A instrumentac¸ ˜ao externa ´e respons ´avel pela recepc¸ ˜ao dos sinais oriun- dos dos sensores de temperatura e do piran ˆometro, pela amplificac¸ ˜ao desses sinais, transformac¸ ˜ao dos sinais de tens ˜ao em sinais de corrente e transmiss ˜ao via cabo at ´e a instrumentac¸ ˜ao interna.
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Figura 16: Identificac¸ ˜ao dos pontos de conex ˜ao da placa de circuito impresso dos sen- sores de tens ˜ao e corrente
Fonte: Autoria pr ´opria
3.1.2.1 IRRADI ˆANCIA SOLAR
Como citado anteriormente, o piran ˆometro tem sua sa´ıda em sinais de tens ˜ao de baix´ıssima amplitude (71 µV /W/m2). Assim foi projetado um circuito de instrumentac¸ ˜ao para amplificar esse sinal para n´ıveis maiores de tens ˜ao. Depois do amplificador, existe um circuito transdutor de Howland, que transforma o sinal de tens ˜ao em corrente. O circuito da Figura 17 apresenta a topologia dos circuitos utili- zados.
Figura 17: Circuito de amplificac¸ ˜ao e transmiss ˜ao do sinal do piran ˆometro. Fonte: Autoria pr ´opria
O buffer usado na entrada do circuito foi usado como um seguidor de tens ˜ao, que n ˜ao altera o sinal de entrada, mas aumenta a imped ˆancia de entrada
3.1 Medic¸ ˜ao e Condicionamento de Sinais 34
do circuito, demandando pouqu´ıssima corrente do piran ˆometro (JUNIOR; AL., 2015). De acordo com a segunda edic¸ ˜ao do Atlas Brasileiro de Energia Solar, os valores m ´aximos de irradi ˆancia direta ficam em torno de 1000 W/m2, sendo que de- vido ao efeito de bordas de nuvens esse valor pode facilmente alcanc¸ar 1400 W/m2 em meses de alta incid ˆencia de raios solares. No nordeste brasileiro j ´a foram registra- das irradi ˆancias de global horizontal superiores a 1800 W/m2. Para a regi ˜ao de Pato Branco, esse valor n ˜ao passa de 1300 W/m2. Assim, essa foi a irradi ˆancia m ´axima considerada.
Para irradi ˆancia de global horizontal de 1300 W/m2 o piran ˆometro apre- senta sa´ıda de 92,3 mV . O amplificador operacional usado para amplificar esse sinal ´e alimentado com +/- 15 V . Considerando que o sinal satura em aproximadamente 13 V, estabeleceu-se uma sa´ıda m ´axima de 12 V . Com isso o ganho de tens ˜ao definido pela equac¸ ˜ao 1:
Av = Vo Vi
= 9V
92, 3mV = 130. (1)
Pela equac¸ ˜ao 2 que define o ganho de um amplificador n ˜ao inversor tem-se:
Av = 1 + R2 R1 , (2) Assim, tem-se 130 = 1 + R2 R1 , 129 = R2 R1 , 129 ∗ R1 = R2, (3)
Considerando a equac¸ ˜ao 3 e os resistores dispon´ıveis no laborat ´orio na faixa de kΩ foram escolhidos R1 = 2, 7kΩ e R2 = 330kΩ. Para esses valores de resistores, Av = 123, 22 que resulta em uma sa´ıda de 11,37 V para uma irradi ˆancia de 1300 W/m2 (JUNIOR; AL., 2015).
O terceiro est ´agio do circuito apresentado na Figura 17 ´e um transdutor Howland que ´e respons ´avel pela mudanc¸a de sinais de tens ˜ao para corrente. A Figura 18 mostra o circuito de forma detalhada, indicando as tens ˜oes e correntes presentes
3.1 Medic¸ ˜ao e Condicionamento de Sinais 35
no circuito (BALBINOT; BRUSAMARELLO, 2010).
