INSTITUTO FEDERAL DO PARANÁ - IFPR RELATÓRIO DO PROJETO INTEGRADOR I PROJETO INTEGRADOR I INVERSOR DE FREQUÊNCIA

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1 INSTITUTO FEDERAL DO PARANÁ - IFPR RELATÓRIO DO PROJETO INTEGRADOR I PROJETO INTEGRADOR I INVERSOR DE FREQUÊNCIA João Maria da Cruz Juliano Cesar Mamcarz Professor: Alisson Antonio de Oliveira 4º Bimestre Campo Largo 2013

2 1. RESUMO Como proposta de projeto para a Disciplina de Projeto Integrador I do 4º bimestre, este relatório apresenta um Inversor de frequência. O projeto pretende fornecer ao cliente um dispositivo autônomo de acionamento de uma lâmpada fluorescente de corrente alternada para ambientes onde não há esta modalidade de fornecimento de energia, através do uso de uma fonte em corrente contínua. Foram utilizados componentes eletrônicos simples frente ao que o mercado oferece, mas que exigem certo conhecimento técnico na área para a correta aplicação e funcionamento. Exemplo disso é o circuito integrado INTRODUÇÃO Diferentemente do sinal contínuo (CC Corrente Contínua ou DC Direct Current), o sinal alternado (CA Corrente Alternada ou AC Alternate Current) varia de polaridade e valor ao longo do tempo, podendo este ser de diferentes formas: senoidal, quadrado, triangular ou dente-de-serra, conforme Albuquerque (2013). O sinal senoidal que chega até nossas casas e aciona nossos equipamentos, as cargas, é de forma igual ao gerado nas Usinas Hidroelétricas, por exemplo, pois os geradores produzem a indução proporcionada pela movimentação dos imãs dispostos no eixo de um gerador criando corrente elétrica induzida nas suas bobinas, oscilando em dado momento para a direita e noutro para a esquerda, do ponto de vista do fio de uma dada bobina. Isto se dá pela característica dos imãs quanto a seus polos norte e sul, pois tomada uma bobina do gerador como referência: a corrente induzida sempre se alternará obedecendo as polaridades norte e sul do imã, das propriedades do eletromagnetismo, que passar próximo ao fio desta bobina. Segundo Markus (2013), analisando graficamente e matematicamente o sinal senoidal, vemos características não encontradas no sinal contínuo como o período, dado em segundos (s), e a frequência, dada em Hertz ou ciclos por segundo (Hz ou c/s). No Brasil, a frequência do sinal senoidal é de 60Hz ou 60c/s, que é a quantidade de oscilações em um segundo. Já o período é o inverso da frequência e vice-versa. Há ainda o valor de pico (Vp) dado em Volts (V). Este indica o máximo valor, a amplitude, que a tensão senoidal pode atingir (positiva ou negativa). Estas unidades e grandezas são algumas das necessárias para análise do sinal senoidal, outras fórmulas de análise são obtidas usando as medidas já citadas

3 anteriormente. Neste projeto, o sinal produzido para acionar a carga, a lâmpada, não será do tipo senoidal, mas sim do tipo contínuo pulsante, pois o sinal alternado puro sofre inversão a cada semiciclo que, matematicamente é um ciclo angular da função seno ou cosseno. Este sinal pulsante será gerado pelo rápido chaveamento e deschaveamento de saída de um CI (circuito integrado), o CI 555. Segundo o INSTITUTO NEWTON C. BRAGA (2013), o CI 555 foi lançado na década de 1970 ficando conhecido pela expressão máquina do tempo, pois quando se pensa em projetos de circuitos que envolvam temporizações, disparos ou retardo, por exemplo, é o primeiro a ser lembrado pelos projetistas. Dependendo da configuração de ligação dos seus pinos, pode atuar em diferentes modos, como o monoastável e o astável, sendo o último usado neste projeto. O modo astável, ilustrado na figura 1, necessita de dois resistores (medidos em ohm (Ω)) e um capacitor (medido em Farad (F)) que é um dispositivo capaz de armazenar cargas elétricas nas suas placas separadas por um dielétrico. Esta configuração de uso dos resistores e do capacitor é trazida na folha de dados de diferentes fabricantes, o datasheet. Consta também o cálculo para dimensionamento do resistor e do capacitor. Figura 1: Modo astável do CI 555. Fonte: INSTITUTO NEWTON C. BRAGA. Disponível em: < art011>. Os pinos deste CI são identificados da seguinte maneira: 1 é o pino terra ou comum, ponto negativo da alimentação do dispositivo; 2 é o disparo ou trigger e é

