voltfinal - vitor barros
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Uma grandeza, no caso física, é uma propriedade de um corpo, ou particularidade de um fenômeno, susceptível de ser medida, isto é, à qual pode se atribuir um valor numérico. Baseado nisso, existem também as grandezas elétricas, tais como tensão, corrente ou resistência, além de muitas outras. As grandezas elétricas geralmente são medidas pelos chamados instrumentos eletrônicos, os quais também podem funcionar para a medição ou verificação de outros fenômenos. Ex: verificação de tensão ou verificação de objetos nas proximidades do aparelho. ANALÓGICAS Análise contínua. Baixa precisão. Leitura via ponteiros. Equipamentos mais baratos. Maior facilidade na percepção de alteração dos valores. DIGITAIS Análise discreta. Alta precisão. Leitura via displays. Equipamentos mais caros. Não indicado para medições de baixo valor numérico. Erro digital. Os equipamentos eletrônicos são os responsáveis pela medição de muitas grandezas elétricas. Em geral, são instrumentos simples de ser fabricados; entretanto, dependendo de sua aplicação, podem tornar-se extremamente complexos. São constituídos por componentes eletrônicos, tais como indutores, capacitores, resistores, circuitos integrados, amplificadores operacionais ou transistores. Podem possuir também blocos já agregados e de operação específica. O voltímetro é um aparelho cuja finalidade é a medição de tensão elétrica. É dotado de duas pontas de prova de acesso ao exterior, através das quais se pode medir a tensão aos terminais de uma fonte de tensão constante, entre dois quaisquer pontos de um circuito elétrico, ou ente um ponto e uma referência. Ele pode ser usado para medições de pequeno valor, tais como de uma pilha(1,5V) ou bateria de um carro(12V) até tensões mais elevadas, como a presente nas tomadas residenciais. Os voltímetros atualmente encontram-se muitas vezes integrados aos populares multímetros, os quais além da medição de tensão, são responsáveis também pela medição de corrente, além de outros parâmetros. Para baixos valores de tensão, como já comentado anteriormente, prefere-se o uso de voltímetros analógicos, já que as ponteiras, magnéticas, são mais sensíveis a pequenas alterações de voltagem. Os voltímetros inicialmente eram analógicos; entretanto, as tecnologias se aperfeiçoaram e optou-se pela inclusão dos voltímetros digitais. A ligação de um voltímetro ao circuito é de tipo paralelo. O mesmo é dizer que durante a medição o instrumento constitui um caminho paralelo ao elemento ou circuito a diagnosticar. No entanto, um voltímetro ideal procede à medição da tensão sem absorver qualquer corrente elétrica (apresenta, por isso, uma resistência elétrica de entrada infinita), característica que garante a não interferência do aparelho no funcionamento do circuito. Nesse projeto, o objetivo é a construção de um voltímetro simples, baseado em estilo barra-grafo e de montagem muito simples. O instrumento eletrônico será montado em placa de circuito impressa e apresentado à turma, para explicação paralela à teoria de funcionamento do mesmo. Será analisado também um modelo mais complexo de voltímetro, baseado numa pequena diferença: o uso de displays de 7 segmentos para evidenciar o valor de tensão. Uma vez concluído, o projeto, adaptado para medições de pequeno valor, poderá ser usado para o teste de pilhas e pequenas baterias. Importante salientar que, alterando-se pequena parte da configuração esquemática do circuito, pode-se realizar a medição de valores mais altos de tensão, como os da bateria de um carro. 1. INTRODUÇÃO 1.1. LM3914 1.1.1. FUNÇÕES DOS PINOS 2. DIAGRAMA ESQUEMÁTICO 3. TEORIA DE FUNCIONAMENTO 4. MONTAGEM 5. ADAPTAÇÕES O hotcheck é um voltímetro de escala ajustável. Além de ler tensões normalmente, permite ao usuário a seleção das escalas de tensão visualizáveis. Visualização grafo(conjunto dos de valores: 10 Display LED’s). barra- Modos operação: modo único ou modo contínuo. de O dispositivo hotcheck geralmente funciona sob uma carga de 300mA, a qual é acionada pela chave de entrada do dispositivo. Correntes de circulação: - No modo único, apenas um LED acende por vez, sendo este modo mais usado quando se deseja minimizar o efeito da corrente no conjunto. - Quando o modo barra-grafo é acionado para mostrar a tensão da carga, os 100mA usados para acendimento dos 10 LED’s são adicionados aos 300mA da carga, aumentando a corrente para 400mA. O hotcheck é baseado no circuito integrado LM3914, que será comentado adiante. Apesar da idéia de medição não ser nova, o que distingue compatibilidade esse e dispositivo seu é a sua funcionamento transistor-carga, que leva a uma fácil e rápida comparação dos valores de tensão. O LM3914 é um circuito integrado monolítico que toma o nível de tensão presente em sua entrada e controla 10 LED’s, provendo uma escala linear de 10 pontos. Dispõe de um pino para troca do modo de funcionamento, permitindo escolher se