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Editora Saber Ltda.DiretorHlio Fittipaldi

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editorial

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Submisses de ArtigosArtigos de nossos leitores, parceiros e especialistas do setor sero bem-vindos em nossa revista. Vamos analisar cada apresentao e determinar a sua aptido para a publicao na Revista Saber Eletrnica. Iremos trabalhar com afinco em cada etapa do processo de submisso para assegurar um fluxo de trabalho flexvel e a melhor apresentao dos artigos aceitos em verso impressa e online.

48 anos

Esta edio marca os 48 anos que a publicao se dedica a divulgar conhecimentos sobre a eletrnica e a evoluo da tecnologia. Foi assim, com este intuito, que adquirimos o ttulo da Philips do Brasil, editora da revista at a edio n 44.

Ela se iniciou com a tarefa de introduzir a nova tecnologia do transistor, em 1964, que sofria resis-tncia do mercado em aceit-la, pois o uso da vlvula era o costume e no havia dificuldades para entend-la.

A partir da, a revista sempre foi a introdutora da nova tecnologia at os dias de hoje, onde a Tecnologia de Montagem em Superfcie (SMT) com os seus componentes SMDs, a cada dia que passa, domina as mon-tagens em placas de circuito impresso.

Em 1986 iniciamos a publicao de uma srie de artigos traduzidos so-bre SMT, de autoria da Philips holandesa, que acabou sendo o documento--base para a norma brasileira sobre este assunto.

Por incrvel que parea, 26 anos aps esta publicao e com os fabri-cantes de semicondutores lanando os seus produtos em SMT, as escolas ainda no ensinam seus alunos a manusearem estaes de montagem e retrabalho para SMDs.

Muitos acreditam que simplesmente adquirir uma estao, lig-la e passar a montar como sempre fizeram com a antiga tecnologia, mas isto no to fcil assim. Publicamos h cerca de um ano uma srie de trs artigos, escritos pelo professor Luis Fernando Bernabe. O que notamos foi que havia uma sria deficincia nesta rea, e nem mesmo as escolas tradicionais ensinavam esta tcnica em seus cursos.

Assim sendo, para contribuir com o mercado, resolvemos implan-tar o treinamento aos sbados nas dependncias da Editora Saber. O primeiro j est em andamento e o programa para os prximos ser divulgado em breve.

Hlio Fittipaldi

Maro/Abril 2012 I SABER ELETRNICA 460 I 3

4 I SABER ELETRNICA 457 I 2011

ndice

51

31

Editorial

Acontece

0306

N o v a s a b e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 5G l o b t e k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 9B l u c o l o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1Un i v. Gama F i l ho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3

R F Te c h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1Ta t o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9Ke y s t o n e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9

C i k a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C a p a 0 2I n f i n e o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C a p a 0 3N a t i o n a l I n s t r u m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . C ap a 0 4

ndice de anunciantes

Tecnologias14 Rdio Digital

Eletrnica Aplicada22 Condicionamento de Sinais Analgicos e Sensores

31 Controle de Motores Algoritmos Complexos para Microtroladores XMC4000, da Infineon

36 Antenas Ganho, Eficincia e Polarizao

40 Influncias das Harmnicas na Alimentao de Dispositivos Eletrnicos

Microcontroladores44 Os Microcontroladores Kinetis, da Freescale Parte 1

Instrumentao51 Medindo o Aterramento Eltrico

56 Labview: Aprenda na Prtica Parte 8

Circuitos Prticos60 10 Osciladores com Amplificadores Operacionais

44

Setembro/Outubro 2011 I SABER ELETRNICA 455 I 29

Eletrnica Aplicada

SE455_SECD8_PWM.indd 29 26/9/2011 17:51:48

acontece

6 I SABER ELETRNICA 460 I Maro/Abril 2012

Imagine um dispositivo em forma de anel que permita a interao intuitiva, sem toque, com o mundo digital apenas pelo movimento de seus dedos. Imagine um painel solar do tamanho de um microcon-trolador que permita inteligncia ambien-tal em qualquer edifcio. Imagine integrar capacidades de sensibilidade ao monxido de carbono, controle de termostato e segurana biomtrica a um detector de fumaa, sem aumentar o seu tamanho. Este mundo mais inteligente, mais verde e sem baterias est rapidamente tornando--se realidade com a plataforma de micro-controladores de baixa potncia da Texas Instruments Incorporated.

Batizada internamente de Wolverine, por sua tecnologia agressiva de eco-nomia de energia, esta plataforma de microcontroladores MSP430 de baixs-sima potncia oferece consumo 50% inferior a qualquer microcontrolador do segmento (360 nA em modo real-time clock (RTC) e menos de 100 A/MHz em modo ativo). Os primeiros dispositivos baseados nesta plataforma estaro na srie MSP430FR58xx, com disponibili-dade programada para junho de 2012.

Dispositivos de uso dirio, como me-didores de glicose e detectores de fumaa, esto demonstrando nveis de desempenho cada vez maiores, com longevidade de bateria de 10 a 20 anos, e esta tendncia est se espalhando por uma infinidade de aplicaes, disse Kevin Wang, analista-chefe da iSuppli na China. A arquitetura revolucionria de baixa potncia, da Wolverine, est determinando um novo padro para o setor e permitir a proliferao dos produtos de baixa potncia. Dos pro-dutos de consumo aos setores mdico e industrial, o cu o limite.

A plataforma com o mais baixo consumo do mercadoA plataforma Wolverine oferece o

menor nvel de consumo de energia em qualquer caso de uso, se comparada a qualquer microcontrolador do setor o menor consumo em modo ativo, em standby e de memria e perifri-

Alta qualificao: Programa deve integrar educao e sistema produtivo A Texas Instruments reduz o consumo

com sua nova plataforma MCU Wolverine

cos. Por exemplo, as aplicaes tpicas alimentadas a bateria gastam at 99,9% do seu tempo em modo standby, e os microcontroladores baseados na Wol-verine consomem apenas 360 nA em modo standby, o que permite dobrar o tempo de vida til da bateria. A Texas Instruments continua com seu legado de pioneirismo nas ltimas tecnologias de baixo consumo com a arquitetura de sistema e a tecnologia de baixssimo consumo da plataforma de microcon-troladores Wolverine.

Veja na figura os novos nveis de baixs-simo consumo de potncia alcanados com o uso da Wolverine MCU Platform para os microcontroladores MSP430.

Tecnologia de fabricao ULL (Ultra-Low-Leakage)A TI desenvolveu esta tecnologia ULL

que oferece uma reduo de 10x na corrente de fuga e melhoria com as capacidades otimizadas de sinais mistos. A aprimorada tecnologia de fabricao de 130 nm, a arquitetura de ultrabaixa potncia do MSP430 e mais de 30 componentes analgicos e digitais com potncia otimizada so alguns dos ele-mentos integrados que, combinados, geram uma drstica reduo do consu-mo de energia.

Observe, a seguir, alguns dos ganhos alcanados pela TI com sua tecnologia

Ultra-Low-Leakage de 130 nm com refe-rncia aos Cs MSP430:Consumo de energia em modo

Ativo: abaixo de 100 A/MHzConsumo em modo Standby: abai-

xo de 400 nA com RTC e proteo brown-out.

250x menos de energia por bit com memria FRAM

Menos de 7s para passar do modo Standby para o modo Ativo.

Memria FRAM unificadaTirando vantagem da FRAM, a memria

de menor consumo do mundo, os micro-controladores baseados na Wolverine podem operar com menos de 100 A/MHz em modo ativo, e consumir 250x menos energia por bit, se comparados aos microcontroladores utilizando Flash e EEPROM. Alm destas vantagens de potncia, a FRAM 100% no voltil, o que oferece aos desenvolvedores baixo consumo, velocidade e flexibilidade de SRAM ao mesmo tempo que retm a capacidade-chave de armazenamento no-power da Flash. Os clientes no esto limitados s propores especficas de memria para dados inerente aos sistemas integrados tradicionais eles podem mudar esta proporo a qualquer momento no ciclo de design.

