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SIMULAÇÃO DE UM CIRCUITO RASTREADOR SOLAR COM O
MULTISIM®1
RESUMO
O presente trabalho mostra a implementação, a simulação e testes de um circuito eletrônico, que pode ser
utilizado em rastreadores solares (sun tracker). O circuito é simples, prático, funcional e utiliza apenas duas das
quatro portas de um único circuito integrado comparador, que juntamente com os demais componentes
eletrônicos utilizados são de fácil implementação no software de simulação e tem uma lógica de funcionamento
clara e objetiva, tornando-o especialmente indicado para fins didáticos. Além disso, todos os componentes
utilizados são de baixo custo, o que possibilita também a construção física do circuito em protoboard, sendo mais
um excelente recurso disponível para demonstração do potencial e realidade que representa as simulações para
fins de desenvolvimentos de circuitos.
Palavras-chave: Rastreador solar. Simulação de Circuitos. Amplificador Operacional.
ABSTRACT
This work shows the implementation, simulation and testing an electronic circuit that can be used in solar
trackers (sun tracker). The circuit is simple, practical, functional and uses only two of the four ports on a single
integrated comparator circuit, which together with the other components used are easy to implement in
simulation software and has an operating logic clear and objective, making especially suitable for teaching
purposes. Moreover, all components used are inexpensive, which also enables the physical construction of circuit
in the breadboard, more one excellent resource available for demonstrating the potential and reality for purposes
of the developments of electronic circuit simulations.
Keywords: Solar tracker; Circuit Simulation; Multisim®; Operational Amplifier
1. Introdução
A utilização de softwares na simulação de circuitos elétricos e eletrônicos analógicos, digitais
ou mistos, tanto com componentes discretos como com circuitos integrados (CI´s), tem se
tornado uma ferramenta de grande utilidade nos laboratórios industriais e, principalmente, na
área acadêmica.
Segundo DENISE et al [1] a parte prática, isto é, a abordagem experimental em um curso de
engenharia deveria ser amplamente explorada, o que é recomendado pelas Diretrizes
Curriculares Nacionais – DCNs – (MEC, 2002) [2] mas, nem sempre é o que acontece, seja
pela ausência de material apropriado ou pela quantidade excessiva de alunos dentro de uma
1
Antônio de Almeida Fernandes (Universidade Federal do Vale do São Francisco – UNIVASF- Juazeiro/BA,
email: [email protected]) Caiuby Alves da Costa (Prof. Adjunto - Universidade Federal da Bahia
– UFBA/PPGEE)
mesma sala, inviabilizando demonstrações. Outro aspecto importante a ser considerado é a
percepção do professor, quanto à dinamização da aula e uma maior interatividade com os
alunos, tentando dessa forma, tornar o processo ensino/aprendizagem mais eficiente e
prazeroso aumentando o aspecto motivacional.
De acordo com Petitto [4] o computador é um poderoso instrumento de aprendizagem e pode
ser um grande parceiro na busca do conhecimento, podendo ser usado como uma ferramenta
de auxilio no desenvolvimento cognitivo do estudante, desde que se consiga disponibilizar um
ambiente de trabalho, onde os alunos e o professor possam desenvolver aprendizagens
colaborativas, ativas, facilitadas, que propiciem ao aprendiz construir a sua própria
interpretação acerca de um assunto, interiorizando as informações e transformando-as de
forma organizada, ou seja, sistematizando-as para construir determinado conhecimento.
O projeto e desenvolvimento de circuitos usando os diversos simuladores existentes ajudam
os professores que passam a ter em mãos um “laboratório virtual”. Por outro lado, os alunos
dos cursos de graduação em engenharia elétrica e de áreas afins, que se valem desses recursos,
passam a entender o funcionamento dos circuitos e a interagirem com os mesmos,
desenvolvendo a área cognitiva de maneira surpreendente. Além disso, é importante que os
professores fiquem atentos em analisar circuitos simples e de importância prática, que permita
a percepção clara de sua aplicação por parte dos alunos e os desafiem a desenvolverem
projetos virtuais de maneira motivada.
Um dos simuladores de grande versatilidade é o Multisim® da National Instruments, que é um
programa de simulação com ênfase em circuitos Integrados – SPICE (sigla do inglês para
Simulated Program with Integrated Circuits Emphasis), ou seja, um ambiente virtual
avançado de grande utilidade para projeto e simulação de circuitos eletrônicos com poderosos
recursos de ensino e integração com hardware de laboratório.
