curso analógico de circuitos

7/21/2019 curso analógico de circuitos

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i

SUMÁRIO

1. Placas de Circuito Impresso (PCI) ............................................02

1.1. Tipos de Placas................................................................02

1.2. Projetando uma PCI ........................................................02

1.3. Layout .............................................................................03

1.4. Procedimento...................................................................052. Usando a Porta Paralela ............................................................07

2.1. Introdução .......................................................................07

2.2. Conectores.......................................................................08

2.3. Modos de Operação.........................................................09

2.4. Dados de Componentes...................................................11

2.4.1. LED .......................................................................11

2.4.2. Relé Miniatura AE.................................................12

2.4.3. Transistor BD135 ..................................................13

2.4.4. Transistor BD136 ..................................................14

2.4.5. Transistor TIP31/32...............................................15

2.4.6. Transistor TIP41/42...............................................162.4.7. Transistor TIP120/125...........................................17

2.4.8. Buffer – SN74LS244.............................................18

2.4.9. Transceiver – SN74LS245.....................................19

2.4.10. Acoplador Óptico – TLP521 ...............................20



ii

3. Conversores DA e AD ..............................................................213.1. Introdução .......................................................................21

3.2. DAC em Escada ..............................................................22

3.3. DAC com Operacional....................................................24

3.4. ADC em Rampa ..............................................................25

3.5. ADC por Aproximação Sucessiva...................................26

3.6. ADC por Comparador Paralelo.......................................27


3.7.1. Conversor DA – DAC7621 ...................................28

3.7.2. Conversor AD – TLC0831 ....................................30

4. Multivibradores.........................................................................31

4.1. Introdução .......................................................................31

4.2. Multivibrador Monoestável.............................................31

4.3. Multivibrador Biestável...................................................32

4.4. Multivibrador Astável .....................................................33

4.5. Timer 555........................................................................33

4.5.1. Arquitetura Interna ................................................35

4.5.2. Funcionamento ......................................................354.5.3. Uso como Monoestável .........................................36

4.5.4. Uso como Astável..................................................37

5. Motores de Corrente Contínua ..................................................39

5.1. Introdução .......................................................................39



iii

5.2. Funcionamento................................................................395.3. Características .................................................................43

5.3.1. Tensão de Operação ..............................................43

5.3.2. Corrente de Operação ............................................44

5.3.3. Torque ...................................................................46

5.3.4. Velocidade.............................................................47


5.4.1. Motor CC – M8E-1 ...............................................48

5.4.2. Motor CC – M8E-2 ...............................................49

5.4.3. Motor CC – M20E-1 .............................................49

5.4.4. Motor CC – M25N-1.............................................50

5.4.5. Motor CC – M31E-1 .............................................50

6. Pontes H....................................................................................51

6.1. Introdução .......................................................................51

6.2. Meia Ponte (Half Bridge) ................................................51

6.3. Ponte Completa (Full Bridge) .........................................55

6.4. Agregando Lógica...........................................................57

6.5. Ligando e Desligando......................................................596.6. Pontes na Prática .............................................................60


6.7.1. Ponte H – L293......................................................61



iv

7. Modulação por Largura de Pulso - PWM.................................637.1. Introdução .......................................................................63

7.2. Controle PWM ................................................................64

7.3. Vantagens e Desvantagens ..............................................67

7.4. Tipos de PWM ................................................................69

7.4.1. Antifase .................................................................69

7.4.2. Controle de Polaridade e/ou Intensidade...............71


7.5.1. Controlador – TL1451...........................................72

8. Aquisição de Dados ..................................................................73

8.1. Introdução .......................................................................73

8.2. Sensores...........................................................................74

8.3. Transdutores....................................................................76

8.3.1. Tipos de Controle ..................................................77

8.4. Medidas Analógicas e Digitais........................................78

8.4.1. Sensores Ópticos ...................................................79

8.4.2. Sensores Potenciométricos ....................................80

8.4.3. Câmeras de Vídeo..................................................818.4.4. Sensores Ultrassônicos ..........................................81

8.4.5. Sensores de Luz.....................................................82

8.4.6. Sensores de Temperatura.......................................83

8.4.7. Transdutores de Saída............................................86



v

8.5. Dados de Componentes...................................................878.5.1. Sensor de Temperatura – AD22100 ......................87

8.5.2. Controlador de Temperatura – TMP01..................88

8.5.3. Sonar......................................................................89

8.5.4. Display LCD – ......................................................90

8.5.5. Display 7 Segmentos – .........................................91

9. Controle de Posição ..................................................................92

9.1. Introdução .......................................................................92

9.2. Funcionamento................................................................93

9.3. Encoders Incrementais ....................................................94

9.4. Encoder Absolutos ..........................................................97

10. Motor de Passo........................................................................100

10.1. Introdução .....................................................................100

10.2. Princípio de Funcionamento..........................................101

10.3. Modos de Operação.......................................................103

10.3.1. Passo Completo 1 ................................................103

10.3.2. Passo Completo 2 ................................................104

10.3.3. Meio-passo ..........................................................10510.4. Tipos de Motores de Passo............................................106

10.4.1. Relutância Variável .............................................106

10.4.2. Imã Permanente ...................................................107

10.4.3. Híbrido.................................................................108



vi

10.5. Classificação .................................................................10910.5.1. Unipolares............................................................109

10.5.2. Bipolares..............................................................109

10.6. Controle.........................................................................110

10.7. Dados de Componentes.................................................112

10.7.1. Motor de Passo – M15SP-1N..............................112

10.7.2. Motor de Passo – M42SP-4.................................113

10.7.3. Motor de Passo – M42SP-7.................................114

10.7.4. Motor de Passo – 23LM-C ..................................115

10.7.2. Driver – CS4161..................................................116

11. Servo motores .........................................................................117

11.1. Introdução .....................................................................117

11.2. Sistema de Controle .....................................................118

11.2.1. Controle Analógico .............................................118

11.2.2. Controle por Blocos de Posicionamento..............119

11.2.3. Controle Digital ...................................................119

11.2.4. Funcionamento ....................................................120

11.3. Torque ...........................................................................12211.4. Servo AC x DC ...............................................................122



vii

RELAÇÃO DE FIGURAS

Fig. 1 – Tipos de placa..................................................................02

Fig. 2 – Circuito eletrônico ...........................................................02

Fig. 3 – Modelos de trilhas ...........................................................03

Fig. 4 – Componentes eletrônicos.................................................04

Fig. 5 – Distribuindo os componentes ..........................................04Fig. 6 – Desenho das trilhas ..........................................................04

Fig. 7 – Layout pronto ..................................................................05

Fig. 8 – Furação das ilhas .............................................................30

Fig. 9 – Ligação das ilhas .............................................................05

Fig. 10 – Corrosão da placa ..........................................................06

Fig. 11 – Lavando a placa .............................................................06

Fig. 12 – Retirando o excesso de água..........................................06

Fig. 13 – Conector DB25..............................................................08

Fig. 14 – Pinagem da porta paralela..............................................09

Fig. 15 – Circuito driver para relé.................................................10

Fig. 16 – Conversores AD e DA ...................................................21Fig. 17 – Conversor ADA.............................................................21

Fig. 18 – Conversor DA em escada ..............................................22

Fig. 19 – CI com DAC em escada ................................................23

Fig. 20 – DAC com resistor de peso binário .................................24

Fig. 21 – ADC em rampa..............................................................25



viii

Fig. 22 – ADC por aproximação sucessiva...................................26Fig. 23 – ADC por comparador paralelo.......................................27

Fig. 24 – Rede de Decodificação ..................................................27

Fig. 25 – Forma de onda monoestável ..........................................32

Fig. 26 – Forma de onda biestável................................................32

Fig. 27 – Forma de onda astável ...................................................33

Fig. 28 – Circuito integrado NE555..............................................34

Fig. 29 – Arquitetura interna do 555.............................................35

Fig. 30 – Circuito para monoestável.............................................36

Fig. 31 – Circuito para astável ......................................................37

Fig. 32 – Formas de onda..............................................................38

Fig. 33 – Estrutura de um motor CC.............................................39

Fig. 34 – Circulação de corrente ...................................................40

Fig. 35 – Vista interna de um motor CC.......................................42

Fig. 36 – Curva tensão x velocidade.............................................44

Fig. 37 – Curva corrente x velocidade ..........................................45

Fig. 38 – Curva carga x velocidade...............................................48

Fig. 39 – Meia ponte H .................................................................52Fig. 40 – Condução de Q1 .............................................................52

Fig. 41 – Condução de Q2 .............................................................53

Fig. 42 – Situação indesejável ......................................................53

Fig. 43 – Transistores em push-pull..............................................54



ix

Fig. 44 – Único sinal de controle ..................................................54Fig. 45 – Ponte H completa...........................................................55

Fig. 46 – Condução de Q1 e Q3 .....................................................56

Fig. 47 – Condução de Q2 e Q4 .....................................................56

Fig. 48 – Único sinal de controle ..................................................57

Fig. 49 – Circuito de acionamento ................................................58

Fig. 50 – Característica de Inércia ................................................64

Fig. 51 – Característica de Chaveamento......................................65

Fig. 52 – Aumento da Velocidade ................................................66

Fig. 53 – Diminuição da Velocidade ............................................66

Fig. 54 – Sistema de controle de combustível ..............................75

Fig. 55 – Sistema de controle........................................................77

Fig. 56 – Microchave ou fim-de-curso..........................................79

Fig. 57 – Sistema de detecção óptico............................................79

Fig. 58 – Modelos de potenciômetros...........................................80

Fig. 59 – Sensor potenciométrico .................................................80

Fig. 60 – Sistema de visão artificial ..............................................81

Fig. 61 – Sistema de detecção por ultra-som ................................81Fig. 62 – Sensor de ultra-som .......................................................82

Fig. 63 – Resistor dependente de luz (LDR).................................82

Fig. 64 – Sensor de temperatura semicondutor .............................83

Fig. 65 – Sensor de temperatura bimetálico (termistor)................83



x

Fig. 66 – Curva característica dos termistores ..............................84Fig. 67 – Uso dos termistores .......................................................85

Fig. 68 – Circuito buffer com LDR...............................................85

Fig. 69 – Display de 7 segmentos .................................................86

Fig. 70 – Display serial .................................................................86

Fig. 71 – Sinalizadores eletrônicos ...............................................86

Fig. 72 – Encoder rotativo ............................................................92

Fig. 73 – Sistema de leitura do encoder rotativo...........................93

Fig. 74 – Sistema de leitura do encoder linear..............................94

Fig. 75 – Sinais de saída do encoder .............................................95

Fig. 76 – Disco de um encoder óptico ..........................................95

Fig. 77 – Encoder absoluto ...........................................................97

Fig. 78 – Incremento da resolução do encoder .............................99

Fig. 79 – Motor de passo...............................................................100

Fig. 80 – Ângulo de passo.............................................................101

Fig. 81 – Passo completo 1 ...........................................................103

Fig. 82 – Seqüência de pulsos para passo completo 1 ..................104

Fig. 83 – Passo completo 2 ...........................................................104Fig. 84 – Seqüência de pulsos para passo completo 2 ..................105

Fig. 85 – Seqüência de pulsos para meio-passo............................106

Fig. 86 – Motor de relutância variável ..........................................107

Fig. 87 – Motor de imã permanente ..............................................108



xi

Fig. 88 – Motores unipolares a 5 fios e a 6 fios............................109Fig. 89 – Motor bipolar (4 fios) ....................................................110

Fig. 90 – Utilizando um driver darlington ....................................111

Fig. 91 – Aplicação prática ...........................................................111

Fig. 92 – Componentes de um servo motor ..................................117

Fig. 93 – Controle analógico.........................................................118

Fig. 94 – Controle digital ..............................................................120

Fig. 95 – Esquema de controle do servo motor.............................120

Fig. 96 – Sinais de controle para um servo motor.........................121



AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL ELETRÔNICA ANALÓGICA II

GETIN Prof. HENRIQUE Pág. 2

01 - PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO (PCI)

1.1. TIPOS DE PLACASAtualmente, as placas de circuito impresso são classi-

ficadas quanto ao número de “faces”, ou seja, o número de ca-

madas condutoras (cobre) presentes na mesma. O mercado

dispõe basicamente de dois tipos: face simples e dupla face

(Fig. 1) com base isolante em fibra de vidro, epóxi ou fenolite

(mais comum e barato).

Fig. 1 – Tipos de placa.

