SENAI – MG SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM

Curso de Formação Profissional Técnico em
Eletroeletrônica – Módulo II
Senai Arcos-MG
Projeto de Sistemas
Eletrônicos
Raphael Roberto Ribeiro Silva
Técnico em eletroeletrônica pelo INPA – Arcos
Estudante de Engenharia Elétrica do IFMG - Formiga
CFP Eliezer Vitorino Costa
Conteúdo Programático
Ferramentas de controle do desenvolvimento e execução do projeto.
• Identificação dos pontos críticos
• Controle de prazos
Dimensionamento de fonte linear.
• Retificador
• Filtro capacitivo
• Reguladores de tensão fixos e ajustáveis
Conteúdo Programático
Dimensionamento da interface de potência por meio de acoplador AC
e DC.
•
•
•
•
•
Projeto automatizado em sistemas industriais, utilizando microcontroladores
Microcontroladores
Arquitetura Interna (Blocos)
Partes de entradas e Saídas
Introdução a Programação em C
Validação do projeto.
•
•
•
•
•
Medições e ajustes
Funcionamento de acordo com o projeto
Correção de possíveis falhas de projeto
Registros da validação
Resultados da validação
Forma de Avaliação
10 pontos para trabalho em dupla.
• 1º Trabalho: Pesquisa sobre microcontroladores – 23/02
• 2º Trabalho: Pesquisa sobre linguagem de programação C – 23/02
60 pontos para avaliações individuais.
1ª Prova – 23/02
2ª Prova – 15/03
30 pontos para exercícios práticos em sala, individuais ou em grupo.
Duplas
1ª Dupla: Rodrigo Edimar Juan
2ª Dupla: Alex Bruno D
3ª Dupla: Max Pablo
4ª Dupla: Lucas S Lucas J
5ª Dupla: Gustavo José
6ª Dupla: Valmir Marcos V
7ª Dupla: Whaubert Marciano
8ª Dupla: Igor Mateus
9ª Dupla: Luis P Gilmar
10ª Dupla: João Paulo Luis V
11ª Dupla: Bruno L Luiz F
12ª Dupla: Marcus B Gabriel
Projeto Eletrônico
Um projeto eletrônico surge da necessidade de se criar soluções para um
determinado problema relacionado a criação de circuitos eletrônicos capazes
de automatizar determinada tarefa, como por exemplo, controlar a velocidade
de um motor ou o brilho de uma lâmpada.
O que é um Projeto?
Algo que nos dá subsídios para organizar ideias, fazer diagnósticos ou
analises sobre uma determinada realidade, fazer pesquisas, propor melhorias
ou criar soluções para um determinado problema. Em resumo projeto é o
planejamento de um conjunto de atividades a serem desenvolvidas por um
determinado período, para atender uma necessidade.
Identificação dos Pontos Críticos
Pontos críticos são fatores que podem impedir o funcionamento adequado
do equipamento a ser projetado, ou que podem causar falhas ou defeitos ao
longo do tempo. Além disso, questões que afetam a segurança das pessoas
devem ser atentamente observados.
Portanto, é necessário identificar as condições em que o equipamento
estará exposto. Como:
a) Temperatura: os componentes eletrônicos possuem temperaturas de
operação, tanto máxima quanto mínima, caso o local onde o mesmo for
utilizado possuir altas temperaturas se faz necessário utilizar dissipadores
e ventiladores no circuito, caso atinja temperaturas baixas também pode
afetar no funcionamento do equipamento.
b) Poeira e umidade: A umidade junto com a camada de poeira sobre o PCI
pode conduzir eletricidade, interferindo no PCI. Nesse caso deve-se utilizar
uma fina lamina de plástico sobre o PCI. Caso a temperatura não seja um
problema, utilizar uma caixa vedada.
Identificação dos Pontos Críticos
c) Vibração: locais sujeitos a vibrações, a placa deve ser instalada sobre
conectores apropriados. Se utilizar um conector inadequado, podem surgir
problemas de mau contato ao longo do tempo. Caso a placa seja muito
grande, deve haver mais conectores na placa para que a mesma não
quebre ao longo do tempo.
d) Gases Inflamáveis: Em locais que possuem gases inflamáveis suspensos
no ar, se faz necessário fazer substituição de dispositivos que produzem
centelhas, como relés, por outros dispositivos.
e) Ruídos Elétricos: em locais sujeitos a ruídos elétricos, locais com motores
e soldas industriais, se az necessário o uso de filtros de linha na entrada
da alimentação do circuito, para evitar problemas.
