Universidade Federal do Rio Grande do Norte Centro de

Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Centro de Tecnologia
Departamento de Engenharia Elétrica
Instrumentação Eletrônica
Professor: Luciano Fontes
Fonte de tensão e Voltímetro digital
Artur Henrique
Jonas Damasceno
Natal – RN
2010
Introdução
Sabemos que aparelhos como fontes de tensão e voltímetros são indispensáveis para
qualquer técnico ou estudante que trabalha na área de eletrônica. Porém, no mercado de
hoje esses aparelhos podem ser muito caros, e os que são mais baratos, são quase sempre
deficientes em qualidade. Assim, tentamos produzir neste projeto aparelhos que fossem
baratos e que tivessem uma boa qualidade, alem disso aparelhos que consumam pouca
energia.
Neste relatório, apresentaremos como foi construída uma fonte de tensão DC que
pode operar na faixa de 0 – 32V (valor que depende do fundo de escala regulável em nosso
circuito) com voltímetro digital com display. A nossa fonte possui ainda um led indicador de
funcionamento do circuito e outro que indica curto-circuito em sua saída. O voltímetro pode
ser adaptado para fazer medições externas de tensões de 0 a 1000VDC ou medidas da nossa
própria fonte, essa escolha é feita através de uma chave.
Produzimos a nossa fonte elétrica de tensão contínua com base principalmente em
um conversor DA. Um contador binário de 8 bits foi utilizado para gerarmos uma rampa na
saída do conversor DA com 256 valores diferentes. A saída do conversor DA é então levada a
um amplificador para regular através de um potenciômetro o fundo de escala, e por fim
chegamos à parte de potência do circuito, que servirá para fazer com que a nossa fonte
suporte níveis de corrente mais altos, como ate 5A.
Para a construção do voltímetro, utilizamos simplesmente um conversor AD para
tornarmos a tensão analógica de entrada em valores digitais, e então jogamos esses valores
digitais para um decodificador BCD que acionará displays digitais. Para controlar os níveis de
tensão utilizamos malhas resistivas na entrada do voltímetro que determinarão o fundo de
escala o qual quer se medir a tensão.
Construção e características da Fonte de 0 – 32VDC
A fonte foi construída utilizando um circuito muito semelhante ao de um conversor D/A,
onde o valor digital é gerado a partir de contadores. Este valor é então convertido em um valor
analógico que irá controlar a tensão de saída da fonte.
A seguir vemos o diagrama de blocos simplificado do circuito:
Controle
Contador
Crescente /
Decrescente
Conversor
D/A
Etapa de
potência
Saída
Clock
Contador
O contador possui duas entradas de controle: um Enable que ativa ou inativa a contagem, e
um Up/Down que determina o sentido de contagem (acréscimo ou decréscimo). A escolha deste
método para controle de tensão na fonte se deu pela sua grande maleabilidade: alterando a
quantidade de contadores podemos variar a resolução do sistema, ou seja, o acréscimo/decréscimo
na tensão a cada pulso de clock. Desta forma, o sistema pode obter infinitas combinações de
resolução e fundo de escala se adaptando à maioria das necessidades. Porém para os componentes
utilizados é recomendável que esta tensão não ultrapasse os 32V. Para tensões maiores é necessário
rever a etapa do conversor D/A e a etapa de potência, trocando os componentes por adequados. Um
CI muito utilizado como contador binário é mostrado abaixo, o 74190.
Para fins didáticos o protótipo deste projeto foi uma fonte com regulagem de 0-13V com 28 =
256 divisões, o que nos dá uma resolução de 0,05V por pulso de clock, valor consideravelmente
preciso.
O contador foi feito com os CIs 74190 que apresentam as características necessárias para o
nosso circuito. Como necessitamos de 8 bits e cada CI possui capacidade para 4 bits, utilizamos dois
deles cascateados.
Os pinos 1, 9, 10, 11, 12, 15 poram desativados pois não são necessários para o nosso caso. A
tensão de 5V injetada no pino 16 junto com o terra no pino 8 fazem a alimentação deste CI. O
controle de contagem é feito através do nível lógico injetado no pino 5: Baixo para ‘crescente’ e alto
para ‘decrescente’. A contagem é habilitada no pino 4 através de um nível alto de tensão. O clock é
injetado no pino 14 e no pino 13 vemos um Carry-out usado para o cascateamento, sendo este
conectado à entrada de clock do contador seguinte. Nos pinos 3, 2, 6 e 7 vemos a saída dos bits LSB e
MSB respectivamente.