1.2. PROJETANDO UMA PCI

O projeto de uma placa começa pelo desenho de seu

layout, transferência, corrosão, limpeza e acabamento.

Fig. 2 – Circuito eletrônico.





1.3. LAYOUT

É o desenho de suas trilhas e ilhas (Fig. 3). Pode ser

feito com o auxílio de programas CAD específicos

Fig. 3 – Modelos de trilhas.

¾ Tango;

¾ Orcad;

¾ Eagle;

¾ Proteus.

Ou com ferramentas simples como lápis e papel.

¾ Tamanho Final Desejado:

¾ Distância entre Trilhas;

¾ Ilhas;

¾ Componentes;

¾ Corrente Nominal:

¾ Alta→ Trilhas Largas;

¾ Miliampéres→ Trilhas Finas;

¾ Componentes com Radiadores→ Laterais (propagação).





Os componentes são apresentados como símbolos (Fig.

4). Redesenhar o circuito no formato real de cada componente

(desenho do layout).

Fig. 4 – Componentes eletrônicos.

Dispor os componentes de acordo com o desejado e realizar a

marcação das ilhas.

Fig. 5 – Distribuindo os componentes.

Traçar as trilhas, ligando as ilhas.

Fig. 6 – Desenho das trilhas.





Com as trilhas traçadas, fazer o acabamento. Prefira SEMPRE

as “curvas”, pois são menos suscetíveis a interferências (EMI,

EMC, etc). É necessário inverter a imagem, pois as trilhas e i-

lhas estão do lado dos componentes e não do lado da solda.

Fig. 7 – Layout pronto.

1.4. PROCEDIMENTO

1.4.1. Fixação do layout com durex.

1.4.2. Fazendo os furos.

Fig. 8 – Furação das ilhas.

1.4.3. Ligando os furos.

Fig. 9 – Ligação das ilhas.





1.4.4. Corrosão da placa.

Fig. 10 – Corrosão da placa.

1.4.5. Lave a placa com água corrente.

Fig. 11 – Lavando a placa.

1.4.6. Removendo os excessos.

Fig. 12 – Retirando o excesso de água.

O processo manual não permite um acabamento perfei-

to.





02 - USANDO A PORTA PARALELA DO PC

2.1. INTRODUÇÃOA porta paralela é uma interface de comunicação entre

o computador e um periférico. Quando a IBM criou seu primei-

ro PC (Personal Computer ou Computador Pessoal), a idéia era

conectar a essa porta uma impressora, mas atualmente, são vá-

rios os periféricos que se utilizam desta porta para enviar e re-

ceber dados para o computador (Ex.: scanners, câmeras de ví-

deo, unidade de disco removível e outros).

As linguagens de programação como: C; C++; C++

Builder, Pascal; Delphi e VB; podem ser utilizadas para o de-

senvolvimento de programas que controlem aparelhos conecta-

dos à porta paralela, ou programas de transferência de arquivos

entre dois computadores, utilizando um cabo paralelo como

meio de transmissão. O conhecimento de eletrônica servirá para

desenvolver a placa eletrônica (PCI), que será conectada ao

conector da porta paralela.

Atenção! A Porta Paralela está ligada diretamente à placa mãe

de seu computador. Muito cuidado ao conectar circuitos

eletrônicos a essa porta, pois, uma descarga elétrica ou

um componente com a polaridade invertida, poderá cau-

sar danos irreparáveis ao seu computador, seja coerente.





2.2. CONECTORES

O conector que fica na parte de trás do gabinete do

computador é constituído por 25 pinos (conector MACHO) oufuros (conector FÊMEA), sendo conhecido como conector DB-

25.

No DB-25, um pino está em nível lógico 0 quando a

tensão elétrica no mesmo está entre 0 e 0,4 V. Um pino se en-

contra em nível lógico 1 quando a tensão elétrica no mesmo está

acima de 3.1 e até 5 V.

O DB-25 (Fig. 13) dispõe de 12 bits de saída e 5 bits de

entradas, os quais são acessados através de 3 registradores de 8

bits. Os registradores (Fig. 14) são conhecidos como REGISTRA-

DOR DE DADOS, REGISTRADOR DE STATUS e REGISTRADOR DE

CONTROLE. Os endereços relacionados aos registradores são:

¾ Dados – 378h;

¾ Status – 379h;

¾ Controle – 37Ah.

Fig. 13 – Conector DB25





Fig. 14 – Pinagem da porta paralela.

O conector que fica na parte de trás da impressora é

constituído por 36 pinos (conector MACHO) ou furos (conector

FÊMEA), sendo conhecido como conector Centronics.

Número do Pino Descrição1 Strobe

2 ao 9 Dados (D0...D7)10 Acknowledge11 Busy12 Paper End13 Select Out14 Auto Feed

15 ao 18 NC19 ao 30 GND

31 Init32 Error 33 GND

34 ao 35 NC

36 Select InTab. 1 – Descrição dos pinos

2.3. MODOS DE OPERAÇÃO

A porta paralela pode ser configurada para operar em 3

modos distintos:





¾ SPP (Standard Parallel Port) – Unidirecional;

¾ EPP (Enhanced Parallel Port) – Bidirecional;

¾ ECP (Enhanced Capabilities Port) – Bidirecional.

A extensão do cabo para interligar um computador a

um periférico, é de no máximo 8 metros. Na prática, utiliza-se

um cabo com extensão menor. Quanto maior a extensão do ca-

bo, maior é a interferência na transmissão dos dados.

Para controlar cargas de maior capacidade, uma vez

que a porta paralela do PC só pode fornecer no máximo 25 mA

é necessário o uso de circuitos drivers (transistores ou relés ou

ambos – Fig. 15).

Fig. 15 – Circuito driver para relé.

Observa-se na Fig. 15 a utilização de circuitos com a

finalidade de proteger a integridade física do PC. Diversos CIs podem ser usado nesta tarefa e dentre eles destacam-se:

¾ 74SN244;

¾ 74SN245;

¾ 2N23, 2N24 ou TLP521.





2.4. DADOS DE COMPONENTES





This series of plastic, medium− power silicon NPN transistors aredesigned for

use as audio amplifiers and drivers utilizingcomplementary or quasi comple-

mentary circuits.

hFE = 40 (Min) IC= 150 mADC

VCE(sat) = 1.0 VDC (Max) @ IC = 3.0 ADC

BD 135, 137, 139 are complementary with BD 136, 138, 140

TO–225 AA Package





This series of plastic, medium− power silicon PNP transistors aredesigned for

use as audio amplifiers and drivers utilizingcomplementary or quasi comple-mentary circuits.

hFE = 40 (Mín) IC= 150 mADC


BD 136, 138, 140 are complementary with BD 135, 137, 139

TO–225 AA Package





CARACTERÍSTICAS:

High DC Current Gain

hFE = 250 (Typ) IC= 500 mADC Low Collector–Emitter Saturation Voltage


TO–220 AB Package





CARACTERÍSTICAS:


hFE = 250 (Typ)Low Collector–Emitter Saturation Voltage


Monolithic Construction with Built–In Base–Emitter Shunt Resistors

TO–220 AB Package





CARACTERÍSTICAS:


hFE = 2500 (Typ) IC= 4.0 ADC

Collector–Emitter Saturation Voltage


= 4.0 VDC (Max) @ IC = 5.0 ADC

TO–220 AB Compact Package





CARACTERÍSTICAS:

3-State Outputs Drive Bus Lines or Buffer Memory Address Regis-

ters

PNP Inputs Reduce DC Loading

Hysteresis at Inputs Improves NoiseMargins

DESCRIÇÃO:These octal buffers and line drivers are designedspecifically to improve

both the performance anddensity of three-state memory address driv-

ers,clock drivers, and bus-oriented receivers andtransmitters. The de-signer has a choice ofselected combinations of inverting andnoninvert-

ing outputs, symmetrical, active-lowoutput-control (G) inputs, and com-

plementaryoutput-control (G and G) inputs. These devicesfeature high

fan-out, improved fan-in, and 400-mVnoise margin. The SN74LS’ and

SN74S’ devicescan be used to drive terminated lines down to133 Ω.





CARACTERÍSTICAS:3-State Outputs Drive Bus Lines Directly

PNP Inputs Reduce dc Loading on BusLines

Hysteresis at Bus Inputs Improves NoiseMargins

Typical Propagation Delay Times Port toPort, 8 ns

DESCRIÇÃO:These octal bus transceivers are designed forasynchronous two-way

communication betweendata buses. The control-function implementa-

tionminimizes external timing requirements.The devices allow data

transmission from theA bus to the B bus or from the B bus to the A

bus,depending on the logic level at thedirection-control (DIR) input. The

output-enable(OE) input can disable the device so that thebuses are ef-

fectively isolated.





03 - CONVERSORES – DA E AD

3.1. INTRODUÇÃO

Os conversores são circuitos que transformam grande-

zas analógicas em digitais ou vice-versa. Isto é uma necessidade

imposta pela prática. Em muitos casos, há grandezas analógicas

que precisam ser convertidas em digitais, como, por exemplo, a

saída de tensão de um sensor de temperatura de um termômetro

digital. Em outros casos, a operação inversa é usada.

Fig. 16 – Conversores AD e DA.

A figura acima mostra os diagramas de blocos básicos

dos conversores analógico-digitais (AD) e digital-analógicos

(DA). Em alguns casos, a entrada e a saída são analógicas.

Fig. 17 – Conversor ADA.





Os conversores digital-analógicos são consideravel-

mente mais simples que os analógico-digitais. Na realidade, vá-

rios tipos de conversores analógico-digitais usam conversores

digital-analógicos como parte do circuito. Portanto, estes últi-

mos devem ser vistos em primeiro lugar.

3.2. DAC EM ESCADA

A conversão digital analógica pode ser obtida a partir

de vários métodos diferentes. Um esquema bastante comum uti-liza um circuito de resistores chamado CIRCUITO EM ESCADA ou

REDE R-2R.

Esse circuito aceita a entrada de valores binários em,

geralmente, 0 V e Uref , e fornece uma tensão de saída propor-

cional ao valor binário de entrada.

Fig. 18 – Conversor DA em escada.

A tensão de saída é proporcional ao valor de entrada

digital dada pela relação:

REF S U

xD xD xD xDV

43

32

21

10

0

2

2222 +++

=





Exemplo: Considere a tensão de referência igual a 16 V. Qual a

tensão analógica correspondente a 01102?

A função do circuito em escada é converter os 16 valo-res binários possíveis (0000 a 1111) para um dos 16 valores de

tensão múltiplos de Uref /16. Utilizando mais seções no circuito é

possível aceitar mais entradas binárias e diminuir a diferença

entre os valores de tensão.

Portanto, um maior número de estágios permite maior

resolução de tensão. Em geral, a resolução de tensão para n es-

tágios em escada é:

n

REF U

2

Exemplo: Qual a resolução de um conversor em escada de 10

estágios? Se Uref for de 10 V, qual a diferença de ten-

são?

Fig. 19 – CI com DAC em escada.





3.3. DAC COM OPERACIONAL

Fig. 20a – DAC com resistor de peso binário.

Fig. 20b – DAC com resistor de peso binário.

Fig. 20c – DAC em escada.





3.4. ADC EM RAMPA

Fig. 21 – ADC em rampa.3.4.1. Funcionamento:

1 – É gerado um sinal de clear para resetar o contador.

2 – Ve é a tensão analógica de entrada. Se Ve > Vr (no início

Vr = 0) o clock é habilitado para o contador.

3 – A saída do contador passa por um conversor D/A paragerar a tensão de referência (Vr ).

4 – Enquanto Vr < Ve o contador é incrementado.

5 – Se Vr > Ve, o clock é desabilitado e é fornecido um sinal

de clock para os FF-D, que armazenam a saída do conta-

dor.

A desvantagem deste conversor está no tempo de res-

posta. Como o contador sempre começa em zero e realiza a con-

tagem por meio de uma seqüência binária normal, podem ser

necessárias 2n contagens antes da conversão estar completa, on-

de “n” representa o número de bits do conversor.





3.5. ADC POR APROXIMAÇÃO SUCESSIVA

Fig. 22 – ADC por aproximação sucessiva.

3.5.1. Funcionamento:

1 – O sistema é zerado e o bit mais significativo do regis-

trador é colocado em 1.

2 – O conversor D/A converte os dígitos binários gerando a

tensão Vr para o comparador.

3 – No comparador: se Ve > Vr este dígito é deixado em 1;se Vr < Ve este dígito é zerado.