Identificação dos Pontos Críticos
De posse dessas informações, escolhemos tecnologia mais adequada para
o projeto. Essa tecnologia deve contemplar os seguintes parâmetros:
a) Funcionalidade: para atender as necessidades do cliente, o projeto tem
que funcionar da maneira que foi especificado;
b) Confiabilidade: para ser confiável, o projeto precisa estar isento ou possuir
baixo risco de falhas e defeitos;
c) Segurança: para ser seguro, o projeto deve garantir a integridade física das
pessoas;
d) Ecoeficiencia: o projeto tem que consumir menos energia elétrica e
minimizar os impactos ambientais;
e) Custo: o custo do projeto precisa estar dentro de uma faixa de valores que
o cliente esteja disposto a pagar;
f) Descarte: prefira utilizar tecnologias limpas para minimizar os impactos
ambientais quando o equipamento for descartado no futuro.
Controle de Prazos
Os prazos para a realização do projeto deve ser estimado de acordo com
as seguintes atividades:
a) Elaboração do circuito: é a concepção do circuito eletrônico, baseado
nas necessidades do cliente e nos pontos críticos do projeto, ou seja, é a
fase em que as tecnologias são escolhidas.
b) Desenvolvimento de firmware: é a programação do microcontrolador,
necessária quando o projeto envolver o uso de tecnologias desse tipo.
c) Montagem do protótipo: é a criação de uma versão preliminar do
produto. Essa versão serve para se fazer testes com relação ao
funcionamento sobre temperaturas adversas, bem como observar o seu
funcionamento como um todo.
Controle de Prazos
d) Documentação do equipamento: é a criação dos manuais de usuário,
dos procedimentos de trabalho para instalação e validação. O tempo para
elaborar toda a documentação precisa ser levado em consideração.
e) Produção: é a fabricação do circuito eletrônico.
f)
Validação: são os testes de funcionamento e o preenchimento da
documentação envolvida. É necessário validar o equipamento após a
produção.
g) Instalação e parametrização: é a instalação e a configuração do circuito
eletrônico. Alguns projetos precisam ser instalados e configurados no
ambiente do cliente. Caso seja esse o caso para o seu projeto, não se
esqueça de prever o tempo para essa atividade.
Controle de Prazos
O prazo não pode simplesmente ser imposto pelo projetista. Uma boa
pratica é compartilhar e negociar prazos com o cliente. Isso garante
transparência da execução do projeto junto ao cliente, uma qualidade muito
importante para obter sua satisfação.
Fonte Linear
Fontes de tensão linear são circuitos constituídos por um transformador,
um circuito retificador, um filtro e um regulador de tensão.
Dimensionamento de Fonte Linear
Para dimensionarmos uma fonte de alimentação, precisamos saber:
1. O valor da tensão de entrada;
2. O valor da tensão de saída;
3. O valor da intensidade da corrente elétrica necessária a carga.
Além dessas três informações, precisamos escolher o tipo de regulagem
desejada na saída da fonte de alimentação. Essa regulagem pode ser do tipo
paralelo, usando diodo zener, tipo serie, com o uso de transistores ou com o
uso de circuitos integrados lineares.
Regulador de Tensão
Os reguladores de tensão são utilizados para regular a tensão fornecida
por uma fonte de alimentação linear, independentemente das variações de
tensão que possam ocorrer na rede de energia elétrica.
Eles podem ser de dois tipos:
• Com tensão de saída fixa;
• Com tensão de saída variável.
Regulador de Tensão Fixa
Como exemplo de reguladores de tensão fixa, temos dois tipos mais
utilizados: LM78XX, que é um regulador de tensão positivo, e LM79XX, que é
um regulador de tensão negativo. Essa série possui três terminais e proteção
interna que limita a corrente de saída em 1 A, além de proteção térmica que
desliga o circuito caso ocorra aquecimento excessivo.
