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...................................................................05
2. 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...............................................16
2.4.7. 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 ..............................................................21
3.1. 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. Dados de Componentes...................................................28
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 ......................................................35
4.5.3. 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................................................................39
5.3. 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. Dados de Componentes...................................................48
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......................................................59
6.6. Pontes na Prática .............................................................60
6.7. Dados de Componentes...................................................61
6.7.1. Ponte H – L293......................................................61
iv
7. Modulação por Largura de Pulso - PWM .................................63
7.1. 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. Dados de Componentes...................................................72
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..................................................81
8.4.4. 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...................................................87
8.5.1. 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 ..........................................................105
10.4. 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 .................................................................109
10.5.1. 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 ...........................................................................122
11.4. 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 ..........................................04
Fig. 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 ...................................................21
Fig. 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...................................26
Fig. 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 .................................................................52
Fig. 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 ..................................................54
Fig. 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 ................................81
Fig. 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 ..............................84
Fig. 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 ...........................................................104
Fig. 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 ............................109
Fig. 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
01 - PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO (PCI)
1.1. TIPOS DE PLACAS
Atualmente, as placas de circuito impresso são classificadas quanto ao número de “faces”, ou seja, o número de camadas 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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
2
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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
GETIN
Componentes com Radiadores → Laterais (propagação).
Prof. HENRIQUE
Pág.
3
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
4
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 ilhas 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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
5
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 perfeito.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
6
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
02 - USANDO A PORTA PARALELA DO PC
2.1. INTRODUÇÃO
A porta paralela é uma interface de comunicação entre
o computador e um periférico. Quando a IBM criou seu primeiro PC (Personal Computer ou Computador Pessoal), a idéia era
conectar a essa porta uma impressora, mas atualmente, são vários os periféricos que se utilizam desta porta para enviar e receber dados para o computador (Ex.: scanners, câmeras de vídeo, unidade de disco removível e outros).
As linguagens de programação como: C; C++; C++
Builder, Pascal; Delphi e VB; podem ser utilizadas para o desenvolvimento de programas que controlem aparelhos conectados 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 causar danos irreparáveis ao seu computador, seja coerente.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
7
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
2.2. CONECTORES
O conector que fica na parte de trás do gabinete do
computador é constituído por 25 pinos (conector MACHO) ou
furos (conector FÊMEA), sendo conhecido como conector DB25.
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 encontra 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 REGISTRADOR DE DADOS, REGISTRADOR DE STATUS
CONTROLE.
e REGISTRADOR DE
Os endereços relacionados aos registradores são:
¾
Dados – 378h;
¾
Status – 379h;
¾
Controle – 37Ah.
Fig. 13 – Conector DB25
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
8
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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
1
2 ao 9
10
11
12
13
14
15 ao 18
19 ao 30
31
32
33
34 ao 35
36
Descrição
Strobe
Dados (D0...D7)
Acknowledge
Busy
Paper End
Select Out
Auto Feed
NC
GND
Init
Error
GND
NC
Select In
Tab. 1 – Descrição dos pinos
2.3. MODOS DE OPERAÇÃO
A porta paralela pode ser configurada para operar em 3
modos distintos:
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
9
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 cabo, 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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
10
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
2.4. DADOS DE COMPONENTES
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
11
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
GETIN
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
Prof. HENRIQUE
Pág.
12
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
This series of plastic, medium−power silicon NPN transistors aredesigned for
use as audio amplifiers and drivers utilizingcomplementary or quasi complementary 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
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
13
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
This series of plastic, medium−power silicon PNP transistors aredesigned for
use as audio amplifiers and drivers utilizingcomplementary or quasi complementary circuits.