4 – O bit mais significativo seguinte é colocado em 1.

5 – O processo continua voltando ao passo 2 até o último

bit ser verificado.

A vantagem deste sistema está na velocidade de con-

versão sendo necessário para um sistema de “n” bits o tempo de

“n” períodos de clock.





3.6. ADC POR COMPARADOR PARALELO

Tem como vantagem a velocidade de conversão extre-

mamente rápida, mas é expressivamente caro por necessitar de(2n-1) comparadores para converter “n” bits.

Fig. 23 – ADC por comparador paralelo.

3.6.1. Funcionamento:

1 – O sinal analógico é aplicado simultaneamente nos comparadores, os quais possuem em sua entrada negativa

uma tensão de referência igualmente espaçada.2 – Se o sinal da entrada analógica excede a tensão de refe-

rência para qualquer comparador, este fornecerá em suasaída um nível lógico alto.

3 – A saída do comparador é ligada a um codificador paratransformar essa saída nos dígitos binários corresponden-tes.

Fig. 24 – Rede de Codificação.





The DAC7621 is a 12-bit digital-to-analog converter (DAC) with guaranteed 12-bit

monotonicity performance over the industrial temperature range. It requires a single

+5V supply and contains an input register, latch, 2.435V reference, DAC, and high

speed rail-to-rail output amplifier. For a full-scale step, the output will settle to 1 LSB

within 7ms. The device consumes 2.5mW (0.5mA at 5V).

The parallel interface is compatible with a wide variety of microcontrollers. The

DAC7621 accepts a 12-bit parallel word, has a double-buffered input logic structure

and provides data readback. In addition, two control pins provide a chip select (CS)

function and asynchronous clear (CLR) input. The CLR input can be used to ensure

that the DAC7621 output is 0V on power-up or as required by the application.





These devices are 8-bit successive-approximation analog-to-digital convert-ers. The TLC0831 has single input channels; the TLC0832 has multiplexed

twin input channels. The serial output is configured to interface with standard

shift registers or microprocessors.

The TLC0832 multiplexer is software configured for single-ended or differen-

tial inputs. The differential analog voltage input allows for common-mode re-

jection or offset of the analog zero input voltage value. In addition, the voltage

reference input can be adjusted to allow encoding any smaller analog voltagespan to the full 8 bits of resolution.

The operation of the TLC0831 and TLC0832 devices is very similar to the

more complex TLC0834 and TLC0838 devices. Ratio metric conversion can

be attained by setting the REF input equal to the maximum analog input signal

value, which gives the highest possible conversion resolution. Typically, REF

is set equal to VCC (done internally on the TLC0832).





04 - MULTIVIBRADORES

4.1.INTRODUÇÃO

A mudança de intensidade de um determinado sinal

pode, muitas vezes, ser prejudicial, porém há casos em que tal

fenômeno é desejável e até mesmo reforçado.

Em certas situações queremos que uma carga permane-

ça ligada por um intervalo de tempo pré-determinado e em ou-tros desejamos prover um circuito com um sinal de relógio

(clock).

As combinações de componentes eletrônicos que nos

permite alcançar tais objetivos é o que iremos analisar a partir

deste ponto. Os circuitos que apresentam essas características

são denominados de multivibradores.

4.2. MULTIVIBRADOR MONOESTÁVEL

Como o próprio nome diz, um circuito monoestável a-

presenta um único estado estável e, de acordo com a Lei de

Newton, neste estado permanecerá até que algo ou alguma coisa

o tire desta situação.

Quando levado a sair do seu estado de repouso, este

circuito tende a voltar espontaneamente para seu estado inicial.

Os multivibradores monoestáveis se prestam muito

bem em circuitos de temporização, pois, depois de aplicada uma





excitação (sinal de desestabilização), a condição inicial (repou-

so) é alcançada após o transcorrer de um determinado intervalo

de tempo.

Fig. 25 - Forma de onda monoestável.

Num circuito monoestável, a saída produz um pulso

quando se aplica um sinal na entrada de “trigger”, assim a saída

só é estável num estado.

4.3. MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL

Um circuito biestável apresenta dois estados estáveis,

saindo de um ou do outro mediante uma excitação externa.

Os multivibradores biestáveis são encontrados com

maior freqüência em circuitos digitais que empregam Flip-

Flop’s.

Fig. 26 - Forma de onda biestável.





Num circuito Biestável, a saída fica estável num dos

dois estados possíveis. A mudança de estado ocorre quando se

aplica um sinal na entrada de “trigger” ou “reset”.

4.4. MULTIVIBRADOR ASTÁVEL

A palavra astável significa “instável” e, portanto, um

multivibrador astável não apresenta estado estável, sendo utili-

zado como oscilador ou gerador de onda quadrada.

Fig. 27 – Forma de onda astável.

Num circuito Astável, a saída nunca fica estável em

nenhum dos dois estados possíveis, logo produz um trem de

pulsos com uma determinada freqüência.

4.5. TIMER 555

O projeto e a construção de circuitos multivibradores

pode ser elaboradas com dispositivos discretos (resistores, capa-

citores, transistores ou amplificadores operacionais) ou dedica-

dos (dispositivos desenvolvidos e comercializados com essa fi-

nalidade).





O exemplo mais clássico de dispositivo semicondutor

especificamente projetado para tal finalidade é o CI 555. O cir-

cuito integrado 555 é muito usado na construção de circuitos

multivibradores, dada a facilidade com que se podem projetar

estes circuitos e o seu baixo custo.

A versão mais comum é o encapsulamento numa caixa

DIL 8. O circuito integrado 556 é um duplo 555 e é encapsulado

numa caixa DIL 14.

Fig. 28 – Circuito integrado NE555.

Pinagem:

¾ 1→Massa (GND) 2→ Disparo (Trigger)

¾ 3→ Saída (Output) 4→ Reset

¾ 5→ Tensão de Controle 6→ Limiar (Threshold)

¾ 7→ Descarga 8→ Ucc (5 a 18 V)





4.5.1. ARQUITETURA INTERNA

Fig. 29 – Arquitetura interna do 555.

4.5.2. FUNCIONAMENTO

Enquanto a entrada "Limiar" estiver num nível inferior

a 2/3 de Ucc, a saída do comparador permanecerá no nível baixo.

Quando esta tensão for superada, a saída do comparador passará

para nível alto, impondo na saída do Flip-Flop nível alto. O

transistor de descarga fica diretamente polarizado, passando à

condução, e a saída do circuito passa para nível baixo.

Quando a tensão aplicada na entrada "Disparo" cai a-

baixo de 1/3 de Ucc, a saída do comparador atua sobre a entrada

S (Set) do Flip-Flop, fazendo com que a saída Q passe para ní-

vel baixo. O transistor de descarga passa ao corte e a saída do

circuito passa para nível alto.





Independentemente dos níveis de tensão presentes nas

entradas "Threshold" e "Trigger", se a entrada "Reset" estiver a

nível baixo (U < 1V), a saída Q do Flip-Flop passa para nível

alto e a saída do circuito passa para nível baixo, assim permane-

cendo enquanto estas condições se mantiverem.

4.5.3. USO COMO MONOESTÁVEL

Fig. 30 – Circuito para monoestável.

Considere como estado inicial que a saída do circuito

está a zero; a entrada limiar está a nível baixo (transistor de des-

carga estar saturado); e a entrada de disparo está a nível alto (a-

través de R 1).

Se fecharmos o interruptor S, durante uma fração de

segundo, a entrada de disparo vai a zero, provocando nível alto

na saída e bloqueio do transistor de descarga, o que permite a

carga do capacitor C1, através da resistência R 2.

Quando a tensão nos terminais do capacitor C1 atinge

2/3 de Ucc, a saída do comparador A1 aplica um nível alto na en-

trada Reset do flip-flop, obrigando a saída do flip-flop a assumir





um nível alto, o que dá origem à saturação do transistor e ao ní-

vel baixo na saída do circuito.

O tempo em que a saída do circuito permanece ativa édado pela expressão:

121,1 C RT ≅

4.5.4. USO COMO ASTÁVEL

Fig. 31 – Circuito para astável.

Considere como estado inicial que o capacitor C1 está

descarregado; o comparador A1 tem na sua saída o nível zero; e

o comparador A2 tem na sua saída o nível um.

Tudo isto provoca a alteração da saída do flip-flop para

nível baixo, que por sua vez, não só bloqueia o transistor de des-

carga, como também comuta para nível alto a saída do circuito.

Em seguida, o capacitor C1 vai carregar-se, através de R 1 em sé-

rie com R 2.

Ao atingir-se 2/3 de Ucc, a saída do comparador A1 pas-

sa para nível alto, forçando a saída do flip-flop a passar também





para nível alto, o que, por sua vez, provoca: a comutação da saí-

da do circuito para nível baixo e a saturação do transistor de

descarga. Este estado do transistor permite a descarga do capaci-

tor C1, através de R 2. Ao atingir-se 1/3 de Ucc, inicia-se um novo

ciclo.

Fig. 32 – Formas de onda.

O dimensionamento do multivibrador astável é feito

com auxílio das seguintes expressões:

T

t D

t t T

C Rt

C R Rt

1

21

122

1211

693,0

)(693,0

=

+=

=

+=

onde T→ período e D→ ciclo de trabalho (duty cicle).

Atenção: Em ambos os casos, o valor do capacitor de acopla-

mento C2 é de 0,01 µF.





05 - MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA

5.1. INTRODUÇÃOOs motores de corrente contínua consistem na forma

mais usada de se converter energia elétrica em energia mecâni-

ca, sendo por isso amplamente usados como principal meio de

propulsão das partes móveis de robôs, automatismos e diversos

tipos de dispositivos.

Os motores DC como também são chamados têm seu

funcionamento baseado no efeito magnético da corrente elétri-

ca, ou seja, no campo magnético que aparece em torno de um

condutor percorrido por uma corrente elétrica (Lei de Ampère).

5.2. FUNCIONAMENTO

Para entender o princípio de funcionamento deste tipo

de motor vejamos sua estrutura simplificada.

Fig. 33 – Estrutura de um motor CC.





Entre os pólos de um ímã em forma de ferradura colo-

camos uma bobina retangular que está presa em um eixo girató-

rio.

Os terminais dessa bobina podem ser alimentados pelo

circuito externo de um sistema comutador simples formado por

anéis condutores e lâminas.

Vamos partir agora da situação inicial em que os conta-

tos estão em posição tal que, alimentando o circuito, a corrente

circula conforme a Fig. 34a.

Fig. 34 – Circulação da corrente.

Ao circular, a corrente elétrica produz um campo mag-

nético na bobina que interage com o campo do ímã de modo a

haver uma repulsão tal que ela tende a girar no sentido mostrado

na mesma figura até atingir um ponto em que as linhas de seu

campo se alinhem com o campo do ímã.

O movimento continua até a bobina dar meia volta,





pois nesse instante (Fig. 34b), os contatos trocam de posição e

ocorre a inversão da corrente.

O resultado é que agora em lugar da bobina encontrar sua posição de equilíbrio, ela sofre uma nova ação das linhas do

campo, que é invertido continuando seu movimento.

Mais meia volta, quando então a bobina tenderia a al-

cançar a sua posição de equilíbrio, e novamente os contatos co-

mutadores entram em ação invertendo novamente o sentido de

circulação da corrente.

Fica evidente que, por mais que a bobina gire tentando

encontrar a sua posição de equilíbrio, isso nunca ocorrerá, uma

vez que a ação dos contatos inverte constantemente a corrente

mudando o campo magnético produzido.

Nesse movimento, estando a bobina acoplada a um ei-

xo, ela pode transferir para um meio exterior uma força, conver-

tendo assim a energia aplicada à bobina em energia mecânica.

Observe que, se invertermos o sentido de circulação da

corrente, a bobina tenderá a se mover no sentido inverso ao ex-

plicado para encontrar o ponto de equilíbrio. Isso significa que o

sentido de rotação do motor depende do sentido de circulação

da corrente pelas bobinas.

A seguir temos uma vista em corte de um motor de cor-

rente contínua miniatura semelhante aos encontrados em muitas

aplicações práticas tais como brinquedos, caixas de redução, to-





ca-fitas, toca-discos e muitos outros.

Fig. 35 – Vista interna de um motor CC.