Na tabela apresentado um quadro comparativo entre as diversas tecno-

acontece

2012 Maro/Abril I SABER ELETRNICA 460 I 7

ProdutosNI Multisim 12.0 oferece soluo completa para otimizar o desempenho dos circuitos profissionais

logias de memria no voltil (FRAM x SRAM x EEPROM x Flash).

Facilitando o trabalho dos desenvolvedoresA plataforma MSP430 da Texas Ins-

truments tem sido a lder em baixa potncia por mais de uma dcada. Esta nova arquitetura de potncia ultrabaixa (da Wolverine) reduz dramaticamente

FRAM SRAM EEPROM FlashNon-volatile Retains data without power Yes No Yes YesWrite speeds (13 KB) 10ms

acontece


Expanso global constri sucesso forte no Brasil ao longo dos ltimos 10 anos

A Renesas Electronics Corp., fabricante japonesa de solues avanadas em semi-condutores, inaugurou em So Paulo a Re-nesas Eletrnica Brasil-Servios Ltda., uma subsidiria da Renesas Electronics America.

Os representantes da empresa no Japo, o Vice-Presidente de MCUs Toshihide Tsuboi, o Vice-Presidente de Vendas Tetsuro Kitano e o CEO Ali Sebt dos Estados Unidos da Amrica, bem como clientes e parceiros do setor estiveram presentes na cerimnia de abertura. Esta subsidiria ir reforar o apoio da Renesas para a regio da Amrica do Sul atravs de promoo de vendas local e suporte tcnico, e tambm oferecer um sistema regional com expertise em soluo para desenvolvimento de projetos.

Nos ltimos 10 anos, trabalhando junta-mente com o seu representante local de vendas e distribuidores, a Renesas tem experimentado forte adoo de suas solu-es de sinalizao no Brasil, especialmente nos mercados automotivo e industrial. Agora, a empresa tem um forte desejo de expandir sua presena global para buscar o crescimento fora do Japo. Com planos de maior investimento para o mercado brasi-leiro, estabelece um relacionamento mais estreito com clientes e parceiros na regio. Assim, a nova subsidiria visa aumentar a sua participao no mercado de MCUs e dispositivos de energia.

A Saber Eletrnica esteve presente na inaugurao e registrou na abertura as informaes do sr. Tetsuro Kitano, vice--presidente snior da Renesas Electronics Corporation, que disse:

Estamos satisfeitos em expandir nossas operaes na Amrica do Sul com a nossa nova subsidiria. Vimos uma grande pro-messa neste mercado e acreditamos que este novo investimento demonstra nosso compromisso com os clientes e parceiros no Brasil. No futuro, pretendemos ofere-cer maiores benefcios e recursos para os nossos clientes aqui, expandindo o nosso ecossistema e criao de parcerias locais com design houses independentes, fabri-cantes, universidades e centros de P & D.

Ali Sebt, CEO da Renesas Electronics Ame-rica, a quem est subordinada a unidade brasileira, iniciou dizendo: Eu sempre me

impressionei com as inovaes desenvol-vidas pela comunidade de engenharia no Brasil, especialmente de setores como o automotivo, eletrodomsticos, controle de motores e de medidores inteligentes. uma grande satisfao fornecer aqui no Brasil MCUs (microcontroladores) e solu-es de semicondutores de energia para produtos que permitem uma melhor inte-rao das pessoas com seus equipamentos eletrnicos de forma mais eficiente, prtica, segura, inteligente e intuitiva.

Perguntamos ao CEO Ali Sebt, em entrevista exclusiva Saber Eletrnica, como a Renesas do Japo conseguiu apesar dos grandes danos sofridos pelo terrvel terremoto seguido de tsunami, atender seus clientes no prazo. A resposta nos surpreendeu, pois eles conta-ram com a ajuda no s dos funcionrios e clientes como at dos concorrentes como a Sansung. A sala limpa foi reerguida em dois meses com a ajuda de mais de dois mil parceiros trabalhando 24 h. Em sistemas embarcados as vendas dos concorrentes dependem um do outro, seno a produo para e ningum vende. Alm disso, a Renesas tem sua produo em outras plantas.

Sobre uma futura produo aqui no Brasil, tivemos a resposta que est se tornando comum em nosso meio, que : o nosso ecossistema no propicia vrias condies no momento, como volume de consumo alto, fornecedores, energia barata e de qua-lidade, impostos menores, burocracia, etc.

Sebt nos apresentou um grfico mostrando uma pesquisa encomendada Gartner (veja abaixo), onde a Renesas aparece como a maior fornecedora de microcontroladores

do mundo computando os MCUs de 8,16 e 32 bits e a 2 colocada a Freescale com quase 1/3. Neste momento o sr. Toshihide interveio e disse que trs so as razes deste sucesso: A primeira a grande va-riedade de microcontroladores, a segunda o baixssimo consumo de energia e a terceira o programa de zero defeitos e a alta qualidade dos seus produtos.

A Renesas foi fundada pela unio da Mitsubshi que controla 25% das aes e a Hitachi com 31% . Recentemente, entrou a NEC que de-tm 34% da sociedade. Atualmente, segundo a empresa, tem uma participao mundial de mercado no setor automobilstico de 44% que representa cerca de US$ 2,2 bilhes de dlares/ano. Para o ano de 2012 prevm faturar no Japo 40% das receitas totais, e 60% nos outros pases.

Do seu faturamento total, 25% na rea auto-motiva, 20% na rea de eletroeletrnicos de consumo, 10% na rea de comunicao onde se inclui de celulares a perifricos de rede, 10% de equipamentos Industriais e 10% de PC e perifricos. A Renesas Elec-tronics Brasil comandada por Huliquis R.Fernandes, profissional com experincia nesta rea e que j passou, entre outras em-presas, por Freescale e STMicro Electronics.

Com a inaugurao a Renesas Electronics Brasil tambm lanou um site em Portu-gus, http://br.renesas.com. O novo escritrio est localizado na zona sul de So Paulo, na Av. Ibirapuera, n 2907 cj. 1511 CEP 04029-200, tel.: 11 5041-8263 e composto por marketing de produto, engenharia de aplicativos e engenharia de aplicao em campo.

acontece


Da esquerda para direita: Ritesh Tyagi - Diretor de Marketing/Renesas America;

Ali Sebt - CEO/Renesas America; Toshihide Tsuboi - Vice-Presidente de MCUs/Renesas

Japo e Tetsuro Kitano - Vice-presidente de vendas/Renesas Japo.

Huliquis R. Fernandes - Gerente de Marketing/ Renesas Electronics Brasil.

Huliquis R. Fernandes e a equipe da Renesas no Brasil.

acontece


A empresa norte-americana acaba de anunciar o lanamento de dois componentes AFE configurveis que provm uma soluo modular fcil de utilizar, de modo a preencher o gap existente at agora entre o mi-croprocessador e o sensor. Os enge-nheiros de projeto podero reduzir significativamente seus tempos de desenvolvimento com o uso de um nico AFE (analog front end) atravs de mltiplas plataformas de sensores de gs (NDIR: nondispersive infrared) e de pH, ao invs de terem que projetar diversas solues discretas e comple-xas, separadamente.

Os AFEs contam com o software da Texas WEBENCH Sensor AFE De-signer e o mais avanado sistema de desenvolvimento de bancada. Essas ferramentas permitem que os enge-nheiros escolham um sensor, proje-tem e configurem a soluo e, ento, baixem os dados de configurao do sensor AFE para uma imediata proto-tipagem. Para obter mais informaes e solicitar amostras, acesse www.ti.com/sensorafe-pr.