hFE = 40 (Mín) IC= 150 mADC
VCE(sat) = 1.0 VDC (Max) @ IC = 3.0 ADC
BD 136, 138, 140 are complementary with BD 135, 137, 139
TO–225 AA Package
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
14
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
CARACTERÍSTICAS:
High DC Current Gain
hFE = 250 (Typ) IC= 500 mADC
Low Collector–Emitter Saturation Voltage
VCE(sat) = 1.2 VDC (Max) @ IC = 3.0 ADC
TO–220 AB Package
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
15
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
CARACTERÍSTICAS:
High DC Current Gain
hFE = 250 (Typ)
Low Collector–Emitter Saturation Voltage
VCE(sat) = 1.5 VDC (Max) @ IC = 6.0 ADC
Monolithic Construction with Built–In Base–Emitter Shunt Resistors
TO–220 AB Package
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
16
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
CARACTERÍSTICAS:
High DC Current Gain
hFE = 2500 (Typ) IC= 4.0 ADC
Collector–Emitter Saturation Voltage
VCE(sat) = 2.0 VDC (Max) @ IC = 3.0 ADC
= 4.0 VDC (Max) @ IC = 5.0 ADC
TO–220 AB Compact Package
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
17
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
CARACTERÍSTICAS:
3-State Outputs Drive Bus Lines or Buffer Memory Address Registers
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 drivers,clock drivers, and bus-oriented receivers andtransmitters. The designer has a choice ofselected combinations of inverting andnoninverting outputs, symmetrical, active-lowoutput-control (G) inputs, and complementaryoutput-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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
18
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 implementationminimizes 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 effectively isolated.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
19
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
GETIN
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
Prof. HENRIQUE
Pág.
20
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
03 - CONVERSORES – DA E AD
3.1. INTRODUÇÃO
Os conversores são circuitos que transformam grandezas 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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
21
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
Os conversores digital-analógicos são consideravelmente mais simples que os analógico-digitais. Na realidade, vários tipos de conversores analógico-digitais usam conversores
digital-analógicos como parte do circuito. Portanto, estes últimos 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 utiliza 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 proporcional 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:
20 xD0 + 21 xD1 + 22 xD2 + 23 xD3
VS =
UREF
4
2
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
22
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 valores 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 estágios em escada é:
U REF
2n
Exemplo: Qual a resolução de um conversor em escada de 10
estágios? Se Uref for de 10 V, qual a diferença de tensão?
Fig. 19 – CI com DAC em escada.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
23
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
24
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 para
gerar 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 contador.
A desvantagem deste conversor está no tempo de resposta. Como o contador sempre começa em zero e realiza a contagem por meio de uma seqüência binária normal, podem ser
necessárias 2n contagens antes da conversão estar completa, onde “n” representa o número de bits do conversor.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
25
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 registrador 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 conversão sendo necessário para um sistema de “n” bits o tempo de
“n” períodos de clock.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
26
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
3.6. ADC POR COMPARADOR PARALELO
Tem como vantagem a velocidade de conversão extremamente 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 referência para qualquer comparador, este fornecerá em sua
saída um nível lógico alto.
3 – A saída do comparador é ligada a um codificador para
transformar essa saída nos dígitos binários correspondentes.
Fig. 24 – Rede de Codificação.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
27
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
28
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
GETIN
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
Prof. HENRIQUE
Pág.
29
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
These devices are 8-bit successive-approximation analog-to-digital converters. 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 differential inputs. The differential analog voltage input allows for common-mode rejection or offset of the analog zero input voltage value. In addition, the voltage
reference input can be adjusted to allow encoding any smaller analog voltage
span 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).
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
30
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 permaneça ligada por um intervalo de tempo pré-determinado e em outros 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 apresenta 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
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
31
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
excitação (sinal de desestabilização), a condição inicial (repouso) 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 FlipFlop’s.
Fig. 26 - Forma de onda biestável.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
32
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 utilizado 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, capacitores, transistores ou amplificadores operacionais) ou dedicados (dispositivos desenvolvidos e comercializados com essa finalidade).
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
33
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
O exemplo mais clássico de dispositivo semicondutor
especificamente projetado para tal finalidade é o CI 555. O circuito 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)
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
34
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 abaixo 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 nível baixo. O transistor de descarga passa ao corte e a saída do
circuito passa para nível alto.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
35
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 permanecendo 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 descarga estar saturado); e a entrada de disparo está a nível alto (através de R1).
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 R2.
Quando a tensão nos terminais do capacitor C1 atinge
2/3 de Ucc, a saída do comparador A1 aplica um nível alto na entrada Reset do flip-flop, obrigando a saída do flip-flop a assumir
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
36
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
um nível alto, o que dá origem à saturação do transistor e ao nível baixo na saída do circuito.
O tempo em que a saída do circuito permanece ativa é
dado pela expressão:
T ≅ 1,1R2 C1
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 descarga, como também comuta para nível alto a saída do circuito.
Em seguida, o capacitor C1 vai carregar-se, através de R1 em série com R2.