Nesses motores os ímãs são fabricados com materiais

especiais de alta capacidade de retenção da magnetização e os

contatos são feitos ou com lâminas de metal ou com pedaços de

grafite. Lembramos que a grafite é excelente para esse tipo de

aplicação, pois se trata de um material que, além de bom condu-

tor de calor, tem um coeficiente de atrito bastante baixo.

Os pequenos motores encontrados nas aplicações práti-

cas vão ter as bobinas dimensionadas de acordo com a corrente

que devem operar, e portanto com a potência do motor.





5.3. CARACTERÍSTICAS

A espessura do fio usado no enrolamento do motor e

também o número de espiras (que vai determinar a resistência

total do enrolamento) determinam suas principais características

elétricas.

Os pequenos motores de corrente contínua devem en-

tão ser analisados de acordo com as seguintes especificações:

¾ Tensão de operação

¾ Corrente de operação

¾ Torque

¾ Velocidade

5.3.1. TENSÃO DE OPERAÇÃO

Os pequenos motores DC que podemos empregar em

projetos de eletrônica são especificados para operar com tensões

que vão de 1,5 a 48 volts.

Na realidade, quando falamos que um motor DC está

especificado para operar com 6 V, isso não significa que eles só

devem ser usados com esta tensão de alimentação.

Na prática, isso quer dizer que o motor vai operar com

suas condições de máxima potência e velocidade quando for a-

limentado com essa tensão, mas que podemos também usá-lo

com tensões menores quando desejar reduzir sua velocidade ou

sua potência.





Fig. 36 – Curva tensão x velocidade.

O que não se recomenda é a sua utilização com tensão

muito maior do que a nominal. Pode-se alimentar um motor por pequenos intervalos de tempo com uma tensão até 50% maior

do que a nominal para vencer a inércia, por exemplo, e tirar um

dispositivo do repouso.

Rodando com uma tensão maior, o motor também gera

mais calor e isso poderá fazer com que ele seja danificado

(queime).

5.3.2. CORRENTE DE OPERAÇÃO

A corrente de operação de um motor quando o alimen-

tamos com uma determinada tensão, dependerá do esforço ou

força que ele esteja fazendo naquele momento.

Um motor "rodando" em aberto, ou seja, sem carga al-

guma, exige muito pouca corrente. Essa corrente vai aumentan-

do à medida que carregamos o motor, isto é, o obrigamos a fa-

zer mais força.





Fig. 37 – Curva corrente x velocidade.

Neste processo, a rotação do motor também cai, veja

exemplo no mesmo gráfico, até o momento em que ele pára.

Quando o motor pára, a corrente na bobina será deter-

minada somente pela sua resistência ôhmica e terá o máximo

valor (curto-circuito). Normalmente, quando isso ocorre, toda a

energia elétrica aplicada ao motor converte-se em calor e com

isso ele pode se queimar.

Devemos, portanto, garantir que o motor rode em um

regime em que se tenha uma corrente que não ultrapasse o má-

ximo especificado pelo fabricante.

Para pequenos motores de corrente contínua, a corrente

pode variar em regime normal de operação entre 50 mA e maisde 3 A.

Evidentemente, quanto maior for a corrente maior será

a potência do motor.





5.3.3. TORQUE (POTÊNCIA)

A força que um motor pode fazer é determinada pelo

produto tensão corrente (watts). Assim, quando um pequeno

motor aciona uma carga sendo alimentado por uma tensão de 6

V e drena uma corrente de 0,5 A (500 mA), a potência elétrica

que está sendo drenada da fonte é de 3 W.

Considerando que 1 HP corresponde a 736 W, pode-

mos dizer que este motor estará rodando com uma potência de

3/736 HP ou 1/245 HP.

Conhecer a potência elétrica do motor, a corrente e a

tensão, é muito importante para se dimensionar os circuitos de

controle.

Os transistores que irão controlar um motor deverão ser

capazes de controlar a sua corrente em regime máximo, ou seja,

aquela corrente que exigem para partir (a corrente máxima) por

uma fração de segundo.

Para o projetista também é fundamental saber qual é a

força que esse motor pode exercer de modo a movimentar um

mecanismo. A força que o motor faz não depende apenas da po-

tência, mas do ponto em que ela é aplicada a partir do ponto

central do eixo.

Assim, melhor do que falar na força, é pensar em outra

grandeza que independe da distância do centro ao eixo, conside-





rando que normalmente este eixo vai ser justamente usado para

acionar outros mecanismos. Essa outra grandeza é o torque, que

consiste no produto força x distância.

d F .=τ

Quando dizemos que um pequeno motor possui um tor-

que de 10 N-cm significa que a uma distância de 1 cm do centro

do eixo ele pode exercer uma força de 10 N. Esse mesmo motor

só conseguirá produzir uma força de 2 N se uma polia de 5 cm

de diâmetro for acoplada diretamente ao seu eixo.

Observamos que esta mesma especificação de torque

também é válida para o caso em que o motor aciona uma caixa

de redução.

5.3.4. VELOCIDADE

De acordo com o que já explicamos ao falar da corren-

te, a velocidade com que o motor gira (que é medida em rota-

ções por minuto ou rpm) depende da corrente, e portanto da car-

ga ou esforço que ele está exercendo.

Em aberto, ou seja, quando o motor está com o eixo li-

vre, sua velocidade pode chegar a milhares de rotações por mi-

nuto, caindo então à medida que ele vai tendo de exercer maior

esforço.





Fig. 38 – Curva carga x velocidade.

Os fabricantes costumam especificar a velocidade de

seus motores para uma determinada carga.


5.4.1.





5.4.4.

5.4.5.





06 - PONTES H

6.1. INTRODUÇÃOAlém de poderem controlar apenas um fluxo de cor-

rente, os transistores bipolares e Power-FETs têm ainda como

limitação ao seu uso o fato de só deixarem passar a corrente

num sentido.

Realmente, conforme vimos na parte anterior, os tran-sistores têm polaridade certa para sua operação, deixando pas-

sar a corrente num sentido que depende do seu tipo. Desse mo-

do, os transistores NPN e PNP devem ser polarizados de formas

diferentes.

Esse fato limita de certo modo o uso de um único tran-sistor no controle de uma carga como, por exemplo, um motor

de corrente continua, se desejarmos além de ligá-la e desligá-la,

inverter também o sentido de rotação.

6.2. MEIA PONTE (HALF BRIDGE)

A idéia de se empregar transistores de forma seme-

lhante aos relés e chaves reversíveis para se inverter a cor-

rente numa carga não é impossível, e há diversas maneiras

de se fazer isso.





Fig. 39 – Meia ponte H.

Nesse circuito, temos uma fonte de alimentação dupla

(duas tensões) que alimentam através de dois transistores NPN

uma carga, que pode ser um motor de corrente contínua, por

exemplo.

Sem sinal nas bases os transistores estão cortados e

nenhuma corrente circula pela carga, que permanece então

inativa.

Se aplicarmos uma tensão que polarize a base de Q1

no sentido de fazê-lo conduzir, a corrente circulará pela carga

fornecida pela bateria B1.

Fig. 40 – Condução de Q1.

Se essa carga for um motor, podemos dizer que ele

rodará em plena velocidade no sentido direto.

Para inverter a circulação da corrente na carga, bastaretirar o sinal aplicado na base de Q1 e, agora, aplicá-la na ba-





se de Q2 de modo que este transistor conduza. A corrente cir-

culará pela carga fornecida pela bateria B2 e, se a carga ali-

mentada for um motor, ele terá o sentido de rotação invertido.

Fig. 41 - Condução de Q2.

Um ponto muito importante a ser observado nesse

circuito é que não podemos, de forma alguma, aplicar um sinal

de polarização ou controle ao mesmo tempo nas bases dos dois

transistores. Se isso acontecer, os dois transistores conduzirão

ao mesmo tempo, colocando em curto as duas baterias.

Fig. 42 – Situação indesejável.

No acionamento desse circuito, a tensão aplicada à

base dos dois transistores tem como referência o terra entre as

duas baterias. Logo, como a alimentação desse circuito é du-

pla, podemos dizer que os transistores estão alimentados, na

verdade, por circuitos diferentes. Podemos melhorar o circuito

usando transistores complementares.





Fig. 43 – Transistores em push-pull.

Com o uso de transistores NPN e PNP, nota-se que

Q1, conduz quando sua base for colocada à terra do circuito

que é a junção das duas baterias, e que Q2

também conduz nas

mesmas condições. Isso quer dizer que o sinal de controle po-

de agora ter a mesma origem, simplificando o circuito.

Fig. 44 – Único sinal de controle.

Evidentemente, nesse caso também devemos evitar a

condição em que os dois transistores conduzem ao mesmo

tempo, pois isso causaria um curto-circuito entre as baterias

através dos transistores que, então, se queimariam.





6.3. PONTE COMPLETA (FULL BRIDGE)

O circuito que vimos anteriormente tem como principal

limitação o fato de necessitar de uma fonte de alimentação du-

pla ou simétrica.

Uma maneira de se implementar um circuito capaz de

inverter o sentido de circulação numa carga usando apenas tran-

sistores e com fonte simples é a que tem a configuração básica

mostrada abaixo.

Fig. 45 – Ponte H completa.

Pela disposição dos componentes que lembra um "H",

essa configuração também é chamada de Ponte H e, no caso,

temos uma ponte de controle completa, pois iremos controlar as

correntes em dois ramos do circuito.

Quando os transistores estão sem sinais nas suas bases,

nenhum deles conduz e nenhuma corrente pode circular pela

carga. Aplicando-se nas bases de Q1 e Q3 uma tensão que os sa-

ture, esses transistores conduzirão.





Fig. 46 – Condução de Q1 e Q3.

Se a carga for um motor de corrente continua, podemos

dizer que ele rodará no sentido direto.

Para inverter o sentido de circulação da corrente, basta-

rá aplicar uma tensão que polarize os transistores Q2 e Q4 levan-

do-os a saturação.

Fig. 47 – Condução de Q2 e Q4.

Observe que, também temos duas situações "proibidas”

que podem levar a bateria a um curto e com isso à queima dos

transistores. Essas situações são aquelas em que os transistores

Q1 e Q2 conduzem ao mesmo tempo ou em que Q3 e Q4 condu-

zem simultaneamente.

No circuito indicado usamos transistores NPN apenas,

mas podemos fazer a mesma configuração empregando transis-

tores PNP, ou ainda usando os dois tipos. Na verdade, usando

transistores NPN e PNP ao mesmo tempo temos a possibilidade





de incluir certa "lógica” ao circuito. Assim, unindo as bases de

Q1 e Q2 que são complementares, garantimos que a tensão que

for aplicada a essa entrada, se polarizar um dos transistores de

modo a fazê-lo conduzir, certamente levará o outro ao corte, as-

sim, é impossível termos a condição "proibida".

Fig. 48 – Único sinal de controle.

6.4. AGREGANDO LÓGICA

Nos circuitos acima temos duas ou quatro entradas de

sinais, que precisam ser excitadas de modo conveniente para

que a corrente circule num ou noutro sentido. Necessitamos,

portanto, de uma combinação de sinais de entrada para que a

corrente circule num ou noutro sentido.

Para que tenhamos a aplicação correta de sinais a partir

de um único circuito ou de uma configuração mais simples, éconveniente agregar algum sistema lógico à ponte que a leve ao

comportamento desejado sem a necessidade de "quebrarmos a

cabeça” para obter a combinação de sinais desejada.

Uma forma simples de agregar lógica consiste em utili-

zar portas de circuitos integrados como inversores. Diversos cir-





cuitos integrados podem ser usados para essa finalidade como,

por exemplo, os 4001, 4011, 4093 e outros.

Duas portas desses circuitos funcionando como inver-sores podem a partir de um único sinal de comando (tensão po-

sitiva da alimentação ou terra), fornecer positivo e terra com a

lógica necessária ao acionamento de uma ponte. Assim, quando

a entrada está no nível alto, a saída do primeiro inversor está no

nível baixo e a saída do segundo inversor no nível alto. Ligando

esse circuito à ponte H.

Fig. 49 – Circuito de acionamento.

Para inverter o sentido de circulação da corrente na

carga, basta inverter o nível lógico da entrada. Com o nível bai-

xo na entrada do primeiro inversor, sua saída irá ao nível alto ecom isso a saída do segundo inversor ao nível baixo.

Note que não é possível se ter à condição de que as sa-

ídas dos dois inversores sejam ao mesmo tempo alta e baixa, o

que nos levaria a uma condição "proibida” capaz de por em cur-

to a alimentação através dos transistores, causando sua queima.