O componente LMP91050 NDIR Gas Sensing AFE, altamente integrado, suporta mltiplos sensores de termo-pilhas para: NDIR sensing, monitorao interna de CO2 , ventilao com con-trole de demanda, HVAC, anlise de hlito alcolico, monitorao de gases de efeito estufa e deteco de fren.

O componente LMP91200 AFE de sensoriamento de pH altamente integrado, suporta 2 eletrodos senso-res de pH utilizados em plataformas analisadoras para monitoramento de emisses, monitorao da qualidade da gua e vapor, usinas qumicas e petroqumicas, processamento de alimentos, e muito mais.

Principais caractersticas e van-tagens do LMP91050 NDIR Gas Sensing AFESoluo completa para sensoriamento de

gs: o AFE integra um amplificador de ganho programvel (PGA), um circuito

A Texas Instruments apresenta os primeiros Sensores AFE de gs e pH, configurveis

de cancelamento de offset dark phase, um gerador modo-comum ajustvel e uma interface SPI com a finalidade de simplificar o projeto do sistema.

Amplificador de ganho programvel: caracterizado por faixas de baixo e alto ganho, o que permite a utilizao de termopilhas com diferentes sen-sibilidades.

Performance bem especificada: um baixo drift de ganho = 100 ppm / C (mximo); drift de offset de sada = 1,2 mV/ C; variao do atraso de fase = 500 ns; baixo rudo at 0,1 Vrms (entre 0,1 e 10 Hz); e uma faixa de temperatura de operao entre -40C e +105C proporcionam um desempe-nho otimizado para o sistema.

Pequeno fator de forma: a integrao reduz o seu invlucro para 3 mm x 4,9 mm, viabilizando a obteno de pro-dutos finais com menores dimenses.

Principais caractersticas e vanta-gens do LMP91200 pH Sensing AFESoluo completa para sensoriamento

de pH: o AFE integra um amplificador PGA, um buffer pH com baixssima corrente de entrada, guarda de sinal, calibrao de temperatura e medidas, circuitos de diagnstico e gerador modo-comum, o que permite o uso de um chip nico para interfacear a maioria dos sensores de pH atuais.

Confiabilidade e preciso maiores para o sistema: teste de sensor on-board garante conexo e funcionalidade apropriadas, e a baixssima corrente de polarizao de 0,4 pA (mxima) elevam a confiabilidade e preciso do sistema, enquanto tambm protegem os eletrodos pH durante os perodos sem alimentao.

Ampla faixa de operao: funciona de 1,8 V at 5,5 V nas temperaturas entre -40C e +125C, com garantia de uma baixa Ibias de entrada do buffer pH em toda a faixa de funcionamento, o que oferece a mxima flexibilidade.

Pequeno fator de forma: a integrao reduz o seu invlucro para 5 mm x 6,4

mm, possibilitando a obteno de pro-dutos finais com menores dimenses.

A Texas Instruments oferece a cadeia completa de solues para aplicaes de sensoriamento, permitindo que os engenheiros combinem componentes das seguintes famlias: Sensor AFE, Microcontrolador MSP430 de 16 bits e baixssima potncia, e transmissores 4 20 mA como os DAC161P997 e XTR117.

Disponibilidade e EncapsulamentosDisponvel atualmente em quantida-

de, o AFE de sensoriamento de gs LMP91050 oferecido num invlucro MSOP de 10 pinos, enquanto o AFE de sensoriamento de pH LMP91200 fornecido em invlucro TSSOP de 16 pinos.

Crescimento do Portflio de Sensores AFEOs componen te s LMP91050 e

LMP91200 juntam-se seguinte fam-lia de sensores AFE da Texas:

LMP91000: Sensor AFE qumico/ de gs, de baixa potncia, que oferece polarizao ajustvel (sensor drive), sensibilidade e larga faixa dinmica. indicado para aplicaes de monito-rao de gases txicos (baseadas em eletroqumica).

LMP90100, LMP90099, LMP90098 e LMP90097: So sensores AFE multicanais de 24 bits com calibrao de fundo (background) contnua para aplicaes em medidas de tempera-tura, presso, carga e tenso. Cada AFE oferece um leque diferente de configuraes de canal e fontes de corrente.

LMP90080, LMP90079, LMP90078 e LMP90077: So sensores AFE multicanais de 16 bits tambm com calibrao contnua de background para aplicaes de medies de tem-peratura, presso, carga e tenso. Cada AFE oferece uma diferente seleo de configuraes de canais e fontes de corrente.

acontece


Este ano, 12 mil clientes da Copel - Com-panhia Paranaense de Energia - sero me-didos e monitorados distncia atravs de um sistema de medio inteligente. Esses clientes fazem parte do chamado Grupo A, que so os maiores clientes da empresa. De acordo com Joo Acyr Bonat Junior, gerente do departamento de Medio e Perdas, esses clientes representam 48% do faturamento da Copel. O objetivo principal do sistema monitorar o fornecimento de ener-gia, atuando de imediato nos casos de anomalias e prevenindo a ocorrncia de procedimentos irregulares, destaca.

Para uma concessionria de energia, fazer a leitura em tempo real do consumo pode trazer grandes benefcios e evitar pre-juzos. O investimento que est sendo feito no centro de operaes de medio de aproximadamente 12 milhes de reais e os benefcios sero percebidos rapidamente na qualidade do servio prestado, relata Bonat.

A utilizao de ferramentas de tele-comunicaes e de informtica na distribuio de energia eltrica vo possibilitar uma maior eficincia do servio, resultando numa diminuio das ocorrncias de falta de energia e num restabelecimento mais rpido quando estas ocorrerem, alm de permitir que novas fontes de ener-gia, preferencialmente renovveis, possam ser ligadas rede. Segundo Bonat, estas novas redes de energia, tecnolgicas, so chamadas de redes inteligentes (Smart Grids) e sero o futuro da distribuio de energia eltrica no mundo.

Projetos-Piloto em andamento pretendem testar o Smart GridEm parceria com a Copel, a Smartgreen

do Brasil est implantando no Bairro gua Verde, em Curitiba, uma rede multisservios, que ser instalada junto aos medidores residenciais e

Sistema de Medio inteligente estar disponvelpara 12 mil clientes da Copel

corporativos. A tecnologia far lei-turas, em tempo real, do consumo de energia. A rede multisservios tambm vai gerenciar o sistema de iluminao pblica.

Wilson Piccoli, diretor da Smartgreen do Brasil, explica que a integrao melhora a gesto dos servios. Os moradores do gua Verde sero beneficiados, pois a tecnologia de-tecta lmpadas apagadas, em tempo real, contribuindo para a segurana na regio. Alm disso, possibilitar que a Copel identifique um padro de consumo do bairro em questo, ressalta Piccoli.

Outro projeto que a Copel est desen-volvendo no municpio de Fazenda Rio Grande, Regio Metropolitana de Curitiba, com a automao do sistema eltrico inteligente. A ideia veri-ficar a eficcia do sistema, servindo de norte para as prximas aes da Companhia, finaliza Bonat.

acontece


A Fluke Corporation, lder mundial em tecnologia porttil de teste e medio eletrnica apresenta o Analisador de Qualidade de Energia Trifsico Fluke 430 srie II, principal ferramenta com algorit-mo patenteado para medir desperdcio de energia e quantificar custos. O 430 srie II ajuda as empresas a reduzir o consumo de energia e melhorar o desempenho e du-rao de equipamentos eletromecnicos, fornecendo a justificao ROI para mitigar a distoro de qualidade de energia.

Anteriormente, apenas especialistas podiam calcular o quanto de energia havia sido desperdiado devido a problemas com a qualidade de energia; concessionrias de energia podiam calcular o custo, mas o processo requerido de medio estava alm do alcance da maior parte dos ele-tricistas. Com a nova e patenteada funo Unified Power do 430 srie II, eletricistas, tcnicos de concessionrias de energia, engenheiros eletricistas, tcnicos de ser-vios em campo e consultores de energia podem automaticamente determinar o quanto de energia est sendo desperdi-ado e calcular exatamente quais so os gastos extras de energia com uma nica ferramenta.