a representação da tensão será em barra de luz ou ponto. A corrente que circula pelos LED’s é regulada e programável, de modo que não há necessidade de resistores para cada um deles. A entrada está protegida contra sobre-tensões. O integrado contém sua própria referência de tensão e um divisor de tensão de 10 etapas, cujas saídas são as encarregadas de manejar os LED’s. O CI dispõe de 18 pinos, 9 dispostos de cada lado, os quais serão estudados a seguir. Pinos2 e 3: Dois pinos para alimentação do CI, conectados ao terra e ao Vcc respectivamente; Pino1: Controla o primeiro LED da escala; Pinos18-10: Led’s 2 ao 10; Pino9: Encarregado de selecionar o modo de funcionamento do chip. Se conectado ao terra, funciona em modo ponto; caso ligado a tensão +V, funciona em modo barra. Pino7: A corrente que passa por esse pino é que determina o brilho dos LED’s. Pino8: Encarregado da seleção da escala de visualização. Pinos 4 e 6: Extremos do divisor de tensão; Pino5: Entrada da tensão a ser medida; Os diodos D11 e D12 são usados para proteção contra polarização reversa. Em modo normal, apenas causam queda de 0,7V na tensão do circuito. Botão SW1 é usado para fechar o circuito. Chave projetada para corrente pequena(<<300mA): Transistor NPN para amplificação da corrente através da chave e de R1, drenada pelo resistor R2~10 ohm. potência sobre R2 =dissipação forte de calor = nome do circuito Resistores R3 e R4 formam um divisor de tensão que “fatiam” a tensão de entrada a ser medida no pino5. Resistores R6, R7 e R8 também funcionam como divisores de tensão e são os responsáveis pelos intervalos(escalas) de visualização das voltagens. Considerando para uma escala fixa: Vh=tensão máxima visualizável Vl=tensão mínima visualizável DV=Vh-Vl Logo, temos: R6 = 600 x DV R7 = R6 x 2,5/DV – 1 R8 = (Vh-3,2)/(DV/R6 + 0,0002) (Seletores das escalas de visualização) Uso de decodificadores BCD – Trabalho com displays de 7 segmentos; Uso de Amplificadores Operacionais como forma de escalonamento dos valores de tensão medidos; Substituição do bloco regulador LM3914 por sub-blocos eletrônicos de mesma finalidade. O voltímetro é um aparelho cuja finalidade é a medição de tensão elétrica. É dotado de duas pontas de prova de acesso ao exterior, através das quais se pode medir a tensão aos terminais de uma fonte de tensão constante, entre dois quaisquer pontos de um circuito elétrico, ou entre um ponto e uma referência. Ele pode ser usado para medições de pequeno valor, tais como de uma pilha(1,5V) ou bateria de um carro(12V) até tensões mais elevadas, como a presente nas tomadas residenciais. Para o voltímetro estilo Hotcheck foi adotada uma faixa de trabalho pequena, de 4,7V a 5,2V, convencional para aplicativos de medição em pacotes de pilhas. O dispositivo barra-grafo foi construído através de 10 LED’s de alto brilho, em três tonalidades diferentes de cor. A construção foi realizada em placa de circuito impresso, como será mostrado posteriormente. Como a escala adotada é de 4,7V a 5,2V, isso corresponde a uma variação de 500mV medidos. Logo, como são 10 LED’s, cada LED é responsável por um nível de sensibilidade de 500mV/10 = 50mV. De tal forma, pode-se considerar este dispositivo como de alta precisão para essa aplicação. A escala, entretanto, pode ser variada simplesmente realizando-se uma substituição de resistências no circuito. Resistores R6, R7 e R8 funcionam como divisores de tensão e são os responsáveis pelos intervalos(escalas) de visualização das voltagens. Vh=tensão máxima visualizável Vl=tensão mínima visualizável DV=Vh-Vl R6 = 600 x DV R7 = R6 x 2,5/DV – 1 R8 = (Vh-3,2)/(DV/R6 + 0,0002) (Seletores das escalas de visualização) Inicialmente, dimensionamos empiricamente o tamanho da placa a ser utilizada. Como o aparelho é portátil, a mesma deve ser o mais pequena possível. O próximo passo é a perfuração da placa para a conexão dos componentes. Neste quesito é muito importante evitar a “altura” dos elementos eletrônicos, tanto como fator estético quanto de segurança. A montagem do circuito deve começar pelos elementos mais “passivos”, isto é, os componentes não constituídos de semicondutores. O motivo é que os semicondutores (integrados e transistores) são mais sensíveis ao calor; portanto, é bom montálos por último. Deve-se prestar atenção também à polaridade de todos os componentes polarizados. Perfuração da placa Encaixe dos componentes Finalmente, a etapa de soldagem. Deve-se evitar a manutenção do ferro de solda sobre um mesmo componente por mais de 3 segundos. Há componente realmente de grande sensibilidade, os quais podem queimar com grande facilidade. Realizada a solda, confere-se os pontos de soldagem a fim de que não haja “pontes de curto” (quando a solda de um elemento entra em contato com a de outro componente, conectando eles entre si erroneamente. Concluídas todas as etapas anteriores, em fim está construído e pronto para funcionamento o voltímetro hotcheck. As fotos abaixo ilustram o aparato:
