AULA 14- Controlador Analógico

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA ELETRÔNICA 2 ET74BC Prof.ª Elisabete Nakoneczny Moraes AULA 14- Controlador Analógico Curitiba, 22 de novembro 2016. ANÁLISE DE UM CONTROLADOR DE TEMPERATURA ANALÓGICO A sequência de apresentação deste conteúdo foi baseada integralmente no material desenvolvido pelo Prof. Dr. José Antonio Siqueira Dias para o laboratório de EE-641 disponibilizado em http://www.demic.fee.unicamp.br/~siqueira/ sob o título: Projeto de um Controlador de Temperatura Proporcional, Analógico, com Sensor de Temperatura Usando Transistor Bipolar proporcional, operando até 100º C; sensor de baixo custo e fácil disponibilidade, com semicondutor (transistor bipolar); usa um PWM como elemento proporcional; possibilita medir a temperatura do sensor diretamente em um voltímetro; saída de potência para a rede com detector de cruzamento de zero, para acionamento de tiristores; 22 Nov 16 Aula 14 - Controlador analógico 2 1

DIAGRAMA EM BLOCOS 22 Nov 16 Aula 14 - Controlador analógico 3 EQUACIONAMENTO O objetivo desta primeira etapa é projetar um circuito para tratar o sinal de um sensor de temperatura, de forma a obter na saída do circuito um sinal em tensão, com amplitude proporcional a temperatura, da forma: Ex.: se a saída for igual a 250mV T=25ºC Como o intervalo de interesse de medida de temperatura e de 0ºC a 100ºC, o sensor de temperatura será um transistor bipolar, de preferência com encapsulamento metálico, para facilitar a troca de calor entre o ambiente onde faz-se a medida e o silício que forma o transistor. Normalmente, o termo (T) é um termo não linear e muito menor do que os outros termos da equação e, para a maioria das aplicações, pode ser desprezado. Dessa forma, iremos fazer uma aproximação linear da variação do VBE de um transistor com a temperatura, dada por: 22 Nov 16 Aula 14 - Controlador analógico 4 2

EQUACIONAMENTO O valor de α é geralmente, para um transistor de silício fabricado com perfis de dopagem convencionais, algo em torno de 1,8 mv/ºc a 2,2 mv/ºc. Como não iremos fazer uma caracterização térmica dos nossos transistores, iremos assumir, no projeto, que: CONDICIONADOR DE SINAL: Variações de temperatura mili volts = 22 Nov 16 Aula 14 - Controlador analógico 5 CIRCUITO CONDICIONADOR Sub circuitos integrantes: 1. Polarizar o transistor 2. Amplificar as variações e transformá-las em +10mV/ºC 3. Calibrar o sensor. O primeiro circuito utiliza um amplificador operacional CI1 para manter a corrente de coletor no transistor constante, além de manter a tensão no coletor e na base (estão ligados juntos) também constante. A tensão na base (e no coletor) idealmente seria zero volts, porém, na realidade, devido as imperfeições do op-amp, esta tensão não será zero, mas sim alguns mv positiva ou negativa. 22 Nov 16 Aula 14 - Controlador analógico 6 3

1-SUB CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO v CB v CE VCB=0V VBE=0,6V VCE=0,6V v BE 500µA VE=? VE=-0,6V VBE=VB-VE=0,6V VE=? Mas VC=VB=0V Então VE=-0,6V Se =R3= V =VR3=-0,3V VBE=-2mV/ºC VR=-1mV/ºC 22 Nov 16 Aula 14 - Controlador analógico 7 Dimensionamento do Resistor R1 Vi1Vi Topologia do AmpOp: inversora Vout= -Rf/R1.Vi Vcc Vce R1.500 12 0,6 R1 6 500.10 R1 22,8k R1 R1 i1 I1 - - Vd + + If Rf i2 Vo 0A Vo Av(V+ Av(V+ - V-) - V-) I1=500µA VE=-0,6V 22 Nov 16 Aula 14 - Controlador analógico 8 4

