ENGENHARIA ELECTROTÉCNICA E DE COMPUTADORES
Ano lectivo: 2013/2014
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3ºAno - 1º semestre
Electrónica de Regulação e Comando
Professor António Espírito Santo
Análise de circuito regulador de sensor
Figura 1: Circuito analisado
Trabalho elaborado por: Fernando Bento, nº28786
Hélder Gonçalves, nº29340 João Fidalgo, nº29528
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Índice
Índice --- 2 Introdução --- 3 Análise do circuito --- 3 Conclusão --- 14 Webgrafia --- 143
Introdução
Neste relatório será feita uma exposição sobre o funcionamento de um circuito que regula e controla o funcionamento de um sensor resistivo. Será explicado o funcionamento de cada bloco e como é afectado o funcionamento do bloco seguinte, socorrendo-nos a gráficos gerados através do Multisim e a explicações de matérias previamente estudadas.
Análise do circuito
O circuito analisado é composto por 2 microcontroladores que são responsáveis por produzir pulsos quadrados com um período de 1 segundo, ocorrendo transição entre nível alto e nível baixo (ou vice-versa) a cada 500 milissegundos. Os microcontroladores contactam com o restante circuito através de optocouplers. Este dispositivo é constituído por um LED e por um receptor sensível à luz (fototransístor). O princípio de funcionamento é o seguinte: quando a entrada do circuito recebe energia eléctrica do circuito, o LED converte essa energia em luz, que incide sobre a base do fototransístor, deslocando o funcionamento do mesmo para a zona activa. Transfere-se, portanto, energia na forma de luz entre duas estruturas que não contactam fisicamente. Portanto, usando este dispositivo é possível manter o circuito “fechado”, mantendo partes do circuito susceptíveis a variações muito elevadas de tensão isoladas electricamente. De notar que este dispositivo é frequentemente utilizado na transmissão de sinais digitais.
4 Os sinais de saída de ambos os optocouplers são introduzidos nas entradas base dos transístores U6 e Q1, portanto, a função dos microcontroladores é simplesmente enviar pulsos que controlam por quanto tempo devem os transístores operar na sua zona activa. Ambos os transístores (U6 e Q1) estão sujeitos à acção de um dispositivo chamado snubber RCD. Snubber RCD são circuitos eléctricos que evitam a aplicação de tensões muito elevadas a alguns componentes eléctricos (neste caso os transístores), protegendo-os de picos de tensão que os possam danificar.
Figura 3: Transístor e snubber RCD associado
Veja-se o caso de parte do circuito analisado, que é formado por uma carga resistiva U5 e por uma bobina L2 (armazena energia para evitar variações muito repentinas nos valores de corrente que a atravessa). Aqui os picos de tensão ocorrem nos transístores quando estes deixam de conduzir por interrupção da passagem de corrente na base, comportando-se como um interruptor que abre. Esta afirmação comprova-se através da análise do circuito equivalente.
Figura 4: Circuito com comportamento semelhante a parte do circuito analisado
Quando o interruptor se encontra fechado (ou seja, o transístor conduz), a tensão aos terminais da bobina é
5 . (1). No entanto, no instante em que o interruptor é aberto (ou seja, o transístor deixa de conduzir), a tensão aos terminais da bobina passa a ser
, a
tensão aos terminais da resistência é , e, consequentemente, a tensão aos terminais do interruptor é (2). Tende-se a formar, portanto, um arco eléctrico caso não seja feito nada que suavize ainda mais a variação nos valores de corrente. Por essa razão se recorre aos circuitos snubber RCD. O funcionamento deste módulo será explicado mais à frente para facilitar a compreensão do mesmo.