Ao atingir-se 2/3 de Ucc, a saída do comparador A1 passa para nível alto, forçando a saída do flip-flop a passar também
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
37
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
para nível alto, o que, por sua vez, provoca: a comutação da saída do circuito para nível baixo e a saturação do transistor de
descarga. Este estado do transistor permite a descarga do capacitor C1, através de R2. 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:
t1 = 0,693( R1 + R2 )C1
t 2 = 0,693R2 C1
T = t1 + t 2
t1
D=
T
onde T → período e D → ciclo de trabalho (duty cicle).
Atenção: Em ambos os casos, o valor do capacitor de acoplamento C2 é de 0,01 µF.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
38
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
05 - MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA
5.1. INTRODUÇÃO
Os motores de corrente contínua consistem na forma
mais usada de se converter energia elétrica em energia mecânica, 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 elétrica, 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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
39
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
Entre os pólos de um ímã em forma de ferradura colocamos uma bobina retangular que está presa em um eixo giratório.
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 contatos 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 magnético 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,
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
40
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 alcançar a sua posição de equilíbrio, e novamente os contatos comutadores 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 eixo, ela pode transferir para um meio exterior uma força, convertendo 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 explicado 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 corrente contínua miniatura semelhante aos encontrados em muitas
aplicações práticas tais como brinquedos, caixas de redução, toGETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
41
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 condutor de calor, tem um coeficiente de atrito bastante baixo.
Os pequenos motores encontrados nas aplicações práticas vão ter as bobinas dimensionadas de acordo com a corrente
que devem operar, e portanto com a potência do motor.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
42
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 então 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 alimentado com essa tensão, mas que podemos também usá-lo
com tensões menores quando desejar reduzir sua velocidade ou
sua potência.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
43
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 alimentamos com uma determinada tensão, dependerá do esforço ou
força que ele esteja fazendo naquele momento.
Um motor "rodando" em aberto, ou seja, sem carga alguma, exige muito pouca corrente. Essa corrente vai aumentando à medida que carregamos o motor, isto é, o obrigamos a fazer mais força.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
44
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 determinada 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 máximo especificado pelo fabricante.
Para pequenos motores de corrente contínua, a corrente
pode variar em regime normal de operação entre 50 mA e mais
de 3 A.
Evidentemente, quanto maior for a corrente maior será
a potência do motor.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
45
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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, podemos 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 potência, 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-
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
46
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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.
τ = F.d
Quando dizemos que um pequeno motor possui um torque 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 corrente, a velocidade com que o motor gira (que é medida em rotações por minuto ou rpm) depende da corrente, e portanto da carga ou esforço que ele está exercendo.
Em aberto, ou seja, quando o motor está com o eixo livre, sua velocidade pode chegar a milhares de rotações por minuto, caindo então à medida que ele vai tendo de exercer maior
esforço.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
47
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
Fig. 38 – Curva carga x velocidade.
Os fabricantes costumam especificar a velocidade de
seus motores para uma determinada carga.
5.4. DADOS DE COMPONENTES
5.4.1.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
48
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
5.4.2.
5.4.3.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
49
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
5.4.4.
5.4.5.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
50
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
06 - PONTES H
6.1. INTRODUÇÃO
Além de poderem controlar apenas um fluxo de corrente, 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 transistores têm polaridade certa para sua operação, deixando passar a corrente num sentido que depende do seu tipo. Desse modo, os transistores NPN e PNP devem ser polarizados de formas
diferentes.
Esse fato limita de certo modo o uso de um único transistor 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 semelhante aos relés e chaves reversíveis para se inverter a corrente numa carga não é impossível, e há diversas maneiras
de se fazer isso.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
51
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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, basta
retirar o sinal aplicado na base de Q1 e, agora, aplicá-la na baGETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
52
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
se de Q2 de modo que este transistor conduza. A corrente circulará pela carga fornecida pela bateria B2 e, se a carga alimentada 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 dupla, podemos dizer que os transistores estão alimentados, na
verdade, por circuitos diferentes. Podemos melhorar o circuito
usando transistores complementares.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
53
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 pode 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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
54
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
6.3. PONTE COMPLETA (FULL BRIDGE)
O circuito que vimos anteriormente tem como principal
limitação o fato de necessitar de uma fonte de alimentação dupla ou simétrica.
Uma maneira de se implementar um circuito capaz de
inverter o sentido de circulação numa carga usando apenas transistores 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 sature, esses transistores conduzirão.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
55
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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, bastará aplicar uma tensão que polarize os transistores Q2 e Q4 levando-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 conduzem simultaneamente.
