Curso de Formação Profissional Técnico em Eletroeletrônica Módulo II Senai Arcos-MG Projeto de Sistemas Eletrônicos Raphael Roberto Ribeiro Silva Técnico em eletroeletrônica pelo INPA Arcos Estudante de Engenharia Elétrica do IFMG - Formiga CFP Eliezer Vitorino Costa
Conteúdo Programático Ferramentas de controle do desenvolvimento e execução do projeto. Identificação dos pontos críticos Controle de prazos Dimensionamento de fonte linear. Retificador Filtro capacitivo Reguladores de tensão fixos e ajustáveis
Conteúdo Programático Dimensionamento da interface de potência por meio de acoplador AC e DC. Projeto automatizado em sistemas industriais, utilizando microcontroladores Microcontroladores Arquitetura Interna (Blocos) Partes de entradas e Saídas Introdução a Programação em C Validação do projeto. Medições e ajustes Funcionamento de acordo com o projeto Correção de possíveis falhas de projeto Registros da validação Resultados da validação
Forma de Avaliação 10 pontos para trabalho em dupla. 1º Trabalho: Pesquisa sobre microcontroladores 23/02 2º Trabalho: Pesquisa sobre linguagem de programação C 23/02 60 pontos para avaliações individuais. 1ª Prova 23/02 2ª Prova 15/03 30 pontos para exercícios práticos em sala, individuais ou em grupo.
1ª Dupla: Rodrigo Edimar Juan 2ª Dupla: Alex Bruno D 3ª Dupla: Max Pablo 4ª Dupla: Lucas S Lucas J 5ª Dupla: Gustavo José 6ª Dupla: Valmir Marcos V 7ª Dupla: Whaubert Marciano 8ª Dupla: Igor Mateus 9ª Dupla: Luis P Gilmar 10ª Dupla: João Paulo Luis V 11ª Dupla: Bruno L Luiz F 12ª Dupla: Marcus B Gabriel Duplas
Projeto Eletrônico Um projeto eletrônico surge da necessidade de se criar soluções para um determinado problema relacionado a criação de circuitos eletrônicos capazes de automatizar determinada tarefa, como por exemplo, controlar a velocidade de um motor ou o brilho de uma lâmpada. O que é um Projeto? Algo que nos dá subsídios para organizar ideias, fazer diagnósticos ou analises sobre uma determinada realidade, fazer pesquisas, propor melhorias ou criar soluções para um determinado problema. Em resumo projeto é o planejamento de um conjunto de atividades a serem desenvolvidas por um determinado período, para atender uma necessidade.
Identificação dos Pontos Críticos Pontos críticos são fatores que podem impedir o funcionamento adequado do equipamento a ser projetado, ou que podem causar falhas ou defeitos ao longo do tempo. Além disso, questões que afetam a segurança das pessoas devem ser atentamente observados. Portanto, é necessário identificar as condições em que o equipamento estará exposto. Como: a) Temperatura: os componentes eletrônicos possuem temperaturas de operação, tanto máxima quanto mínima, caso o local onde o mesmo for utilizado possuir altas temperaturas se faz necessário utilizar dissipadores e ventiladores no circuito, caso atinja temperaturas baixas também pode afetar no funcionamento do equipamento. b) Poeira e umidade: A umidade junto com a camada de poeira sobre o PCI pode conduzir eletricidade, interferindo no PCI. Nesse caso deve-se utilizar uma fina lamina de plástico sobre o PCI. Caso a temperatura não seja um problema, utilizar uma caixa vedada.