Regulador de Tensão Fixa
A tabela abaixo mostra as características dos reguladores de tensão de
acordo com os seus códigos.
CÓDIGO DO
COMPONENTE
TENSÃO DE ENTRADA (V)
TENSÃO DE SAIDA (V)
MINIMO
MAXIMO
MINIMO
TIPICO
MAXIMO
LM7805
7
20
4,75
5
5,25
LM7806
8
21
5,7
6
6,3
LM7808
10,5
23
7,6
8
8,4
LM7809
11,5
24
8,6
9
9,4
LM7810
12,5
25
9,5
10
10,5
LM7812
14,5
27
11,4
12
12,6
LM7815
17,5
30
14,25
15
15,75
LM7818
21
33
17,1
18
18,9
LM7824
27
38
22,8
24
25,25
Regulador de Tensão Fixa
Normalmente, adota-se uma tensão de entrada com o valor 10% acima da
tensão mínima. Com esse valor, é possível reduzir o calor gerado pela fonte,
sem comprometer o funcionamento do regulador de tensão devido as
oscilações da rede de alimentação.
A figura abaixo ilustra a saída de uma fonte linear, usando o regulador
LM78XX.
Regulador de Tensão Fixa
A figura abaixo ilustra o esquema de uma fonte linear simétrica, usando os
reguladores LM78XX e LM79XX.
Os capacitores fazem parte da etapa de regulação e servem para evitar
transientes que interfiram no circuito.
Regulador de Tensão Ajustável
O LM317 é um regulador de tensão positivo com uma tensão de saída
ajustada de 1,2 V a 37 V, capaz de fornecer uma corrente de ate 1,5 A. esse
regulador vem em um encapsulamento TO220, possui proteção contra curtocircuito e proteção térmica que desliga o circuito integrado, em caso de
aquecimento excessivo. A tensão de entrada mínima é de 3 V e a máxima de
40 V, ou seja, a tensão aplicada ao pino de entrada deverá estar entre esses
dois valores.
Regulador de Tensão Ajustável
Para criarmos uma fonte variável utilizando o LM317, devemos acrescentar
ao CI dois resistores, um fixo e um variável como segue na imagem abaixo.
Regulador de Tensão Ajustável
Através dos valores dos resistores que se pode determinar o valor da
tensão de saída.
O valor de R1 deve estar compreendido entre 120 Ω e 270 Ω, de acordo
com o fabricante do circuito integrado. O valor normalmente usado para esse
resistor é 220 Ω.
Para se determinar o valor da tensão de saída, utilizamos a seguinte
fórmula:
𝑅2
𝑉0 = 1,25 1 +
𝑅1
O valor de R2 pode ser calculado pela seguinte fórmula:
𝑉0
𝑅2 =
− 1 𝑅1
1,25
Exercícios
1 – Calcule a faixa de valor do resistor variável para um regulador de tensão
que deverá variar de 5 V a 32 V. O valor do resistor fixo é de 220 Ω.
2 – Calcule as faixas de valores de tensão de saída para um regulador com os
seguintes dados: Resistor fixo 220 Ω, resistor variável de 500 Ω a 3,3 KΩ.
3 – Calcule o valor do resistor fixo para um regulador que possui um resistor
variável de 2 KΩ e uma tensão de saída de 10 V.
Circuitos Retificadores
Existem três tipos de circuitos retificadores que podem ser aplicados nas
fontes lineares:
1. Retificador de meia onda;
2. Retificador de onda completa center tape;
3. Retificador em ponte.
Circuitos Retificadores
𝑉𝑃 = Tensão de pico na saída do transformador (V); 𝐼𝑃 = Corrente de pico (A);
𝑃𝑑𝐶 = Potência contínua na carga (W).