No circuito indicado usamos transistores NPN apenas,
mas podemos fazer a mesma configuração empregando transistores PNP, ou ainda usando os dois tipos. Na verdade, usando
transistores NPN e PNP ao mesmo tempo temos a possibilidade
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
56
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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, assim, 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, é
conveniente 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 utilizar portas de circuitos integrados como inversores. Diversos cir-
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
57
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
cuitos integrados podem ser usados para essa finalidade como,
por exemplo, os 4001, 4011, 4093 e outros.
Duas portas desses circuitos funcionando como inversores podem a partir de um único sinal de comando (tensão positiva 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 baixo na entrada do primeiro inversor, sua saída irá ao nível alto e
com isso a saída do segundo inversor ao nível baixo.
Note que não é possível se ter à condição de que as saídas dos dois inversores sejam ao mesmo tempo alta e baixa, o
que nos levaria a uma condição "proibida” capaz de por em curto a alimentação através dos transistores, causando sua queima.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
58
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
Um ponto importante a ser observado em todos esses
circuitos é que a tensão que controla a carga e que, por conseguinte, 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 (ligando
ou 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
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
59
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 maneira de se reduzir essa perda é usar um relé no controle liga/desliga.
6.6. PONTES NA PRÁTICA
Na prática, as pontes devem ser utilizadas para controlar motores que drenam uma corrente considerável. Desse modo, se tivermos uma corrente de 500 mA, por exemplo, deveremos usar transistores de média potência como os BD135 e
BD136. Esses transistores têm um bom ganho e podem ser controlados por sinais fracos como os fornecidos diretamente pelas
saídas de inversores CMOS.
Se vamos controlar cargas de maior corrente com transistores 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 lógicas de integrados CMOS ou mesmo TTL.
Usando transistores como os TIP31/32, podemos con-
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
60
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 montados em radiadores de calor.
Outra solução para o controle de cargas de correntes intensas 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 cargas 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.
6.7. DADOS DE COMPONENTES
The L293 and L293D are quadruple high-current half-H drivers. The L293 is designed 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 highcurrent/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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
61
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
A VCC1 terminal, separate from VCC2, is provided for the logic inputs to minimize device power dissipation.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
62
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
07 - MODULAÇÃO EM LARGURA DE PULSO
7.1. INTRODUÇÃO
Recordando o que foi visto no capítulo anterior, os motores de corrente contínua são dispositivos cuja potência depende 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 assim a potência que ele consome.
Por outro lado, sob carga constante, a potência consumida 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 modificando-se a corrente que passa através dele por meio de algum tipo de dispositivo externo. Este tipo de controle em que
variamos linearmente a corrente aplicada numa carga ou a tensão é denominado controle linear de potência.
No entanto, os motores de corrente contínua têm uma
característica de inércia que impede que eles respondam a tensões muito baixas. Abaixo de certo valor de tensão que lhes seja
aplicado, eles simplesmente não têm torque suficiente para par-
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
63
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
tir e permanecem parados.
Fig. 50 – Característica de inércia.
Isso faz com que os controles lineares tenham uma resposta desigual em sua faixa de operação. O resultado desta resposta é que não conseguimos fazer com que eles partam de modo suave, mas sim aos "trancos" e não obtemos, com eficiência,
um controle preciso de baixa rotação.
Podemos resolver esse problema com um tipo de circuito que não controla a corrente no motor de forma constante,
mas sim através de pulsos que mantêm um controle sobre a média da corrente. Este tipo de controle é que passaremos a analisar 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 tensão que lhe seja aplicada, uma vez que é a diminuição da tensão que nos leva ao problema de controle em baixas rotações?
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
64
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
Para esta pergunta existe uma resposta simples. Podemos variar a intensidade média da corrente no motor se o
alimentarmos com pulsos e controlarmos a duração desses pulsos.
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 circulará uma corrente média que corresponde à metade da máxima,
que é aquela que circula quando ele recebe 6 V. O motor, nessas 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 pulsos, ou seja, mantivermos o elemento que liga e desliga mais
tempo ligado do que desligado, o motor receberá alimentação
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
65
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 faixa 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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
66
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 pequenas, a corrente pelo breve instante em que o pulso está presente 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 pulsos, 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 semicondutor 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 corrente é zero não há dissipação de calor. Da mesma forma, quando o
transistor liga e vai à saturação para conduzir a corrente máxima, sua resistência é praticamente zero e a potência que ele dissipa 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
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
67
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 equivalente 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 transição rápida de estado desses componentes gera transientes e sinais de altas freqüências que são responsáveis por interferências
eletromagnéticas (EMI). Essas interferências podem afetar aparelhos que operem com sinais de rádio e que estejam nas proximidades.