Um ponto importante a ser observado em todos esses

circuitos é que a tensão que controla a carga e que, por conse-

guinte, alimenta os transistores, não precisa ser a mesma e nem

vir da mesma fonte em relação àquela que alimenta a lógica.

Assim, podemos controlar motores de 12 V, 24 V ou mesmo 48

V a partir de lógica alimentada por uma tensão de 5 V, 6 V ou

12 V, sem problemas.

Devemos apenas cuidar para que a tensão de controle

aplicada às bases dos transistores seja suficiente para levá-los à

saturação quando eles precisem ser acionados. Isso significa

que, em alguns casos, devemos alterar os valores dos resistores

utilizados na polarização de base dos transistores.

6.5. LIGANDO E DESLIGANDO

Um dos problemas deste circuito é que ele faz com que

a corrente circule num sentido ou noutro na carga, dependendo

do nível ou polaridade do sinal de entrada.

Como fazer, se quisermos ter uma condição a mais de

funcionamento que seja a de poder controlar a partida (ligandoou desligando o motor) também usando transistores? Isso pode

ser conseguido agregando-se um quinto transistor à ponte.

Com esse transistor polarizado no corte, a ponte não

recebe alimentação e com ele polarizado de modo a saturar, ela

recebe a sua alimentação normal. Temos, então, dois controles





possíveis no circuito:

¾ Sentido;

¾ Liga/Desliga.

Evidentemente, temos de considerar que uma pequena

queda de tensão ocorre nos transistores em condução e que três

deles em série, quando qualquer ramo estiver conduzindo, pode

significar uma pequena perda de energia no circuito. Uma ma-

neira de se reduzir essa perda é usar um relé no controle li-

ga/desliga.

6.6. PONTES NA PRÁTICA

Na prática, as pontes devem ser utilizadas para contro-

lar motores que drenam uma corrente considerável. Desse mo-

do, se tivermos uma corrente de 500 mA, por exemplo, devere-

mos usar transistores de média potência como os BD135 e

BD136. Esses transistores têm um bom ganho e podem ser con-

trolados por sinais fracos como os fornecidos diretamente pelas

saídas de inversores CMOS.

Se vamos controlar cargas de maior corrente com tran-

sistores a exemplo dos TIP31/32, que também têm ganhos mais

baixos, precisamos adicionar transistores amplificadores para

dispormos de mais corrente de excitação a partir das saídas ló-

gicas de integrados CMOS ou mesmo TTL.

Usando transistores como os TIP31/32, podemos con-





trolar cargas de até uns 2 A, empregando o par TIP41/42 cargas

de até uns 3 A. Nos dois casos, os transistores devem ser mon-

tados em radiadores de calor.

Outra solução para o controle de cargas de correntes in-

tensas com sinais fracos como os obtidos de circuitos lógicos,

consiste no uso de transistores Darlington. Os tipos como os

TIP110 /111 / 112 e TIP115 /116 /117 conseguem controlar car-

gas de até 1 A, enquanto que tipos maiores como os TIP120

/121 /122 e TIP125 /126 /127 podem controlar cargas de até uns

2 A.


The L293 and L293D are quadruple high-current half-H drivers. The L293 is de-

signed to provide bidirectional drive currents of up to 1 A at voltages from 4.5 V to

36 V. The L293D is designed to provide bidirectional drive currents of up to 600 mA

at voltages from 4.5 V to 36 V. Both devices are designed to drive inductive loads

such as relays, solenoids, dc and bipolar stepping motors, as well as other high-

current/high-voltage loads in positive-supply applications.

All inputs are TTL compatible. Each output is a complete totem-pole drive circuit,

with a Darlington transistor sink and a pseudo-Darlington source. Drivers are enabled

in pairs, with drivers 1 and 2 enabled by 1,2EN and drivers 3 and 4 enabled by 3,4EN.

When an enable input is high, the associated drivers are enabled and their outputs are

active and in phase with their inputs. When the enable input is low, those drivers are

disabled and their outputs are off and in the high-impedance state. With the proper

data inputs, each pair of drivers forms a full-H (or bridge) reversible drive suitable for

solenoid or motor applications.





A VCC1 terminal, separate from VCC2, is provided for the logic inputs to minimize de-

vice power dissipation.





07 - MODULAÇÃO EM LARGURA DE PULSO

7.1. INTRODUÇÃO

Recordando o que foi visto no capítulo anterior, os mo-

tores de corrente contínua são dispositivos cuja potência depen-

de da tensão que lhes é aplicada e da intensidade da corrente

que circula através deles.

Quando carregamos um motor, sua velocidade diminui,

e com isso a intensidade da corrente aumenta, elevando-se as-

sim a potência que ele consome.

Por outro lado, sob carga constante, a potência consu-

mida aumenta com a tensão de um modo mais ou menos linear,

juntamente com a corrente e a sua velocidade de rotação.

Concluímos então que a maneira mais simples de se

controlar a velocidade de um motor de corrente contínua é mo-

dificando-se a corrente que passa através dele por meio de al-

gum tipo de dispositivo externo. Este tipo de controle em que

variamos linearmente a corrente aplicada numa carga ou a ten-

são é denominado controle linear de potência.

No entanto, os motores de corrente contínua têm uma

característica de inércia que impede que eles respondam a ten-

sões muito baixas. Abaixo de certo valor de tensão que lhes seja

aplicado, eles simplesmente não têm torque suficiente para par-





tir e permanecem parados.

Fig. 50 – Característica de inércia.

Isso faz com que os controles lineares tenham uma res-

posta desigual em sua faixa de operação. O resultado desta res-

posta é que não conseguimos fazer com que eles partam de mo-

do suave, mas sim aos "trancos" e não obtemos, com eficiência,

um controle preciso de baixa rotação.

Podemos resolver esse problema com um tipo de cir-cuito que não controla a corrente no motor de forma constante,

mas sim através de pulsos que mantêm um controle sobre a mé-

dia da corrente. Este tipo de controle é que passaremos a anali-

sar a partir de agora.

7.2. CONTROLE PWM

Como podemos manter o controle sobre a corrente

média de um motor de corrente contínua sem diminuir a ten-

são que lhe seja aplicada, uma vez que é a diminuição da ten-

são que nos leva ao problema de controle em baixas rotações?





Para esta pergunta existe uma resposta simples. Po-

demos variar a intensidade média da corrente no motor se o

alimentarmos com pulsos e controlarmos a duração desses pul-

sos.

Em lugar de alimentarmos o motor com uma corrente

contínua, o que fazemos é usar um elemento qualquer que ligue

e desligue rapidamente de modo a produzir pulsos retangulares

com a duração e o espaçamento iguais. Com isso, a tensão dos

pulsos se mantém igual à máxima da fonte, mas seu valor médio

será apenas metade do valor de entrada.

Fig. 51 – Característica de chaveamento.

Em outras palavras, se a tensão de entrada for de 6 V,

o motor recebe pulsos de 6 V, mas se comporta como se em

média recebesse uma alimentação de 3 V, e através dele circu-

lará uma corrente média que corresponde à metade da máxima,

que é aquela que circula quando ele recebe 6 V. O motor, nes-

sas condições, irá rodar com metade de sua velocidade máxima.

Para alterar sua velocidade podemos alterar os pulsos

aplicados de duas formas. Se aumentarmos a duração dos pul-

sos, ou seja, mantivermos o elemento que liga e desliga mais

tempo ligado do que desligado, o motor receberá alimentação





por um período mais longo e na média podemos dizer que ele

terá uma alimentação correspondente a uma tensão maior.

Fig. 52 – Aumento da velocidade.

Nestas condições o motor gira com mais velocidade.

Para diminuir a velocidade, basta reduzir a largura dos pulsos,

ou seja, manter o elemento de controle menos tempo ligado e

mais tempo desligado.

Os pulsos aplicados ao motor ainda serão de 6 V, mas

na média, como sua duração é pequena eles correspondem a

uma tensão menor, e com isso a corrente no motor também será

menor, com conseqüente diminuição da velocidade.

Fig. 53 – Diminuição da velocidade.

Se pudermos controlar a largura dos pulsos numa fai-

xa de valores que vá de 1 % a 99 %, teremos um excelente

controle da velocidade do motor. Não podemos ter 0% ou

100% por motivos óbvios: ou paramos os pulsos com 0 V ou

com 6V.





O importante nesse tipo de controle é que em toda a

faixa de velocidades o motor recebe a tensão máxima, e com

isso o torque não se altera. Mesmo com velocidades muito pe-

quenas, a corrente pelo breve instante em que o pulso está pre-

sente é suficiente para tirá-lo da imobilidade mantendo o torque.

Como controlamos a velocidade através da largura

dos pulsos, ou seja variamos ou modulamos a largura dos pul-

sos, o processo de controle recebe o nome de modulação de

largura de pulsos, ou do inglês Pulse Width Modulation, que

abreviado resulta na sigla PWM.

Na prática, o elemento usado para ligar e desligar a

corrente pode ser uma chave ou ainda um componente semi-

condutor como um transistor comum, um transistor de efeito

de campo ou um SCR.

7.3. VANTAGENS E DESVANTAGENS

Quando o transistor está desligado, e portanto a corren-

te é zero não há dissipação de calor. Da mesma forma, quando o

transistor liga e vai à saturação para conduzir a corrente máxi-

ma, sua resistência é praticamente zero e a potência que ele dis-

sipa é quase nula.

Na prática, quando o transistor passa de um estado a

outro, ou seja, liga e desliga, temos uma variação da corrente

que significa uma dissipação de uma certa potência, mas ainda





assim ela é muitas vezes menor do que num circuito linear.

Em outras palavras, o rendimento de um circuito de

controle de potência PWM é muito maior do que um equivalen-te linear. Podemos empregar transistores de menor dissipação

para controlar cargas muito maiores.

A desvantagem dos controles PWM está na comutação

rápida dos transistores que podem ligar e desligar milhares de

vezes por segundo, dependendo do tipo de aplicação. A transi-

ção rápida de estado desses componentes gera transientes e si-

nais de altas freqüências que são responsáveis por interferências

eletromagnéticas (EMI). Essas interferências podem afetar apa-

relhos que operem com sinais de rádio e que estejam nas proxi-

midades.

Para evitar estas interferências pode ser necessário em-

pregar filtros ou outros recursos que evitem sua propagação. Es-

se mesmo efeito pode causar instabilidade em circuitos de con-

trole do mesmo aparelho, os quais devem ser providos de recur-

sos para que se tornem imunes a EMI.





7.4. TIPOS DE PWM

Na prática, podemos ter dois tipos de controle PWM

que são utilizados em condições diferentes:

¾ Controle Antifase;

¾ Controle Polaridade / Intensidade.

7.4.1. PWM ANTI-FASE

Neste tipo de controle o sinal aplicado ao motor oscila

entre o positivo e o negativo. Assim, temos pulsos positivos e

pulsos negativos aplicados ao motor alternadamente numa fre-

qüência que pode variar entre poucos hertz a milhares de hertz,

dependendo do tipo de modo.

Se a largura dos pulsos for igual ao espaçamento, ou

seja, se os pulsos positivos tiverem a mesma duração que os

pulsos negativos, a média de tensão aplicada ao motor será zero

e ele permanecerá parado. Na realidade, ele irá apenas oscilar na

freqüência do sinal aplicado.

Todavia, se aumentarmos a duração dos pulsos positi-

vos diminuindo ao mesmo tempo a duração dos pulsos negati-

vos, teremos a predominância de tensões positivas aplicadas no

motor e ele passará a girar no sentido que esses pulsos determi-

nam.





Quanto maior for à largura dos pulsos positivos em re-

lação aos negativos, maior será a tensão média positiva no mo-

tor e maior sua velocidade no sentido que ela determinar.

Da mesma forma, se os pulsos negativos for maior que

os pulsos positivos, predominará a tensão negativa na média no

motor e ele passará a girar no sentido oposto. Tanto maior for à

largura dos pulsos negativos em relação aos positivos, maior se-

rá a velocidade do motor neste sentido.

Se bem que este tipo de circuito tenha a vantagem de

possibilitar um controle de velocidade de um motor de corrente

contínua em ambos os sentidos, ele tem uma desvantagem:

quando o motor está parado, ele recebe praticamente a potência

máxima, continuando assim a dissipar energia convertendo-a

em calor. Veja que a corrente prossegue circulando com inten-

sidade máxima nos dois sentidos, mesmo estando o motor para-

do.