Meia Onda
Center Tape
Tensão eficaz na carga 𝑉𝐸𝐹
𝑉𝑝
𝜋
𝑉𝑝
2𝑉𝑝
𝜋
𝑉𝑝
2𝑉𝑝
𝜋
𝑉𝑝
Tensão reversa de pico sobre diodos 𝑉𝑅
2
𝑉𝑃
2
2𝑉𝑃
2
2𝑉𝑃
Frequência de ondulação
60 Hz
120 Hz
120 Hz
Fator de ripple
120%
48%
48%
𝐼𝑝
𝜋
𝐼𝑝
𝜋
𝐼𝑝
𝜋
Tipo de enrolamento no secundário do transformador
Simples
Derivação
Simples
Capacidade do transformador
3,49𝑃𝑑𝑐
1,75𝑃𝑑𝑐
1,23𝑃𝑑𝑐
Tensão Média na Carga 𝑉𝐷𝐶
Corrente média 𝐼𝑑𝑐 nos diodos
Ponte
Circuitos Retificadores
Para a escolha do diodo, devemos levar três parâmetros em consideração:
𝑉𝑅𝑅𝑀
𝐼𝐹(𝐴𝑉)
𝐼𝐹𝑆𝑀
Quando acrescentamos um filtro ao circuito retificador, o diodo, em todos
os tipos de retificadores, estará submetido a duas vezes a tensão de pico.
Sendo assim, a escolha do diodo deve ser de forma q a tensão reversa VRRM
seja duas vezes maior que a tensão de pico. Outro parâmetro a ser levado em
consideração é a corrente de surto.
Exercícios
1 – Calcule a tensão reversa sobre o diodo e a tensão de saída de um circuito
retificador de onda completa, sabendo que a tensão de saída do transformador
é de 12 VCA.
2 – Calcule a tensão média na carga, tensão eficaz na carga, tensão reversa
de pico sobre os diodos, corrente média nos diodos e a capacidade do
transformador para um circuito de onda completa com center tape. Dados:
Vrms = 12 V, Irms = 3 A, P = 30 W.
3 – Calcule a tensão média na carga, tensão eficaz na carga, tensão reversa
de pico sobre os diodos, corrente média nos diodos e a capacidade do
transformador para um circuito de meia onda. Dados: Vrms = 12 V, Irms = 3 A,
P = 30 W.
Circuito de Filtragem
O circuito de filtragem tem como finalidade eliminar as variações de tensão
fornecidas pelo circuito retificado. A figura abaixo demonstra a forma de onda
de um circuito com e sem filtro.
Circuito de Filtragem
O filtro durante a condução do diodo, armazena energia e durante o
momento em que o diodo é bloqueado, ele fornece energia a carga.
O valor da capacitância em função de valores medidos é expressa por:
𝐼
𝐶=
𝑓. 𝑉𝑟
Onde:
C – Capacitância em Farads (F);
I – Corrente de carga em amperes (A);
f – Frequência de condução em hertz (Hz);
Vr – Tensão de ondulação pico a pico em volts (V).
Circuito de Filtragem
Para o valor da tensão de ondulação, adotamos um pratico de 10% da
tensão Vdc.
O capacitor sempre é carregado com a tensão de pico, assim, a tensão
média fornecida pelo circuito de filtro será:
𝑉𝑟
𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑝 −
2
Exemplo
1 – Determine o valor de um capacitor de filtro para uma fonte linear que
fornece uma tensão de saída de 12 V e uma corrente de 100 mA,
considerando a frequência de ondulação de 120 Hz. Ache a tensão de pico.
𝐼
𝐶=
𝑓. 𝑉𝑟
𝑉𝑑𝑐. 10
12.10
𝑉𝑟 =
=
= 1,2 𝑉
100
100
100𝑥10−3
𝐶=
= 694 𝜇𝐹
120𝑥1,2
𝑉𝑟
1,2
𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑝 −
≫ 12 = 𝑉𝑝 −
≫ 12 = 𝑉𝑝 − 0,6 ≫ 𝑉𝑝 = 12,6 𝑉
2
2
Exercícios
1 – Determine o valor de um capacitor de filtro para uma fonte linear que
fornece uma tensão de saída de 24 V e uma corrente de 300 mA,
considerando a frequência de ondulação de 120 Hz. Ache a tensão de pico.
2 – Determine o valor de um capacitor de filtro para uma fonte linear que
fornece uma tensão de saída de 5 V e uma corrente de 500 mA, considerando
a frequência de ondulação de 120 Hz. Ache a tensão de pico.
Transformador de Alimentação
A equação para determinar a tensão de saída do transformador é dada por:
𝑉=
𝑉𝑑𝑐 +
2
𝑉𝑟
2
+ 𝑉𝑑
A variável Vd é para compensar a queda de tensão nos diodos do circuito
retificador, sendo seu valor igual a 0,7 V para circuito retificador em meia onda
ou onda completa center tape e 1,4 V para retificador em ponte.