Para evitar estas interferências pode ser necessário empregar filtros ou outros recursos que evitem sua propagação. Esse mesmo efeito pode causar instabilidade em circuitos de controle do mesmo aparelho, os quais devem ser providos de recursos para que se tornem imunes a EMI.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
68
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 freqüência 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 positivos diminuindo ao mesmo tempo a duração dos pulsos negativos, teremos a predominância de tensões positivas aplicadas no
motor e ele passará a girar no sentido que esses pulsos determinam.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
69
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
Quanto maior for à largura dos pulsos positivos em relação aos negativos, maior será a tensão média positiva no motor 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 será 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 intensidade máxima nos dois sentidos, mesmo estando o motor parado.
Do mesmo modo, qualquer que seja a velocidade do
motor em um sentido ou no outro, a potência aplicada se mantém constante, pois na média, as larguras dos dois pulsos somadas se mantém.
Por estas características, esse tipo de controle só se aplica 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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
70
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 rotação 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 qualquer tipo e a ponte H pode ser uma das que vimos anteriormente.
A vantagem desse circuito está no fato de que as potências 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 nos
controles lineares e anti-fase.
A grande maioria dos controles práticos de velocidade
e sentido usam esta configuração.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
71
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
7.5. DADOS DE COMPONENTES
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
72
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 variáveis não se apresentam unicamente sob dois estados, variam
sobre uma grande escala de valores, necessitando assim de cuidados adicionais na sua obtenção e no seu tratamento. As informações podem dizer se há presença ou ausência de algo bem
como se dar à variação ao longo do tempo.
Portanto, um sistema automatizado necessita invariavelmente de informações sobre o mundo que o cerca, pois só
assim poderá decidir adequada e rapidamente ao estímulo. Desta maneira as cargas podem ser acionadas na ordem preestabelecida ou seguirem uma ordem aleatória tudo isso em concordância com a seqüência de eventos que ocorrem externamente.
Os elementos responsáveis diretos pela coleta das informações são os denominados sensores.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
73
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
8.2. SENSORES
O sensor é um dispositivo que recebe um sinal – estímulo – e responde através de um sinal elétrico. Entende-se como estímulo a quantidade, propriedade ou condição que é detectada 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 através 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 a
temperatura e a grandeza física do elemento sensor, que varia
proporcionalmente com a variação da temperatura, é o seu volume, 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 grandezas. Portanto, seleciona-se cada sensor de acordo com sua possível localização e com o tipo de função a realizar. Além da análise do valor dos dispositivos, temos que estudar a adequação
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
74
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
dos sensores, a fim de evitar gastos desnecessários com manutenção e trocas devidas à especificação inadequada.
O sistema de alarme é um exemplo típico e atual de utilização 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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
75
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
O termo sensor não deve ser confundido com transdutor. Este último converte um tipo de energia em outro, enquanto
que o primeiro converte qualquer tipo de energia em energia elétrica. Por exemplo, um alto-falante é um transdutor, mas não é
um sensor.
8.3. TRANSDUTORES
Todos os elementos sensores são denominados transdutores. 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 denominado medidor.
A maioria dos medidores, como os de painéis de automóveis, barcos e aviões, registra uma grandeza elétrica proporcional à variação da grandeza que está sendo indicada pelo sensor – a grandeza controlada.
As grandezas elétricas que apresentam variações proporcionais às grandezas que estão sendo “sentidas” e indicadas
pelos sensores são:
¾
Corrente elétrica;
¾
Tensão elétrica;
¾
Resistência elétrica.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
76
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
Essas grandezas são utilizadas normalmente, pois a
maioria dos medidores e elementos de controle que utilizam estas informações é capaz de ler os sinais sem dificuldade.
Os transdutores estão vinculados aos sistemas de controle. O sistema de controle é um processo acionado por um dispositivo de controle, que determina o resultado desejado e, ao
longo do tempo, indica o resultado obtido e corrige sua ação para 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 sensores para identificar a distância do resultado desejado e corrigir
suas ações para alcançá-lo.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
77
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
Malha aberta é um sistema em que o controle ocorre
sem que haja uma amostragem do resultado ao longo do processo, ou seja, sem utilização de sensores; é como se caminhássemos com os olhos fechados, acreditando já conhecer o caminho.
