Condicionadores de Sinais

A próxima etapa para a aquisição dos sinais é o condicionamento dos mesmos, adequando-os à entrada do MCU. Em termos de grandeza elétrica, deve-se adequar a faixa de tensão liberada pelo transdutor, no caso da corrente, ou pela própria grandeza, no caso da tensão do arco, para a faixa de trabalho do conversor (divisor de tensão). Além disto, há a necessidade de um circuito de isolamento galvânico– o circuito de aquisição eletricamente isolado da parte de potência (soldagem) –, filtros analógicos para a retirada de frequências

fora do escopo de estudo, adequação de impedância, e circuitos de proteção da MCU (Figura 5-6).

Figura 5-6 – Etapas gerais de condicionamento de sinal.

Sabe-se que, para os sinais de tensão e corrente, será utilizado um conversor A/D de 12 bits, para o sinal de módulo de velocidade de alimentação são contados a duração dos pulsos do encoder através de um comparador digital e para o sentido uma entrada digital simples, Figura 5-7. As entradas analógicas do MCU têm nível de tensão máximo (nível alto) em 3,3 V e mínimo (nível baixo) de 0 V.

O condicionamento para o sinal de tensão proveniente do processo de soldagem é realizado, inicialmente, com um circuito elétrico composto de um divisor de tensão para a faixa de trabalho do conversor A/D (proporção entre os resistores em série) e um isolador galvânico proporcional ISO122P (BURR-BROWN CORPORATION, 1993), ilustrado na Figura 5-8.

O divisor de tensão converte o sinal de entrada de -60 a 60 V para a faixa de -1,65 até 1,65 V (metade da tensão de 3,3 V), com ganho de tensão de aproximadamente kdivisor≅ 1/37,18; e o isolador galvânico tem ganho unitário, com sua saída, portanto, igual ao

sinal em sua entrada.

Figura 5-7 – Periféricos e os parâmetros de soldagem monitorados.

Divisor de

Tensão Isolamento

Circuitos de Proteção Filtros

Figura 5-8 –Circuito de entrada para a tensão: divisor e isolamento.

Optou-se pela utilização de um filtro de Butterworth passa-baixa de segunda ordem com frequência de corte em 1591 Hz. Esta frequência, dentro dos limites estabelecidos pelos requisitos do sistema (Tabela 5.1), permite uma resposta sem atenuação para frequências até cerca de 600 Hz e atenua quase que completamente sinais com frequência superior a 5000 Hz, e tem seus componentes resistivos com valores comerciais, como é mostrado na Figura 5-9. Este filtro, particularmente, possui um ganho de tensão de

1,586

filtro

k = , como previsto na topologia de Butterworth.

Figura 5-9 –Circuito de filtro para a tensão: Butterworth de segunda ordem em 1591 Hz. Os circuitos de proteção do MCU devem, portanto, realizar tarefas que modelem o sinal de saída do filtro Butterworth (no intervalo de kfiltro*[-1,65 1,65] V) para o nível de tensão

suportado pelas entradas analógicas e digitais, de 0 a 3,3 V. A primeira etapa dos circuitos de proteção consiste em um circuito somador, ou deslocador de nível (Figura 5-10).

Figura 5-10 –Circuito somador para a tensão.

O circuito somador, constituído de dois amplificadores operacionais, possui ganho de tensão inverso ao ganho de tensão do circuito de filtro, ou seja, k_somador =1 1,586. O sinal de tensão, portanto, é devolvido ao intervalo de -1,65 a 1,65 V. Além do ganho inverso, o circuito somador realiza a soma da tensão de entrada com uma tensão de referência, neste caso, igual a U_ref =1,65V , deslocando a faixa de tensões para o intervalo de 0 a 3,3 V. A tensão de referência é proveniente de um circuito de tensão de referência (Figura 5-11)

Figura 5-11 – Circuito de tensão de referência para somador.

O circuito de tensão de referência é, basicamente, um divisor de tensão ideal, com o uso de amplificadores operacionais. Ele recebe uma tensão de entrada de 3,3 V, proveniente de um chip de tensão de referência (fornece a tensão desejada com precisão de 0,01 V) e divide a tensão pela metade, obtendo o nível de 1,65 V. Além de auxiliar no

circuito somador de tensão, o circuito de referência serve como tensão de fundo de escala para o conversor A/D do MCU.

Por fim, tem-se o circuito de proteção do MCU (Figura 5-12). Quando tensões superiores a 60 V ou inferiores a -60 V forem inseridas nos circuitos de condicionamento de sinal (algumas fontes têm tensão em vazio superior), deve-se garantir que esta tensão, acima de 3,3 V ou abaixo de 0 V não alcance os pinos de entrada do MCU, danificando-os.

Figura 5-12 –Circuito ceifador positivo e nulo para a tensão.

O circuito ceifador, ou limitador, é responsável pela retirada da parte do sinal de tensão acima ou abaixo de um nível especificado (MALVINO, 1997). Neste caso, tem-se uma tensão de referência superior de 3,3 V (chip de tensão de referência) para o ceifador positivo e um diodo retificador em série com o amplificador operacional para o ceifador nula.

Para o sinal de corrente, os circuitos de condicionamento de sinal diferem-se dos utilizados para a tensão somente pela não necessidade de isolamento galvânico na etapa de condicionamento inicial, como mostra a Figura 5-13.

Figura 5-13 – Circuito de condicionamento da corrente: filtro, somador e ceifador. Os sinais de entrada do transdutor em efeito Hall tem intervalo de tensão de -5 a 5 V e, após a passagem pelo filtro de Butterworth de segunda ordem, recebem um ganho de tensão de k_filtro =1,586. Para modelar o sinal para o intervalo de tensão de 0 a 3,3 V antes da

entrada dos circuitos de proteção ao MCU, o circuito somador para o sinal de corrente tem ganho diferenciado do mencionado para a tensão, pela mudança de um valor de resistência, ilustrado na Figura 5-14.

Figura 5-14 –Circuito somador da corrente: diferença apenas em resistência (P3) da tensão. Para a velocidade de alimentação, os sinais de pulso e sentido estão em portas de entrada digitais do MCU, que aceitam o nível de tensão de 5 V como nível alto (1) e 0 V como nível baixo (0). O encoder óptico é alimentado com a tensão de 5 V, portanto, não é necessário nenhum circuito de remodelamento do sinal de velocidade de alimentação. O circuito para o condicionamento deste sinal é ilustrado na Figura 5-15.

Figura 5-15 – Circuito de condicionamento para a velocidade de alimentação.

Os sinais provindos do encoder são defasados em 90 graus para a detecção de sentido e tem 64 pulsos por volta de resolução. Um circuito digital lógico do tipo OU EXCLUSIVO (XOR) recebe os sinais das duas fases e dobra a sua frequência no sinal de saída, diminuindo o tempo de leitura entre a detecção de dois pulsos consecutivos. Um circuito digital Flip Flop do tipo D recebe os dois sinais defasados e tem em sua saída uma

tensão em nível alto para um sentido de rotação e uma saída em nível baixo para o outro sentido de rotação. Desta forma, o MCU é capaz de “contar” o intervalo entre dois pulsos (equivalente à velocidade de alimentação) e saber o sentido de rotação.