Dimensionamento dos resistores e R3 O cálculo do divisor -R3 deve ser feito levando em conta que o op-amp que estamos usando o LM324 (p.6) não pode absorver correntes elevadas na sua saída - a corrente máxima garantida pelo fabricante e de 5mA. 0A I1=500µA Iout =? I2=? VE=-0,6V 22 Nov 16 Aula 14 - Controlador analógico 9 Dimensionamento dos resistores e R3 Podemos utilizar um valor bem baixo de corrente, para economizar energia e não sobrecarregar o op-amp. Um valor de corrente no divisor da ordem de 300 μa e bastante razoável. Se levarmos em conta que o op-amp já está absorvendo 500 μa do transistor, teremos a corrente total absorvida pelo op-amp igual a aproximadamente 800 μa, o que esta bem dentro dos limites suportados pelo op-amp. 22 Nov 16 Aula 14 - Controlador analógico 10 5

Dimensionamento dos Resistores e R3 0A Iout =? 500µA VE=-0,6V Ve I.( R3) 0,6 R3 300.10 R3 2k R3 1k 6 300µA* *valor arbitrado 22 Nov 16 Aula 14 - Controlador analógico 11 2-SUB CIRCUITO AMPLIFICADOR VTEMP EM =+10mV/ºC 10mV/ºC Para Tamb=25ºC 250mV Na realidade, deveríamos calibrar o sensor. Por exemplo, imergindo o transistor em um banho de água com gelo, em equilíbrio térmico, a 0ºC, e ajustando o circuito para que a tensão de saída fosse igual a zero mv. No entanto, no nosso caso, vamos assumir que a temperatura do Lab é de 25ºC e iremos calibrar o circuito usando esta referência. Se preferirem, podem segurar o transistor firmemente com as mãos e calibrar a tensão de saída para cerca de 340 mv (assumindo que a temperatura nas mãos seja um pouco inferior a temperatura corpórea). 22 Nov 16 Aula 14 - Controlador analógico 12 6

ANÁLISE DA VARIAÇÃO DE VTEMP em fç VBE Supondo que Ti=25ºC e houver um aumento de 10ºC: Ti=25ºC Tf=35ºC 10ºC VBE =(10ºC).(-2mV/ºC)=-20mV VBE/ T -2mV/ºC VE =-0,58V VE=-0,6V Então para T=35ºC: VE =-600mV ( VBE) VBE =-20mV VE =(-600m)-(-20m) VE =580mV Vtemp=-290mV Vtemp = -0,29V Se a temperatura aumentar para 35ºC (variação de +10ºC), teremos uma variação no VBE do transistor de 20 mv, pois ΔVBE/ΔT = -2 mv/ºc, e a tensão no transistor será de -580 mv, enquanto que no divisor teremos a metade disto, ou seja, -290 mv. Como vemos, as tensões no transistor e no divisor aumentaram, pois ficaram menos negativas! 22 Nov 16 Aula 14 - Controlador analógico 13 OBTENÇÃO DA LEI DE AMPLIFICAÇÃO conhecendo-se Vtemp e o valor desejado para Vout Devemos nos recordar que estamos operando com AmpOps e estes podem realizar multiplicações, divisões, somas e subtrações de TENSÕES. Portanto o foco da equação que fará a conversão deve Vout possuir uma tensão de entrada Vin=Vtemp e uma tensão de saída Vout. Para a condição inicial: A variável física (ambiente) é T=25ºC Esta variável corresponde eletricamente no circuito condicionador a: VE = -600mV Vtemp= -300mV A tensão de saída esperada deve ser 250mV Para a condição em que houve um aumento de 10ºC: A variável física (ambiente) é T=35ºC Esta variável corresponde eletricamente no circuito condicionador a: VE = -580mV Vtemp= -290mV A tensão de saída esperada deve ser 350mV 22 Nov 16 Aula 14 - Controlador analógico 14 7

