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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ELETROT ´ ECNICA Relat´ orio de Est´ agio Supervisionado: Interfaces ´ Otica e Serial e Condicionamento de Sinais de um Restaurador Dinˆ amico de Tens˜ ao - DVR. FELIPO CORR ˆ EA MACHADO Rio de Janeiro, RJ - Brasil Janeiro de 2003

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ELETROTECNICA

Relatorio de Estagio Supervisionado:

Interfaces Otica e Serial eCondicionamento de Sinais de um

Restaurador Dinamico de Tensao - DVR.

FELIPO CORREA MACHADO

Rio de Janeiro, RJ - Brasil

Janeiro de 2003

Relatorio de Estagio Supervisionado:

Interfaces Otica e Serial e

Condicionamento de Sinais de um

Restaurador Dinamico de Tensao

FELIPO CORREA MACHADO

RELATORIO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE E-

LETROTECNICA DA ESCOLA POLITECNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO

RIO DE JANEIRO, COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSARIOS PARA A OB-

TENCAO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.

Aprovado por:

Maurıcio Aredes, Dr.-Ing.(Orientador)

Rio de Janeiro, RJ - Brasil

Janeiro de 2003

RESUMO

Felipo Correa Machado Relatorio de Estagio Supervisionado

UFRJ - EE Janeiro 2003

Interfaces Otica e Serial e Condicionamento de Sinais de um

Restaurador Dinamico de Tensao.

Um Restaurador Dinamico de Tensao, ou Dynamic Voltage Restorer (DVR), e um

equipamento que se propoe a compensar afundamentos e desbalancos de tensao que ocor-

rem com maior frequencia e severidade em sistemas fracos tais como pontas de linha.

O calculo das tensoes a serem sintetizadas para compensar o desbalanco na atu-

alidade e realizado com grande precisao pela eletronica digital atraves do Processador

Digital de Sinais, ou DSP. Este pode conter inumeras funcoes ate de interatividade para

se adequar a novas funcoes conforme a necessidade bastando que o programa que executa

seja alterado atraves de um PC. Com isto nao e necessario alterar o circuito de controle,

como num controle analogico. Alem disso, o inversor que sintetizara o sinal de compen-

sacao pode conter interface otica para o sinal de disparo das chaves. Pode-se ter isolacao

completa entre o circuito de controle e o de potencia e o sinal otico nao sofre interferencia

eletromagnetica, possibilitando que o controle fique a distancia.

Sera nosso objetivo construir a interface otica de acordo com os nıveis em que tra-

balham o receptor do inversor e o nıvel de tensao da saıda da interface digital do DSP.

Uma interface Serial sera adicionada a comunicacao entre o DSP e o PC. Outra tarefa

sera construir o circuito de condicionamento dos sinais que o DSP precisara conhecer do

circuito de potencia para realizar seus calculos com precisao e no menor tempo possıvel.

i

Sumario

RESUMO i

LISTA DE ABREVIACOES iii

LISTA DE ILUSTRACOES iv

1 Introducao 1

1.1 Identificacao do Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Motivacao e Objetivo do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Estrutura do Texto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Interface Otica 5

2.1 Circuito Transmissor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2 Circuito Receptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3 Interface Serial 12

4 Condicionamento de Sinais 15

5 Conclusao 19

Referencias Bibliograficas 21

ii

LISTA DE ABREVIACOES

AD Conversao de sinal Analogico para Digital

CA Corrente Alternada

CC Corrente Contınua

CI Circuito Integrado

CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor

DEE Departamento de Engenharia Eletrica/Eletrotecnica

DSP Digital Signal Processor

DVR Dynamic Voltage Restorer

EE Escola de Engenharia

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

I/O In/Out ou Entrada/Saıda

LED Light Emissor Diode

PC Personal Computer

PWM Pulse Width Modulation

TTL Transistor Transistor Logic

UFRJ Universidade Federal do Rio de Janeiro

VSI Voltage Source Inverter

iii

Lista de Figuras

1.1 Diagrama do DVR inserido no sistema eletrico. . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.1 Esquematico do Link utilizado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2 Pinagem da porta I/O do DSP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.3 DSP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.4 Circuito interno do CI 75451. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.5 Circuito interno do Receptor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.6 Regulador de tensao LE33CZ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.7 Esquematico da Interface Otica do DVR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.1 Pinagem de um plugue serial macho. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.2 Pinagem do driver MAX3232CPE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.3 Esquematico da Interface Serial do DVR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4.1 Condicionadores de Sinais modelo 5B41. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.2 Backplane de 16 canais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.3 Divisor resistivo de potencial na entrada dos condicionadores de sinais. . . 17

4.4 Placa de condicionamento de sinais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4.5 Esquematico do Condicionamento de Sinais do DVR. . . . . . . . . . . . . 18

iv

Capıtulo 1

Introducao

Em muitos sistemas de distribuicao o atendimento e de qualidade insuficiente para

muitos processos que se dao pelo uso da energia eletrica, sofrendo pela ma dis-

tribuicao das cargas ou por ter boa parte da carga concentrada em horarios de pontas de

consumo. Podem ser comuns quedas de tensao por motivo da partida de grandes motores

ou conjunto de motores, e esses podem ou nao ser trifasicos e equilibrados.