Os transformadores utilizados nos projetos de fontes de alimentação
lineares são especificados pelo valor da tensão de saída do enrolamento
secundário e pela corrente que esse enrolamento pode fornecer.
Transformador de Alimentação
Fusível de Proteção
Um fusível ligado ao enrolamento do primário do transformador é uma
medida de proteção contra curto-circuito na fonte de alimentação. Para
especificar esse fusível, é preciso determinar a corrente que circula pelo
enrolamento primário do transformador. A equação para esse calculo é:
𝑉2 𝐼2
𝐼1 =
𝑉1
Onde:
𝐼1 - corrente no enrolamento primário do transformador;
𝐼2 - corrente no enrolamento secundário do transformador;
𝑉1 - tensão no enrolamento primário do transformador;
𝑉2 - tensão no enrolamento secundário do transformador.
Após encontrar o valor da corrente no enrolamento primário, o fusível
deverá ser dimensionado entre 10% a 20% acima do valor mencionado.
Exercícios
1 – Uma fonte de alimentação tem um transformador em que a tensão de saída
é de 12 V e fornece uma corrente de 850 mA, ligado a uma rede de 127 V.
Determine o valor do fusível para proteção dessa fonte.
2 – Uma fonte de alimentação tem um transformador em que a tensão de saída
é de 12 V e fornece uma corrente de 850 mA, ligado a uma rede de 220 V.
Determine o valor do fusível para proteção dessa fonte.
3 – Uma fonte de alimentação tem um transformador em que a tensão de saída
é de 36 V e fornece uma corrente de 1,5 A, ligado a uma rede de 127 V.
Determine o valor do fusível para proteção dessa fonte.
LED Indicador
Para se acrescentar um LED indicador de circuito ligado, devemos colocar
um resistor em série com o LED limitando a corrente em 20 mA. Para se
calcular esse resistor é necessário:
a) Saber o valor da tensão de trabalho do LED, que varia em função da sua
cor;
b) Subtrair do valor de saída do regulador;
c) Dividir o resultado por 0,02 (que é a corrente para o LED).
Exemplo: Calcule o resistor para um LED de cor vermelha com queda de
tensão de 1,8 V, ligado a uma fonte de 5 V. Calcule a potencia necessária do
resistor.
𝑉𝑐𝑐 − 1,8 5 − 1,8
𝑅=
=
= 160 Ω
0,02
0,02
𝑃 = 𝑅. 𝐼2 = 160 . 0,022 = 0,064 𝑊
LED Indicador
Exercícios
1 - Calcule o resistor para um LED de cor azul alto brilho com queda de tensão
de 2,5 V, ligado a uma fonte de 12 V. Calcule a potencia necessária do resistor.
2 - Calcule o resistor para um LED de cor vermelha com queda de tensão de 3
V, ligado a uma fonte de 9 V. Calcule a potencia necessária do resistor.
3 - Calcule o resistor para um LED de cor branca alto brilho com queda de
tensão de 5 V, ligado a uma fonte de 24 V. Calcule a potencia necessária do
resistor.
Etapas para o Dimensionamento
As etapas para o dimensionamento de uma fonte linear são:
a) Escolher um regulador de tensão, em função do tipo de fonte linear que
quisermos dimensionar (fixa ou variável) e do valor da tensão de saída;
b) Consultar, no Datasheet do fabricante do regulador, as tensões mínima e
máxima que poderemos aplicar ao regulador e a corrente máxima do
regulador;
c) Escolher o tipo do circuito retificador (meia onda, onda completa center
tape ou em ponte);
d) Determinar como serão os enrolamentos primário e secundário do
transformador, em função do tipo do circuito retificador escolhido;
Etapas para o Dimensionamento
e) Dimensionar o capacitor de forma que a tensão filtrada satisfaça as
características do regulador escolhido;
f)
Calcular os parâmetros dos diodos retificadores e escolher, nos Datasheet
dos fabricantes, o diodo que atenda as necessidades do projeto;
g) Especificar a corrente de saída do transformador;
h) Calcular a corrente de interrupção do fusível de proteção;
i)
Selecionar um LED, e dimensionar seu resistor, para indicar que a fonte
esta ligada.