OBTENÇÃO DA LEI DE AMPLIFICAÇÃO conhecendo-se Vtemp e o valor desejado para Vout Qual é a variável de entrada: Vtemp Qual é a variável de saída: Vout Equação da reta Vout (mv) 350 Equação da reta y ax b Vout avtemp b 250 Vtemp (mv) -300-290 Vout 10Vtemp 3250 22 Nov 16 Aula 14 - Controlador analógico 15 CIRCUITO AMPLIFICADOR NÃO INVERSOR AMPOP SOMADOR Vout 10Vtemp 3250 AMPOP NÃO INVERSOR GANHO 10 10Vemp R4/R5=9 22 Nov 16 Aula 14 - Controlador analógico 16 8

REVISÃO: TOPOLOGIA SOMADOR A)SOMADOR NÃO INVERSOR V1 Vd R1 V2 R Rf Vo v o R f Vd R 1 onde : V d n i1 n i1 v i Ri 1 Ri B)SOMADOR INVERSOR Rf V1 Vd R1 V2 R 22 Nov 16 Aula 14 - Controlador analógico 17 Vo v o f n i1 v i Ri CIRCUITO SOMADOR=> COMPOSIÇÃO INVERSOR + NÃO INVERSOR Sinais a serem somados: V1 = Vtemp ok V2 = Vcal = 3250mV V2=Vcal =V1 Vout Vout 10Vtemp 3250 22 Nov 16 Aula 14 - Controlador analógico 18 9

CIRCUITO SOMADOR=> COMPOSIÇÃO INVERSOR + NÃO INVERSOR Sinais a serem somados: V1 = Vtemp ok V2 = Vcal = 3250mV V2=Vcal =V1 Vout Vout 10Vtemp 22 Nov 16 Aula 14 - Controlador analógico 19 CIRCUITO SOMADOR=> COMPOSIÇÃO INVERSOR + NÃO INVERSOR Rx Vout 10Vtemp 3250 Vout 10Vtemp 3250 V2=Vcal Ry 3250 22 Nov 16 Aula 14 - Controlador analógico 20 10

2-SUB CIRCUITO AMPLIFICADOR AV=10 E SOMA VCAL Devemos observar que, como o circuito que amplifica a tensão de calibração Vcal é um amplificador inversor, e necessário gerar uma tensão Vcalnegativa, de aproximadamente -361,11 mv. Na verdade, como não sabemos ao certo o valor do VBE do transistor na temperatura ambiente, e necessário colocar um trimpot de precisão (10 voltas) para permitir ajustar esta tensão em torno de -361 mv, e corrigir pequenas variações necessárias para que possamos ajustar Vout= 250 mv na temperatura ambiente. 22 Nov 16 Aula 14 - Controlador analógico 21 3-SUB CIRCUITO CALIBRAÇÃO Vin=-3,3V VR7=5% VTR=15% VR8=80% V 361, 11mV VR6=-8,7V Para isto, usamos um diodo zener para gerar uma tensão fixa de aproximadamente 3,3V (ou qualquer outro valor de zener próximo disponível), e fazemos um divisor resistivo, que permita que possamos variar a tensão VCAL de -150mV a 550 mv, dando uma margem de ajuste de aproximadamente ±200 mv em torno dos 361,11 mv. 22 Nov 16 Aula 14 - Controlador analógico 22 11

BLOCO CONDICIONADOR COMPLETO +12V R1 2N2222 Vout=10mV.(TºC) V 22k 1k Vtemp R4=9R Vout=(10Vtemp) - (9Vcal) Vout= (10Vtemp+3250)mV 420 Ω<R6<820 R7 Vz +- 200mV 1k R3 R5=R 3,3V TR Vcal R6-12V R8 Admitir R7+TR+R8 =100% R7=5% TR=15% R8=80% 22 Nov 16 Aula 14 - Controlador analógico 23 12