Por outro lado, em função das necessidades de obtenção de energia elétrica de maneira limpa,
no presente momento há grande esforço para o desenvolvimento de tecnologias para auxiliar a
geração solar fotovoltaica otimizada. Nesta tarefa, um aspecto importante é que o máximo
rendimento de placas solares ocorre quando a radiação é perpendicular à sua superfície. Isso
levou ao desenvolvimento de vários tipos de engenhos mecânicos e circuitos eletrônicos que
mantem a placa solar ortogonal aos raios solares. Como a posição do sol varia ao longo das
horas do dia e também dos meses do ano, esse acompanhamento do sol é de fundamental
importância para atingir o máximo rendimento da placa ou do sistema solar. Vários tipos de
rastreadores foram desenvolvidos com essa finalidade tais como: Rastreador Horário,
Rastreador Microprocessado e o Rastreador por Incidência de Radiação.
Neste trabalho, portanto, realiza-se a simulação de um circuito eletrônico simples para
rastreamento da posição do sol, por incidência de radiação, de forma a manter uma placa solar
sempre perpendicular a este. O simulador utilizado foi o Multisim® da National Instruments,
na sua versão 13.0, cuja licença foi adquirida na versão estudante. Inicialmente mostra-se
como encontrar os diversos componentes necessários à montagem virtual do circuito
eletrônico e em seguida os testes e medições virtuais para avaliação da performance do
mesmo.
2. Materiais e Métodos
2.1.Circuito Analisado
No estudo aqui apresentado simula-se o circuito mostrado na Figura 1. Este circuito é um
rastreador solar baseado em resistores dependente de luz – LDR (sigla do inglês Light
Dependent Resistor), disponível gratuitamente em um site na internet.
Figura 1 - Circuito original
A lista dos componentes para a montagem do circuito estão descritos na Tabela 1.
T1, T3 = 2N6473
Transistores de junção
T2, T4 = 2N6475
Transistores de junção
A1, A2 = 1/2 de LM324
D1, D2, D3 e D4 =
Circuito integrado - Amplificador Operacional - AO
/comparador
Diodos semicondutores
1N4001
LDR1, LDR2
Resistores dependentes de luz
R1 (15kΩ x 1/4W)
Resistor de carbon
R2 (47kΩ x 1/4W)
Resistor de carbon
P1 (10kΩ)
Potenciômetro
P2 (100kΩ)
Potenciômetro
Tabela 1 - Lista de Componentes.
O circuito integrado LM324, cujo aspecto e diagrama elétrico estão mostrados na Figura 2, é
um amplificador operacional com quatro comparadores que provê, em cada um, uma saída em
tensão amplificada proporcional à diferença entre as entradas inversoras e não inversoras.
Figura 2. Aspecto e esquema do Operacional LM324D.
Fonte: Datasheet do AO LM324D
2.2.O simulador Multisim®
Conforme a Figura 3, o ambiente Multisim® tem uma área de trabalho virtual composta de
uma vasta biblioteca de componentes eletro/eletrônicos, conforme pode ser observado.
Figura 3 - Aspecto da tela inicial do Multisim®.
3. Montagem e simulação do circuito
O primeiro componente e mais importante é o Amplificador Operacional (AO) comparador
LM324. Na aba “Place analog” encontra-se vários AO disponíveis, conforme Figura 4.
Figura 4 - Botão “Place Analog do Multisim®
Ao clicar-se sobre este botão abre-se uma janela com todos componentes analógicos
existentes, conforme Figura 5.
Figura 5 - Janela para escolha do AO
Nessa janela escolhe-se o LM324. Ao clicar-se em OK um amplificador operacional
aparecerá na tela de trabalho, conforme Figura 5. Como são duas portas comparadoras
utilizadas, deve-se colocar dois AO.
Os transistores propostos no esquema, conforme a Figura 1/Tabela 1 são os 2N6473 e
2N6475. Ao se procurar na aba encontra-se os mesmos, conforme Figura 6.
Figura 6 - Encontrando os transistores
Os diodos 1N4001, resistores e potenciômetros podem ser encontrados nas abas “Place
Diode” e “Place Basic”.
Como o Multisim não possui LDR´s em sua biblioteca de componentes, os mesmos foram
substituidos por dois potênciômetros dentro da faixa de operação dos LDR´s, ou seja, de
100Ω a 1MΩ. A curva característica do LDR está mostrada na Figura 7.
Figura 7 - Curva característica do LDR em função da luminosidade.