Figura 18: Transdutor de corrente Howland Fonte: Autoria pr ´opria
Analisando o circuito da Figura 18 pode-se notar que:
Is = It+ Iz, (4)
Iz = Ix. (5)
Fazendo-se uso da teoria do curto-circuito virtual, pode-se dizer que Vt ´e a tens ˜ao sobre o resistor Rx conectado com o terra. Assim, tem-se que:
Vt= RX ∗ Ix = Rx∗ Iz,
Iz = Vt Rx
, (6)
A corrente Is tamb ´em pode ser definida por:
Vs− Vt Rs
= Is, (7)
Substituindo as equac¸ ˜oes (6) e (7) na equac¸ ˜ao (4) tem-se:
Vs− Vt Rs = It+ Vt Rx ,
3.1 Medic¸ ˜ao e Condicionamento de Sinais 36 Vs Rs − Vt Rs = It+ Vt Rx , Vs Rs = It+ Vt Rx + Vt Rs . (8)
Agora se faz necess ´ario que se parta de outro ponto de an ´alise do circuito. Usando a lei de Kirchhoff das tens ˜oes, que afirma que o somat ´orio das tens ˜oes em um circuito fechado ´e sempre zero, iniciando a an ´alise a partir de Vs, pode-se chegar at ´e a refer ˆencia por dois caminhos sem passar pelo amp-op, que resultam nas equac¸ ˜oes (9) e (10) apresentadas a seguir:
Vs = Rs∗ Is+ Rz∗ Iz + 2 ∗ Rx∗ Ix, (9)
Vs = Rs∗ Is+ Rt∗ It. (10)
Comparando as equac¸ ˜oes (9) e (10) pode-se perceber que elsa possuem termos em comum. Assim, igualando as parcelas iguais ´e obtida a equac¸ ˜ao (11).
Rt∗ It= Rz∗ Iz+ 2 ∗ Rx∗ Ix, (11) Fazendo uso da equac¸ ˜ao (5) e substituindo em (11) tem-se:
Rt∗ It = Rz∗ Ix+ 2 ∗ Rx∗ Ix,
Rt∗ It= Ix∗ (Rz+ 2 ∗ Rx). (12) Usando a equac¸ ˜ao (6), reorganizando seus termos de forma a isolar Ix e substituindo em (12) tem-se: Vt= Vt Rx ∗ (Rz+ 2 ∗ Rx), Vt∗ Rx = Vt∗ (Rz+ 2 ∗ Rx), Rx = Rz+ 2 ∗ Rx,
3.1 Medic¸ ˜ao e Condicionamento de Sinais 37
Rx− 2 ∗ Rx = Rz, ,
Rz = −Rx. (13)
Usando Rs = Rz no circuito que resultar ´a em Rs = −Rx e substituindo (13) em (8) obt ´em-se: Vs Rs = It Vt Rs + Vt Rs , Vs Rs = It. (14)
A equac¸ ˜ao (14) ´e usada para descrever o funcionamento da instrumentac¸ ˜ao usada para o sinal de irradi ˆancia e temperatura. ´E importante ressaltar que de acordo com a equac¸ ˜ao (14) a corrente de sa´ıda ´e diretamente proporcional a tens ˜ao de en- trada do circuito, e al ´em disso, teoricamente a corrente Itn ˜ao depende da resist ˆencia Rt(Figura 18) ou Rlinha (Figura 17) do cabo por onde passa. A resist ˆencia medida do cabo ficou em torno de 1,22 Ω, que realmente ´e insignificante, quando comparada `as outras resist ˆencias empregadas nos circuitos.
O circuito apresentado na Figura 18 apresenta algumas limitac¸ ˜oes de cor- rente de sa´ıda It que depende do amp-op utilizado. Em simulac¸ ˜oes realizadas no LTspice chegou-se ao valor de 5,7 mA como limite para esses componentes.
Com os componentes usados na parte de amplificac¸ ˜ao do circuito, uma leitura do piran ˆometro de 1300 W/m2 implicaria em uma sa´ıda do amplificador n ˜ao- inversor de 11,37 V . Esse ´e o m ´aximo valor ao qual chega a tens ˜ao Vs. Com isso pode-se calcular Rs com aux´ılio da equac¸ ˜ao (14). Considerando Itmax = 5mA para que se evite a saturac¸ ˜ao e que os componentes sejam danificados, o valor de Rsser ´a de 2,27 kΩ. Esse valor de resistor n ˜ao ´e comercial e o valor imediatamente superior dispon´ıvel no laborat ´orio ´e de 2,7 kΩ. Assim, a corrente m ´axima transmitida ser ´a Itmax = 4, 2mA. Essa corrente ´e importante para o c ´alculo do resistor shunt usado na entrada do circuito de condicionamento de sinais que ´e abordado adiante.