O desbalanco gerado ou a queda momentanea de tensao pode ser suficiente para

impedir a realizacao de algum processo industrial que exija estabilidade do sistema e

tenha tolerancia somente para pequenos nıveis de oscilacao do valor eficaz da tensao de

cada fase. O prejuızo pode se dar pela interrupcao do processo, pela perda de materia

prima, atraso ou falha em acordos comerciais e multas contra a distribuidora local por nao

estar garantindo a qualidade em padroes mınimos estabelecidos pelos orgaos responsaveis.

Nestes casos pode ser viavel a insercao no ponto crıtico de um Restaurador Dinamico

de Tensao, o DVR. Este e inserido em serie com o sistema eletrico em questao. Quando

a tensao disponıvel nao atinge os nıveis estabelecidos o DVR atua somando um nıvel de

tensao que venha a compensar a queda ou o desbalanco presente no sistema. A interface

do lado de Corrente Alternada (CA) do inversor do DVR com o sistema se da atraves de

um transformador trifasico com o primario conectado a saıda do inversor e o secundario

conectado em serie com a linha do sistema, um enrolamento por fase.

Os sinais de tensao medidos do sistema sao levados ao Digital Signal Processor

(DSP). Este calcula em tempo real o sinal que deve ser somado para compensar o afunda-

mento ou desbalanco tendo ja sido programado com os nıveis estabelecidos para o padrao

1

CAPITULO 1. INTRODUCAO 2

local. Em seguida envia ao inversor o sinal de disparo das chaves de modo a sintetizar

o sinal de compensacao calculado. O sinal e modulado em alta frequencia utilizando a

tecnica de chaveamento Pulse Width Modulation (PWM). Esta tecnica oferece a possi-

bilidade de minimizar os harmonicos gerados e uma maior precisao no sinal sintetizado.

O transformador que conecta o DVR ao sistema eletrico funciona ainda como um filtro

passa baixa para o sinal gerado, minimizando o conteudo harmonico deste.

O barramento de Corrente Contınua (CC) do DVR e alimentado por um retificador a

diodos (ponte trifasica completa) conectado atraves de uma indutancia ao sistema eletrico.

E entao uma alimentacao robusta, simples e de baixo custo, que atende perfeitamente as

necessidades do DVR. Um diagrama completo do DVR e mostrado na Figura 1.1.

Barra IN Barra OUTCV

L

BarraInfinita

CargaSensível

Carga deAfundamento

DVR

LT

Figura 1.1: Diagrama do DVR inserido no sistema eletrico.

1.1 Identificacao do Problema

Na construcao de um prototipo do DVR em laboratorio uma das dificuldades encontradas

foi medir as tensoes do sistema e condiciona-las aos padroes das entradas analogicas do

DSP. Isto precisa ser feito com precisao para que o DSP determine com a mesma precisao

o sinal de compensacao, sem atrasos ou erros de amplitude. Estaremos trabalhando com

nıveis de tensao baixos: 220VRMS entre fases. Mesmo assim estes nıveis sao muito altos

para a eletronica digital e, portanto, para os conversores AD. A famılia de DSP’s com a

CAPITULO 1. INTRODUCAO 3

qual estamos trabalhando atualmente opera com 3, 3V no processador. Os nıveis TTL ja

foram deixados de lado no meio dos processadores pois se busca cada vez mais desempenho

e altas taxas de processamento, sendo necessario diminuir a producao de calor e, portanto,

a potencia dissipada pelo componentes. Alem desta adequacao entre os sinais deve ainda

existir uma protecao para o DSP para que nao sofra com picos de tensao ou descargas

atmosfericas que venham a interferir no sistema eletrico.