No entanto, é também importante analisar o regime transitório que ocorre no instante em que o transístor entra em condução e o regime estacionário que ocorre quando o transístor está ao corte. No primeiro caso, a tensão aos terminais da bobina é e a tensão aos terminais da resistência é , sendo
(3). No segundo caso, a tensão aos terminais da bobina é
e a tensão aos
terminais da resistência é , sendo (4). De notar que, embora a diferença de potencial aos terminais da bobina seja nula em algumas situações analisadas, a corrente que a atravessa nesses momentos é constante. Apenas existem variações nos valores de corrente que atravessa a bobina nos 2 regimes transitórios analisados. (1) (2) (3) (4) (4)
6 Como os microcontroladores enviam pulsos de 500 milissegundos, o transístor U6 estará a operar na zona activa entre 0 e 500 milissegundos. Funcionará, portanto, como um interruptor fechado durante todo esse período, que permite a passagem de corrente da fonte de tensão contínua (Vpower) para a carga RL. A partir daí, funcionará como um interruptor aberto durante mais 500 milissegundos devido ao corte da corrente na base do transístor, não permitindo a passagem de corrente para a carga RL. Este processo repete-se ciclicamente à medida que o microcontrolador envia pulsos para o circuito.
Analise-se agora o funcionamento dos módulos seguintes no período compreendido entre os 0 e os 500 milissegundos, uma vez que é aí que o seu funcionamento é mais relevante. O sensor “Rsensor” é atravessado por uma corrente, cujo gráfico já foi apresentado. No entanto, vai interessar fazer uma tradução do valor de corrente que atravessa o sensor em tensão. Para isso, é utilizado o módulo “Diferencial”. Neste módulo está presente uma montagem diferencial com 3 AMPOP’s que têm na sua entrada a queda de tensão aos terminais do sensor “Rsensor”. Os 2 primeiros AMPOP’s têm ganho de malha fechada unitário e por isso funcionam como
buffers. Estes buffers (que funcionam como isolantes eléctricos porque impedem quase
por completo a passagem de corrente para a sua saída) foram colocados com o propósito de manter o comportamento do circuito, de forma minimizar a corrente que circula para
7 os módulos seguintes (“erro”, “histerese” e “AND”), mantendo a sua passagem para o transístor Q1.
No entanto, existe um terceiro AMPOP, cujas entradas ligam aos 2 buffers, que faz a diferença entre as duas entradas. O ganho de malha fechada deste AMPOP é
, o que implica que a tensão de saída deste módulo seja
aproximadamente 3V quando a corrente que atravessa o sensor é 1A porque
e, portanto .
Depois do módulo “Diferencial” aparece o módulo “Erro”. Aqui também está presente uma montagem diferencial, mas com apenas um amplificador, uma vez que aqui já não se torna necessário isolar novamente o circuito da corrente proveniente do sensor. Aqui o ganho de malha fechada é unitário uma vez que
. Portanto, a tensão à saída do módulo “Erro” indica qual a diferença entre a tensão de saída do módulo “Diferencial” Ui e a tensão de referência Uref (3V).
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Figura 8: circuito do módulo “Erro”
A saída do módulo “Erro” é, por sua vez, ligada a um comparador de histerese integrado no módulo “Histerese”. O comparador utilizado é o LM311M que, segundo o
datasheet do fabricante, possui um ganho de malha aberta de . Por ser
um comparador de histerese, a saída deste módulo assume apenas dois estados: nível alto e nível baixo. Neste caso, o nível alto corresponde a 15V e o nível baixo corresponde a -15V, uma vez que a alimentação dos amplificadores é feita a 15V e -15V e, portanto, a saturação do amplificador ocorre também nesses valores.
9 Outro parâmetro importante na análise do circuito é o ganho de malha fechada do circuito. Neste caso, o ganho é G = 48 e pode ser calculado através da seguinte expressão: ( ) ( )
Já o intervalo de histerese pode ser determinado tendo em conta as tensões de alimentação do amplificador e o ganho de malha fechada do circuito, ou seja:
( )
( )
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Figura 11: ciclo de histerese
Isto significa que o circuito irá comutar de nível alto para baixo quando a tensão de entrada for 312.5mV e irá comutar de nível baixo para alto quando a tensão de entrada for -312.5mV.
