sua vez, liga o relé. A realimentação realizada com o diodo D5 e o botão S1 impede que o relé seja desligado enquanto que o botão não seja pressionado. 10/07/2009 Jeeves Lopes dos Santos 11

15 O referido circuito está representado na Figura 7. Figura 7: Circuito de proteção do dispositivo Pode ocorrer um desbalanceamento que gere um sinal de offset na saída dos amplificadores o que pode fazer com que o circuito desarme para o módulo da corrente menor do que o esperado com um sinal e não desarme para o modulo da corrente maior do que o esperado no outro sentido. Para evitar tal efeito existem os potenciômetros que devem ser ajustados seguindo o seguinte procedimento: 1) Ligar o circuito; 2) Apertar o botão para armar o circuito; 3) Ajustar o Potenciômetro R45 até que o pino 1 do LM393 seja de 0 V; 4) Ajustar o Potenciômetro R44 até que o pino 7 do LM393 seja de 0 V; 10/07/2009 Jeeves Lopes dos Santos 12

16 Visualizações da Placa de Circuito Impresso A Figura 8 ilustra a visão superior da placa de circuito impresso, enquanto que a Figura 9 ilustra a visão inferior da placa. Figura 8: Visão superior da placa de circuito impresso 10/07/2009 Jeeves Lopes dos Santos 13

17 Figura 9: Visão Inferior da placa de circuito Impresso A pinagem dos CIs utilizados no circuito estão ilustrados na Figura /07/2009 Jeeves Lopes dos Santos 14

18 Figura 10: Pinagem dos CIs utilizados no dispositivo de Processamento Analógico de Sinal para Controle - PrASCo 10/07/2009 Jeeves Lopes dos Santos 15