O outro problema encontrado foi em disparar as chaves do inversor com os sinais

gerados pelo DSP. Sabe-se que qualquer porta I/O de um circuito digital nao oferece

potencia para alimentar outro circuito. A porta serve apenas para indicar nıveis pre

estabelecidos para os bits 1 e 0. Ja os gates das chaves semicondutoras precisam de

potencia para mudarem de estado, e a potencia depende da tensao e corrente nominal da

chave e da mudanca de estado que se pretende realizar. Outro problema e que os nıveis

da porta I/O do DSP estarao variando entre 0V (nıvel logico baixo) e 3, 3V (nıvel logico

alto) enquanto as chaves estarao em diversos nıveis de tensao.

Deve-se entao colocar um driver para amplificar o sinal para o nıvel de potencia

necessaria ao gate e desacoplar os sistemas, como se faz com um transformador de entrada

de um retificador para alimentar pequenos eletrodomesticos, que tem nıveis de saıda em

0V (o terminal negativo) e 9V (o terminal positivo), por exemplo.

1.2 Motivacao e Objetivo do Trabalho

Sera nosso objetivo construir os circuitos de condicionamento de sinais e os drives para

fibra otica para os sinais de disparo dos gates das chaves semicondutoras do inversor.

Estaremos trabalhando de modo que os circuitos apresentem a menor distorcao possıvel

dos sinais originais e nenhum atraso seja adicionado a estes para que o algoritmo imple-

mentado no DSP funcione corretamente.

Estaremos consolidando conhecimentos em circuitos de disparo de chaves semicon-

dutoras de potencia, em circuitos digitais, em eletromagnetismo e possıveis interferencias

que possam aparecer nos sinais estudados e em circuitos analogicos de baixa potencia com

amplificadores, moduladores e demoduladores, etc, conforme veremos a seguir.

CAPITULO 1. INTRODUCAO 4

1.3 Estrutura do Texto

Este primeiro capıtulo introduz o assunto com um resumo da operacao do DVR e o que

este equipamento se propoe a fazer. Tambem identifica os problemas a serem analisados

e solucionados e apresenta o porque deste projeto, o que traz como motivacao e quais os

objetivos a serem cumpridos aqui.

O Capıtulo 2 apresenta as condicoes para elaboracao e construcao dos circuitos da

placa de interface otica.

O Capıtulo 3 apresenta com maior detalhamento as necessidades de uma interface

serial e sua construcao de acordo com os diversos padroes com que estamos trabalhando.

O Capıtulo 4 apresenta o problema ja abordado com mais detalhes e a elaboracao

do circuito de condicionamento de cada sinal necessario ao algoritmo de controle do DVR.

O Capıtulo 5 apresenta as conclusoes a respeito do funcionamento dos circuitos

estudados e os benefıcios de suas utilizacoes.

Capıtulo 2

Interface Otica

Ainterface otica e responsavel por enviar ao inversor o sinal de disparo e bloqueio

de cada IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) do inversor e receber deste

possıveis sinais indicativos de erro, um para cada perna do inversor. Tendo um inversor

trifasico tres pernas, cada uma responsavel por sintetizar a tensao de uma fase, e duas

chaves por perna, teremos tres sinais por perna: um para acionar cada IGBT e um de

erro, num total de nove sinais oticos considerando as tres pernas.

O inversor adquirido para fazer parte deste prototipo do DVR, e posteriormente ser

reaproveitado em outros projetos de pesquisa e desenvolvimento, ja veio de fabrica com a

interface otica montada, tanto os circuitos de recepcao dos sinais de disparo dos IGBT’s

quanto os circuitos de envio dos sinais de erro. Sao tres placas identicas, uma para cada

perna do inversor e com os tres conectores como dito acima. Resta-nos entao construir

a parte da interface otica que sera conectada ao DSP, no mesmos padroes do inversor, e

conecta-las por fibra otica.

Absorvendo experiencias passadas com este tipo de interface, analisamos a possibil-

idade de se trabalhar com os mesmos dispositivos empregados em uma placa de interface

otica ja construıda e utilizada no Laboratorio de Eletronica de Potencia do Departamento

de Engenharia Eletrica (Elepot-DEE). Esta interface e utilizada entre um Microcontro-

lador da Hitachi, o HC11, e um inversor da Weg. O inversor teve suas entradas adaptadas

pelo proprio fabricante para receber sinais de fibra otica. O microcontrolador trabalha

com nıveis TTL (5.0V ), diferente do DSP que utilizamos (3.3V ). Sendo assim consulta-

mos o manual do fabricante dos drives utilizados e observamos que seria possıvel utiliza-lo

5

CAPITULO 2. INTERFACE OTICA 6

tambem com o DSP sem nenhum drive extra para enviar sinais aos gates. Alem disso,

estes dispositivos sao do mesmo padrao e fabricante dos dispositivos presentes na interface

otica do inversor adquirido para o DVR.