As entradas para controle da tensão foram implementadas conforme o circuito a seguir:
As chaves duplas fazem simultaneamente a seleção do sentido da contagem e ativação da
contagem através do Enable que é ativo-baixo. Quando ambas as chaves estão abertas, o enable fica
com nível alto, interrompendo a contagem em um valor fixo.
Clock
O clock foi implementado com um simples multivibrador com LM555. A sua frequencia é
quem determina o tempo com que irão ocorrer os incrementos ou decrementos no valor da tensão,
logo, sabendo que a resolução da fonte será de 0,05V por pulso de clock, um clock de 20Hz significa
que a tensão irá variar a uma taxa de 1V/s. Deve-se observar que o clock não pode ter uma
frequência muito além desse valor (20Hz), pois quanto maior a frequência mais rápido a tensão de
saída da fonte irá variar, assim o controle da tensão de saída se tornará mais dificil. Em
contrapartida, se o clock for muito lento, teremos um controle de tensão muito devagar, porém mais
preciso. A fórmula para a frequencia do multivibrador nesta configuração com diodo é:
𝑓=
1,44
(𝑅1 + 𝑅2 ) × 𝐶1
Podemos fazer 𝑅1 = 𝑅2 para obtermos um ciclo de trabalho de 50%, mas isso não é
relevante, já que o contador funciona com detecção de borda. Logo, qualquer valor de ciclo de
trabalho irá funcionar para este projeto.
Escolhendo 𝐶1 = 1𝑢𝐹 temos:
20𝐻𝑧 =
1,44
→ 𝑅 = 𝑅1 = 𝑅2 = 36𝐾Ω
2𝑅 × 1𝑢𝐹
Como a frequencia não apresenta necessidade de ser extremamente precisa, pode-se usar os
valores comerciais mais próximos sem perdas relevantes para o nosso objetivo.
Conversor D/A
Para o conversor D/A usamos um conversor R-2R, porém qualquer outro tipo de conversor
funcionaria perfeitamente. Escolhemos este pela sua praticidade e alto nível de precisão. Abaixo
temos a figura de como o mesmo foi projetado.
Este é um conversor D/A de 8bits do tipo R2R. Os valores dos resistores que compõem os
pesos foram escolhidos à partir de valores comerciais próximos da relação R / 2R. Este é um dos tipos
de conversor A/D mais utilizados por apresentar uma boa precisão em seus valores mesmo para um
número elevado de bits. Um detalhe importante é que, pelo fato de este conversor usar uma
configuração Inversora do AmpOp, os comandos para aumentar ou diminuir a tensão ficarão
invertidos. Para contornar este problema adicionamos mais um amplificador inversor, só que agora
com controle de ganho. É a tensão vista no fio 16 que passará então para o estágio amplificador que
regulará a tensão máxima de saída da nossa fonte DC. O ganho do amplificador será regulado por um
potenciômetro colocado na realimentação. É através deste potenciômetro podemos regular o fundo
de escala da nossa fonte. O circuito que regula o fundo de escala é o mostrado abaixo:
Etapa de potencia
A etapa de potencia é responsável por fornecer a potência necessária para a saída da fonte.
A configuração com um par darlington é usada para que possamos aumentar o nível de corrente que
pode ser suportado na saída, podendo fornecer correntes da ordem de 5A. O resistor R12 deve ser
de 5W no mínimo, e o transistor Q4 deve ter um bom dissipador de calor para agüentar correntes
mais altas. O LED2 deve ser de cor amarela ou verde comum. A tensão vista na saída da fonte (fio 38)
será a mesma injetada na entrada que fica no fio 22, logo, a saída do regulador de fundo de escala
que foi mostrado anteriormente a este circuito. Os capacitores C5 e C6 formam um filtro para reduzir
ruídos.
Temos agora a ultima parte do nosso circuito, que é um indicador de curto-circuito na saída
da fonte. Para este indicador utilizamos um simples circuito contendo um transistor PNP BC327, um
CI regulador de tensão em 5V, o 7805, um led vermelho comum, um resistor na base e outro no
emissor deste transistor, assim, quando a tensão na base do mesmo for aterrada (fonte em curtocircuito), o transistor irá entrar em condução fazendo com que o LED1 acenda. O circuito para este
indicador é mostrado abaixo:
O CI 7805 também é responsável por alimentar o clock, os contadores e o voltímetro, já que
estes necessitam de alimentação máxima de 5V, pois são circuitos TTL.
Acima é mostrada a entrada da nossa fonte DC, que vem da rede elétrica de 220V. O Vcc é a
alimentação do circuito que deve vir de um transformador passando por uma ponte retificadora com
valor no mínimo 10% maior que a tensão máxima de saída, para evitar saturação dos AmpOps. A
alimentação simétrica serve apenas para alimentar os AmpOps, já que o controle de tensão será feito
no +Vcc. Uma alteração do circuito usando transistores PNP pode ser eventualmente feita para que
haja controle tanto de +Vcc como de –Vcc, transformando o circuito em um controle de tensão para
fonte simétrica.