Fonte: http://kennarar.vma.is/thor/v2011/vgr402/ldr.pdf acesso 11/02/2014
No lugar do motor DC, que é o responsável pela movimentação e portanto, do alinhamento da
placa em direção à perpendicular ao sol, foram colocados dois LED´s (Light Emmiter Diode)
em contrafase, um vermelho e outro verde, para observar o comportamento do circuito
quando há desequíbrio da intesidade luminosa incidente sobre os dois LDR´s, signifcando que
a placa não estaria mais perpendicular ao sol e sendo assim, o motor seria acionado no sentido
de buscar a correção automática da posição da placa solar de modo a mantê-la perpendicular
ao sol.
Após encontrado todos os componentes necessários faz-se a interligação dos mesmos de
acordo com o esquema já apresentado na Figura 1. Isso permite a montagem completa
conforme mostra a Figura 8.
Figura 8 - Circuito rastreador solar montado no Multisim®
4. Funcionamento do circuito
O circuito funciona da seguinte forma: os dois amplificadores operacionais comparam as
tensões nas entradas inversoras e não inversoras. Se os LDR´s, aqui representados por
potenciômetros, apresentarem à mesma resistência, por suposta iluminação equilibrada devido
a placa solar estar perfeitamente perpendicular aos raios solares, a tensão é a mesma nas duas
entradas e assim a saída é zero e os dois transistores entram em corte, ou seja, não conduzem.
Quando existe uma variação entre as resistências dos dois potenciômetros, os dois
comparadores oferecem saídas positiva ou negativa, dependendo de qual potenciômetro tem
resistência maior ou menor e o resultado é que os transistores são então acionados
alimentando o servomotor, no caso substituídos por LED´s, em um sentido ou noutro,
movimentando a placa solar (acendendo o LED vermelho ou o LED verde). Os dois
potenciômetros de 100kΩ e 10kΩ tem a finalidade de ajustar a sensibilidade do circuito.
5. Simulação
No Multisim® os potenciômetros que substituem os LDR´s, foram variados nos dois sentidos.
Com variações de apenas 5% o LED vermelho é acionado conforme Figura 9.
Figura 9 - LDR 1 com 700kΩ, LDR 2 com 650kΩ e LED vermelho aceso.
Quando agora se modifica a situação, ou seja, com o LDR 1 ajustado com 650 kΩ e o LDR 2
com 750 kΩ a situação se inverte e o LED verde se acende mostrando a inversão de
polaridade, conforme Figura 10.
Figura 10 - LDR 1 com 650kΩ, LDR 2 com 700kΩ e LED verde aceso.
Quando os dois LDR´s (Potenciômetros) são ajustados no mesmo valor, por exemplo 700kΩ
(situação de equilíbrio), os dois LED´s permanecem apagados mostrando o circuito em corte,
conforme Figura 11.
Figura 11 - LDR 1, LDR 2 com 700kΩ (equilíbrio) LED`s apagados.
6. Simulação da corrente de curto circuito
Substituindo-se os dois LED´s por um amperímetro, podemos simular a corrente de curto
circuito. Esse procedimento foi simulado conforme figura 12, encontrando-se 1,888A.
Figura 12 – Simulação da corrente de curto circuito
7. Discussão
Conforme proposta de demonstração da importância dos simuladores, pegou-se um circuito
para uma finalidade prática e utilizando-se de um simulador específico, pode-se comprovar,
em primeiro lugar que o circuito funciona adequadamente ao que se propõe e com boa
performance em se tratando de sensibilidade as variações de intensidade luminosa, refletindo
em boa sensibilidade para manutenção de uma placa solar perpendicular ao sol.
Com uma diferença de 5% na resistência dos dois potenciômetros, substitutos dos LDR’s, o
circuito atuou acionando o motor, no caso substituído pelos dois LED´s, o que significaria
movimentar a placa solar até uma posição de equilíbrio na intensidade luminosa dos
elementos sensores, demonstrando a capacidade operacional do circuito. Quando a iluminação
nos dois LDR´s são iguais o circuito entra em corte mantendo a posição de máxima incidência
de iluminação, condição ótima de funcionamento das placas ou sistemas solares.
O circuito simulado foi montado fisicamente em protoboard conforme a Figura 13, utilizandose os LDR’s como sensores e o motor DC de uma placa solar comercial. Os demais
componentes utilizados foram conforme o circuito mostrado na Figura 1. Pode-se então
validar os resultados da simulação, uma vez que o circuito movimentou a placa de forma
eficiente no sentido de mantê-la perpendicular ao sol.
Figura 13 – Montagem do circuito em Protoboard
8. Conclusão
O desenvolvimento apresentado permitiu demonstrar a importância da utilização de
simuladores no desenvolvimento e projeto de circuitos eletro-eletrônicos, sendo também uma
excelente ferramenta didática, uma vez que permite a avaliação de protótipos de desses
circuitos com elevado nível de confiabilidade.