Identificação dos Pontos Críticos c) Vibração: locais sujeitos a vibrações, a placa deve ser instalada sobre conectores apropriados. Se utilizar um conector inadequado, podem surgir problemas de mau contato ao longo do tempo. Caso a placa seja muito grande, deve haver mais conectores na placa para que a mesma não quebre ao longo do tempo. d) Gases Inflamáveis: Em locais que possuem gases inflamáveis suspensos no ar, se faz necessário fazer substituição de dispositivos que produzem centelhas, como relés, por outros dispositivos. e) Ruídos Elétricos: em locais sujeitos a ruídos elétricos, locais com motores e soldas industriais, se az necessário o uso de filtros de linha na entrada da alimentação do circuito, para evitar problemas.
Identificação dos Pontos Críticos De posse dessas informações, escolhemos tecnologia mais adequada para o projeto. Essa tecnologia deve contemplar os seguintes parâmetros: a) Funcionalidade: para atender as necessidades do cliente, o projeto tem que funcionar da maneira que foi especificado; b) Confiabilidade: para ser confiável, o projeto precisa estar isento ou possuir baixo risco de falhas e defeitos; c) Segurança: para ser seguro, o projeto deve garantir a integridade física das pessoas; d) Ecoeficiencia: o projeto tem que consumir menos energia elétrica e minimizar os impactos ambientais; e) Custo: o custo do projeto precisa estar dentro de uma faixa de valores que o cliente esteja disposto a pagar; f) Descarte: prefira utilizar tecnologias limpas para minimizar os impactos ambientais quando o equipamento for descartado no futuro.
Controle de Prazos Os prazos para a realização do projeto deve ser estimado de acordo com as seguintes atividades: a) Elaboração do circuito: é a concepção do circuito eletrônico, baseado nas necessidades do cliente e nos pontos críticos do projeto, ou seja, é a fase em que as tecnologias são escolhidas. b) Desenvolvimento de firmware: é a programação do microcontrolador, necessária quando o projeto envolver o uso de tecnologias desse tipo. c) Montagem do protótipo: é a criação de uma versão preliminar do produto. Essa versão serve para se fazer testes com relação ao funcionamento sobre temperaturas adversas, bem como observar o seu funcionamento como um todo.
Controle de Prazos d) Documentação do equipamento: é a criação dos manuais de usuário, dos procedimentos de trabalho para instalação e validação. O tempo para elaborar toda a documentação precisa ser levado em consideração. e) Produção: é a fabricação do circuito eletrônico. f) Validação: são os testes de funcionamento e o preenchimento da documentação envolvida. É necessário validar o equipamento após a produção. g) Instalação e parametrização: é a instalação e a configuração do circuito eletrônico. Alguns projetos precisam ser instalados e configurados no ambiente do cliente. Caso seja esse o caso para o seu projeto, não se esqueça de prever o tempo para essa atividade.
Controle de Prazos O prazo não pode simplesmente ser imposto pelo projetista. Uma boa pratica é compartilhar e negociar prazos com o cliente. Isso garante transparência da execução do projeto junto ao cliente, uma qualidade muito importante para obter sua satisfação.
Fonte Linear Fontes de tensão linear são circuitos constituídos por um transformador, um circuito retificador, um filtro e um regulador de tensão.
Dimensionamento de Fonte Linear Para dimensionarmos uma fonte de alimentação, precisamos saber: 1. O valor da tensão de entrada; 2. O valor da tensão de saída; 3. O valor da intensidade da corrente elétrica necessária a carga. Além dessas três informações, precisamos escolher o tipo de regulagem desejada na saída da fonte de alimentação. Essa regulagem pode ser do tipo paralelo, usando diodo zener, tipo serie, com o uso de transistores ou com o uso de circuitos integrados lineares.
Regulador de Tensão Os reguladores de tensão são utilizados para regular a tensão fornecida por uma fonte de alimentação linear, independentemente das variações de tensão que possam ocorrer na rede de energia elétrica. Eles podem ser de dois tipos: Com tensão de saída fixa; Com tensão de saída variável.