A interface a que estamos nos referindo faz parte do kit Versatile Link Evaluation Kit

HFBR0501, da Agilent Technologies - Hewlett Packard [1]. Cada kit contem os seguintes

ıtens:

• 01 Transmissor HFBR1524;

• 01 Receptor HFBR2524;

• 5 metros de cabo fibra otica com os conectores HFBR4511 e HFBR4513;

• Conectores espacadores;

• Um kit de polimento;

• Manual do usuario.

Entre as Caracterısticas do Kit observamos:

• Frequencia de operacao de ate 5MHz;

• Distancias de ate 40m, com o link operando no maximo a 40kHz;

• Baixa potencia de alimentacao;

• Alta imunidade a ruıdo;

• Facil conexao;

• Transmissores incorporam um LED com luz vermelha em 660nm para facil visuali-

zacao;

• Compatibilidade com o Padrao TTL;

CAPITULO 2. INTERFACE OTICA 7

Figura 2.1: Esquematico do Link utilizado.

Entre as vantagens de se utilizar um interface deste tipo estao as citadas na intro-

ducao deste relatorio, dentre as que nos interessam. Entre os circuitos empregados na

construcao do Link, de acordo com a faixa de frequencia utilizada, esta o da Figura 2.1.

Na Figura 2.2 temos todos os pinos da porta I/O do DSP referentes aos sinais que

utilizaremos neste projeto: sinais de disparo e bloqueio das chaves (PWM1 a PWM6)

e sinais de erro (Erro1 a Erro3), alem dos terminais que utilizaremos para alimentacao

(VCC = 5V e GND) [2, 3]. O DSP e mostrado na Figura 2.3 com destaque para as portas

e interfaces disponıveis, algumas das quais utilizaremos neste projeto.

1 2

39 40

VCC=5V VCC=5V

GND GND

Serial INSerial OUT

GND GND

Erro 1Erro 3Erro 2

PWM1

PWM6PWM3 PWM4

PWM2

PWM5

Figura 2.2: Pinagem da porta I/O do DSP.

2.1 Circuito Transmissor

Antes que o sinal de disparo das chaves chegue ao transmissor e necessario que este passe

atraves de um driver. Utilizaremos o driver sugerido pelo fabricante do link. Trata-se

CAPITULO 2. INTERFACE OTICA 8

Connector Function

P1/P7 analog interface

P2/P8

TAG interface

P3 Power connector

P6 I/O Expansion Connector

P9 Parallel Port/JTAGController interface

P10

P1

P7

P10

P9

P3 P8 P2

P6

I/O interface

Figura 2.3: DSP.

do 75451 [4], um Circuito Integrado (CI) com dois drives do tipo AND que supre ate

300mA de corrente na saıda (padrao TTL). O circuito interno do 75451 e sua pinagem

sao mostrados na Figura 2.4. Sua alimentacao sera feita tambem a partir da fonte do

DSP (VCC = 5V ).

75451

IN

IN

OUT

IN

IN

OUTGND

VCC

Figura 2.4: Circuito interno do CI 75451.

Mesmo que o CI 75451 trabalhe no padrao TTL, os nıveis logicos altos do DSP estao

acima do valor mınimo aceito pelo CI, ou seja, acima da zona morta. Entao nenhuma

interface adicional sera necessaria para conectar os dispositivos de padroes diferentes aqui.

Para obter sinal na saıda e necessario que um dos terminais de entrada seja conectado

ao terminal VCC (nıvel logico alto) e que o outro receba os sinais diretamente do DSP, e

CAPITULO 2. INTERFACE OTICA 9

a saıda sera um sinal logico identico ao do DSP (dentro do CI 75451 o sinal que sai do

NAND e invertido, caracterizando-o como um AND). Com isto temos exatamente a parte

esquerda do link da Figura 2.1.

2.2 Circuito Receptor

O circuito receptor serve para enviar em um nıvel de tensao adequado ao DSP os sinais de

erro provenientes do inversor. Como pode ser visto na Figura 2.5, o receptor e fabricado na

configuracao coletor aberto. Isto permite que, ao inves de conectar o terminal do coletor

ao terminal de alimentacao para produzir nıveis logicos altos no padrao TTL (5V ), como

sugerido no link da Figura 2.1 para o padrao TTL, podemos conectar este a uma fonte

de referencia em 3.3V e obter os sinais de erro nos nıveis desejados.

Figura 2.5: Circuito interno do Receptor.