4 usado para levar a saída para nível lógico alto, esse pino dispara quando sua tensão torna-se inferior a 1/3 de Vcc ou menor que a metade da tensão aplicada ao pino 5; 3 é a saída do CI, dizemos que, quando acionado, encontra-se em nível lógico 1; 4 é chamado de reset e é o que tem prioridade em relação aos demais, sendo ligado à Vcc para evitar reset falso como ocorre neste circuito; 5 é o pino controle, mas não será usado; 6 é o threshold, permite levar a saída 3 para nível lógico baixo, atuando com tensão superior a 2/3 de Vcc ou através da tensão aplicada ao pino 5. O pino 7 é chamado descarga, pois faz a descarga do capacitor, quando o transistor interno do CI está na saturação e, finalmente, o pino 8, o terminal positivo de alimentação do CI que pode atuar na faixa de 5 a 15 V (PROJETOS TECNOLÓGICOS, 2013). No aspecto físico, o CI 555 tem encapsulamento na cor preta com 8 pinos dispostos em 2 fileiras simétricas de 4 terminais em dois de seus lados. Como seus pinos tem funções diferentes, apresenta em uma de suas extremidades uma cavidade circular pequena próximo ao pino 1 ou ainda, um semicírculo vazado na extremidade da mediana dos pinos 1 e 5 para indicar e situar o montador do circuito, conforme observa-se na figura 2. O padrão adotado varia para fabricantes diferentes sendo que ainda, há a marca e as informações do componente estampado no corpo dele. Figura 2: CI 555. Fonte: WIKIPEDIA. Disponível em: < O circuito integrado será aplicado no circuito através do encaixe sobre um conector próprio chamado soquete torneado de 8 pinos, dispostos na mesma configuração do tal CI, entretanto, tem na sua face superior os furos de encaixe para o CI, também tem como identificação de montagem um semicírculo pequeno vazado na mediana de uma de suas extremidades. Os terminais deste conector são soldados diretamente na placa perfurada que suporta a maior parte dos componentes eletrônicos soldados, pois a exemplo do soquete para o CI, ela tem seus furos dispostos em trilhas com distâncias padronizadas, permitindo assim a

5 montagem eletrônica de protótipos simples, como esse. Resistores são dispositivos que apresentam sob condições normais valor de resistência fixa, servindo para ajustar tensões e correntes elétricas em determinados circuitos, estes foram usados ao lado do CI555 para ajuste de corrente. Os trimpots também ajustam tensões e correntes elétricas, entretanto, permitem através de um botão giratório variar sua resistência conforme a necessidade de ajuste, sendo usado no circuito para variar a frequência do sinal emitido pelo CI, através da limitação da corrente que chega ao circuito integrado. Atuando em conjunto ao CI 555, está o transistor MOSFET de potência, componente provido de 3 terminais alinhados na seguinte ordem: dreno ( drain ), porta ( gate ) e fonte ( source ). O funcionamento do componente é simples: uma vez acionado o pino 2 (porta) por um pequeno valor de potência através de baixa corrente, esta fluirá para o pino 3 (fonte), permitindo assim a condução de uma corrente maior do pino 1 (dreno) para o fonte e, consequentemente, com maior potência. Como toda essa tarefa gera calor, é preciso dissipá-lo anexando um dissipador de calor (pequeno bloco em alumínio) ao MOSFET. Usamos um parafuso para juntar a parte metálica do MOSFET (com furo próprio) ao furo do pequeno bloco de alumínio. Em série com a porta e a fonte do MOSFET de potência está a bobina 12V do primário do transformador que, induzirá tensão na bobina secundária 127V quando ligado o circuito, pois apesar de o acionamento ser em corrente contínua, haverá variação na intensidade do fluxo magnético na primeira bobina, sendo possível assim, acionar a lâmpada fluorescente 15W, fabricada para operar em regime de corrente alternada. O capacitor de 1000uF em paralelo com todo o circuito funciona como um filtro de baixas frequências. A caixa plástica é quem suporta todos os componentes. A placa e o transformador são fixados no interior dela através de parafusos fornecidos junto a caixa através de doação. Já a chave avalanca que, quando comutada permitirá a circulação de corrente pelo circuito vinda da bateria 9 Volts, é simplesmente encaixada na lateral num corte feito nela. Assim como os parafusos utilizados no protótipo, também foram recebidos por doação a lâmpada, o soquete e as chapas de suporte para ela e os fios encapados de bitola 1 mm². Entretanto, a lâmpada fluorescente é acomodada externamente a caixa em