Os Analisadores de Qualidade de Energia Fluke 430 srie II permitem que as plan-tas verifiquem o impacto de eficincia energtica, em aplicaes de eletrnica de potncia e sistemas de iluminao at controles de motores e HVAC. Enquanto os novos equipamentos consomem me-nos energia em instalaes individuais, eles aumentam o nvel de distrbios na rede eltrica e na maior parte dos sistemas eltricos, aumentando o desperdcio de energia devido aos harmnicos e redu-zindo o total de economia de energia. O Fluke 430 srie II calcula monetariamente custos do desperdcio de energia.

O mais famoso Analisador de Qualidade de Energia est melhorH tempos o mais popular Analisador

de Qualidade de Energia de trs fases no mercado com exibio simultnea de diversos parmetros e infinidade de recursos, o 430 Series II apresenta trs

novos modelos de funes de medio, bem como melhorias de hardware, sof-tware e firmware. Os novos modelos tm at 32 GB (8 GB padro) de memria, um carto de memria SD de fcil troca/substituio e conectividade USB para aumentar a capacidade de registro de energia e rpido download de dados. A resoluo da tela e a bateria esto ainda melhores e o software que acompanha foi redesenhado para dar aos usurios mais opes para analisar a qualidade e o consumo de energia. Ambos mode-los so totalmente compatveis com a norma internacional IEC 61000-4-30 e rigorosos padres Classe-A. Cada um pode monitorar os sistemas com at dez parmetros de qualidade de energia em uma nica tela e pode gravar at 150 parmetros em 4 fases simultaneamente, de acordo com a norma EN50160, e esto com classificao de segurana 600 V CAT V CAT III IV/1000.

Nova Funo de medio Unified PowerA partir de um primeiro algoritmo desen-

volvido por Vicente Leon e Joaqun Mon-taana, da Universidade Politcnica de Valncia como uma extenso do padro IEEE 1459, a funo Power patenteado Unified na Srie 430 II foi desenvolvida em cooperao entre Fluke Corporation e engenheiros cientistas da Universidade de Valncia. A funo Unified Power marca a primeira vez que qualquer ferramenta de teste tem a capacidade de automa-ticamente quantificar o desperdcio de energia por harmnicos e desequilbrio, e introduzindo a estrutura tarifria de servios pblicos, o usurio pode at mesmo calcular o custo monetrio da energia desperdiada.

Inverter EfficiencyA funo Inverter Efficiency, da Srie 430

II, mede simultaneamente a entrada e a sada de potncia de inversores em siste-mas solares, turbinas elicas e fontes de alimentao, permitindo que o operador veja quanto de eletricidade o inversor consome e se ele est operando de for-

ma eficiente. As medies permitem aos operadores ajustarem as configuraes ou fazerem uma substituio de uma unidade defeituosa.

Power WaveO modelo 435 inclui a funo Power

Wave, uma captura rpida do sinal que exibe formas de onda de meio ciclo RMS de tenso e corrente com todos os de-talhes para que os tcnicos e engenheiros de manuteno de motor e gerador pos-sam medir a interao durante as opera-es de chaveamento. Isso permite que os eletricistas de instalaes, prestadores de servio e empreiteiras do setor eltrico, efetuem medies com uma ferramenta para diagnosticar perfis de carga e evitar falhas em motores e inversores durante o comissionamento e fases de start ups.

Os modelos 430 da Srie II incluem uma maleta de transporte, bateria tipo Li-on com at 10 horas de operao por carga, sondas de corrente, cabos de teste com clipes, carregador de bateria, cabo USB, e software PowerLog. Ambos os modelos estaro disponveis a partir de janeiro de 2012. Para mais informaes, visite: www.fluke.com.br.

Fluke apresenta os Analisadores de Qualidade de Energia Trifsicos 430 srie II

acontece


Errata da edio 459:

Pg. 14 Corrigir o ttulo do artigo para Uso da Termografia

Pg. 64 e 65 No texto de Relaxao com Transistores Bipolares: em lugar do termo figura 20, o certo figura 21. Nesse mesmo texto, na pg. 65, tambm trocar figura 8 por figura 22 e figura 9 por figura 23.

Demonstramos aqui um escner cerebral com smartphone totalmente funcional, o qual consiste de um fone EEG de 14 canais, de baixo custo, com conexo sem fio para smartphone (Nokia N900). O aparelho possibilita monitorao EEG minimamente invasiva em ambientes naturais comuns.

O smartphone fornece uma interface baseada em toque com decodificao do estado do crebro em tempo real e reconstruo 3D.

O SistemaO nosso sistema prov um EEG totalmente

porttil, baseado em um escner cerebral com funcionamento em tempo real que inclui: liberao de estmulos, aquisio de dados, logging, decodificao do estado do crebro e visualizao da atividade em 3D. O software executado em Qt. Os dados iniciais do EEG so obtidos de um Neuroheadset de 14 canais Emotiv, sem fio, o qual possui taxa de amostragem de 128 Hz e eletrodos posicionados em AF3, F7,

Scanner de Crebro com Smartphone

F3, FC5, T7, P7, O1, O2, P8, T8, FC6, F4, F8, AF4 (o sistema internacional 10-20).

O fone de ouvido transmite os dados do EEG a um mdulo receptor conectado ao fone do Nokia N900. Os dados bin-rios so decifrados diretamente no fone, filtrados e passados para o mdulo de reconstruo de fonte, que produz as cores dos vrtices do modelo para visualizao.

A reconstruo da fonte realizada sobre uma quantidade de amostras (default sobre 16 amostras, resultando numa visualizao de 8 Hz).

O atraso entre o sinal que aparece no fone de ouvido e aquele visualizado na tela

depender da janela de reconstruo de fonte usada, ficando entre 130 e 150 mi-lissegundos para uma visualizao de 8 Hz. A taxa de frames da visualizao (realizada em OpenGL) est em torno de 30 fps.

O VdeoO vdeo mostra o escner de crebro

com smartphone com o headset EEG de 14 canais Emotiv usado por uma pessoa e a reconstruo do crebro em 3D, em tempo real; e tambm a visualizao da atividade no smartphone N900: www.youtube.com/watch?v=i_66KAOzXhU&feature=player_embedded

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F1. Diagrama de blocos do trans-missor e receptor.

Roberto Remaili

Viso GeralEm uma placa de circuitos digitais contendo

portas lgicas os sinais obedecem ao padro TTL, ou seja, possuem um nvel DC e bordas abruptas de subida e descida, confinando a energia de um bit em uma janela finita no tempo (figura 2). Esse confinamento no tempo implica em uma grande ocupao do espectro.

Na transmisso de sinais, principalmente por rdio, h outros usurios transmitindo informaes em canais adjacentes, o que, por-tanto, obriga cada usurio a usar uma parcela limitada do espectro de frequncias para que todos possam realizar suas transmisses sem interferncia. Essa limitao em frequncia (banda ocupada pelo sinal) provoca um es-palhamento da energia do pulso no domnio do tempo (figura 3).

Outro conceito importante que sm-bolos, no bits, so transmitidos, e que os mesmos podem significar mais de um bit, dependendo do tipo de modulao. Devido ao espalhamento da energia no tempo, parte da energia de um smbolo invade a janela de tempo de outros smbolos posteriores, podendo causar uma deteco errada dos valores dos mesmos, o que chamado de interferncia intersimblica (IIS).

Nyquist criou alguns critrios que se obedecidos minimizam a IIS, sendo o principal, o seguinte:

O smbolo tem seu formato tal que possui amplitude no nula no seu instante de amostragem, e possui amplitude nula nos instantes de amostragem dos outros smbolos.