Para ter a alimentacao em 3.3V sem adicionar mais uma fonte ao projeto utilizamos

um regulador de tensao, um conversor CC-CC abaixador (conversor do tipo buck). Esta

opcao foi feita comparando-se os possıveis resultados da utilizacao do regulador de tensao

com um divisor resistivo de potencial ou um limitador de tensao a diodo zener e resistor.

Estas duas outras opcoes nao se mostraram eficientes e estaveis. O regulador de tensao

sera alimentado pela fonte do DSP (terminal +5V da interface I/O, pinos 1 e 2, conforme

Figura 2.2) sem comprometimento da alimentacao deste, ja que a potencia requerida pela

interface serial esta dentro dos limites da fonte (5V · 4A = 20W ) e condutores, incluindo

as trilhas da placa do DSP. Para esta funcao de regular a tensao em 3.3V escolhemos o

CI LE33CZ pelo baixo consumo, facilidade e simplicidade de montagem e operacao. A

pinagem e as principais caracterısticas do CI LE33CZ podem ser observadas na Figura 2.6.

CAPITULO 2. INTERFACE OTICA 10

Temos entao um barramento de 3.3V que sera utilizado na interface otica e na interface

serial tambem, conforme adiante no Capıtulo 3.

1 2 3IN 5V

OUT 3.3V

GND

Vista inferior

Tensão de entrada: máx. 18V

Corrente de saída: máx. 150mA

Regulação de tensão: máx. 25mV

Ruído na saída: 50µV

Figura 2.6: Regulador de tensao LE33CZ.

Do pino 1 do receptor sai o sinal de erro enviado pelo inversor. Entao conectamos

cada pino 1 dos receptores aos seus respectivos pinos da porta I/O do DSP conforme a

Figura 2.2. Tambem a este e conectado um resistor de 1kΩ que o conectara a alimentacao

em 3.3V . Quando o nıvel logico for alto o transistor nao conduz, a tensao sobre os termi-

nais do resistor sera nula pois a corrente neste e tambem praticamente nula. Aparecera

o nıvel de 3.3V no terminal Vo e consequentemente no DSP (tambem nıvel logico alto).

Quando o nıvel logico for baixo o transistor estara saturado e Vo sera aproximadamente

zero. Circulara corrente pelo resistor pois nos seus terminais a tensao e de 3.3V . A tensao

que aparecera no DSP sera a mesma do terminal Vo, logo nıvel logico baixo tambem. O

pino 2 e conectado ao terra e o pino 3 e conectado a alimentacao do DSP (VCC = 5V ).

Foi feita uma mudanca simples em relacao ao esquematico sugerido para a construcao

do link no lado dos receptores (Figura 2.1).

O esquematico da interface otica pode ser visto na Figura 2.7. Tanto os receptores

quanto os transmissores foram testados isolados e juntamente com o DSP e com o Inversor,

para verificacao dos nıveis de tensao em cada ponto, da logica empregada e da faixa de

frequencia que estamos interessados (de acordo com a frequencia do PWM).

CAPITULO 2. INTERFACE OTICA 11

LE33CZ

I/O DSP

1

40

75451Transm. 6

Transm. 5

Transm. 4

Transm. 1

Transm. 2

Transm. 3

75451

75451

Recep. 3

Recep. 2

Recep. 1

Figura 2.7: Esquematico da Interface Otica do DVR.

Capıtulo 3

Interface Serial

Ainterface serial veio pela necessidade de realizar algum tipo de interacao em tempo

real para alterar o modo de execucao do algoritmo implementado no DSP, ativar

ou desabilitar funcoes neste ou obter dados da operacao do DVR. A porta paralela pela

qual se da a comunicacao entre o PC e o DSP nao dispunha dos requisitos necessarios a

comunicacao desejada. A solucao obtida foi aproveitar as portas de comunicacao serial

disponıveis na interface digital I/O do DSP e uma das portas seriais disponıveis no PC

(COM1 a COM4).

Novamente temos o problema de conectar dispositivos de padroes diferentes. O

DSP trabalha com nıveis logicos alto e baixo em 3.3V e 0V respectivamente, com nıveis

de tolerancia para um mınimo de 2.0V para o nıvel logico alto e um maximo de 0.8V para

o nıvel logico baixo, sendo os valores compreendidos entre estes dois nıveis desconsiderados

- zona morta. Ja a interface serial trabalha em +12V e −12V para os mesmos nıveis,

tambem com tolerancias e zona morta. Precisamos entao adequar os sinais enviados ao

DSP para os nıveis logicos deste e atuar com um driver nos sinais provenientes do DSP

para amplificar a tensao e coloca-la nos nıveis do padrao serial.

