PROTÓTIPO DA PLACA

De acordo com o circuito prescrito no ANEXO deste trabalho, procede-se a execução da montagem do protótipo. Após posicionamento dos componentes eletrônicos e soldagem dos elementos na placa perfurada, tem-se como resultado final o protótipo da placa ilustrado na Figura 28.

Figura 28 – Protótipo da placa

Fonte: AUTOR, 2020.

Como trata-se de um protótipo, durante a montagem não houve preocupação com o espaço físico alocado pelos componentes, visto que o objetivo neste momento é o experimento em laboratório para atestar a eficácia e funcionalidade do circuito proposto.

3.4.3 PLACA DEDICADA

Decorrido a fase de testes no protótipo e finalizados positivamente quanto a eficácia, o passo seguinte contempla o desenvolvimento e montagem da placa dedicada exclusivamente ao circuito, com objetivo de compactar o protótipo e reduzir suas dimensões, permitindo acondicionamento em um invólucro plástico, a fim de alcançar melhor aspecto visual levando em consideração a praticidade de manuseio do produto final. Logo, descreve-se

o processo de transformação pelas quais o protótipo evolui até atingir as propriedades de um produto pronto para ser utilizado.

Primeiramente, com a utilização de ferramentas específicas para modelagem de layout de placas de circuito impresso, parte-se para o planejamento da disposição dos componentes. Um processo interessante, entretanto moroso, um verdadeiro quebra-cabeças, visto que, além de permanentemente se procurar otimizar o espaço ocupado pelos componentes eletrônicos, há a constante preocupação em evitar o indesejado cruzamento de trilhas. Observa- se na Figura 29 que finalizado este estudo, a placa de circuito a ser impresso possui como medidas 50 mm x 62,5 mm, com a disposição final dos componentes e as trilhas de interligação.

Figura 29 – Layout da placa

Fonte: AUTOR, 2020.

Com o layout finalizado, o próximo passo corresponde a corrosão da placa de cobre. Por intermédio da impressão a laser, somente das trilhas planejadas, num papel fotográfico de alta qualidade e pelo processo de transferência térmica, transfere-se o layout planejado para a placa de cobre.

Figura 30 – Projeto das trilhas para o circuito impresso

Fonte: AUTOR, 2020.

Com as trilhas devidamente impressas na placa de cobre, inicia-se o processo de corrosão por imersão numa solução de percloreto de ferro. Importante salientar que após este processo, é importante a verificação com um multímetro se há continuidade entre as trilhas, para identificação de possíveis fugas ou falhas resultantes do processo químico. A Figura 31 mostra a placa após a corrosão com a formação das trilhas, pronta para adição dos componentes eletrônicos.

Figura 31 – Placa após processo corrosão, pronta para adição dos componentes

Fonte: AUTOR, 2020.

De acordo com o circuito, os componentes eletrônicos são adicionados a placa pelo processo de soldagem. A Figura 32 ilustra a placa com os componentes, antes de acondicioná- la a caixa de proteção.

Figura 32 – Placa com os componentes eletrônicos

Fonte: AUTOR, 2020.

3.4.4 PRODUTO FINAL

Para um melhor acabamento e proteção dos componentes eletrônicos optou-se por acondicionar os elementos no interior de uma caixa plástica. Juntamente a placa, o transformador de alimentação foi integrado formando um conjunto único, conforme ilustra a Figura 33.

Figura 33 – Caixa plástica contendo componentes do dispositivo

Em detalhe, a tampa da caixa acondiciona o botão que permite o rearme do sistema quando disparado, bem como o led indicativo que acende em caso de disparo do sistema. Cabe salientar que para ambos os componentes foram previstos conectores, para que em caso de eventual manutenção, sejam desconectados da placa do circuito eletrônico presente na caixa, permitindo modularidade ao dispositivo.

A Figura 34 mostra a tampa da caixa plástica de proteção com os dois elementos.

Figura 34 – Tampa da caixa plástica

Fonte: AUTOR, 2020.

Concluindo o trabalho, efetuam-se as conexões elétricas entre os elementos presentes na tampa e a placa dedicada presente no interior da caixa. Finalizando por sistema de pressão entre tampa e caixa há acoplamento entre os módulos resultando na formação de um conjunto único.

Figura 35 – Dispositivo finalizado

4 RESULTADOS OBTIDOS

A submissão do protótipo a testes no laboratório de eletrônica permitiram observações e verificações com equipamentos de medição de maior precisão. Especificamente, um dos pontos fundamentais do projeto refere-se a determinação do valor de corrente de fuga a terra que dá condições ao amplificador operacional acionar o gatilho do tiristor, alimentando o rele a fim de que interrompa a energia a carga. Para facilitar esta tarefa, observamos na Figura 36 que o protótipo foi montado em uma base metálica com uma série de plugues, com pontos de tomada de sinais elétricos extraídos da placa perfurada para permitir a aferição da corrente de fuga.

Figura 36 – Protótipo da placa montada na base metálica para testes e experimentos

Fonte: AUTOR, 2020.

Logo, o protótipo foi submetido a testes para identificar o valor da corrente de defeito, ou seja, a corrente elétrica de fuga necessária com o auxílio de alguns componentes eletrônicos inseridos de forma intencional e provisória ao circuito a fim de simular a falha.