É cada vez menor o número de sistemas em malha aberta, em virtude da crescente necessidade de se obter resultados 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 sensores indicam ao computador o que já foi processado do material
em produção, de forma que o computador possa controlar a velocidade de operação dos mecanismos.
8.4. MEDIDAS ANALÓGICAS E DIGITAIS
Como existem sinais analógicos e sinais digitais a serem controlados num sistema, os sensores também devem indicar 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 digital. 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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
78
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 deslocamento, desde a posição de partida até a posição final.
A variedade de sensores é grande. O mercado tem sensores 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 sinal é enviado pelo receptor de luz ao controlador e este tomará
as decisões adequadas a cada tipo de trabalho.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
79
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 de
matéria 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 controlador 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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
80
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 importante nesse tipo de aplicação.
8.4.4. SENSORES ULTRASSÔNICOS
O ultra-som (Fig. 61) é um sensor eletrostático que emite 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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
81
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 dispositivos 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).
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
82
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 temperatura. 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. Utilizando-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 bimetálica (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, como
os de frigorífico.
Fig. 65 – Sensor de temperatura bimetálico (termistor).
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
83
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 temperatura – e NTC (Coeficiente Negativo de Temperatura) – a resistência diminui com o aumento de temperatura. A Fig. 66 apresenta a curva característica destes dispositivos.
Fig. 66 – Curva característica dos termistores (UFRGS/LMM).
Como há passagem de corrente elétrica pelos termistores, 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 acordo 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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
84
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 comportamento. Nesse caso é aconselhável calcular a corrente que passará 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 configurações.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
85
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
86
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
8.5. DADOS DE COMPONENTES
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 linearization 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 supply.
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 offers
a cost effective solution when interfacing to an ADC.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
87
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
The TMP01 is a temperature sensor which generates a voltage output proportional to absolute temperature 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 linearity. 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).
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
88
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
GETIN
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
Prof. HENRIQUE
Pág.
89
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
Para enviar comandos para o display, deve ser enviado o valor 254 antes de qualquer
outro.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
90
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
GETIN
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
Prof. HENRIQUE
Pág.
91
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
09 – CONTROLE DE POSIÇÃO
9.1. INTRODUÇÃO
O encoder é sem dúvida nenhuma um dos equipamentos mais usados em automação industrial, pois com ele consegue-se converter movimentos angulares e lineares em informações úteis ao processo.
O encoder é um transdutor que converte um movimento angular ou linear em uma série de pulsos digitais elétricos.
Esses pulsos gerados podem ser usados para determinar velocidade, 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 elétricos;
¾ Medição das grandezas acima mencionadas de forma direta ou indireta.
Fig. 72 – Encoder rotativo.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
92
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
9.2. FUNCIONAMENTO
Os Encoders (às vezes confundidos com os tacosgeradores 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 grandes 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 transparentes e opacas alternadas. O disco é iluminado perpendicularmente por uma fonte de luz infravermelha, quando então, as imagens das janelas transparentes são projetadas no receptor. O receptor converte essas janelas de luz em pulsos elétricos.
Fig. 73 – Sistema de leitura do encoder rotativo.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
93
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
9.3. ENCODERS INCREMENTAIS
Este tipo de encoder determina sua posição pela contagem dos pulsos transmitidos ao longo do tempo. Têm discos
perfurados ou com ranhuras, distribuídas igualmente pela circunferência normalmente dividida em 2, 4, 36, 180, 360, 720,
1000, 1024, 1800, 3000 ou mais partes iguais. Existe um sensor 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 posição, daí o seu nome relativo. Existem encoders relativos lineares (Fig. 74), que são usados no lugar das réguas potenciométricas.
Fig. 74 – Sistema de leitura do encoder linear.
O encoder incremental fornece normalmente dois pulsos quadrados defasados em 90º, (Canal A e Canal B). A leitura 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
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
94
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 quantidade 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 encoder 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-
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
95
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
monstrar o método utilizado para determinar o sentido de rotação, 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 disco 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
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
96
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 mostrado possui 6 pares de furos e desta forma 6 unidades são contadas 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).