Existem no mercado alguns chips que convertem sinais do padrao serial para o padrao

TTL ou CMOS e vice-versa. Estes chips podem conter varias combinacoes de entradas

e saıdas, ate o numero de 8, numero de sinais utilizados na interface serial de um PC.

Para este projeto precisaremos apenas de dois sinais, o que na verdade caracteriza uma

comunicacao serial: apenas uma via para cada sentido de envio de sinais. A pinagem de

um plugue serial macho e mostrada na Figura 3.1.

12

CAPITULO 3. INTERFACE SERIAL 13

DCE ready - 6

Request to send - 7

Ring indicator - 9

Clear to send - 8DTE ready - 4

Transmitted data - 3

Received data - 2

Received line signal detect - 1

Signal ground - 5

Figura 3.1: Pinagem de um plugue serial macho.

Pesquisando entre os fabricantes destes chips descobrimos uma linha que aceita

alimentacao VCC com tensoes entre −0.3V e 6.0V e produz nıvel logico alto na saıda

TTL/CMOS com tensao igual a de alimentacao. Sendo assim, alimentando-o com 3.3V

obteremos nıveis logicos compatıveis com a entrada digital do DSP. A mesma compatibili-

dade e apresentada para o sinal que sai do DSP para a comunicacao serial. Por acao de um

conversor CC-CC interno e utilizando capacitores externos, o chip gera os nıveis de tensao

necessarios para trabalhar no padrao serial sem que para isto necessite de alimentacao em

±12V .

Entre os chips analisados optamos por utilizar o MAX3232CPE [5] por conter este

nao muito mais do que o numero necessario de portas (duas entradas e duas saıdas), baixo

custo quando comparado aos outros chips, frequencia maxima de operacao (120kbps),

temperatura de operacao de acordo com o restante dos dispositivos (0oC a 70oC) e com

as condicoes de operacao e condicionamento final do DVR e baixo consumo (corrente de

alguns mA na entrada CC). A Figura 3.2 apresenta o diagrama do CI MAX3232CPE.

A alimentacao em 3.3V sera feita pelo mesmo regulador de tensao utilizado na

interface otica (Capıtulo 2).

Na Figura 3.3 apresentamos o esquematico do circuito que compreende a interface

serial proposta e construıda para o DVR. Os capacitores sao todos de 1µF . Note que duas

portas seriais do CI MAX3232CPE nao foram utilizadas, assim como a maioria dos pinos

presentes no soquete serial. Outro fator a ser levado em conta e que conectamos a massa

da interface serial, ja representada como terra na figura, ao terra do DSP. Atraves da

conexao serial, esta massa tambem sera conectada a massa do PC. E necessario entao que

CAPITULO 3. INTERFACE SERIAL 14

MAX3232CPE

RS232

RS232

TTL /

CMOS

16

15

14

13

12

11

10

9

1

2

3

4

5

6

7

8

VCC

GND

p/ c

apac

itore

s

Figura 3.2: Pinagem do driver MAX3232CPE.

os pinos de aterramento das fontes do DSP e do PC sejam conectados ao mesmo referencial

de terra para nao formar um loop de corrente, o que pode ser extremamente prejudicial

se realimentado por alguma interferencia eletromagnetica. Outra solucao e suspender o

terra de uma das fontes, preferencialmente a do DSP, por ser de menor potencia.

MAX3232CPE

LE33CZI/O DSP

1

40

SERIAL1

Figura 3.3: Esquematico da Interface Serial do DVR.

Esta interface teve sua parte eletrica testada mas ainda nao operou com o DVR em

funcionamento pois a construcao deste prototipo ainda nao terminou.

Capıtulo 4

Condicionamento de Sinais

Serao feitas medicoes das tensoes no ponto da linha de distribuicao onde o DVR es-

tiver conectado ou onde se desejar compensar os problemas a que este se propoe

minimizar. Tambem em nosso prototipo, construıdo em escala reduzida, serao feitas

medicoes das tensoes para enviar ao DSP os sinais necessarios para a execucao correta do

algoritmo implementado neste. Porem nao e possıvel em nenhum destes casos enviar os

sinais de tensao diretamente ao DSP simplesmente conectando-o a linha a qual o DVR

estara conectado, dado o limite de tensao das entradas analogicas do DSP e o grau de

protecao que deve haver contra picos de tensao que venham a surgir em qualquer fase da

linha. Entao devera haver alguma interface que reduza a amplitude dos sinais e confira ao

DSP protecao e isolamento quando necessario em relacao a linha, caracterizando assim o

condicionamento de sinais.