Do mesmo modo, qualquer que seja a velocidade do

motor em um sentido ou no outro, a potência aplicada se man-

tém constante, pois na média, as larguras dos dois pulsos soma-

das se mantém.

Por estas características, esse tipo de controle só se a-

plica no controle de motores de potências muito baixas, onde

não existem problemas de dissipação de calor tanto pelo motor

quanto pelo próprio circuito de controle.





7.4.2. CONTROLE POLARIDADE / INTENSIDADE

Neste tipo de controle temos circuitos separados para a

velocidade e para a polaridade que determina o sentido de rota-

ção do motor. Temos um oscilador que gera o sinal retangular

para o controle de velocidade e uma ponte H que determina o

sentido de rotação do motor.

O oscilador pode ser um multivibrador astável de qual-

quer tipo e a ponte H pode ser uma das que vimos anteriormen-

te.

A vantagem desse circuito está no fato de que as potên-

cias aplicadas ao motor, que é a potência que também o circuito

absorve, depende da velocidade. Para menores velocidades, a

potência diminui, não havendo o desperdício que acontece noscontroles lineares e anti-fase.

A grande maioria dos controles práticos de velocidade

e sentido usam esta configuração.





08 – AQUISIÇÃO DE DADOS

8.1. INTRODUÇÃO

Em qualquer sistema mecanizado ou automatizado, as

informações oriundas do meio externo são tão importantes para

o funcionamento quanto à do meio interno. Daí surge o seguinte

questionamento: como fazer a aquisição destas informações?

Como processá-las adequadamente? Como tomar decisões a

partir delas?.

O meio externo é eminentemente analógico, pois as va-

riáveis não se apresentam unicamente sob dois estados, variam

sobre uma grande escala de valores, necessitando assim de cui-

dados adicionais na sua obtenção e no seu tratamento. As in-

formações podem dizer se há presença ou ausência de algo bemcomo se dar à variação ao longo do tempo.

Portanto, um sistema automatizado necessita invaria-

velmente de informações sobre o mundo que o cerca, pois só

assim poderá decidir adequada e rapidamente ao estímulo. Des-

ta maneira as cargas podem ser acionadas na ordem preestabe-lecida ou seguirem uma ordem aleatória tudo isso em concor-

dância com a seqüência de eventos que ocorrem externamente.

Os elementos responsáveis diretos pela coleta das in-

formações são os denominados sensores.





8.2. SENSORES

O sensor é um dispositivo que recebe um sinal – estí-

mulo – e responde através de um sinal elétrico. Entende-se co-

mo estímulo a quantidade, propriedade ou condição que é detec-

tada e convertida em sinal elétrico.

Pode-se dizer, em outras palavras, que um sensor é um

“tradutor” de um valor, geralmente não elétrico, para um valor

elétrico; este pode ser canalizado, amplificado e modificado a-través de dispositivos eletrônicos adequados. Assim, um sensor

apresenta propriedades de entrada (input) que podem ser de

qualquer tipo e propriedades de saída (output).

O termômetro é um sistema de indicação que tem como

elemento sensor o mercúrio. A grandeza física a ser medida é atemperatura e a grandeza física do elemento sensor, que varia

proporcionalmente com a variação da temperatura, é o seu vo-

lume, pois o mercúrio se dilata com o aumento da temperatura.

Conhecendo a proporção dessas variações, podemos identificar

e medir o valor da temperatura, observando o comprimento da

coluna de mercúrio.

O sensor é utilizado com base nas variações de grande-

zas. Portanto, seleciona-se cada sensor de acordo com sua pos-

sível localização e com o tipo de função a realizar. Além da aná-

lise do valor dos dispositivos, temos que estudar a adequação





dos sensores, a fim de evitar gastos desnecessários com manu-

tenção e trocas devidas à especificação inadequada.

O sistema de alarme é um exemplo típico e atual de uti-lização de sensores. Mas há uma variedade de áreas em que os

sensores encontram aplicação. Num automóvel, por exemplo,

identificamos várias dessas aplicações:

¾ O sistema de indicação do volume de combustível no

tanque;

¾ O sistema de indicação do nível de óleo no cárter;

¾ O sistema de freios;

¾ Outros mais.

Nesses exemplos, pode-se observar que a função do

sensor é indicar o valor ou a condição de uma grandeza física,

ou seja, monitorá-la para que se possa exercer controle sobre

ela. No caso do tanque de gasolina (Fig. 54), o sensor funciona

como indicador para o motorista abastecer o reservatório com

combustível.

Fig. 54 – Sistema de controle de combustível.





O termo sensor não deve ser confundido com transdu-

tor. Este último converte um tipo de energia em outro, enquanto

que o primeiro converte qualquer tipo de energia em energia e-

létrica. Por exemplo, um alto-falante é um transdutor, mas não é

um sensor.

8.3. TRANSDUTORES

Todos os elementos sensores são denominados transdu-

tores. A maior parte dos sensores são transdutores elétricos, pois

converte a grandeza de entrada para uma grandeza elétrica, que

pode ser medida e indicada por um circuito eletroeletrônico de-

nominado medidor.

A maioria dos medidores, como os de painéis de auto-

móveis, barcos e aviões, registra uma grandeza elétrica propor-cional à variação da grandeza que está sendo indicada pelo sen-

sor – a grandeza controlada.

As grandezas elétricas que apresentam variações pro-

porcionais às grandezas que estão sendo “sentidas” e indicadas

pelos sensores são:

¾ Corrente elétrica;

¾ Tensão elétrica;

¾ Resistência elétrica.





Essas grandezas são utilizadas normalmente, pois a

maioria dos medidores e elementos de controle que utilizam es-

tas informações é capaz de ler os sinais sem dificuldade.

Os transdutores estão vinculados aos sistemas de con-

trole. O sistema de controle é um processo acionado por um dis-

positivo de controle, que determina o resultado desejado e, ao

longo do tempo, indica o resultado obtido e corrige sua ação pa-

ra atingir, o mais rápido possível, o valor desejado.

Para que o controle ocorra, são acoplados transdutores

ao sistema (Fig. 55). Os transdutores registram os resultados e

grandezas do processo, fornecendo ao dispositivo de controle

informações sobre o valor desejado.

Fig. 55 – Sistema de controle.

8.3.1. TIPOS DE CONTROLE

Malha fechada é um sistema de controle que usa senso-

res para identificar a distância do resultado desejado e corrigir

suas ações para alcançá-lo.





Malha aberta é um sistema em que o controle ocorre

sem que haja uma amostragem do resultado ao longo do proces-

so, ou seja, sem utilização de sensores; é como se caminhásse-

mos com os olhos fechados, acreditando já conhecer o caminho.

É cada vez menor o número de sistemas em malha a-

berta, em virtude da crescente necessidade de se obter resulta-

dos mais preciso e rápido, e também devido ao desenvolvimento

de elementos sensores bastante precisos e adequados às mais

diversas aplicações.

Na produção automatizada pelo computador, os senso-

res indicam ao computador o que já foi processado do material

em produção, de forma que o computador possa controlar a ve-

locidade de operação dos mecanismos.

8.4. MEDIDAS ANALÓGICAS E DIGITAIS

Como existem sinais analógicos e sinais digitais a se-

rem controlados num sistema, os sensores também devem indi-

car variações de grandezas analógicas e digitais.

Para um sistema de alarme, qualquer condição que não

seja fechada será entendida como aberta e deve fazer o alarme

disparar. Neste caso, a grandeza é digital e o sensor deve ser di-

gital. Por exemplo, uma micro-chave ou chave de fim-de-curso

fica em posição fechada quando a entrada está fechada e se abre

quando a entrada é violada.





Fig. 56 – Micro-chave ou fim-de-curso.

No caso do controle de movimento do robô, a grandeza

que se está controlando é analógica, pois o mecanismo do robô

pode ocupar qualquer posição no espaço durante o deslocamen-

to, desde a posição de partida até a posição final.

A variedade de sensores é grande. O mercado tem sen-

sores especificados para cada aplicação.

8.4.1. SENSORES ÓPTICOS

Um dos sensores mais utilizados nesta aplicação é o

sensor óptico.

Fig. 57 – Sistema de detecção óptico.

O sistema de detecção óptico (Fig. 57) tem por função

detectar a passagem de algo que corta o feixe luminoso. O si-

nal é enviado pelo receptor de luz ao controlador e este tomará

as decisões adequadas a cada tipo de trabalho.





8.4.2. SENSORES POTENCIOMÉTRICOS

É um sensor bastante simples, com elemento resistivo

que pode ser um fio bobinado ou um filme de carbono ou dematéria plástica resistiva. Modelos podem ser vistos na Fig. 58.

Fig. 58 – Modelos de potenciômetros.

O sistema potenciométrico (Fig. 59) tem por função

detectar o deslocamento de algo. O sinal é enviado ao contro-

lador sob a forma de tensão proporcional ao sinal medido, ou

seja, a grandeza controlada está firmemente acoplada ao eixo

do sensor e assim seu deslocamento é mensurado de forma

proporcional.

Fig. 59 – Sensor potenciométrico.





8.4.3. CÂMERAS DE VÍDEO

A visão artificial (Fig. 60) vem crescendo no campo

das aplicações industriais, melhorando assim a qualidade dos produtos e diminuindo o tempo de produção.

Fig. 60 – Sistema de visão artificial.

Os sensores do sistema de visão artificial (Fig. 60) são

as câmeras, que captam a imagem. A capacidade que a câmera

tem de converter o sinal óptico em sinal elétrico é muito impor-

tante nesse tipo de aplicação.

8.4.4. SENSORES ULTRASSÔNICOS

O ultra-som (Fig. 61) é um sensor eletrostático que e-

mite impulsos periodicamente e capta seus ecos, resultantes do

choque das emissões com objetos situados no campo de ação.

Fig. 61 – Sistema de detecção por ultra-som.





À distância do objeto é calculada por meio do tempo

de atraso do eco em relação ao momento da emissão do sinal.

Um modelo bastante comercializado atualmente é visto na Fig.

62.

Fig. 62 – Sensor de ultra-som.

8.4.5. SENSORES DE LUZ

Os foto-resistores, tal como o nome indica, são disposi-

tivos eletrônicos onde seu valor é função da quantidade de luz

que nelas incide. Estes são muitas vezes designados por LDR

(Light Dependent Resistors) ou células CDS (Cadmium Sulfide

Cells). O valor da resistência é elevado (na ordem de 106 ohms)

quando não há incidência de luz e significativamente mais baixo

quando sob iluminação (ordem de ohms).

Fig. 63 – Resistor dependente de luz (LDR).





8.4.6. SENSORES DE TEMPERATURA

O sensor de temperatura (Fig. 64) é um dispositivo de

precisão que fornece uma tensão de saída proporcional à tempe-ratura. A tensão de saída é da ordem de 10 mV para cada grau

Célsius, então para 25 ºC teremos 0,25 V na saída do sensor. U-

tilizando-se de um ADC com uma tensão de referência de 2,5 V

teremos uma leitura direta da temperatura, sem nenhum cálculo

adicional.

Fig. 64 – Sensor de temperatura semicondutor.Quando a temperatura a ser controlada é fixa, utiliza-se

um sensor acionado pela dilatação térmica de uma lâmina bime-

tálica (Fig. 65). Este sensor pode ser utilizado para controlar a

temperatura de um determinado ambiente, podendo este ser

uma casa, apartamento ou até mesmo um grande freezer, comoos de frigorífico.

Fig. 65 – Sensor de temperatura bimetálico (termistor).





Os termistores (Fig. 65) são dispositivos eletrônicos

capazes de alterar sua resistência em relação à temperatura. São

dois os tipos mais básicos: o PTC (Coeficiente Positivo de

Temperatura) – a resistência aumenta com o aumento de tempe-

ratura – e NTC (Coeficiente Negativo de Temperatura) – a re-

sistência diminui com o aumento de temperatura. A Fig. 66 a-

presenta a curva característica destes dispositivos.

Fig. 66 – Curva característica dos termistores (UFRGS/LMM).

Como há passagem de corrente elétrica pelos termisto-

res, deve-se ter o cuidado para que esta seja a menor possível.

Se houver uma corrente muito alta sobre um NTC ou mesmo

PTC, ele tenderá a aquecer-se, alterando sua resistência de a-

cordo com esse aquecimento e não com a temperatura a sua

volta.

A Fig. 67 apresenta formas de utilização do PTC e/ou

do NTC para evitar que seu aquecimento provoque interferência

na medição da temperatura a sua volta.