Em um dos terminais da carga aplicou-se um resistor de 22 kΩ em série com um potenciômetro de 10 kΩ ajustado previamente em seu valor máximo, sendo uma ponta ligada no condutor que alimenta a carga e outra ponta ligada num ponto de aterramento. O circuito da Figura 37 ilustra a forma para prover as condições de simulação de corrente de fuga a terra.

Figura 37 – Circuito para simular corrente de fuga a terra

Fonte: AUTOR, 2020.

Ao ligar a alimentação da placa, a carga é automaticamente alimentada, bem como o circuito série formado pelo resistor e potenciômetro. Como o potenciõmetro está ajustado em seu valor máximo a corrente de fuga a terra é de 6,87 miliamperes, produzindo campo magnético insuficiente para que o transformador de corrente gere nos terminais de seu secundário, tensão capaz de sensibilizar o amplificador operacional para colocar nível alto em sua saída, mantendo a carga com alimentação conforme podemos observar na Figura 38.

Figura 38 – Circuito com corrente de fuga a terra sem disparo do rele

Ao girar o potenciômetro de forma lenta e gradual, com a intenção de reduzir a resistência, permitindo assim o aumento efetivo da corrente de fuga a terra, observa-se pelo amperímetro ligado em série com o circuito, que ao atingir o valor de 8,34 miliamperes, a diferença entre a corrente que entra e sai pelo transformador de corrente produz campo magnético suficiente para que seu secundário produza tensão de entrada maior que a tensão de referência do divisor resistivo, alterando a saída do amplificador operacional para nível alto, disparando o gatilho do tiristor fazendo-o conduzir, acionando o rele, abrindo seus contatos, retirando a energia da carga, protegendo o usuário. A Figura 39 ilustra o exato momento que o circuito cumpre sua função de proteção, retirando alimentação da carga.

Figura 39 – Momento de disparo do rele interrompendo a alimentação da carga

Fonte: AUTOR, 2020.

Importante salientar que inicialmente o divisor resistivo responsável por fornecer a tensão de referência ao amplificador operacional era dado pela inclusão de resistores fixos, entretanto pelas dificuldades encontradas em escolher o valor ideal da referência para que houvesse o disparo do tiristor, alteraram-se os mesmos para potenciômetros. A mudança permitiu facilidade nos ajustes para que o dispositivo respondesse a corrente de fuga ideal, a fim de evitar choques elétricos prejudiciais, bem como futuras alterações relacionadas a sensibilidade de atuação do dispositivo.

Diante das observações, os resultados obtidos em laboratório ao final dos testes foram satisfatórios pelo nível de proteção oferecido pelo protótipo.

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Uma consideração importante advém do registro de uma condição observada nos testes físicos laboratoriais que o ambiente virtual de simulação não demonstra. Ao alimentar o protótipo ocorria invariavelmente o disparo da proteção de forma indevida, mesmo sem inclusão de carga ou presença de corrente de fuga fluindo a terra. O processo de investigação das possíveis causas resultou na identificação de ruídos e transientes gerados no momento que o protótipo era alimentado pela energia elétrica. Para mitigar este efeito indesejado, optou-se pela inclusão de varistores nos terminais de alimentação do circuito, visto que possuem a propriedade de agir como isolantes dentro da sua faixa de operação, não interferindo no circuito. Entretanto, diante de um pulso elétrico indesejado (surto), produzido no momento da interação do protótipo com a rede elétrica, o mesmo se comporta como um curto instantâneo conduzindo rapidamente este pulso a outro terminal da rede, sem passar pelo circuito, absorvendo esta energia que se fosse tratada seria capaz de prover o disparo indesejado do sistema.

Durante o desenvolvimento um dos pontos mais importantes de análise e discussão decorreu da forma escolhida para alimentação do circuito. Havia a opção por alimentar o circuito de forma isolada ou não. A opção escolhida resultou na isolada em função do aumento de nível de segurança proporcionado pelo uso do transformador. Obviamente que o peso e custo deste componente representam uma desvantagem, entretanto a segurança que o mesmo proporciona ao usuário, constituiu-se fator preponderante para que seu uso fosse empregado.

O custo final do circuito proposto demostrou ser bem atraente em relação as propostas oferecidas pelo mercado. Comparativamente, se em baixíssima escala o custo do protótipo alcançou R$ 70,61 face aos R$ 180,00 referente ao custo médio mínimo entre as três propostas pesquisadas ofertadas comercialmente, chega-se a conclusão de um bom resultado no que tange ao custo e simplicidade da solução.

Como sugestão para trabalhos futuros menciona-se a redução de custos que a produção em alta escala poderia proporcionar à solução apresentada, visto que a aquisição de componentes em lote reduz significativamente os valores dos componentes eletrônicos. E por fim, não menos importante, considerando a flexibilidade que tal implemento proporcionaria, o incremento de componentes para que o protótipo opere automaticamente com tensões de alimentação de 100 a 240 volts, visto que no Brasil algumas regiões são projetadas para trabalhar com nível de tensão de 110 ou 220 volts.

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ANEXO