projeto de sistemas eletrônicos · • arquitetura interna (blocos) • partes de entradas ... 30...

Curso de Formação Profissional Técnico em

Eletroeletrônica – Módulo II

Senai Arcos-MG

CFP Eliezer Vitorino Costa

Raphael Roberto Ribeiro Silva

Técnico em eletroeletrônica pelo INPA – Arcos

Estudante de Engenharia Elétrica do IFMG - Formiga

Projeto de Sistemas

Eletrônicos

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.

Duplas1ª 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.


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.


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.


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


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.


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 curto-

circuito 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.


Para criarmos uma fonte variável utilizando o LM317, devemos acrescentar

ao CI dois resistores, um fixo e um variável como segue na imagem abaixo.


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:

𝑉0 = 1,25 1 +𝑅2

𝑅1

O valor de R2 pode ser calculado pela seguinte fórmula:

𝑅2 =𝑉01,25

− 1 𝑅1

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 Retificadores𝑉𝑃 = Tensão de pico na saída do transformador (V); 𝐼𝑃 = Corrente de pico (A);

𝑃𝑑𝐶 = Potência contínua na carga (W).

Meia Onda Center Tape Ponte

Tensão Média na Carga 𝑉𝐷𝐶 𝑉𝑝

𝜋

2𝑉𝑝

𝜋

2𝑉𝑝

𝜋

Tensão eficaz na carga 𝑉𝐸𝐹 𝑉𝑝

2

𝑉𝑝

2

𝑉𝑝

2

Tensão reversa de pico sobre diodos 𝑉𝑅 𝑉𝑃 2𝑉𝑃 2𝑉𝑃

Frequência de ondulação 60 Hz 120 Hz 120 Hz

Fator de ripple 120% 48% 48%

Corrente média 𝐼𝑑𝑐 nos diodos 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

Circuitos Retificadores

Para a escolha do diodo, devemos levar três parâmetros em consideração:

𝑉𝑅𝑅𝑀𝐼𝐹(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 FiltragemO 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 FiltragemO 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:

𝐶 =𝐼

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 FiltragemPara 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:

𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑝 −𝑉𝑟

2

Exemplo1 – 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.

𝐶 =𝐼

𝑓. 𝑉𝑟

𝑉𝑟 =𝑉𝑑𝑐. 10

100=

12.10

100= 1,2 𝑉

𝐶 =100𝑥10−3

120𝑥1,2= 694 𝜇𝐹

𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑝 −𝑉𝑟

2≫ 12 = 𝑉𝑝 −

1,2

2≫ 12 = 𝑉𝑝 − 0,6 ≫ 𝑉𝑝 = 12,6 𝑉

Exercícios1 – 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 AlimentaçãoA equação para determinar a tensão de saída do transformador é dada por:

𝑉 =𝑉𝑑𝑐 +

𝑉𝑟2

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 ProteçãoUm 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:

𝐼1 =𝑉2𝐼2𝑉1

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.

Exercícios1 – 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.


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.


LED IndicadorPara 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.

𝑅 =𝑉𝑐𝑐 − 1,8

0,02=5 − 1,8

0,02= 160 Ω

𝑃 = 𝑅. 𝐼2 = 160 . 0,022 = 0,064 𝑊

LED Indicador

Exercícios1 - 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 DimensionamentoAs 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 Dimensionamentoe) 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 ProjetoApós 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 ProjetoComo 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 Projeto2 – 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 Projeto3 – 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 Projeto4 – 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.

projeto de sistemas eletrônicos · • arquitetura interna (blocos) • partes de entradas ... 30...

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