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3.1.2.2 TEMPERATURA
A topologia de instrumentac¸ ˜ao e amplificac¸ ˜ao do sinal de medic¸ ˜ao de tem- peratura ´e muito semelhante `a usada para o sinal de irradi ˆancia. A principal diferenc¸a ´e que nesse caso, cada circuito tem duas entradas (Figura 19), que recebem dois sinais oriundos de sensores LM35dz.
Figura 19: Circuito de amplificac¸ ˜ao e transduc¸ ˜ao de sinais de temperatura Fonte: Autoria pr ´opria
Como comentado anteriormente, as medic¸ ˜oes de temperatura s ˜ao feitas por dois sensores em cada painel. Os sensores foram alocados de forma sim ´etrica na parte posterior do painel. S ˜ao usados dois sensores para melhorar a confiabilidade das medic¸ ˜oes, j ´a que expostos `as intemp ´eries, os pain ´eis podem apresentar pontos com diferentes temperaturas. Considerando-se esse problema, a instrumentac¸ ˜ao foi projetada de tal maneira que as contribuic¸ ˜oes de cada sensor se somam, criando assim um sinal equivalente de temperatura. Esse sinal (em tens ˜ao) ´e amplificado e depois com aux´ılio de um transdutor Howland o sinal de tens ˜ao amplificado ´e trans- formado em corrente para ser transmitido para dentro do laborat ´orio.
Para esse circuito tamb ´em foram usados buffers de entrada, para aumentar a imped ˆancia de entrada do circuito. As contribuic¸ ˜oes de cada sensor instalado em um mesmo painel devem ter o mesmo peso, assim, usa-se Ra= Rb. A partir do ponto de conex ˜ao dos resistores Rae Rb o circuito tem a mesma topologia do circuito usado para instrumentac¸ ˜ao e amplificac¸ ˜ao do sinal de irradi ˆancia. Sendo assim os circuitos n ˜ao precisam ser deduzidos novamente.
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variac¸ ˜oes de 10 mV /◦C. A temperatura em pain ´eis fotovoltaicos pode chegar a 80 ◦C em dias quentes de ver ˜ao com c ´eu limpo, assim, considerando uma margem de seguranc¸a, adotou-se 100 ◦C como a m ´axima temperatura poss´ıvel de registro pelo sensor. Com isso a tens ˜ao de sa´ıda do sensor ser ´a de 1,0 V . Usando os resistores de entrada (Ra e Rb) com os mesmos valores, a tens ˜ao na entrada n ˜ao-inversora do amp-op fica definida por (Va+ Vb)/2, que limita a tens ˜ao m ´axima na entrada do amp-op em 1 V (Tolmasquim, Mauricio Tiomno, 2016).
Mais uma vez, considerando que a tens ˜ao m ´axima de sa´ıda do circuito am- plificador ´e 12 v, pode-se calcular o ganho Av, que ser ´a igual a 12. Considerando a equac¸ ˜ao (2) para c ´alculo dos resistores R1e R2 da instrumentac¸ ˜ao dos sinais de tem- peratura, definindo R1 = 750Ωcalcula-se R2 = 8250Ω. No laborat ´orio est ´a dispon´ıvel o resistor no valor de 8, 2kΩ que altera Av para 11, 93, que ´e um valor muito pr ´oximo do desejado. Para Vs = 11, 93V a corrente Itser ´a de 4, 42mA, que fica abaixo da corrente m ´axima simulada para esse circuito, o que garante o bom funcionamento.
3.1.2.3 PCI AMPLIFICAC¸ ˜AO E TRANSDUC¸ ˜AO DE SINAIS
A placa de circuito impresso exibida na Figura 20 fica instalada fora do laborat ´orio, embaixo dos pain ´eis fotovoltaicos. Na imagem foi destacada a parte da PCI respons ´avel pela amplificac¸ ˜ao e transduc¸ ˜ao de cada sinal.
Os bornes destacados em verde s ˜ao respons ´aveis pela recepc¸ ˜ao dos sinais e pela alimentac¸ ˜ao dos sensores. A transmiss ˜ao dos sinais para dentro do laborat ´orio ´e feita pelo conector DB9 (em azul) conectado a um cabo blindado de aproximada- mente 20 m. Esse cabo ´e que faz a ligac¸ ˜ao da PCI de instrumentac¸ ˜ao at ´e a PCI de condicionamento (dentro do laborat ´orio).