Vrios tipos de pulsos seguem esta regra, porm, para minimizar os pro-blemas de jitter so escolhidos pulsos que possuem um rpido decaimento da amplitude no tempo, sendo na prtica utilizado o pulso cujo espectro comu-mente chamado de cosseno levantado (figura 4).

Em transmisso ponto a ponto, onde os equipamentos transmissor e recep-tor so sempre do mesmo fabricante, a distribuio da filtragem do sinal livre, tendo como nica preocupao que na deteco o sinal possua o espectro do cosseno levantado.

Em transmisso do tipo telefonia ce-lular, onde o transmissor (ERB / telefone mvel) de um fabricante e o receptor (telefone mvel / ERB) de outro fabri-cante convencionou-se dividir a filtragem

Rdio DigitalTerabits de informao cruzam o mundo

a cada segundo, transportando voz, dados, imagens ou vdeo, passando por fibras pticas, enlaces de rdio, cabos, ou via satlite.

No importando o meio, os conceitos de transmisso envolvidos so basicamente os mesmos: atenuao, distoro, atraso de grupo, interferncia intersimblica, relao energia por bit/rudo etc.

Por envolver a maioria dos conceitos e ter diferentes aplicaes, o rdio digital foi escolhido para ser analisado em detalhe. O diagrama de blocos de um transmissor e re-ceptor esto desenhados na figura 1.

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F2. Sinal digital no padro TTL.

F3. Espalhamento da energia do pulso no domnio do tempo.

F4. Pulso com espectro chamado cosseno levantado.

F5. Converso do sinal de entrada HDB-3 para TTL.

F6. A taxa de bits do rdio maior que a da interface dos dados de entrada.

igualmente entre os dois equipamentos, assim a funo de transferncia do trans-missor raiz quadrada do cosseno levan-tado e a do receptor tambm.

Os Elementos do Rdio Digital

Cada bloco ser agora descrito seguindo a mesma sequncia do sinal, partindo da interface digital at o estgio de RF para o transmissor e do estgio de RF at a inter-face digital para o receptor.

O Transmissor

Conversor de interfaceO rdio se conecta com outros equi-

pamentos atravs da interface digital. Em telecomunicaes esta interface padroni-zada, podendo ter vrias taxas de bits (2, 34, 140, 155 Mb/s), tendo suas especificaes descritas na recomendao G.703 do ITU T. A figura 5 mostra um exemplo de converso do sinal de entrada codificado em HDB 3 para nveis TTL (circuito inter-no). Os nveis lgicos internos ao rdio so definidos exclusivamente pelo fabricante do equipamento.

Mdulo Lgico DigitalDotado de um microprocessador, este

mdulo processa uma grande quantidade de informaes, tanto do sinal quanto do equipamento. Por parte deste ltimo, so geradas informaes de potncia do sinal transmitido, consumo da fonte de alimentao, nvel do sinal de RF recebido, falha de mdulos/ placas, entre outras. No processamento do sinal so geradas infor-maes de taxa de erro de bits e alarmes de falha. Essas informaes so adicionadas s informaes que vm de outros rdios e so encaminhadas para o centro de gerncia da operadora de telecomunicaes.

O mdulo formador do quadro tem essa funo, transformar em um nico feixe de bits a informao do usurio, as infor-maes de gerncia, de canal de servio (utilizado pelas operadoras para comuni-cao entre as estaes) e mais alguns bits de controle utilizados pelo prprio rdio.

As principais funes desses bits de controle so a palavra de alinhamento de quadro do rdio para que no receptor o equipamento tenha condies de separar cada uma das informaes, e os bits de

paridade para controle da taxa de erro de bits, a principal medida de desempenho do sistema.

claro que para ser possvel transportar tanta informao a mais, a taxa de bits interna do rdio superior da interface de dados de entrada, conforme indica a figura 6.

Tambm funo deste mdulo o em-baralhamento dos bits (scrambler), o que garante o espalhamento espectral do sinal

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transmitido, independente do seu contedo. Finalmente, o separador de sinais divide o feixe de bits de maneira alternada em dois feixes, I e Q, e realiza a converso de nveis do sinal conforme o esquema de modulao. Adotando neste exemplo a modulao 64 QAM, cada feixe (I ou Q) apresenta oito nveis diferentes de sinal, sendo quatro nveis positivos e quatro nveis negativos, cada nvel representando trs bits, sendo que nveis vizinhos diferem de apenas um bit. Veja a figura 7.

Aps a converso de nvel, o sinal fil-trado para limitar a banda do mesmo antes da modulao.

O ModuladorO esquema genrico de um modulador

QAM est representado na figura 8. O osci-lador de FI, na frequncia de 70 MHz ou 140 MHz, modulado em amplitude pelo feixe I, e o mesmo defasado de 90 graus modulado pelo feixe Q. Estes dois sinais so somados, resultando na constelao de smbolos da modulao digital (figura 9).

Deve-se notar que a diferena entre smbolos vizinhos (pontos da constelao) de apenas um bit. Esta representao esco-lhida para minimizar a taxa de erros de bits.

F8. Esquema bsico do Modulador QAM.

F7. Converso de nvel do sinal pelo sepa-rador usando modulao 64QAM.

F9. Constelao de smbolos da modulao digital, obtida da soma dos sinais I e Q.

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Misturador de SubidaO misturador de subida converte o sinal

modulado da frequncia de FI para a frequ-ncia de RF. O canal de RF a ser utilizado determina a frequncia do oscilador local e a banda de passagem do filtro de imagem. Este filtro e o uso de misturadores balance-ados reduzem o nvel do sinal do oscilador local que vaza na sada do misturador (figura10).

Estgio de PotnciaComo o prprio nome diz, este estgio

amplifica o sinal para os nveis de alta potn-cia que alimentaro a antena e o propagaro pela atmosfera at a antena receptora. Quanto mais complexa a modulao digital (nmero de pontos da constelao) maiores as exigncias de linearidade dos sistemas de transmisso para uma correta deteco de bits (baixa taxa de erro). Os amplificadores so elementos no lineares quando operam com grandes sinais (figura11).

H duas maneiras de se caracterizar a no linearidade de amplificadores: pelo ponto de interseco de terceira ordem, ou pelo ponto de compresso de 1 dB do ganho (figura12).

Se a modulao escolhida para o rdio for complexa, por exemplo 64 QAM, ela exi-ge um grau de linearidade maior do sistema, o que s pode ser atingido com o amplifica-dor operando 10 dB abaixo do ponto de 1 dB de compresso, seria necessrio construir um amplificador de 10 W para transmitir a potncia de 1 W!

Quanto maior a potncia, mais caro o amplificador e maiores so as dificuldades para implement-lo. Para contornar este problema pode-se utilizar um dispositivo chamado pr- distorcedor.

A ideia por trs desse dispositivo adicionar entrada do amplificador um sinal intermodulado controlado, com uma fase tal que quando o sinal for amplificado, na sada tem-se o cancelamento dos sinais f e f (figura 13 a e figura 13 b), ou seja, o sinal gerado internamente pela intermo-dulao do amplificador (fs e fs) e o sinal de sada gerado pela amplificao do sinal de entrada (fe e fe) esto em oposio de fase (figura 14).

Com este dispositivo seria possvel transmitir um sinal de 1 W utilizando-se um amplificador de apenas 2 W, mas com uma baixa intermodulao na sada.

Filtro de SadaEste filtro possui duas funes: a pri-

meira seria eliminar do sinal a ser irradiado qualquer esprio ou sinal que possa causar interferncia em outros canais, e a segunda seria permitir a combinao de sinais de diferentes rdios em diferentes frequncias (canais de transmisso) em um mesmo guia de onda para serem transmitidos em uma mesma antena, conforme ilustra a figura 15.