Regulador de Tensão Fixa Como exemplo de reguladores de tensão fixa, temos dois tipos mais utilizados: LM78XX, que é um regulador de tensão positivo, e LM79XX, que é um regulador de tensão negativo. Essa série possui três terminais e proteção interna que limita a corrente de saída em 1 A, além de proteção térmica que desliga o circuito caso ocorra aquecimento excessivo.
Regulador de Tensão Fixa A tabela abaixo mostra as características dos reguladores de tensão de acordo com os seus códigos. CÓDIGO DO COMPONENTE TENSÃO DE ENTRADA (V) TENSÃO DE SAIDA (V) MINIMO MAXIMO MINIMO TIPICO MAXIMO LM7805 7 20 4,75 5 5,25 LM7806 8 21 5,7 6 6,3 LM7808 10,5 23 7,6 8 8,4 LM7809 11,5 24 8,6 9 9,4 LM7810 12,5 25 9,5 10 10,5 LM7812 14,5 27 11,4 12 12,6 LM7815 17,5 30 14,25 15 15,75 LM7818 21 33 17,1 18 18,9 LM7824 27 38 22,8 24 25,25
Regulador de Tensão Fixa Normalmente, adota-se uma tensão de entrada com o valor 10% acima da tensão mínima. Com esse valor, é possível reduzir o calor gerado pela fonte, sem comprometer o funcionamento do regulador de tensão devido as oscilações da rede de alimentação. A figura abaixo ilustra a saída de uma fonte linear, usando o regulador LM78XX.
Regulador de Tensão Fixa A figura abaixo ilustra o esquema de uma fonte linear simétrica, usando os reguladores LM78XX e LM79XX. Os capacitores fazem parte da etapa de regulação e servem para evitar transientes que interfiram no circuito.
Regulador de Tensão Ajustável O LM317 é um regulador de tensão positivo com uma tensão de saída ajustada de 1,2 V a 37 V, capaz de fornecer uma corrente de ate 1,5 A. esse regulador vem em um encapsulamento TO220, possui proteção contra curtocircuito e proteção térmica que desliga o circuito integrado, em caso de aquecimento excessivo. A tensão de entrada mínima é de 3 V e a máxima de 40 V, ou seja, a tensão aplicada ao pino de entrada deverá estar entre esses dois valores.
Regulador de Tensão Ajustável Para criarmos uma fonte variável utilizando o LM317, devemos acrescentar ao CI dois resistores, um fixo e um variável como segue na imagem abaixo.
Regulador de Tensão Ajustável Através dos valores dos resistores que se pode determinar o valor da tensão de saída. O valor de R1 deve estar compreendido entre 120 Ω e 270 Ω, de acordo com o fabricante do circuito integrado. O valor normalmente usado para esse resistor é 220 Ω. Para se determinar o valor da tensão de saída, utilizamos a seguinte fórmula: V 0 = 1,25 1 + R2 R1 O valor de R2 pode ser calculado pela seguinte fórmula: R2 = V 0 1,25 1 R1
Exercícios 1 Calcule a faixa de valor do resistor variável para um regulador de tensão que deverá variar de 5 V a 32 V. O valor do resistor fixo é de 220 Ω. 2 Calcule as faixas de valores de tensão de saída para um regulador com os seguintes dados: Resistor fixo 220 Ω, resistor variável de 500 Ω a 3,3 KΩ. 3 Calcule o valor do resistor fixo para um regulador que possui um resistor variável de 2 KΩ e uma tensão de saída de 10 V.
Circuitos Retificadores Existem três tipos de circuitos retificadores que podem ser aplicados nas fontes lineares: 1. Retificador de meia onda; 2. Retificador de onda completa center tape; 3. Retificador em ponte.
