Análise de Desempenho Real de Amplificadores Operacionais em Circuito de Medição para Processos Didáticos de Controle Felipe Souza Borges Fontes 1 Daniel Cavalcanti Jeronymo 2 Resumo A modelagem de processos, sintonia e projeto avançado de controladores são conteúdos teóricos de importância fundamental na formação acadêmica dos engenheiros da área de engenharia elétrica. A aplicação prática destes conteúdos teóricos em processos reais visa facilitar as dificuldades no relacionamento de ensino/aprendizado e oferece aos estudantes um conjunto maior de opções para entender estes conceitos. Entretanto, a aplicação prática destes conceitos é dependente da implementação de processos criados nas instituições de ensino, apelidados de caseiros, placas de aquisição e circuitos para medição e atuação. As placas de aquisição e os circuitos para medição e atuação devem apresentar baixa interferência sobre o sinal medido, de maneira a reproduzi-lo fielmente. Neste trabalho é apresentado o resultado de uma iniciação científica cujo objetivo é realizar estudo de desempenho do circuito integrado (CI) mais adequado para compor um circuito de medição de um processo caseiro, pertinente a qualidade da medição. São apresentados resultados para os CIs LM324, MC33079 e TL084, observando a resposta em frequência, ruído e diferença de fase. Os resultados obtidos indicam baixo desempenho do LM324 quanto a ruído e atenuação do sinal e desempenho adequado do MC33079 quanto a ambos os objetivos, enquanto a melhor escolha para este tipo de aplicação, na faixa frequencial do estudo, é o TL084. 1 Introdução O ensino da engenharia de controle tem testemunhado ao longo de muitos anos a inserção de diferentes metodologias pedagógicas com a inclusão de plataformas educacionais visando 1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) - Acadêmico de Engenharia Eletrônica 2 Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) - Coordenação de Engenharia Eletrônica e de Computação
motivar, clarificar, diminuir o nível de abstração da teoria de controle e também para preparar os estudantes ao mundo industrial. (BERNSTEIN, 1999; LEVA, 2003; LUNTZ; MESSNER, 1997; COOK; SAMAD, 2009; ROSSITER, 2013; PADULA; VISIOLI, 2013). O uso extensivo de ferramentas tecnológicas a serem utilizadas na sala de aula ou laboratório (experimental e numérico) tem sido aplicado na educação de controle (DORMIDO, 2004). Isto significa que simulações numéricas e hardware-in-the-loop, laboratórios experimentais com funções de transferência ou código de controle, tecnologias web e módulos de aprendizado iterativo, tem sido utilizadas para o ensino de controle de processos. Além disso, vídeos, plataformas de hardware portátil, livros interativos, dispositivos Arduinos e Tablets são desafios modernos com potencial de maximizar o aprendizado e habilidades dos estudantes de controle. Todas estas contribuições tem sido relatadas em livros, periódicos, revistas e, mais recentemente foram bem discutidas em 2013 na cidade de Sheffield no Reino Unido no 10th IFAC Symposium on Advances in Control Education (GUZMAN et al., 2008; VARGAS et al., 2011; GARPINGER; HAGGLUND; CEDERQVIST, 2012; SOBATA et al., 2013; TAYLOR; EASTWOOD; JONES, 2013). Por mais que um curso de Sistemas Realimentados seja bem estruturado e integrado em termos de ideias teóricas e ensaios experimentais laboratoriais, estudantes tem dificuldades no entendimento de conceitos fundamentais de controle, o que implica em avaliações desfavoráveis ou grande número de reprovações. Cientes destes resultados, os educadores tem buscado alternativas para maximizar o conhecimento e motivação e também para aumentar o sucesso de estudantes ao fim de cada semestre. Para isto, os educadores no Departamento de Automação e Sistemas (DAS) da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) tem elaborado desde 2011 uma tarefa especial de controle: uma prática final de laboratório. O estudante deve construir seu próprio processo de controle para o semestre e aplicar alguns dos conceitos do curso em atividades de controle de tempo real. Com este projeto, algumas tarefas em modelagem, projeto PID, técnicas anti-windup e implementação de código de controle são desempenhadas de acordo com uma agenda mensal ao longo do semestre. O resultado deste procedimento integrador (conceitual e prático) é um aumento das curvas de aprendizado e motivação, assim como melhora na qualidade do aprendizado dos estudantes (NETO; DAMO; COELHO, 2012; ALDEYTURRIAGA et al., 2013).