6 um suporte feito com chapas de alumínio onde são presos seus soquetes. Estes itens também foram recebidos por doação. 3. MATERIAIS E MÉTODOS Foram utilizados neste projeto: Software para desenho de circuitos elétricos Eagle 6.4.0; Laboratório de Informática do IFPR Câmpus Campo Largo; Fios de bitola 1 mm² encapado; Caixa plástica com parafusos de fixação da tampa e placa eletrônica; Chapas de alumínio para confecção do suporte da lâmpada; Soquete para lâmpada fluorescente tubo; Lâmpada fluorescente tubular de 15W. A tabela a seguir mostra a relação dos componentes e valor total do projeto: Tabela 1- Tabela de componentes e valor total do projeto. ITEM QUANT. DESCRIÇÃO VALOR SUBTOTAL 1 1 Chave avalanca unip. Met. Peq. R$ 2,78 R$ 2, Porta fusível PCI R$ 0,74 R$ 0, Fusível de vidro pequeno 3ª R$ 0,21 R$ 0, Trimpot volta 100kΩ R$ 1,10 R$ 1, Resistor 2k2Ω 1/4W 5% R$ 0,03 R$ 0, Resistor 4k7Ω 1/4W 5% R$ 0,05 R$ 0, Resistor 1kΩ 1/4W 5% R$ 0,05 R$ 0, Resistor 390Ω 1/4W 5% R$ 0,03 R$ 0, LED redondo 5 mm vermelho 1/4W R$ 0,13 R$ 0, Cap. Disco Cerâmico 47nF / 50V R$ 0,10 R$ 0, Cap. Elco RD 1000uF / 16V R$ 0,44 R$ 0, Soquete torneado 08 pinos R$ 0,45 R$ 0, CI LM555 1 plástico R$ 0,50 R$ 0, TRS IRF640 R$ 2,50 R$ 2, Dissipador DM 822K R$ 0,45 R$ 0, Placa perfurada 50 X 100 des. mm R$ 5,24 R$ 5, Trafo VAC- 3A (127/220VAC) R$ 23,20 R$ 23,20 Fonte: Os autores. VALOR TOTAL DO PROJETO R$ 38,00 O circuito usado como referência é apresentado logo abaixo pela figura 3. Esse circuito foi selecionado através de pesquisa usando a internet, donde foi extraído.

7 Figura 3- Circuito usado como referência para o inversor de frequência. Fonte: INSTITUTO NEWTON C. BRAGA. Disponível em: < Inicialmente teve-se a ideia de fazer a montagem do circuito de acordo com a referência usada, mas julgou-se necessárias algumas modificações quanto ao aspecto construtivo. Uma delas foi sobre a alimentação do circuito. A fonte de tensão de 12 Volts foi substituída pela pilha alcalina de 9 Volts, que fez o mesmo efeito que uma fonte 12 Volts. Observou-se isso visualmente. Pois, uma pilha de 9 Volts é mais acessível que uma bateria automotiva de 12 Volts, por exemplo, e a de menor tensão pode ser acomodada dentro da caixa com facilidade. Outra modificação não mostrada no circuito da figura 3 foi o acréscimo de um LED na cor vermelha para mostrar quando o circuito está em funcionamento e, consequentemente, um resistor em série de 390Ω (ohms) ao diodo emissor de luz para limitar sua corrente de circulação. A figura 4 apresenta o circuito deste projeto com as alterações realizadas em relação ao circuito usado como referência. O projeto foi dividido em quatro etapas ao todo. Primeiramente a apresentação da proposta para aceitação do professor. Posterior a isso, apresentação da proposta junto ao desenho em software CAD. A pesquisa orçamentária seguida de apresentação de valores e custos ao orientador efetivou-se na terceira que contou ainda com a montagem utilizando-se dos componentes já comprados.

8 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO Comparando o desenho da figura 4 feito em Software para desenho de circuitos eletrônicos Eagle com o circuito de referência da figura 3, pode-se notar as modificações feitas quanto a bateria de 12V para uma de 9V, por exemplo, pois esta é acomodada na caixa sem problemas devido ao tamanho reduzido; acréscimo de um LED na cor vermelha e, consequentemente, de um resistor em série para limitar sua corrente. Figura 4: Desenho em Software CAD do circuito elétrico do projeto. Fonte: Os autores. A foto da figura 5 mostra a vista interna da caixa plástica com os componentes montados em seu interior. Figura 5: Foto da vista interna da caixa com os componentes montados. Fonte: Os autores.