Circuitos Retificadores V P = Tensão de pico na saída do transformador (V); I P = Corrente de pico (A); P dc = Potência contínua na carga (W). Meia Onda Center Tape Ponte Tensão Média na Carga V DC Tensão eficaz na carga V EF Vp π Vp 2 2Vp π Vp 2 2Vp π Vp 2 Tensão reversa de pico sobre diodos V R V P 2V P 2V P Frequência de ondulação 60 Hz 120 Hz 120 Hz Fator de ripple 120% 48% 48% Corrente média I dc nos diodos Ip π Ip π Ip π Tipo de enrolamento no secundário do transformador Simples Derivação Simples Capacidade do transformador 3,49P dc 1,75P dc 1,23P dc
Circuitos Retificadores Para a escolha do diodo, devemos levar três parâmetros em consideração: V RRM I F(AV) I FSM Quando acrescentamos um filtro ao circuito retificador, o diodo, em todos os tipos de retificadores, estará submetido a duas vezes a tensão de pico. Sendo assim, a escolha do diodo deve ser de forma q a tensão reversa VRRM seja duas vezes maior que a tensão de pico. Outro parâmetro a ser levado em consideração é a corrente de surto.
Exercícios 1 Calcule a tensão reversa sobre o diodo e a tensão de saída de um circuito retificador de onda completa, sabendo que a tensão de saída do transformador é de 12 VCA. 2 Calcule a tensão média na carga, tensão eficaz na carga, tensão reversa de pico sobre os diodos, corrente média nos diodos e a capacidade do transformador para um circuito de onda completa com center tape. Dados: Vrms = 12 V, Irms = 3 A, P = 30 W. 3 Calcule a tensão média na carga, tensão eficaz na carga, tensão reversa de pico sobre os diodos, corrente média nos diodos e a capacidade do transformador para um circuito de meia onda. Dados: Vrms = 12 V, Irms = 3 A, P = 30 W.
Circuito de Filtragem O circuito de filtragem tem como finalidade eliminar as variações de tensão fornecidas pelo circuito retificado. A figura abaixo demonstra a forma de onda de um circuito com e sem filtro.
Circuito de Filtragem O filtro durante a condução do diodo, armazena energia e durante o momento em que o diodo é bloqueado, ele fornece energia a carga. Onde: O valor da capacitância em função de valores medidos é expressa por: C = I f. Vr C Capacitância em Farads (F); I Corrente de carga em amperes (A); f Frequência de condução em hertz (Hz); Vr Tensão de ondulação pico a pico em volts (V).
Circuito de Filtragem Para o valor da tensão de ondulação, adotamos um pratico de 10% da tensão Vdc. O capacitor sempre é carregado com a tensão de pico, assim, a tensão média fornecida pelo circuito de filtro será: Vdc = Vp Vr 2
Exemplo 1 Determine o valor de um capacitor de filtro para uma fonte linear que fornece uma tensão de saída de 12 V e uma corrente de 100 ma, considerando a frequência de ondulação de 120 Hz. Ache a tensão de pico. C = I f. Vr Vr = Vdc. 10 100 = 12.10 100 = 1,2 V Vdc = Vp Vr 2 C = 100x10 3 120x1,2 12 = Vp 1,2 2 = 694 μf 12 = Vp 0,6 Vp = 12,6 V
Exercícios 1 Determine o valor de um capacitor de filtro para uma fonte linear que fornece uma tensão de saída de 24 V e uma corrente de 300 ma, considerando a frequência de ondulação de 120 Hz. Ache a tensão de pico. 2 Determine o valor de um capacitor de filtro para uma fonte linear que fornece uma tensão de saída de 5 V e uma corrente de 500 ma, considerando a frequência de ondulação de 120 Hz. Ache a tensão de pico.
Transformador de Alimentação A equação para determinar a tensão de saída do transformador é dada por: V = Vdc + Vr 2 2 + Vd A variável Vd é para compensar a queda de tensão nos diodos do circuito retificador, sendo seu valor igual a 0,7 V para circuito retificador em meia onda ou onda completa center tape e 1,4 V para retificador em ponte. Os transformadores utilizados nos projetos de fontes de alimentação lineares são especificados pelo valor da tensão de saída do enrolamento secundário e pela corrente que esse enrolamento pode fornecer.