O ReceptorO receptor praticamente possui um

diagrama de blocos na ordem inversa do F14. Sinais do Pr- Distorcedor e do Ampli-ficador de Potncia em oposio de fase.

F13. Uso do Pr- Distorcedor na entrada do amplificador de potncia.

F12. Duas formas de caracterizar a no linearidade do amplificador de potncia.

F10. O filtro-imagem e os misturadores balan-ceados reduzem o vazamento do sinal.

F11. Os amplificadores de potn-cia so elementos no lineares.

A)

B)

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transmissor. Outra diferena que em alguns casos utiliza-se um segundo re-ceptor (e uma segunda antena: a antena diversidade de espao) chamado recep-tor diversidade em rotas que possuem problemas de programao denominados fading seletivos. Estes fading seletivos ocorrem quando o sinal transmitido refletido em alguma superfcie e atinge a antena receptora aps algum atraso (por ter percorrido um caminho mais longo), conforme exemplifica a figura 16.

Como a distncia entre as antenas muito maior que a altura relativa super-fcie de reflexo, o ngulo extremamente pequeno e a diferena de atraso entre os dois percursos da ordem de 2 a 5 nanos-segundos. O resultado da combinao dos dois sinais na antena receptora atua como o filtro desenhado na figura 17.

Nas frequncias onde a diferena de atraso equivale diferena de fase de 180 o sinal sofre forte atenuao, j nas frequncias em que a diferena de fase equivale a 0 o sinal sofre um reforo. Nos casos de forte atenuao, o espectro do sinal recebido fortemente distorcido.(Figura 18)

Para complicar ainda mais o problema, a diferena de atraso varia com as condies de propagao atmosfrica fazendo com que a atenuao (ou o fading) varie em frequncia e amplitude ao longo do tempo.

Para resolver este problema utiliza-se uma segunda antena (diversidade de espao) a uma altura diferente de tal maneira que o fading no ocorra na mesma frequncia simultaneamente nas duas antenas.

O Filtro de CanalEste filtro determina a frequncia do

sinal a ser processado pelo receptor. Confor-me a figura 19, o mesmo tambm permite que se selecione o sinal correto a partir do sinal combinado recebido pela antena. Este filtro tambm responsvel pela rejeio da frequncia imagem.

Amplificador de Baixo RudoO sinal sofre uma forte atenuao quan-

do se propaga pela atmosfera e captado pela antena receptora. O nvel do mesmo na entrada do receptor pode variar de 70 a 30 dBm.

Alm do sinal, a antena receptora capta o rudo atmosfrico e entrega-o tambm ao receptor.

F15. Colocao dos filtros de sada nos Tx, Rx e numa antena.

F16. Exemplo de ocorrncia real de um fading seletivo.

F17. Resultado da combinao dos dois sinais (da figura anterior) na antena receptora Rx.

F18. Espectro do sinal com forte atenuao (muito distorcido).

F19. Filtro de canal responsvel pela seleo do sinal e rejeio da frequncia-imagem.

F20. Figura de rudo F(dB) = S/R entr. (dB) S/R sada (dB).

F21. Expresso para o clculo da Figura de Rudo total para um sistema

de mltiplos estgios.

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O grande inimigo para a correta detec-o dos bits no demodulador o rudo que adicionado ao sinal. O amplificador de baixo rudo tem como misso amplificar o sinal para nveis maiores de potncia, adicionando o mnimo rudo possvel. O desempenho deste amplificador em relao ao rudo que o mesmo adiciona ao sinal dado por sua Figura de Rudo em dB (ou temperatura de rudo em Kelvin). Quanto menor este nmero, melhor o amplificador.

A Figura de Rudo expressa a degrada-o da relao sinal/rudo da entrada para a sada do amplificador quando a temperatura de rudo do sinal de entrada T0 (290 K). (Figura 20).

a corrente de polarizao dos diodos PIN que atuam como atenuadores variveis (figura 23).

Misturador de DescidaEste estgio composto na realida-

de de trs componentes: o misturador propriamente dito, o filtro imagem (que possui funo semelhante descrita no transmissor, porm, neste caso ele filtra o sinal antes do misturador) e o oscilador local, cuja frequncia depende do canal a ser demodulado. Normalmente, so utilizados misturadores balanceados que apresentam boa rejeio de O.L e RF na sada de FI, porm h sempre um vazamento. (Veja figura 24).

Filtro de FIEste filtro determina a seletividade do

rdio e a sua banda de rudo. Cabe a ele eliminar qualquer vazamento de O.L. ou de RF para o estgio de FI, e tambm filtrar os sinais de canais adjacentes que no foram totalmente eliminados pelo filtro de canal do estgio de RF (figura 25).

Controle Automtico de Ganho (CAG)

Para a correta demodulao do sinal, o mesmo deve ter um nvel constante na entrada do demodulador. Portanto, o ganho deste estgio controlado dinamicamente para que o nvel de sada do mesmo seja constante. Isto realizado monitorando-se

F(dB) = S/R entrada(dB) - S/R sada (dB)

Na prtica, no apenas o rudo ampli-ficador que significativo na degradao do sinal. Todos os demais estgios do receptor contribuem com algum rudo na degradao do sinal a ser demodulado.

Para efeito de clculo do sistema, todos os rudos de estgios posteriores so repre-sentados somente na entrada do receptor (figura de rudo do receptor). A expresso matemtica para clculo de figura de rudo total para um sistema de mltiplos estgios com ganho Gj e figura de rudo Fj dada na figura 21.

Nesta expresso, os valores de Fj so lineares.

FJ = 1 + TEJ

T0

E para se obter o valor de FTOTAL em dB:

Atenuador Varivel de RFO atenuador varivel de RF tem como

funo evitar que intermodulaes ocorram no misturador de descida. Para executar essa tarefa, este estgio controla o seu nvel mximo de sada, limitando-o em um valor definido em projeto, por exemplo 30 dBm. (Figura 22).

Internamente, um diodo detecta o nvel de sada atravs de um acoplador direcional e um circuito de controle ajusta

FTOTAL (dB)= 10 log (FTOTAL)

F22. Exemplo de um Atenuador Varivel de RF.

F23. Diagrama interno do Atenuador Varivel de RF.

F25. Filtro de FI do rdio.

F24. O estgio Mistura-dor de Descida.

F26. Configurao do controle Automtico de Ganho (CAG).

F27. Ilustrao de transmisso de sinais de rdio para as antenas.

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o nvel de sada e um circuito de contro-le ajusta os atenuadores internos deste estgio (configurao parecida com a da figura 26).

Circuito Combinador

Atente para as figuras 27 e 28. O cir-cuito combinador faz a soma dos sinais do rdio principal e diversidade no estgio de FI. Para compensar a diferena de atraso entre os sinais (a antena-diversidade est numa altura menor e, portanto, mais prxima do rdio) colocada uma linha de retardo, na realidade um cabo coaxial longo o suficiente, no circuito de diversidade para equalizar o atraso. Internamente o combinador possui um circuito que realiza tambm a equalizao de fase antes de somar os dois sinais. Na sada se obtm um sinal com espectro sem fadings profundos (figura 29).

DemoduladorO demodulador converte o sinal modu-

lado (constelao QAM) nos dois feixes de dados correspondentes s subportadoras I e Q. Para isso preciso, atravs de um PLL, recuperar estas subportadoras (figura 30).

Lgica DigitalCircuitos comparadores de nvel identi-

ficam os nveis dos sinais (I e Q) e, conforme o resultado, geram a sequncia de bits do feixe I e do feixe Q (a figura 31 apresenta apenas o feixe I, de maneira anloga se obtm o feixe Q).

Aplicando a lgica reversa do circuito do transmissor, os feixes I e Q so combinados em um nico feixe e os bits de informa-o do quadro do rdio so entregues ao microprocessador para informaes de gerncia e controle, conforme foi explicado anteriormente. (Figura 32).