Fig. 67 – Uso dos termistores.

O mesmo cuidado deve ser tomado quando do uso dos

LDRs, pois se aplicarmos uma corrente alta sobre o mesmo, o

aquecimento poderá alterar significativamente o seu comporta-

mento. Nesse caso é aconselhável calcular a corrente que passa-

rá sobre o sensor. Um outro detalhe que ajuda é utilizar um

“buffer” (Fig. 68) para conexão com outros circuitos.

Fig. 68 – Circuito buffer com LDR.

Essa configuração (Fig. 68) tem elevada impedância de

entrada, o que garante baixo dreno de corrente. Obviamente que

nada impede o uso do amplificador operacional em outras con-

figurações.





8.4.7. TRANSDUTORES DE SAÍDA

A visualização de acontecimentos controlados pode ser

feita através de displays numéricos (Fig. 69) ou alfanuméricos(Fig. 70) ou sinalizadores luminosos (Fig. 71).

Fig. 69 – Display de 7 segmentos.

Fig. 70 – Display serial.

Fig. 71 – Sinalizadores eletrônicos.






The AD22100 is a monolithic temperature sensor with on-chip signal conditioning. It

can be operated over the temperature range –50°C to +150°C, making it ideal for use

in numerous HVAC, instrumentation and automotive applications.

The signal conditioning eliminates the need for any trimming, buffering or lineariza-tion circuitry, greatly simplifying the system design and reducing the overall system

cost.

The output voltage is proportional to the temperature times the supply voltage. The

output swings from 0.25 V at –50°C to +4.75 V at +150°C using a single +5.0 V sup-

ply.

While the ratiometric nature of the AD22100 allows for system operation without a

precision voltage reference, it can still be used in such systems. The AD22100 offersa cost effective solution when interfacing to an ADC.





The TMP01 is a temperature sensor which generates a voltage output proportional to absolute tempera-

ture and a control signal from one of two outputs when the device is either above or below a specific

temperature range. Both the high/low temperature trip points are determined by user-selected external

resistors. For high volume production, these resistors are available on-board.

The reference provides both a constant 2.5 V output and a voltage proportional to absolute temperature

(VPTAT) which has a precise temperature coefficient of 5 mV/K and is 1.49 V (nominal) at +25°C.

The comparators compare VPTAT with the externally set temperature trip points and generate an

open-collector output signal when one of their respective thresholds has been exceeded.

The TMP01 utilizes proprietary thin-film resistors in conjunction with production laser trimming to

maintain a temperature accuracy of ±1°C (typ) over the rated temperature range, with excellent linear-

ity. The open-collector outputs are capable of sinking 20 mA, enabling the TMP01 to drive control

relays directly. Operating from a +5 V supply, quiescent current is only 500 mA (max).





Para enviar comandos para o display, deve ser enviado o valor 254 antes de qualquer

outro.





09 – CONTROLE DE POSIÇÃO

9.1. INTRODUÇÃO

O encoder é sem dúvida nenhuma um dos equipamen-

tos mais usados em automação industrial, pois com ele conse-

gue-se converter movimentos angulares e lineares em informa-

ções úteis ao processo.

O encoder é um transdutor que converte um movimen-

to angular ou linear em uma série de pulsos digitais elétricos.

Esses pulsos gerados podem ser usados para determinar veloci-

dade, taxa de aceleração, distância, rotação, posição ou direção.

Dentre as principais aplicações dos encoders podemos citar:

¾ Em eixos de máquinas ferramentas NC e CNC;

¾ Controle de velocidade e posicionamento de motores e-

létricos;

¾ Medição das grandezas acima mencionadas de forma di-

reta ou indireta.

Fig. 72 – Encoder rotativo.





9.2. FUNCIONAMENTO

Os Encoders (às vezes confundidos com os tacos-

geradores que são geradores CA para controle de velocidade)

são dispositivos projetados para fornecer a posição (angular ou

linear) de um eixo, ferramenta, etc. São divididos em duas gran-

des categorias: os Relativos (também chamados de Incremental)

e os Absolutos.

O sistema de leitura de um encoder (Fig. 73) é baseado

em um disco (rotativo), formado por janelas radiais transparen-

tes e opacas alternadas. O disco é iluminado perpendicularmen-

te por uma fonte de luz infravermelha, quando então, as ima-

gens das janelas transparentes são projetadas no receptor. O re-

ceptor converte essas janelas de luz em pulsos elétricos.

Fig. 73 – Sistema de leitura do encoder rotativo.





9.3. ENCODERS INCREMENTAIS

Este tipo de encoder determina sua posição pela con-

tagem dos pulsos transmitidos ao longo do tempo. Têm discos

perfurados ou com ranhuras, distribuídas igualmente pela cir-

cunferência normalmente dividida em 2, 4, 36, 180, 360, 720,

1000, 1024, 1800, 3000 ou mais partes iguais. Existe um sen-

sor óptico que lê as ranhuras (Fig. 73).

A vantagem do encoder relativo é sua construção

simples e compacta e a desvantagem é a de ter de girar o eixo

até a posição de referência para a partir daí determinar a posi-

ção, daí o seu nome relativo. Existem encoders relativos linea-

res (Fig. 74), que são usados no lugar das réguas potenciomé-

tricas.

Fig. 74 – Sistema de leitura do encoder linear.

O encoder incremental fornece normalmente dois pul-

sos quadrados defasados em 90º, (Canal A e Canal B). A leitu-

ra de um único canal fornece a velocidade, enquanto que a de

dois canais fornece também o sentido de giro. A perfuração de

referência (Zero do encoder), fornece um pulso quadrado em





fase e de mesma largura do canal A (Fig. 75).

Fig. 75 – Sinais de saída do encoder.

A resolução do encoder incremental é dada por pulsos

por revolução (PPR), isto é, o encoder gera uma certa quantida-

de de pulsos elétricos por uma revolução dele próprio (no caso

de um encoder rotativo – Fig. 76). Para determinar a resolução

basta dividir o número de pulsos por 360º, por exemplo, um en-

coder fornecendo 1024 pulsos por revolução, geraria um pulso

elétrico a cada 0,35º mecânicos.

Fig. 76 – Disco de um encoder óptico.

Como dito anteriormente, para determinar a quantidade

de movimento executada por um motor, uma única fileira de

furos é suficiente. Porém, para determinar a direção da rotação,

precisa-se de duas fileiras de furos no disco (Fig. 76). Para de-





monstrar o método utilizado para determinar o sentido de rota-

ção, considere os sinais recebidos de dois detectores de luz, em

quatro passos (Tab. 1).

Tab. 1 – Sinais luminosos pelo disco (Fig. 77).

Passo Externo Interno

1 LUZ ESCURO

2 LUZ LUZ

3 ESCURO LUZ

4 ESCURO ESCURO

Os detectores de luz transformam os estados de luz e

escuro em sinais elétricos digitais. Luz é codificada como “0”

lógico e escuro como “1” lógico. Como resultado, quando o dis-

co é movimentado no sentido anti-horário, o processador recebe

uma série de sinais elétricos (Tab. 2).

Tab. 2 – Movimento anti-horário.Passo Externo Interno

1 0 1

2 1 1

3 1 0

4 0 0

Quando o movimento for no sentido horário, a série de

sinais elétricos será como descrito na Tab. 3.

Tab. 3 – Movimento horário.

Passo Externo Interno

1 0 1

2 0 0

3 1 0

4 1 1





Na Fig. 76 é possível observar que o disco possui dois

anéis concêntricos de furos. Cada par de furos (anel interno e

anel externo) compõe uma unidade de contagem. O disco mos-

trado possui 6 pares de furos e desta forma 6 unidades são con-

tadas a cada rotação completa do disco. Assim pode-se deduzir

que a resolução é a circunferência do disco (em graus) dividida

pelo número de pares de furos (pulsos).

nS

o

360=(9.1)

onde S→ resolução do encoder;

n→ número de pares de furos.

9.4. ENCODERS ABSOLUTOS

O encoder absoluto possui um importante diferencial

em relação ao encoder incremental, sua posição é determinada

pela leitura de um código binário (código Gray – Fig. 77) e es-

te é único para cada posição. Quando o sistema é energizado,

sua posição é disponibilizada para o mesmo e, com isso, não se

precisa ir até a posição zero para iniciar a trabalhar.

Fig. 77 – Encoder absoluto.





O sincronismo e a aquisição da posição, no momento

da variação entre dois códigos, tornam-se muito difíceis. Por

exemplo, os números 7 (0111) e 8 (1000), têm variação de 0 pa-

ra 1 e de 1 para 0 em todos os bits, e uma leitura feita no mo-

mento da transição pode resultar em um valor completamente

errado. O código Gray (Fig. 77), cuja particularidade é a mu-

dança de um único bit na transição de um número para outro, é

extraído diretamente do disco (Tab. 4).

Tab. 4 – Relação entre decimal, binário e código Gray.Decimal Binário Gray

0 0000 00001 0001 00012 0010 00113 0011 00104 0100 01105 0101 01116 0110 0101

7 0111 01008 1000 11009 1001 1101

10 1010 111111 1011 111012 1100 101013 1101 101114 1110 100115 1111 1000

O número de anéis utilizados em um disco (Fig. 77)

define o grau de resolução do encoder. Quanto maior for esse

número de anéis, maior será o número de combinações possí-

veis dos sinais e maior será a resolução do dispositivo, se ele

tiver no seu disco 12 faixas para o código Gray, então terá 212

combinações possíveis perfazendo um total de 4096 combina-

ções. Pode-se melhorar a resolução de um encoder absoluto





simplesmente pelo aumento do número de divisões radiais do

disco (Fig. 78).

Fig. 78 – Incremento da resolução do encoder.

Na Fig. 79 observa-se que a resolução do encoder é

uma relação entre o número de anéis e o comprimento da cir-

cunferência (em graus) e pode ser expressa por:.

nS

o

2

360=

(9.2)

onde S→ resolução do encoder;

n→ número de anéis.

Na verdade, não existe um encoder que seja ideal para

todas as aplicações; cada caso é um caso, e na maioria o encoder

mais utilizado é o incremental, pois não é tão caro e abrange

quase todas as necessidades. Mas existem aplicações onde so-

mente o encoder absoluto é recomendado.





10 – MOTOR DE PASSO

10.1. INTRODUÇÃO

A crescente popularidade dos motores de passo (Fig.

79) se deve à total adaptação desses dispositivos à lógica digi-

tal. Vários periféricos de computadores os usam em inúmeras

aplicações, como mesas gráficas, unidades de disco, plotters e

etc. Não só na Informática, mas também na Robótica esses mo-tores estão sendo cada vez mais usados, em sistemas de movi-

mentação de braços mecânicos e etc. Com o auxílio desses mo-

tores, podem-se criar interfaces entre o cérebro (CPU) e o mo-

vimento mecânico, constituindo, em suma, a chave para a Ro-

bótica.

Fig. 79 – Motor de passo.

Os motores CC possuem apenas dois estágios de opera-

ção, ou seja, parado ou girando; enquanto os motores de passo

deslocam-se por impulsos ou passos discretos e exibem três es-

tágios: parado, ativado com rotor travado (bobinas energizadas)

ou girando em etapas. Este movimento pode ser brusco ou sua-





ve, dependendo da freqüência e amplitude dos passos em rela-

ção à inércia em que ele se encontre.

Os motores podem ser usados em circuitos abertos, ouseja, sem qualquer realimentação de controle normalmente pro-

porcionada por potenciômetros, codificadores, geradores taco-

métricos e assim por diante, evitando com isso, os problemas

encontrados nesses sistemas, como instabilidade e ultrapassa-

gem (overshoot), podendo substituir os servomotores CC con-

vencionais.

10.2. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

Normalmente os motores de passo são projetados

com enrolamento de estator polifásico o que não foge muito

dos demais motores. O número de pólos é determinado pelo

passo angular (Fig. 80) desejado por pulsos de entrada.

Fig. 80 – Ângulo de passo.

Os motores de passo têm alimentação externa. Con-

forme os pulsos na entrada do circuito de alimentação, este o-





ferece corrente aos enrolamentos certos para o deslocamento

desejado. A rotação não só tem uma relação direta ao número

de pulsos, mas sua velocidade é relacionada à freqüência dos

mesmos.