Transformador de Alimentação
Fusível de Proteção Um fusível ligado ao enrolamento do primário do transformador é uma medida de proteção contra curto-circuito na fonte de alimentação. Para especificar esse fusível, é preciso determinar a corrente que circula pelo enrolamento primário do transformador. A equação para esse calculo é: Onde: I 1 = V 2I 2 V 1 I 1 - corrente no enrolamento primário do transformador; I 2 - corrente no enrolamento secundário do transformador; V 1 - tensão no enrolamento primário do transformador; V 2 - tensão no enrolamento secundário do transformador. Após encontrar o valor da corrente no enrolamento primário, o fusível deverá ser dimensionado entre 10% a 20% acima do valor mencionado.
Exercícios 1 Uma fonte de alimentação tem um transformador em que a tensão de saída é de 12 V e fornece uma corrente de 850 ma, ligado a uma rede de 127 V. Determine o valor do fusível para proteção dessa fonte. 2 Uma fonte de alimentação tem um transformador em que a tensão de saída é de 12 V e fornece uma corrente de 850 ma, ligado a uma rede de 220 V. Determine o valor do fusível para proteção dessa fonte. 3 Uma fonte de alimentação tem um transformador em que a tensão de saída é de 36 V e fornece uma corrente de 1,5 A, ligado a uma rede de 127 V. Determine o valor do fusível para proteção dessa fonte.
LED Indicador Para se acrescentar um LED indicador de circuito ligado, devemos colocar um resistor em série com o LED limitando a corrente em 20 ma. Para se calcular esse resistor é necessário: a) Saber o valor da tensão de trabalho do LED, que varia em função da sua cor; b) Subtrair do valor de saída do regulador; c) Dividir o resultado por 0,02 (que é a corrente para o LED). Exemplo: Calcule o resistor para um LED de cor vermelha com queda de tensão de 1,8 V, ligado a uma fonte de 5 V. Calcule a potencia necessária do resistor. Vcc 1,8 R = = 5 1,8 0,02 0,02 = 160 Ω P = R. I 2 = 160. 0,02 2 = 0,064 W
LED Indicador
Exercícios 1 - Calcule o resistor para um LED de cor azul alto brilho com queda de tensão de 2,5 V, ligado a uma fonte de 12 V. Calcule a potencia necessária do resistor. 2 - Calcule o resistor para um LED de cor vermelha com queda de tensão de 3 V, ligado a uma fonte de 9 V. Calcule a potencia necessária do resistor. 3 - Calcule o resistor para um LED de cor branca alto brilho com queda de tensão de 5 V, ligado a uma fonte de 24 V. Calcule a potencia necessária do resistor.
Etapas para o Dimensionamento As etapas para o dimensionamento de uma fonte linear são: a) Escolher um regulador de tensão, em função do tipo de fonte linear que quisermos dimensionar (fixa ou variável) e do valor da tensão de saída; b) Consultar, no Datasheet do fabricante do regulador, as tensões mínima e máxima que poderemos aplicar ao regulador e a corrente máxima do regulador; c) Escolher o tipo do circuito retificador (meia onda, onda completa center tape ou em ponte); d) Determinar como serão os enrolamentos primário e secundário do transformador, em função do tipo do circuito retificador escolhido;
Etapas para o Dimensionamento e) Dimensionar o capacitor de forma que a tensão filtrada satisfaça as características do regulador escolhido; f) Calcular os parâmetros dos diodos retificadores e escolher, nos Datasheet dos fabricantes, o diodo que atenda as necessidades do projeto; g) Especificar a corrente de saída do transformador; h) Calcular a corrente de interrupção do fusível de proteção; i) Selecionar um LED, e dimensionar seu resistor, para indicar que a fonte esta ligada.