Os bits de paridade contidos no qua-dro do rdio so analisados e a paridade do quadro recalculada. Caso haja alguma discrepncia nos resultados, esta repor-tada gerncia do rdio como erro de bit na recepo do sinal. Este recurso muito importante no monitoramento do desem-penho do sistema.

Conversor de InterfaceFinalmente, o feixe de bits recebido

convertido do nvel lgico interno (TLL ou ECL) para o padro ITU G.703 na interface de sada do rdio. Veja a figura 33.

ConclusoA teoria de transmisso digital pode

ser aplicada para os mais diversos meios de propagao, o que muda so as tcnicas para soluo dos problemas. Os equipamentos de transmisso e recepo apresentam diagramas de blocos semelhantes, onde os elementos realizam funes inversas.

Apenas os sinais na interface de acesso (G.703) so padronizados. Os nveis lgicos internos, o formato do quadro do rdio e o sinal irradiado possuem formato proprietrio, o que obriga o usurio a comprar um par TX / RX de um mesmo fornecedor.

Quanto mais complexo o tipo de mo-dulao (nmero de pontos da constelao)

maior a dificuldade de implementao dos circuitos, maiores as exigncias de linearidade, potncia e baixo rudo e a suscetibilidade a erros, porm, menor a banda ocupada.

Nas transmisses por rdio o resultado final no depende s do equipamento. O meio de transmisso (a atmosfera) tambm tem forte influncia. Rudo atmosfrico, atenua-o, interferncias, fadings seletivos so algumas das anomalias causadas pelo meio.

Equalizadores adaptativos, rdio diversi-dade de espao, pr- distorcedores e con-trole de potncia so algumas das tcnicas utilizadas para otimizar o desempenho, que em toda a transmisso digital medido pela taxa de erros de bits.

F29. Sinal de sada, cujo espectro no contm fadings profundos.

F28. O circuito combinador soma os sinais do rdio principal e diversidade no estgio de FI.

F30. Atuao do Demodulador com uso de um PLL.

F31. Circuito comparador de nvel para o feixe I.

F32. Serializao/Anlise de quadro do rdio.

F33. Converso do sinal TTL(ou ECL) para HDB-3.

E

editorial indice.indd 6 17/02/2012 16:28:51


Eletrnica AplicadaIndustrial

Neste artigo veremos brevemente o que o condicionamento de sinais analgicos, e tambm alguns detalhes de diversos sensores.

Csar [email protected]

F2. Cadeia de medio e atuao em sistemas de controle.

Condicionamento de Sinais Analgicos e Sensores

Condicionar os sinaisCondicionar um sinal convert-lo de

forma adequada para interface-lo com outros elementos.

Quando a grandeza a ser medida no eltrica, utiliza-se transdutores que geram um sinal eltrico dessa grandeza.

Os sinais analgicos tm de ser previa-mente condicionados a fim de estarem em condies adequadas de serem aquisitados.

O condicionamento de sinal passa por vrias etapas: amplificar, filtrar e equalizar o sinal para que ele ganhe nveis de tenso adequados, com boa relao sinal/rudo e distoro harmnica mnima. A aquisio do sinal analgico culmina na sua amostra-gem e posterior converso analgico-digital (A/D). Veja as figuras 1 e 2.

Mtodos de condicionamento de sinal

Vejamos, a seguir, alguns mtodos de condicionamento:

AmplificaoO tipo mais comum de condiciona-

mento a amplificao. Sinais de baixa intensidade devem ser amplificados para aumentar a resoluo e reduzir o rudo. Para uma maior preciso, o sinal deve ser amplificado de forma que a mxima tenso do sinal a ser condicionado coincida com a mxima tenso de entrada do conversor A/D. Figura 3.

F1. Condicionamento de sinais.


Eletrnica Aplicada

IsolaoOutra caracterstica comum no condi-

cionamento de sinais a isolao dos sinais dos sensores/transdutores em relao entrada do conversor, visando a segurana. O sistema a ser monitorizado pode conter sinais de alta tenso que podem danificar o conversor.

Uma razo adicional para a isolao garantir que as leituras do equipamento de aquisio sero imunes a diferenas de po-tencial de terra, ou tenses de modo comum. Quando as entradas do sinal adquirido pelo dispositivo se referem a um potencial de terra, podem ocorrer problemas se houver uma diferena de potencial em dois pontos de terras (as chamadas correntes de loop).

Esta diferena pode levar ao que se chama curto de terra, causando impreciso na representao do sinal adquirido; ou a diferena to alta que ela pode dani-ficar o conjunto do sistema de medio. Usando mdulos de condicionamento de sinal isolados, elimina-se o curto de terra e assegura-se que os sinais so adquiridos com preciso. Figura 4.

MultiplexagemUma tcnica comum para medir diver-

sos sinais com um nico equipamento de medio a multiplexagem. O equipamento de condicionamento de sinal para sinais analgicos geralmente possui multiple-xagem para uso com sinais de alterao lenta, como o caso da temperatura. O conversor A/D amostra um canal, troca para o prximo, amostra, troca para o pr-ximo, amostra e assim sucessivamente. Por amostrar muitos canais ao mesmo tempo, a taxa de amostragem efetiva de cada canal inversamente proporcional ao nmero de canais amostrados. Figura 5.

FiltragemO propsito de um filtro remover sinais

indesejados do sinal que estamos medindo. Um filtro de rudos usado nos sinais DC, como temperatura, para atenuar sinais de alta frequncia que podem reduzir a preciso da medio (figura 6).

Sinais AC, como vibrao, geralmente re-querem um tipo diferente de filtro conhecido como filtro anti-aliasing. O filtro anti-aliasing um filtro passa baixa que requer uma taxa de corte muito alta, e normalmente remove completamente todas as frequncias do sinal

F4. Isolao de sinais.

F5. Multiplexagem.

F3. Amplificador de instrumentao.

F6. Circuito de filtro.

V O(t )=(V 2(t )V 1(t ))( R fR2 )(1+2 R1Rg )



que so maiores que a largura de banda de entrada do equipamento. Se esses sinais no forem removidos, eles iro aparecer erroneamente com os sinais da largura de banda de entrada do equipamento. Figura 7. Veja nas figuras 8 e 9 os filtros passa alta e passa banda, respectivamente.

ExcitaoAlguns transdutores requerem uma

tenso externa, ou sinais de corrente de excitao. Os mdulos de condicionamento de sinal para esses transdutores geralmente geram esses sinais. Por exemplo, em medi-es com RTDs utiliza-se, normalmente, uma fonte de corrente que converte a variao da resistncia em relao a uma tenso mensurvel. Figura 10.

LinearizaoOutra funo comum do condiciona-

mento de sinal a linearizao. Muitos transdutores, como os termopares, tm uma resposta no linear s mudanas das ocorrncias que vo ser medidas. Na figura 11, um circuito de linearizao. Deve-se conhecer a natureza do sinal, a configurao de medio e os efeitos do ambiente ao redor do sistema. Com base nestas informaes, pode-se determinar

F8. Filtro Passa Alta.F7. Filtro Passa Baixa.

F11. Circuito de Linearizao.

F9. Filtro Passa Banda.

F10. Circuito de excitao.

qual o mais adequado condicionamento de sinal para um determinado sistema de aquisio de dados.

SensoresSem dvida, a utilizao de sensores nas

aplicaes industriais algo muito extenso e impossvel de se cobrir em um artigo. Procuramos aqui, dar uma ideia geral de alguns conceitos envolvidos em sensores.