Entre as solucoes ja disponıveis no mercado pronta para uso foram escolhidos os

condicionadores de sinais da Analog Devices modelo 5B41 e a placa backplane 5B01 do

mesmo fabricante [6]. Esta placa, o backplane, serve de suporte para os condicionadores

e oferece todas as conexoes para alimentacao, entrada e saıda dos sinais e jumpers para

conexao da massa deste a terra ou ao terminal comum da fonte, na configuracao que se

desejar.

Os condicionadores tem moduladores e demoduladores para evitar algum atraso

(medimos um atraso de 40µs independente da frequencia), como ocorre em transfor-

madores devido a indutancia de dispersao, sem contudo perder em isolamento em relacao

a um transformador. Possuem atenuadores e um ajuste preciso do nıvel medio correspon-

15

CAPITULO 4. CONDICIONAMENTO DE SINAIS 16

dente a tensao nula na entrada. As entradas recebem sinais de tensao de ate ±10V de

pico e tem protecao para ate 1500VRMS . A faixa de frequencias (banda passante: −3dB

em 10kHz) e suficiente para os sinais que queremos medir. O diagrama em blocos dos

condicionadores de sinais e mostrado na Figura 4.1. Tambem e apresentado o backplane,

na Figura 4.2.

VIN

4

3

2

1

HI

LO

+EXC

-EXC NC

NC

PROT & ATTEN

20X

ANTI-ALIASING FILTER

LASER ADJ REF

V2

ACTIVE LPF

3-POLE

SIGNAL ISOLATION

PS

LASER ADJ REF

VOUT

PWR COM

READ EN(0)

+5V

I/O COM

RECT &

FILTER

POWER ISOLATION

Figura 4.1: Condicionadores de Sinais modelo 5B41.

Figura 4.2: Backplane de 16 canais.

Sendo os sinais provenientes da rede de alimentacao do laboratorio (220VRMS e

311.13Vpico) utilizamos um divisor resistivo de potencial para adequar os nıveis de tensao

em questao. Um esquema do envio dos sinais ate as entradas dos condicionadores de

sinais e mostrado na Figura 4.3. O calculo dos resistores e mostrado em seguida. E

importante observar que os resistores em paralelo com os condicionadores de sinais estao

ligados em 4. Logo a relacao entre a tensao de entrada VIN e a tensao VOUT e diferente

da relacao normal e direta pelas resistencias. Pela tensao de pico de entrada precisamos

CAPITULO 4. CONDICIONAMENTO DE SINAIS 17

reduzir a tensao 31.113 vezes para adequa-la a entrada do condicionador de sinais. Porem

os condutores e todos os contatos e soldas irao adicionar mais resistencia ao circuito do

divisor resistivo de potencial. Esperamos obter uma relacao proxima ao desejado, medi-

la quando o circuito estiver pronto e so entao fornecer o valor da relacao obtida para o

programador do DSP, para que os valores numericos das tensoes dentro do DSP estejam

o mais proximo possıvel da realidade.

5B41

fase a fase b fase c

R=128kΩ

RP=10kΩ

RIN=60kΩ

5B415B41

backplane

Figura 4.3: Divisor resistivo de potencial na entrada dos condicionadores de sinais.

VINpico =√2 · 220V = 311.13V

VOUT =RP

RS

=(10k−1 + 60k−1)−1

128k + 128k· VIN = 0.0033 · VIN

∼=1

30· VIN

A compra dos condicionadores de sinais foi feita numa mesma epoca em que foi

feita a aquisicao do DSP. Porem nao foi levado em conta que as entradas analogicas do

DSP trabalham com tensoes entre 0V e 3.3V com o nıvel equivalente a zero em 1.65V ,

enquanto os condicionadores tem saıda entre 0V e 5V com o nıvel equivalente a zero

em 2.5V . Portanto mais um condicionamento de sinais se faz necessario. Com os nıveis

de tensao e corrente neste ponto muito reduzidos descartamos a possibilidade de utilizar

novamente divisor resistivo de potencial por ficarem os sinais sujeitos a grandes distorcoes

provocadas por interferencias eletromagneticas.

De um outro projeto desenvolvido em nosso laboratorio fazem parte tambem placas

de condicionamento de sinais. Estas foram projetadas e montadas pelo estagiario e gradu-

CAPITULO 4. CONDICIONAMENTO DE SINAIS 18

ando Daniel Galiano Pimentel, com orientacao do Prof. Jose Guilherme Barbosa Rolim.