Validação do Projeto Após a criação de projetos eletrônicos devemos validar o mesmo, para comprovar por meio de evidencias objetivas que os requisitos do projeto foram atendidos. 1 Medições e Ajustes Nessa etapa, após calcular tensão reversa de um diodo, resistores do regulador de tensão, etc; devemos efetuar as medições de tensão e de corrente, quando for o caso, dos componentes eletrônicos do circuito que iremos validar. Com isso, poderemos verificar se algum parâmetro foi ultrapassado. Nos importa saber o funcionamento do circuito sobre diversos valores de temperatura, é preciso então variar a temperatura e fazer as medições verificando se o funcionamento está correto.
Validação do Projeto Como exemplo, podemos citar um automóvel que possui uma eletrônica embarcada responsável pelo funcionamento do veiculo. Parado em um congestionamento, em um dia muito quente, esse carro terá seus componentes eletrônicos aquecidos. Se, após o projeto da eletrônica embarcada, não forem realizados teste que incluam a simulação dessa situação, não haverá a garantia de que ele funcione como foi projetado e sem falhas. Os componentes de encapsulamento TO-220 e TO-3 são componentes que dissipam muito calor, bem como os resistores de potencia. Por isso, devemos verificar a temperatura desses componentes com um termômetro infravermelho. Caso seja identificada uma sobre temperatura nos componentes, serão necessários alguns ajustes para sanar o problema.
Validação do Projeto 2 Funcionamento de Acordo com o Projeto Segundo a ISSO 9001:2008 no item 7.1.6 Validação de projeto e desenvolvimento, solicita-se que a validação de um projeto seja realizada, sempre que possível, antes da entrega ou da implantação do produto. Validar um projeto é comprovar por meio de evidencias objetivas que os requisitos para uma aplicação ou seu uso específicos foram atendidos. Nessa parte devemos testar o funcionamento e todas as formas de operação do circuito projeto. No caso de circuitos em que há um ou mais microcontroladores, é necessário testar todos os recursos projetados no software, de modo a garantir que não haja erro no programa gravado no mesmo, que não haja travamentos durante seu funcionamento ou ainda que falte alguma função solicitada pelo cliente.
Validação do Projeto 3 Correção de Possíveis Falhas de Projeto Durante a realização de um projeto, alguns detalhes passam desapercebidos. Então, somente após o circuito estar pronto é que percebemos que esses detalhes foram os responsáveis por algumas falhas, como por exemplo, a fixação da placa de circuito impresso, a altura ou a posição de algum componente que dificulte a montagem final do produto, a fixação de alguns cabos de ligação ou outro detalhe técnico que possa comprometer a execução ou o bom funcionamento do circuito projetado.
4 Registro da Validação Validação do Projeto Durante os procedimentos de validação de um projeto eletrônico, devem ser registrados os dados obtidos, mantendo-se dessa forma, um histórico dos resultados obtidos. Esses registros variam de acordo com a politica de qualidade de cada empresa, mas, de modo geral, são feitos em um formulário próprio denominado Lista de verificação da validação. Tal lista deve ter informações legíveis e conter a identificação do executante, os dados de identificação do projeto, a data da validação, além, é claro, dos resultados obtidos durante os testes. É importante ressaltar que essa lista seja armazenada de forma a não se deteriorar e de modo que facilitem acesso e recuperação dos dados que ela dispõem.
Referências Bibliográficas TOCCI, Ronald; WIDMER, N. S. "Sistemas Digitais. Princípios e Aplicações". 11ª Edição. Editora Prentice-Hall, 2011. PEDRONI Volnei A. "Eletrônica Digital Moderna e VHDL". 1ª Edição. Editora Campus, 2010. MORAES, Airton Almeida de. NOVAES, Regina Célia Roland. Análise de Circuitos Elétricos. 2. Ed. SENAI-SP, 2005. SENAI SP. Eletrônica Geral Mecatrônica. São Paulo, 2003.