Observações empíricas por parte dos estudantes quanto a qualidade dos projetos obtidos motivam a investigação dos detalhes pertinentes, particularmente quanto ao projeto eletrônico e os componentes envolvidos. O CI sugerido no projeto foi o LM324, entretanto existem diversos CIs compostos por amplificadores operacionais que possuem faixas de operação distintas e portanto respondem de maneira diferente à variação da frequência, temperatura e outros parâmetros diversos. A fim de obter maior qualidade na medição, o projeto também foi implementado com os CIs TL084 e MC33079, que possuem mesmo padrão de pinos que o LM324. O restante deste trabalho está organizado da seguinte maneira. A seção 2 discorre sobre os processos caseiros. A seção 3 fornece detalhes do circuito de medição. A seção 4 apresenta os resultados obtidos através da análise prática do circuito de medição. Por fim, a seção 5 nos dá alguma conclusão a respeito do desempenho real dos amplificadores operacionais em circuitos de medição. 2 Processos Caseiros Os processos caseiros são processos de baixo custo criados nas instituições de ensino e implementados pelos próprios Educadores. São placas de aquisição de dados, circuitos de medição e atuação que servem como processos reais onde os estudantes podem realizar aplicações práticas de conteúdos teóricos, oferecendo aos alunos um conjunto maior de opções para entender estes conceitos. Uma das aplicações práticas sugeridas foi a implementação de circuitos eletrônicos para medição, a fim de facilitar o controle digital do processo caseiro. 3 Circuito de Medição O circuito de medição projetado para medir tensão pode ser dividido em três estágios, representados na Figura 1. No primeiro estágio o sinal de interesse entra no circuito de medição pelo terminal POT_IN e em seguida passa por um buffer. No segundo estágio o potenciômetro denominado ZERO controla o offset do sinal de saída do circuito através da fonte de tensão V1. No terceiro estágio o sinal de interesse é amplificado, o ganho pode ser controlado variando o potenciômetro denominado SPAN, após ser amplificado o sinal passa por um buffer e pode ser mensurado no terminal VP.
Uma vez que a eficiência do controle digital do processo caseiro depende da precisão do circuito de medição. Este foi implementado com cada um dos CIs citados anteriormente para que o desempenho de cada CI fosse analisado de maneira isolada. Por apresentarem o mesmo padrão de pinos como mostra a Figura 2, os CIs poderiam ser substituídos sem que mais nada fosse alterado no circuito de medição. Os potenciômetros ZERO e SPAN foram ajustados de forma que o circuito apresentasse ganho unitário. Figura 1: Esquemático de circuito de medição utilizado Figura 2: Padrão de pinos dos CIS (Fonte: Adaptado de (ST MICROELECTRO- NICS, 2013)). 4 Resultados O circuito de medição composto pelo LM324 apresentou uma queda de 1,3389 db em seu ganho quando a frequência do sinal de entrada variou de 100Hz para 2kHz. A Tabela 1 mostra a atenuação do sinal de saída à medida que a frequência do sinal de entrada aumenta. A diminuição do ganho foi tênue para valores de frequência abaixo de 1kHz, para frequências
acima deste valor o ganho começa a diminuir de maneira mais evidente, como demonstra a Figura 3(a). Sobrepondo os sinais de entrada e saída como mostram as Figuras 3(b), 3(c) e 3(d) pode-se ver com clareza uma defasagem que aumenta à medida que a frequência do sinal de entrada é elevada, observa-se também que um aumento na defasagem precede a atenuação no ganho. Tabela 1: Dados da análise do CI composto pelo CI LM324. Frequência [Hz] Amplitude do sinal de entrada[v] Amplitude do sinal de saída[v] 100 11,2 11,2 500 11,2 11,2 1000 11,2 10,8 1100 11,2 10,4 1200 11,2 10,4 1300 11,2 10,4 1400 11,2 10 1500 11,2 10 1600 11,2 10 1700 11,2 9,6 1800 11,2 9,6 1900 11,2 9,6 2000 11,2 9,6
(a) Diagrama de Bode utilizando o CI LM324. (b) Sinais de entrada e saída sobrepostos, utilizando o LM324, frequência de 100Hz. (c) Sinais de entrada e saída sobrepostos, utilizando o LM324, frequência de 1kHz. (d) Sinais de entrada e saída sobrepostos, utilizando o LM324, frequência de 2kHz. Figura 3: Figuras dos resultados das analises práticas com o CI LM324. O circuito de medição composto pelo MC33079 apresentou uma queda de 0,3278 db em seu ganho quando a frequência do sinal de entrada variou de 100Hz para 2kHz. A Tabela 2 exibe a atenuação do sinal de saída à medida que a frequência do sinal de entrada aumenta. A diminuição do ganho foi tênue até valores de frequência próximos de 2kHz, somente quando a frequência do sinal de entrada se aproximou deste valor o ganho diminuiu de maneira mais evidente, como mostra a Figura 4(a). Sobrepondo os sinais de entrada e saída como mostram as Figuras 4(b), 4(c) e 4(d) não foi notada qualquer defasagem.