Oferecem alto grau de isolacao contra ruıdos, mais um nıvel de protecao e diversos ajustes

pela mudanca de resistores. Esta projetada inicialmente para receber e enviar sinais entre

0V e 5V com nıvel medio em 2.5V . Precisaremos trocar alguns resistores para modificar

alguns ganhos e ajustar o nıvel medio para 1.65V , de acordo com as entradas analogicas

do DSP. O setor da placa projetado para receber drives e transmissores de sinal otico

(4 canais) nao serao utilizados. O esquematico da placa com os resistores que devem

ser trocados e apresentado na Figura 4.4. Na Figura 4.5 temos o esquematico de todo o

circuito de condicionamento de sinais.

Entradada placa

conector

1

2

15V

15V

-15V

-15V

5V

5V

D1

D2

Saída parao DSP

conector470pF

10pF100nF

100nF 10nF

10kΩ

10kΩ

10kΩ

10kΩ17.8kΩ

20kΩ

1kΩ

10kΩ

150Ω 150Ω

Figura 4.4: Placa de condicionamento de sinais.

5B41

fase a fase b fase c

5B415B41

FLAT CABLE

DIGITAL I/O DSP

DSP

ANALOG INTERFACE

FLAT CABLE

CONDICIONAMENTO DE SINAIS 2

CONDICIONAMENTO DE SINAIS 1

Figura 4.5: Esquematico do Condicionamento de Sinais do DVR.

Capıtulo 5

Conclusao

Neste projeto a qualidade e precisao com que cada etapa e executada e de funda-

mental importancia pois se trata de um prototipo. Portanto todas as opinioes e

conhecimentos deste tema se consolidarao com o funcionamento adequado deste e e de

fundamental importancia que nenhum erro venha a aparecer depois de ter o projeto como

terminado, mesmo que nao seja uma falha de concepcao do equipamento.

A Interface Otica ja elimina muitos problemas que poderiam ocorrer entre o DSP

e o Inversor. Mesmo assim, apos sua construcao, foi testada exaustivamente em varias

condicoes, trabalhando com o Inversor e observando os sinais no gate de cada uma das

chaves e as formas de onda sintetizadas, comparando estes resultados com os esperados,

obtendo sempre sucesso.

A Interface Serial foi dispensado o mesmo cuidado que aos demais componentes deste

projeto, apesar de nao ter tanta importancia como outras interfaces. Como comentado

no final do Capıtulo 3, ainda nao foi testada completamente.

Os circuitos de Condicionamento de Sinais tambem foram outro ponto de muita

discussao neste projeto. No final percebe-se uma certa redundancia de circuitos: tres

estagios de ganho (divisor resistivo de potencial, condicionadores de sinais 5B41 e placa

condicionadora de sinais produzida no proprio laboratorio). O mesmo se pode dizer

quanto a protecao e isolamento entre o circuito de potencia e o DSP. E sem duvida

algo a nao se repetir. O sistema de Condicionamento de Sinais produzido no laboratorio

constitui-se de tres placas. Em uma estao quatro transdutores de tensao e alguns circuitos

adicionais. Em outra os transdutores de corrente, tambem quatro. A terceira placa e a

19

CAPITULO 5. CONCLUSAO 20

que utilizamos, que reune os sinais provenientes destas duas placas de transdutores e

realiza o condicionamento dos oito sinais, para um sistema de ate quatro fios (tres fases e

um neutro). Ha ainda quatro canais de drives para fibra otica, pensando em um inversor

com operacao complementar entre as chaves de uma mesma perna. Como foi um sistema

para um projeto desenvolvido paralelamente a este nao houve tempo de optar por um

ou outro antes da necessidade de realizar os primeiros testes com o DSP e o Inversor.

Contudo, toda experiencia e valida. As diferencas de construcao, dispositivos e custos

entre as interfaces analisadas nos proporcionaram ainda mais oportunidades de contato

com o ambiente que cerca uma bancada de pesquisa e desenvolvimento.

Referencias Bibliograficas

[1] Versatile Link - The Versatile Fiber Optic Connection - Technical Data, Agilent,

1999.

[2] TMS320LF/LC240xA DSP Controllers Reference Guide - System and Peripherals,

Texas Instruments, Dezembro de 2001.

[3] eZdsp LF2407 Reference Technical, Texas Instruments, Spectrum Digital Inc., Agosto

de 2001.

[4] DS75451/2/3 Series Dual Peripheral Drivers, National Semiconductor, Fevereiro de

2000.

[5] 3.0V to 5.5V, Low-Power, up to 1Mbps, True RS- 232 Transceivers Using Four 0.1uF

External Capacitors, Maxim Integrated Products, 1999.

[6] The 5B User’s Manual, Analog Devices Inc., 1987.

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