Entre cada passo, o motor pára na posição (com sua

carga) sem a ajuda de embreagens ou freios. Assim, um motor

de passo pode ser controlado de uma forma que faz ele girar

um certo número de passos, produzindo um movimento mecâ-

nico por uma distância específica, e então ele segura a sua car-

ga quando pára. Além disso, ele pode repetir a operação quan-

tas vezes se desejar.

Com a lógica apropriada, os motores de passo podem

ser bidirecionais, síncronos, prover aceleração rápida, parar,

reverter e conectar-se facilmente com outros mecanismos digi-

tais. Eles são caracterizados mais adiante como tendo baixa

inércia de rotor, nenhum vento e um erro de posicionamento

não cumulativo.

As bobinas que envolvem o estator do motor de passo

quando submetidas a uma tensão, o campo magnético induzido provoca um movimento de rotação do rotor até se atingir um

ponto de equilíbrio. O rotor é constituído por um material

magnetizado de forma permanente.





10.3. MODOS DE OPERAÇÃO

Há três modos de excitação comumente usados: passocompleto 1, passo completo 2 e meio-passo.

10.3.1. PASSO COMPLETO 1

Neste modo de operação, o motor é operado com só

uma fase energizada de cada vez (Fig. 81). Este modo só deve

ser usado onde o torque e a velocidade não são importantes,

por exemplo onde o motor é operado a uma velocidade fixa e

com condições de carga bem definidas. Este modo requer me-

nor quantia de potência do que os demais modos de excitação.

Fig. 81 – Passo completo 1.

A seqüência de pulsos que deve ser enviada ao motor

é vista na Fig. 82. Se os pulsos forem aplicados na ordem dire-

ta, o motor irá girar no sentido horário e no anti-horário quan-





do a seqüência for invertida.

Fig. 82 – Seqüência de pulsos para passo completo 1.

10.3.2. PASSO COMPLETO 2

Este modo é onde o motor é operado com as fases e-

nergizadas duas de cada vez (Fig. 83). Este modo proporciona

bom torque e velocidade com poucos problemas de ressonância.

Excitação dual, provê aproximadamente 30 a 40% mais torqueque a excitação única, mas também requer o dobro de potência

da fonte.

Fig. 83 – Passo completo 2.

A seqüência de pulsos que deve ser enviada ao motor





Fig. 85 – Seqüência de pulsos para meio-passo.

10.4. TIPOS DE MOTORES DE PASSO

O tipo do motor de passo está diretamente associado à

forma como seu rotor é constituído e podem ser de três tipos

básicos: relutância variável, imã permanente e híbrido.

10.4.1. RELUTÂNCIA VARIÁVEL

Apresenta um rotor com várias polaridades feito com

ferro doce e um estator laminado. Eles geralmente operam comângulos de passo de 5 a 15 graus, a taxas de passo relativamen-

te altas e, por não possuir imã, quando energizado apresenta

torque estático nulo.

Na Fig. 86, quando fase A é energizada, quatro dentes

de rotor se alinham com os quatro dentes do estator da fase A

através de atração magnética. O próximo passo é dado quando





Fig. 87 – Motor de imã permanente.

10.4.3. HÍBRIDO

Combinando as características dos motores de relu-

tância variável com as de imã permanente, o motor híbrido tem

algumas das características desejáveis de cada um. Têm alto

torque, não apresenta torque estático nulo e podem operar emvelocidades de passo altas.

Normalmente, eles têm ângulos de passo de 0,9 a 5

graus. Geralmente são providos de pólos que são formados por

dois enrolamentos, de forma que uma fonte única pode ser u-

sada. Se as fases são energizadas uma de cada vez, na ordemindicada, o rotor giraria em incrementos de 1.8 graus. Este mo-

tor também pode ser controlado de forma a usar duas fases de

cada vez, para obter maior torque, ou alternadamente, ora uma

ora duas fases de cada vez, a fim de produzir meio-passos ou

incrementos de 0,9 grau.





10.5. CLASSIFICAÇÃO

10.5.1. UNIPOLARES

Motores de passo unipolares são caracterizados por

possuírem uma derivação central entre o enrolamento de suas

bobinas. Normalmente utiliza-se esta derivação para alimentar o

motor, que é controlado aterrando-se as extremidades dos enro-

lamentos. As derivações das bobinas podem ser separadas ou

conectadas juntas numa única fonte (Fig. 88).

Fig. 88 – Motores unipolares a 5 fios e a 6 fios.

10.5.2. BIPOLARES

Diferentes dos unipolares (Fig. 89), os motores bipola-

res exigem circuitos mais complexos. A grande vantagem em se

usar os bipolares é prover maior torque, além de ter uma maior

proporção entre tamanho e torque. Fisicamente os motores têm

enrolamentos separados, sendo necessário uma polarização re-

versa durante a operação para o passo acontecer. Em seguida

vemos uma ilustração do motor bipolar.





Fig. 89 – Motor bipolar (4 fios).

10.6. CONTROLE

Os motores de passo unipolares (Fig. 88) são controla-

dos facilmente através de um transistor apenas por enrolamento,

enquanto nos bipolares (Fig. 89) são necessários quatro transis-

tores em ponte. É possível, nesse segundo, utilizar-se apenasdois transistores por enrolamento, desde que a fonte seja simé-

trica, o que complicaria um pouco o circuito. Mas, em ambos os

casos, uma lógica de controle é exigida para que o motor possa

girar corretamente.

Uma outra opção para se comandar esses motores é a-

través de circuitos lógicos discretos que comandarão os transis-

tores de saída e esses as bobinas do motor. Existem, no mercado

alguns CIs específicos para o comando de motores de passo, tais

como o, o par, o e, e mais alguns.

¾ SAA 1027;

¾ L297 /L298;





¾ TL376;

¾ ULN2002 – ULN2005 (série).

A Fig. 90 apresenta um esquema acionamento de ummotor de passo e a Fig. 91 mostra algumas aplicações típicas

com este tipo de motor.

Fig. 90 – Utilizando um driver darlington.

Fig. 91 – Aplicação prática.






10.7.1.





10.7.2.





10.7.3.





10.7.4.





10.7.5.

The CS4161 is a Stepper Motor Driver that implements an H–Bridge design in order to drive two coils

in an eight step sequence per revolution in the divide by 1 mode; 16 step sequence in the divide by 2

mode. The H–Bridge is capable of delivering 85 mA to the load.

The sequencer insures that the odometer is monotonic. This sequencer is configured such that simulta-

neous conduction does not occur. Before each successive output sequence the part is taken through a

state where both outputs are turned off individually. This tends to minimize the inductive kick back

energy that the part must absorb. On chip clamp diodes are across each output to protect the part from

the kick back energy that it must absorb.





11 – SERVOMOTOR

11.1. INTRODUÇÃO

Os servos motores são originalmente utilizados nos ae-

romodelos para acionarem os flaps das asas ou outros dispositi-

vos dos modelos.

Os servos motores têm sido usados na indústria de ae-

romodelos com controle remoto (do inglês Remote Control ou

R/C ) por muitos anos. Os servos motores são uma forma efici-

ente de mover precisamente coisas leves como dispositivos ro-

bóticos. Eles são úteis porque são pequenos, compactos e razoa-

velmente baratos em função do que eles contêm e podem fazer.

Um servo motor consiste de um pequeno motor, de um conjunto

de engrenagens, de um potenciômetro e alguns controles eletrô-

nicos (Fig. 92).

Fig. 92 – Componentes de um servo motor.

O motor gira com velocidade variável e é acoplado a

um conjunto de engrenagens (redutoras) que converte a alta ve-

locidade do motor em algo que seja mais útil para os nossos

propósitos. Originalmente, o servo permite movimentos de até





180 graus, a não ser que se mude a estrutura dele para fazer gi-

ros contínuos. Quando você reduz a velocidade do motor atra-

vés de um caixa de redução, você ganha em torque (força de gi-

ro).

11.2. SISTEMA DE CONTROLE

O sistema de servo motor é constituído de um servo-

controlador ou servo-amplificador e de um motor. Descreve-

remos separadamente cada uma destas duas partes, bem como

suas particularidades e características.

11.2.1. CONTROLE ANALÓGICO

Uma das primeiras tecnologias utilizadas para contro-

le de um servossistema (Fig. 93). Trata-se de executar o con-

trole, enviando um sinal de tensão (-10 a 10V) ou um sinal decorrente (4 a 20mA). Este sinal é tratado através de uma malha

de controle de posicionamento ou velocidade, a fim de execu-

tar o controle do motor.

Fig. 93 – Controle analógico.

Nesta configuração de controle, a malha é fechada a-

través do controlador, ou seja sinal de feedback de posição ou





velocidade não é lido diretamente pelo servo conversor.

11.2.2. CONTROLE POR BLOCOS DE POSICIONAMENTO

Uma tecnologia bastante difundida atualmente, prin-cipalmente se aliada a um controle executado por um CLP. A

malha de posicionamento é fechada diretamente no servo con-

versor, ou seja, o sinal de feedback é lido diretamente pelo ser-

vo conversor, não cabendo ao sistema de controle, executar o

controle PID de posicionamento.

Neste sistema, são escritos blocos de posicionamento,

onde são especificados os seguintes parâmetros:

¾ Tipo de posicionamento (absoluto ou incremental);

¾ Posição;

¾ Velocidade;

¾ Aceleração.

Estes blocos, podem ser escritos via porta serial, ou através de

protocolos de comunicação como Profibus, DeviceNet, etc.

11.2.3. CONTROLE DIGITAL

Este sistema de controle (Fig. 94) é bastante utilizado

em máquinas CNC. Os servos conversores são interligados a-

través de um barramento digital para transmissão e recepção

de dados através de um protocolo de comunicação proprietá-

rio.





Fig. 94 – Controle digital.

Através deste barramento o trafega o valor digital

proporcional ao valor de velocidade desejada. O servo conver-

sor interpreta este dado e atua sobre o motor. O feedback atual

de posição ou velocidade é lido diretamente pelo servo con-

versor, que neste caso envia o valor lido através do barramen-

to.

11.2.4. FUNCIONAMENTO

O potenciômetro é acoplado a última engrenagem. Asua resistência é proporcional à posição do braço do servo

(Fig. 95). Esta resistência é usada pelo controle eletrônico para

gerar um sinal de erro quando a posição desejada não é a mes-

ma da posição atual.

Fig. 95 – Esquema de controle do servo motor.

Se for enviado um comando ao servo para posicionar o braço a





90 graus e o braço está a 45 graus, um sinal de erro movimenta-

rá o motor até que o sinal seja zero e se estiver a 180 graus, um

sinal de erro para a polaridade oposta será gerado e o motor vol-

tará na direção oposta para trazer o braço de volta a 90 graus.

A quantidade de potência aplicada ao servo é

proporcional ao seu deslocamento angular. Portanto,

se o eixo necessita se movimentar de um ângulo mui-

to grande, o servo o fará com velocidade máxima,

caso o angulo seja pequeno, o motor percorrerá em

uma velocidade mais baixa. Os servos têm 3 fios:

¾ Fio de alimentação (vermelho – 5 volts);

¾ Terra (preto – 0 volt);

¾ Controle (branco ou amarelo).

O de controle é o cabo pelo qual é enviado o sinal

(Fig. 96) indicando qual a posição de parada (de 0 a 180 graus)

ao servo motor. A Fig. 96 mostra exemplos de sinais de con-

trole comumente usados com servos motores.

Fig. 96 – Sinais de controle para um servo motor.





Os servos são controlados usando um sistema chama-

do Pulse Code Modulation (PCM ) ou Modulação de Código

de Pulso.

11.3. TORQUE

Torque é à força de giro do servo, ou seja, quanto

mais torque, mais pesado será o objeto que o servo pode mo-

ver. Um servo é um clássico exemplo de um sistema de volta

fechada, ou seja, ela pára quando termina uma meia volta.

Os servos motores são muito úteis em robóti-

ca. Os motores são pequenos e possuem um circuito

de controle, interno, extremamente poderoso, quando

comparado ao seu tamanho. Um servo padrão, como

por exemplo o modelo Futaba-148, possui em torno

0,29 N-m de torque, o que é bastante para um servo

com dimensões de em torno de 4 x 4 x 2 cm3. Possuem

um circuito de controle interno, um motor DC e um

potenciômetro, conectado a seu eixo de saída.

11.4. SERVO AC X DC

• AC

1. Tem maior vida útil do que o DC. Podem durar por um

período de 20 mil horas ou mais.

2. Dificilmente precisam de manutenção, por não

possuirem escovas.

3. Produzem poucos ruídos.

curso analógico de circuitos

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