Para alimentação do clock e do contador foi acrescentado um CI 7805 que é um regulador de
tensão capaz de abaixar a tensão +Vcc para 5V, já que estas etapas usam componentes lógicos e
necessitam que o nível máximo de tensão seja de 5V.
Voltímetro
O voltímetro funciona à base de dois CIs: CA3162 e CA3161. O primeiro é um conversor A/D
que converte o nível de tensão injetado para um valor digital. O segundo é um conversor para
displays de 7 seguimentos. Juntos eles são capazes de converter valores de tensão na faixa de 0 a 1V
e mostra-las em três displays de 7 seguimentos de ânodo comum com precisão de 1mV.
Para o CA3162 os pinos 10 e 7 são aterrados. A entrada de tensão é feita no pino 11. Entre
os pinos 8 e 9 está conectado um potenciômetro de 47KΩ usado para fazer calibração junto com o
potenciômetro de 10KΩ visto no pino 13. No pino 6 temos um controle de velocidade de contagem e
memória: quando houver uma tensão de 1.2V neste pino ele ativa a função Hold, “congelando” o
valor da medida feita. Quando a tensão é 0V, a conversão é feita no modo lento utilizando um clock
interno de 4Hz. Quando a tensão neste pino é de 5V a conversão é feita no modo rápido através de
um clock de 96Hz também interno. No nosso projeto desabilitamos a função de memória e injetamos
5V para que a conversão ocorra de forma rápida.
A alimentação é feita com 5V no pino 14 e o capacitor presente no pino 12 é um filtro
padrão indicado pelo fabricante.
Os pinos 3, 4 e 5 servem para habilitar os displays através de transistores PNP que podem
ser o modelo BC327. O pino 5 controla o LSB enquanto o 4 controla o MSB. Os pinos 16, 15, 1 e 2 são
as saídas do MSB para o LSB respectivamente que devem ser conectadas ao CA3161.
O CA3161 é alimentado com 5V entre o pino 16 e o pino 8 e os pinos de 9 a 15 são
conectados aos displays que irão mostrar a tensão convertida.
O ajuste do voltímetro é feito da seguinte forma: injeta-se 0V na entrada (pino 11 do
CA3162) e regula-se o potenciômetro de 47KΩ entre os pinos 8 e 9. Este potenciômetro regula o Zero
do voltímetro e deve-se ajustá-lo de modo que nos displays apareça o valor 000. Agora, injetamos
uma tensão conhecida, de preferência próxima do fundo de escala, 900mV por exemplo. Ajustamos
então o ganho através do potenciômetro de 10KΩ presente no pino 13 até que o valor 900 seja
mostrado no display.
Durante o ajuste é possível observar a capacidade de medição de tensões negativas deste
voltímetro, porém com menor precisão já que o display responsável por mostrar o MSB exibirá agora
o sinal de “-“. A exibição de “---“ indica que houve ultrapassagem do fundo de escala negativamente,
enquanto que a exibição de “EEE” indica que o fundo de escala positivo foi ultrapassado.
Porém este multímetro é capaz de medir tensões entre 0 e 1V. Para expandirmos esta
escala fazemos vários divisores de tensão com o uso de uma chave seletora dupla de quatro
posições.
Fazendo um divisor de 1/10 alteramos o fundo de escala para 10V, um divisor de 1/100
altera para 100V e assim sucessivamente.
Os pinos H1, H2 e H3 são os pinos H dos displays, que representam os separadores
decimais. Quando a divisão for de 1/10, o fundo de escala será de 10V, logo o separador decimal
deverá aparecer imediatamente após o MSB, ou seja, H1. Quando a divisão for de 1/100, deverá
aparecer no display seguinte (H2), e quando for de 1/1000 deverá aparecer do LSB. Indicando que
aquele valor é lido em Volts. Quando a tensão de entrada for injetada diretamente, ou seja, fundo de
escala de 1V, a chave estará em uma posição aberta, logo, não haverá separadores decimais, de
modo que o valor mostrado será lido em milivolts. O resistor R5 limita a corrente que vai para os
pinos H, evitando a queima dos displays.
Para seleção de qual tensão medir (saída da fonte ou tensão externa) usamos uma chave
simples (J1). Em EXT pode-se conectar pontas de prova para medições de tensão externas.
Bibliografia:
Revista Saber Eletrônica
Fotos do circuito