Usando o ambiente gráfico intuitivo do Multisim®, os estudantes podem rapidamente conectar
componentes eletrônicos e simular seu comportamento, tanto para visualizarem conceitos
fundamentais na prática, quanto para idealizar, averiguar a funcionalidade e o desempenho de
circuitos para aplicações diversas.
No caso do Multisim®, a biblioteca de componentes contém resistores, capacitores, indutores,
fontes de alimentação, chaves, transistores de junção bipolar e de efeito de campo, circuitos
integrados, microprocessadores, além de componentes eletromecânicos e instrumentos de
medição de grandezas elétricas tais como osciloscópios e multímetros. O Multisim® contém
também portas lógicas digitais e contadores, para reforçar o ensino dos tópicos iniciais da
eletrônica digital, como a álgebra booleana. Os diagramas eletrônicos especializados de
dispositivos lógicos programáveis como os microcontroladores existentes na biblioteca do
Multisim®, proporcionam aos estudantes a oportunidade de simularem circuitos mais
complexos.
Tendo em vista que a área de energia e eletrônica de potência são essenciais nos novos cursos
de instituições de ensino, pesquisa e inovação de todo o mundo, os simuladores, com ampla
gama de componentes eletrônicos, permitem que os estudantes explorem conceitos como a
conversão CA-CC, fontes CC-CC chaveadas, fontes CC-CA para drives de motores, energias
renováveis, retificadores, inversores e PWM.
Disciplinas do núcleo de conteúdos profissionalizantes tais como Circuitos Elétricos,
Eletrônica Analógica e Digital, Instrumentação, tanto teórica como laboratório, poderão
igualmente utilizar os simuladores no desenvolvimento das aulas com alto grau de
aproveitamento.
Na disciplina Circuitos Elétricos, poderão ser desenvolvidos e discutidos circuitos básicos
tanto de corrente contínua como de corrente alternada, contribuindo de forma precisa no
processo de ensino aprendizagem dessa importante disciplina, associado a experiência dos
docentes da área.
Aulas práticas poderão primeiramente ser simuladas pelos alunos e depois montadas no
laboratório contribuindo enormemente para entendimento e fixação dos conceitos teóricos.
Observe-se neste ponto, que as simulações não substituem completamente as montagens
práticas, uma vez que estas ainda exigem habilidades no manuseio de componentes sensíveis
e equipamentos, tanto de montagem como de medição. No entanto, as práticas podem ser
drasticamente reduzidas uma vez que, demonstrado de forma prática a eficiência das
simulações, a confiabilidade nestas aumenta e os discentes passam a exigir menos aula de
laboratório, buscando a utilização dos simuladores.
REFERÊNCIAS
[1] Pinheiro, Denize Marques et all, PROGRAMAS DE SIMULAÇÃO PODEM AUXILIAR O
PROFESSOR EM SALA DE AULA? UM ESTUDO DE CASO DO USO DO PROGRAMA
INTERACTIVE PHYSICS APLICADO EM OSCILAÇÕES MECÂNICAS. XL Cobenge, Belém/PA 2012
Disponível em: <http://www.abenge.org.br/CobengeAnteriores/2012/artigos/103045.pdf> Acesso 18/02/2014
[2] CONSELHO NACIONAL DE EDUCAÇÃO CÂMARA DE EDUCAÇÃO SUPERIOR RESOLUÇÃO
CNE/CES
11,
DE
11
DE
MARÇO
DE
2002.
Disponível
em
<http://portal.mec.gov.br/cne/arquivos/pdf/CES112002.pdf - Acesso em 18/02/2014>
[3] NEUMANN, R., BARROSO, M. F., Neumann, R. Simulações Computacionais e Animações no Ensino de
Oscilações. Anais do XVI Simpósio Nacional de Ensino de Física, Rio de Janeiro, 2005
[4] S. Petitto, Projetos de Trabalho em Informática: Desenvolvendo Competências, (Papirus, Campinas,
2003).
[5] Valmir Heckler, Maria de Fátima Oliveira Saraiva e Kepler de Souza Oliveira Filho, Uso de simuladores,
imagens e animações como ferramentas auxiliares no ensino/aprendizagem de ótica, Revista Brasileira de
Ensino de Física, v. 29, n. 2, p. 267-273, (2007) disponível em <http://www.sbfisica.org.br/rbef/pdf/060608.pdf>
Acesso em 27/02/2014