Tabela 2: Dados da análise do circuito composto pelo CI MC33079. Frequência [Hz] Amplitude do sinal de entrada[v] Amplitude do sinal de saída[v] 100 10,8 11,2 500 10,8 11,2 1000 10,8 10,8 1100 10,8 10,8 1200 10,8 10,8 1300 10,8 10,8 1400 10,8 10,8 1500 10,8 10,8 1600 10,8 10,8 1700 10,8 10,8 1800 10,8 10,8 1900 10,8 10,8 2000 10,8 10,4 (a) Diagrama de Bode utilizando CI MC33079. (b) Sinais de entrada e saída sobrepostos, utilizando o CI MC33079, frequência de 100Hz. (c) Sinais de entrada e saída sobrepostos, utilizando o CI MC33079, frequência de 1kHz. (d) Sinais de entrada e saída sobrepostos, utilizando o CI MC33079, frequência de 2kHz. Figura 4: Figuras dos resultados das analises práticas com o CI MC33079.
O circuito de medição composto pelo TL084 não apresentou queda em seu ganho quando a frequência do sinal de entrada variou de 100Hz para 2kHz, como informa a Tabela 3. Este circuito apresentou um comportamento constante quanto a resposta em frequência, a Figura 5(a) exibe este comportamento. Sobre pondo os sinais de entrada e saída como consta nas Figuras 5(b), 5(c) e 5(d) notamos a ausência de defasagem mensurável. Tabela 3: Dados da análise do circuito composto pelo CI TL084. Frequência [Hz] Amplitude do sinal de entrada[v] Amplitude do sinal de saída[v] 100 10,8 10,8 500 10,8 10,8 1000 10,8 10,8 1100 10,8 10,8 1200 10,8 10,8 1300 10,8 10,8 1400 10,8 10,8 1500 10,8 10,8 1600 10,8 10,8 1700 10,8 10,8 1800 10,8 10,8 1900 10,8 10,8 2000 10,8 10,8
(a) Diagrama de Bode utilizando CI TL084. (b) Sinais de entrada e saída sobrepostos, utilizando o CI TL084, frequência de 100Hz. (c) Sinais de entrada e saída sobrepostos, utilizando o CI TL084, frequência de 1kHz. (d) Sinais de entrada e saída sobrepostos, utilizando o CI TL084, frequência de 2kHz. Figura 5: Figuras dos resultados das analises práticas com o CI TL084. 5 Conclusão É possível concluir com base nos resultados obtidos, que o CI TL084 é a melhor escolha para uma aplicação deste tipo. Este CI apresentou o melhor desempenho quanto a reposta em frequência, ruído e diferença de fase, o que proporciona maior qualidade na medição. Referências ALDEYTURRIAGA, R.; JUNIOR, C.; SILVEIRA, A.; COELHO, A. Low cost setup to support PID ideas in control engineering education. In: IFAC Symposium on Advances in Control Education. Sheffield, UK: IFAC, 2013. BERNSTEIN, D. Enhancing undergraduate control education. IEEE Control Systems, p. 40 43, 1999.
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