360 o
S=
n
(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 este 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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
97
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 para 1 e de 1 para 0 em todos os bits, e uma leitura feita no momento da transição pode resultar em um valor completamente
errado. O código Gray (Fig. 77), cuja particularidade é a mudança 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
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Binário
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
Gray
0000
0001
0011
0010
0110
0111
0101
0100
1100
1101
1111
1110
1010
1011
1001
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 possíveis 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 combinações. Pode-se melhorar a resolução de um encoder absoluto
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
98
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 circunferência (em graus) e pode ser expressa por:.
360o
S=
2n
(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 somente o encoder absoluto é recomendado.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
99
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 digital. 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 motores estão sendo cada vez mais usados, em sistemas de movimentação de braços mecânicos e etc. Com o auxílio desses motores, podem-se criar interfaces entre o cérebro (CPU) e o movimento mecânico, constituindo, em suma, a chave para a Robótica.
Fig. 79 – Motor de passo.
Os motores CC possuem apenas dois estágios de operação, ou seja, parado ou girando; enquanto os motores de passo
deslocam-se por impulsos ou passos discretos e exibem três estágios: parado, ativado com rotor travado (bobinas energizadas)
ou girando em etapas. Este movimento pode ser brusco ou sua-
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
100
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
ve, dependendo da freqüência e amplitude dos passos em relação à inércia em que ele se encontre.
Os motores podem ser usados em circuitos abertos, ou
seja, sem qualquer realimentação de controle normalmente proporcionada por potenciômetros, codificadores, geradores tacométricos e assim por diante, evitando com isso, os problemas
encontrados nesses sistemas, como instabilidade e ultrapassagem (overshoot), podendo substituir os servomotores CC convencionais.
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. Conforme os pulsos na entrada do circuito de alimentação, este oGETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
101
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 mecânico por uma distância específica, e então ele segura a sua carga quando pára. Além disso, ele pode repetir a operação quantas 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 digitais. 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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
102
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
10.3. MODOS DE OPERAÇÃO
Há três modos de excitação comumente usados: passo
completo 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 menor 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 direta, o motor irá girar no sentido horário e no anti-horário quan-
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
103
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 energizadas 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 torque
que 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
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
104
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
é vista na Fig. 84. Se os pulsos forem aplicados na ordem direta, o motor irá girar no sentido horário e no anti-horário quando a seqüência for invertida.
Fig. 84 – Seqüência de pulsos para passo completo 2.
10.3.3. MEIO PASSO
A excitação de meio-passo é a excitação única e dual
alternadas, que resulta em passos com a metade do tamanho de
um passo normal. Este modo dobra a resolução. O torque do
motor varia ao alternar o passo, isto é compensado pela necessidade de se usar um passo com metade do ângulo normal. Este
modo é totalmente livre de problemas de ressonância. Pode operar motores em uma grande faixa de velocidades e com quase
qualquer carga encontrada comumente.
A seqüência de pulsos que deve ser enviada ao motor
é vista na Fig. 85. Se os pulsos forem aplicados na ordem direta, o motor irá girar no sentido horário e no anti-horário quando a seqüência for invertida.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
105
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 com
ângulos de passo de 5 a 15 graus, a taxas de passo relativamente 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
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
106
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
a fase A é desligada e fase B é energizada fazendo o rotor girar
15 graus à direita. Continuando a seqüência, a fase C é energizada e depois a fase A novamente.
Fig. 86 – Motor de relutância variável.
10.4.2. IMÃ PERMANENTE
Os motores de passo a imã permanente diferem dos de
relutância variável pois têm rotores de material alnico ou ferrite sem dentes e magnetizado perpendicularmente ao eixo, devido a isto, o torque estático não é nulo. Energizando as quatro
fases em seqüência, o rotor gira, pois é atraído aos pólos magnéticos.
O motor mostrado na Fig. 87 dará um passo de 90
graus quando os enrolamentos ABCD forem energizados em
seqüência. Geralmente têm ângulos de passo de 45 ou 90 graus
a taxas de passo relativamente baixas, mas eles exibem torque
alto.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
107
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
Fig. 87 – Motor de imã permanente.
10.4.3. HÍBRIDO
Combinando as características dos motores de relutância 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 em
velocidades 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 usada. Se as fases são energizadas uma de cada vez, na ordem
indicada, o rotor giraria em incrementos de 1.8 graus. Este motor 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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
108
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 enrolamentos. 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 bipolares 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 reversa durante a operação para o passo acontecer. Em seguida
vemos uma ilustração do motor bipolar.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
109
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
Fig. 89 – Motor bipolar (4 fios).