Validação do Projeto
Após a criação de projetos eletrônicos devemos validar o mesmo, para
comprovar por meio de evidencias objetivas que os requisitos do projeto foram
atendidos.
1 – Medições e Ajustes
Nessa etapa, após calcular tensão reversa de um diodo, resistores do
regulador de tensão, etc; devemos efetuar as medições de tensão e de
corrente, quando for o caso, dos componentes eletrônicos do circuito que
iremos validar. Com isso, poderemos verificar se algum parâmetro foi
ultrapassado.
Nos importa saber o funcionamento do circuito sobre diversos valores de
temperatura, é preciso então variar a temperatura e fazer as medições
verificando se o funcionamento está correto.
Validação do Projeto
Como exemplo, podemos citar um automóvel que possui uma eletrônica
embarcada responsável pelo funcionamento do veiculo. Parado em um
congestionamento, em um dia muito quente, esse carro terá seus
componentes eletrônicos aquecidos. Se, após o projeto da eletrônica
embarcada, não forem realizados teste que incluam a simulação dessa
situação, não haverá a garantia de que ele funcione como foi projetado e sem
falhas.
Os componentes de encapsulamento TO-220 e TO-3 são componentes
que dissipam muito calor, bem como os resistores de potencia. Por isso,
devemos verificar a temperatura desses componentes com um termômetro
infravermelho. Caso seja identificada uma sobre temperatura nos
componentes, serão necessários alguns ajustes para sanar o problema.
Validação do Projeto
2 – Funcionamento de Acordo com o Projeto
Segundo a ISSO 9001:2008 no item 7.1.6 – Validação de projeto e
desenvolvimento, solicita-se que a validação de um projeto seja realizada,
sempre que possível, antes da entrega ou da implantação do produto.
Validar um projeto é comprovar por meio de evidencias objetivas que os
requisitos para uma aplicação ou seu uso específicos foram atendidos.
Nessa parte devemos testar o funcionamento e todas as formas de
operação do circuito projeto. No caso de circuitos em que há um ou mais
microcontroladores, é necessário testar todos os recursos projetados no
software, de modo a garantir que não haja erro no programa gravado no
mesmo, que não haja travamentos durante seu funcionamento ou ainda que
falte alguma função solicitada pelo cliente.
Validação do Projeto
3 – Correção de Possíveis Falhas de Projeto
Durante a realização de um projeto, alguns detalhes passam
desapercebidos. Então, somente após o circuito estar pronto é que
percebemos que esses detalhes foram os responsáveis por algumas falhas,
como por exemplo, a fixação da placa de circuito impresso, a altura ou a
posição de algum componente que dificulte a montagem final do produto, a
fixação de alguns cabos de ligação ou outro detalhe técnico que possa
comprometer a execução ou o bom funcionamento do circuito projetado.
Validação do Projeto
4 – Registro da Validação
Durante os procedimentos de validação de um projeto eletrônico, devem
ser registrados os dados obtidos, mantendo-se dessa forma, um histórico dos
resultados obtidos. Esses registros variam de acordo com a politica de
qualidade de cada empresa, mas, de modo geral, são feitos em um formulário
próprio denominado Lista de verificação da validação. Tal lista deve ter
informações legíveis e conter a identificação do executante, os dados de
identificação do projeto, a data da validação, além, é claro, dos resultados
obtidos durante os testes.
É importante ressaltar que essa lista seja armazenada de forma a não se
deteriorar e de modo que facilitem acesso e recuperação dos dados que ela
dispõem.
Referências Bibliográficas
• TOCCI, Ronald; WIDMER, N. S. "Sistemas Digitais. Princípios e
Aplicações". 11ª Edição. Editora Prentice-Hall, 2011.
• PEDRONI Volnei A. "Eletrônica Digital Moderna e VHDL". 1ª Edição.
Editora Campus, 2010.
• MORAES, Airton Almeida de. NOVAES, Regina Célia Roland. Análise
de Circuitos Elétricos. 2. Ed. SENAI-SP, 2005.
• SENAI – SP. Eletrônica Geral – Mecatrônica. São Paulo, 2003.