É ainda importante referir que o circuito utiliza uma resistência de pull-up (R18), em consequência da utilização de um amplificador com open colector. Esta técnica é utilizada para permitir a 2 dispositivos a comunicação bidireccional utilizando apenas um fio. Nos dispositivos que utilizam esta técnica, a corrente flui quando o dispositivo se encontra a nível baixo (estado activo), não fluindo corrente quando o dispositivo se encontra a nível alto (estado não activo). A resistência de pull-up externa utilizada permite manter um sinal a nível alto até que um dispositivo externo ligado ao fio diminua a corrente para colocar esse sinal a nível baixo. Se existirem vários dispositivos ligados ao mesmo fio que não estejam activos, a resistência de pull-up vai permitir manter a tensão no fio a nível alto. Neste caso prático, o objectivo da utilização desta técnica é permitir a estabilização da saída do amplificador, já que este lida com flutuações de tensão consideráveis.
11 A saída do comparador liga a uma porta lógica AND, que também se encontra ligada a um dos optocouplers utilizados. Como a saída de uma porta lógica AND fica a nível alto quando ambas as entradas se encontram também em nível alto, verifica-se que a saída da porta lógica está dependente da saída do comparador durante os primeiros 500 milissegundos, uma vez que nesse período a entrada do optocoupler está sempre a nível alto. Por isso, quando o comparador tem a sua saída a nível alto, a saída da porta AND estará também a nível alto; caso o comparador tenha a sua saída a nível baixo, a saída da porta lógica fica a nível baixo.
Por sua vez, a saída da porta lógica AND liga à entrada base do transístor Q1, controlando o funcionamento do transístor como descrito inicialmente, ou seja, o transístor funciona como um interruptor fechado quando é aplicada corrente à entrada base do transístor.
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Figura 13: tensão no condensador U4 e corrente no colector do transístor Q1
Figura 14: tensão colector-emissor no transístor Q1
Assim sendo, numa primeira situação (quando o transístor se encontra a funcionar na sua zona activa), a corrente que atravessa o sensor desloca-se até à referência (ground) através do transístor. Ao mesmo tempo, o condensador U4 descarrega a energia armazenada anteriormente para a resistência de carga R5.
Já na segunda situação (quando o transístor se encontra a funcionar na sua zona de corte), este comporta-se como um interruptor aberto e, portanto, a corrente proveniente do sensor circula até à referência através do díodo U9 e da resistência R5, mas sobretudo através do díodo. Ao mesmo tempo, o condensador U4 armazena
13 energia. Neste momento, a tensão do transístor é igual à tensão aos terminais do condensador. Essa tensão tem um valor absoluto muito elevado uma vez que ocorreu uma variação muito brusca da corrente no circuito.
A potência dissipada na resistência R5 durante o período de descarregamento é .
Figura 16: potência dissipada em R5 Figura 15: queda de tensão aos terminais de R5
14 Quando ocorre este descarregamento, ocorre uma inversão de potencial e, por isso, o díodo de roda livre U8 passa a estar directamente polarizado, iniciando a condução de corrente, tal como o díodo U7. Caso não fossem colocados estes dois díodos de roda livre, o transístor iria ficar danificado quando ocorresse esta inversão de corrente devida ao condensador U4 e à bobina L2. Concluindo: é possível manter os transístores protegidos de picos de tensão provocados por cargas indutivas usando os
snubber RCD. No entanto, os condensadores que fazem parte integrante dos snubbers RCD produzem inversões no sentido de corrente, que afectam o funcionamento dos
transístores; recorre-se portanto aos díodos de roda livre.
Existe ainda outro ponto que é importante focar, que é a relação da variação da corrente que percorre o sensor e os períodos de funcionamento do transístor. Verifica-se que ocorre um aumento da corrente que percorre o sensor quando o transístor funciona na sua zona activa, e que a corrente que percorre o sensor diminui quando o transístor deixa de conduzir (está ao corte). Esta constatação está relacionada com o facto de ocorrer o descarregamento do condensador que envia corrente no sentido contrário ao da corrente que flui no sensor.
Conclusão
Da realização deste trabalho prático foi possível concluir que a utilização de equipamento electrónico requer atenção redobrada pelo facto de variações bruscas gerarem complicações e mesmo estragos em algum equipamento sensível.
Conseguiu-se ainda melhor a análise de circuitos electrónicos, aprendendo a manusear novas ferramentas no Multisim.
Webgrafia
http://en.wikipedia.org/wiki/Opto-isolator
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAQZgAA/circuito-interface-microcontroladores