10.6. CONTROLE
Os motores de passo unipolares (Fig. 88) são controlados facilmente através de um transistor apenas por enrolamento,
enquanto nos bipolares (Fig. 89) são necessários quatro transistores em ponte. É possível, nesse segundo, utilizar-se apenas
dois transistores por enrolamento, desde que a fonte seja simétrica, 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 através de circuitos lógicos discretos que comandarão os transistores 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;
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
110
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
¾ TL376;
¾ ULN2002 – ULN2005 (série).
A Fig. 90 apresenta um esquema acionamento de um
motor 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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
111
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
10.7. DADOS DE COMPONENTES
10.7.1.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
112
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
10.7.2.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
113
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
10.7.3.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
114
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
10.7.4.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
115
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
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 simultaneous 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.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
116
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
11 – SERVOMOTOR
11.1. INTRODUÇÃO
Os servos motores são originalmente utilizados nos aeromodelos para acionarem os flaps das asas ou outros dispositivos dos modelos.
Os servos motores têm sido usados na indústria de aeromodelos com controle remoto (do inglês Remote Control ou
R/C) por muitos anos. Os servos motores são uma forma eficiente de mover precisamente coisas leves como dispositivos robóticos. Eles são úteis porque são pequenos, compactos e razoavelmente 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 eletrônicos (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 velocidade do motor em algo que seja mais útil para os nossos
propósitos. Originalmente, o servo permite movimentos de até
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
117
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
180 graus, a não ser que se mude a estrutura dele para fazer giros contínuos. Quando você reduz a velocidade do motor através de um caixa de redução, você ganha em torque (força de giro).
11.2. SISTEMA DE CONTROLE
O sistema de servo motor é constituído de um servocontrolador ou servo-amplificador e de um motor. Descreveremos separadamente cada uma destas duas partes, bem como
suas particularidades e características.
11.2.1. CONTROLE ANALÓGICO
Uma das primeiras tecnologias utilizadas para controle de um servossistema (Fig. 93). Trata-se de executar o controle, enviando um sinal de tensão (-10 a 10V) ou um sinal de
corrente (4 a 20mA). Este sinal é tratado através de uma malha
de controle de posicionamento ou velocidade, a fim de executar o controle do motor.
Fig. 93 – Controle analógico.
Nesta configuração de controle, a malha é fechada através do controlador, ou seja sinal de feedback de posição ou
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
118
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
velocidade não é lido diretamente pelo servo conversor.
11.2.2. CONTROLE POR BLOCOS DE POSICIONAMENTO
Uma tecnologia bastante difundida atualmente, principalmente se aliada a um controle executado por um CLP. A
malha de posicionamento é fechada diretamente no servo conversor, ou seja, o sinal de feedback é lido diretamente pelo servo 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 através de um barramento digital para transmissão e recepção
de dados através de um protocolo de comunicação proprietário.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
119
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
Fig. 94 – Controle digital.
Através deste barramento o trafega o valor digital
proporcional ao valor de velocidade desejada. O servo conversor interpreta este dado e atua sobre o motor. O feedback atual
de posição ou velocidade é lido diretamente pelo servo conversor, que neste caso envia o valor lido através do barramento.
11.2.4. FUNCIONAMENTO
O potenciômetro é acoplado a última engrenagem. A
sua 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 mesma da posição atual.
Fig. 95 – Esquema de controle do servo motor.
Se for enviado um comando ao servo para posicionar o braço a
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
120
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
90 graus e o braço está a 45 graus, um sinal de erro movimentará 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 voltará 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 muito 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 controle comumente usados com servos motores.
Fig. 96 – Sinais de controle para um servo motor.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
121
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
Os servos são controlados usando um sistema chamado 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 mover. 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 robótica. 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 cm 3 . 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
possuirem escovas.
de
manutenção,
por
não
3. Produzem poucos ruídos.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
122
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
4. São muito eficientes, e não está constantemente exposto
ao aquecimento.
5. Resposta em alta velocidade (inércia pequena do rotor e
torque grande até a escala de alta velocidade.)
• DC
1. São pouco duradores, tendo tempo de vida útil por volta
de 3 mil a 5 mil horas.
2. A manutenção periódica é necessária para a verificação
e/ou troca das escovas.
3. Grande produtor de ruídos devidos aos contatos das
escovas.
4. Bastante eficiente , porém, com grandes perdas por aquecimento.
5. Pequeno torque, rotor com grande inércia.
GETIN
Prof. HENRIQUE
Pág.
123