9 O circuito permite que um determinado valor de corrente elétrica saia do polo positivo da pilha alcalina 9 Volts, quando comutada a chave S, passe pelo fusível de proteção F de 3A, chegue ao capacitor C2 de 1000uF servindo esse como filtro, mas também acionando o CI 555, em paralelo, operando em modo astável e fazendo uso dos resistores de 2k2Ω e 4k7Ω, R1 e R2 respectivamente, além destes, o capacitor C1 de 47nF (componentes ligados ao CI conforme padrão astável). Em série a R1 está o trimpot P de 100kΩ devidamente ajustado para proporcionar um determinado valor de pulso entregue pelo CI ao MOSFET e que, este por sua vez, faça o chaveamento da bobina primária do transformador para que seja proporcionada à lâmpada um valor de frequência mais próximo de sua operação. Os pulsos de corrente vindo do pino 3 do CI passarão pelo resistor R3 de 1kΩ, o qual serve para evitar uma tensão residual no pino porta do MOSFET como se este fosse um capacitor carregado, portanto, impedindo que o transistor se mantenha acidentalmente acionado sem obedecer os ciclos de interrupção do pino 3 do 555. A cada ciclo imposto ao pino 2 do MOSFET de potência, um valor de corrente circulará na bobina do primário do transformador, pois isto é possível devido a série entre a bobina primária e os terminais 2 e 3 do transistor. Assim a corrente contínua pulsante que passar pelo enrolamento primário do transformador induzirá tensão na secundária obedecendo o fator de transformação do transformador, ou seja, o número de espiras do primário é menor do que no secundário e, por isso, no primário temos 12V e no secundário 127V, com isso é possível acender a lâmpada, como ocorre neste trabalho. Há ainda um LED na cor vermelha seguido de um resistor ligado em série após o fusível para indicar quando a chave for ligada indicando funcionamento do circuito. Como o CI 555 emite pulsos de corrente e não a alterna, o formato de onda observado é do tipo contínua pulsante, como mostra a foto da figura 6, tirada da tela de um osciloscópio em paralelo com a carga.

10 Figura 6: Foto da forma de onda sobre a lâmpada. Fonte: Os autores. 7. O projeto montado, em funcionamento, está apresentado abaixo pela figura Figura 7: Foto do projeto montado. Fonte: Os autores. 5. CONCLUSÕES O desafio mostrou um nível razoável de complexidade. O circuito para solução técnica não foi difícil. Encontrou-se maior dificuldade na solicitação de orçamento, em que ocorreram divergências em relação à nomenclatura de componentes solicitados às lojas. Levando-se em conta o já citado e ocorrido

11 equívoco num projeto anterior, tomou-se as devidas precauções pelos nomes, onde uma pesquisa via internet sanou as dúvidas. Outra dificuldade foi em relação a montagem das peças na placa perfurada, pois exigiu cuidado por possuírem terminais próximos ou ainda, serem frágeis ao calor emitido pelo ferro de solda quando feita a soldagem. Trata-se de um circuito simples, mas que exige certos conhecimentos de eletrônica que ainda não tivemos contato em sala de aula, então tivemos que pesquisar em diversas fontes para atender esta proposta, entretanto, admitimos que desafios como estes são bons, pois excita o raciocínio e o entendimento de dispositivos. Como desafios são encontrados na vida profissional, acredita-se que isto nos prepare para os futuros desafios. Levando-se em conta a teoria aliada à prática da elaboração do projeto, sabe-se agora sobre as dificuldades existentes, no entanto, as mesmas são minimizadas quando há organização e empenho por parte dos pesquisadores. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALBUQUERQUE, Rômulo Oliveira. Análise de circuitos em corrente alternada. Érica, 2ª ed., São Paulo, p. INSTITUTO NEWTON C. BRAGA. Como funcionam os inversores (ART 553). Disponível em: < art533>. Acesso em: 10 set INSTITUTO NEWTON C. BRAGA. O circuito integrado 555 (ART011). Disponível em: Acesso em: 10 set MARKUS, Otávio. Circuitos elétricos: corrente contínua e corrente alternada: teoria e exercícios. Érica. 9ª ed., São Paulo, p. PROJETOS TECNOLÓGICOS Disponível em: < Acesso em: 20 nov UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA. Laboratório de Eletrônica. Prática 2 Aplicações do CI 555. Disponível em: < /2011/08/pratica_2_aplicacoes_555.pdf>. Acesso em: 21 nov