Neste artigo trataremos os sensores como transdutores de entrada, embora na prtica os termos sensor e transdutor muitas vezes acabem sendo usados como sinnimos. Para esclarecermos: transdutor um dispositivo que toma energia de um sistema em medio, convertendo-a a um sinal de sada que pode ser traduzido em sinal eltrico e que corresponde ao valor medido. J o sensor sugere algo alm de nos-sas percepes fsicas, envolvendo exatido, preciso, tempo de resposta, linearidade, histerese, zona morta, etc.

Quando se fala em sensores, importan-te ter em mente que podemos ter domnios eltricos da informao relacionados aos mesmos:

Domnio analgico: onde se tem a amplitude do sinal (corrente, tenso, potncia);

Domnio do tempo: onde se tem relao de tempos (perodo ou frequncia, largura de pulso, fase);

Domnio digital: onde a informa-o caracterizada binariamente e pode se conduzida por um trem de pulsos, ou codificao serial ou paralela, por exemplo.

Existem tambm os domnios no el-tricos, onde, por exemplo, podemos citar os qumicos.

Devido ampla variedade de sensores, normalmente os mesmos so classificados de acordo com alguns critrios:

Alimentao: segundo este critrio podem ser classificados em ativos, quando utilizam a alimentao derivada de uma fonte auxiliar, ou passivos quando no consomem energia e a potncia para a sada

f c= 12RC

VoutVin = 1[1+( ff c )2]1/2 VoutVin =

ff c

[1+( ff c )2]1/2VoutVin = f H f( f f H f L)2+[ f L+(1+r ) f H ]2 f

r= RHRLf H= 12R LC L ; f L=

12RH CH


Eletrnica Aplicada

F12. Fatores que influenciam o sinal de um sensor.

F13. Erros em uma medio.

vem da entrada. Como exemplo de sensores podemos citar o termistor (ativo) e o termopar (passivo).

Sada: segundo este critrio podem ser classificados em analgicos e digitais como, por exemplo, um potencimetro e um encoder de posio, respectivamente.

Modo de operao: neste caso so classificados em termos de suas funes em modo de deflexo ou modo nulo. No primeiro modo, o valor medido gera um efeito fsico de ao contrria varivel medida, como por exemplo em um acelermetro de deflexo. No modo nulo, o sensor tenta compensar a deflexo de um ponto nulo pela aplicao de um efeito conhecido que se ope ao valor medido, como por exemplo, em um servo--acelermetro. Normalmente o de modo nulo mais exato, j que se pode calibrar o efeito contrrio com referncias de alta exatido, porm pode ser lento.

Entrada-Sada: podem ser clas-sificados de acordo com a relao entrada-sada em sensores de pri-meira, segunda, terceira ou maior ordem. A ordem est relacionada com nmeros de elementos indepen-dentes que conseguem armazenar energia e afeta a exatido e tempo de resposta, o que importante quando estes sensores fazem parte de malhas de controles.

Existe uma ampla variedade de sensores e suas aplicaes so infinitas em automao, controles industriais e manufatura: tempe-ratura, presso, densidade, vazo, umidade, posio, velocidade, acelerao, fora, torque, deslocamento, cor, etc. So vrios os tipos de sensores: indutivos, capacitivos, pticos, ultrassnicos, etc.

Caractersticas que devem ser levadas em conta em um sensor

Na prtica, o que se espera de um sensor que sua sensitividade seja somente devida quantidade em interesse (grandeza a ser medida) e que o sinal de sada seja inteira-mente funo da entrada. Porm, nenhuma medio obtida em circunstncias ideais e qualquer sensor sofre algum tipo de in-terferncia e perturbaes internas, como por exemplo: efeitos em temperatura, efei-tos em presses estticas, efeitos devidos a interferncia magntica, etc. Figura 12.

Outro fator a ser considerado o com-portamento esttico e que afeta diretamente o comportamento dinmico de um sensor, tais como a exatido, preciso, sensitividade, linearidade, resoluo, erros sistemticos, randmicos e dinmicos, velocidade de resposta, impedncia de entrada, etc. Veja a figura 13.

Com o avano tecnolgico, vrias tcni-cas de compensaes foram desenvolvidas

e hoje so empregadas, minimizando estes efeitos para nveis aceitveis e confiveis. Existem vrias formas de minimizar a influ-ncia de entradas indesejadas, dentre elas:

Projeto de sistemas de medida, o mais insensvel possvel s interfe-rncias (por exemplo, recorrendo s blindagens);

Mtodo da realimentao negativa.Se o espectro dos sinais de interesse e

das perturbaes no se sobrepuserem, a utilizao de tcnicas de filtragem pode-se revelar-se uma tcnica eficaz.

Alguns exemplos de tipos de sensores

Sensores ResistivosA resistncia eltrica de um material

dada por:

Onde r depende das caractersticas do material e da temperatura.

Uma variao da resistncia pode ser obtida atravs de variaes na geometria, ou atravs de variaes com a temperatura a que o material est sujeito.

Uma variedade de caractersticas fsi-cas passvel de ser medida recorrendo a sensores resistivos. composto por um

R= l



elemento resistivo sobre o qual se desloca, de uma forma linear ou angular, um contato eltrico mvel. Figura 14.

Os potencimetros podem medir diretamente deslocamentos lineares ou angulares. De acordo com a figura 15, temos a indicao da tenso de sada Vo. Na figura 16 dada a expresso de Vo.

O efeito de carga (figuras 17 e 18) trans-forma a relao linear entre tenso de sada e o deslocamento numa relao no linear. Vide grfico na figura 19.

Sensores do tipo extensmetro (Strain Gauge)

um elemento sensor com base num condutor ou semicondutor, cuja resistncia varia em funo da deformao a que est sujeito.

(strain gauge) interligados em ponte (Whe-atstone) com outros resistores que provm o ajuste de zero, sensibilidade e compensao de temperatura. O material de construo varia de fabricante para fabricante e, hoje em dia, so comuns sensores de estado slido.

Desvantagens: faixa limitante de tem-peratura de operao, aplicvel em ranges baixos de presso por gerarem um sinal muito baixo de excitao, muito instvel.

Atualmente existe o chamado Film Transducer, o qual construdo com a deposio de vapor ou injeo de elementos strain gage diretamente em um diafragma, o que minimiza a instabilidade devida ao uso de adesivos nas ligas nos modelos Bonded Wire. A grande vantagem que j produz um sinal eletrnico num nvel maior, po-rm em altas temperaturas so totalmente vulnerveis, uma vez que a temperatura afeta o material adesivo utilizado ao colar o silcio ao diafragma.

F15. Esquema eltrico do sensor resistivo.

F14. Exemplo de um sensor resistivo do tipo potenciomtrico.

F20. Extensmetros (strain gauge).

F16. Tenso do sensor resistivo. F18. Tenso do sensor resistivo com carga.

F17. Esquema eltrico do sensor resistivo com carga.

F19. Efeito de carga em sensores resistivos.

Possui um amplo espectro de aplicao desde a medio de deslocamentos e vibra-es at a medio de presses, por exemplo.

Princpio de funcionamento: variaes na geometria de um corpo traduzem-se em variaes na resistncia. Observe a figura 20.

A variao relativa da resistncia do condutor dada por:

A piezorresistividade (ou strain gauge) refere-se mudana da resistncia eltrica com a deformao/contrao como resultado da presso aplicada. Na sua grande maioria so formados por elementos cristalinos

V O= RxRx+(1)Rx V i=V iV OV i =

RlRl+RxRx

dRR =

d +

dll

d


Eletrnica Aplicada

Vrias tcnicas baseadas na fabricao de sensores de silcio piezorresistivo (si-licon substrate) esto emergindo, mas so susceptveis a degradao de seus sinais em funo da temperatura e exigem cir-cuitos complicados para a compensao, minimizao do erro e sensibilidade do zero. Totalmente inviveis em aplicaes sujeitas a temperaturas altas por longo perodos, uma vez que a difuso degrada os substratos em altas temperaturas.

Na figura 21, diversos aspectos do sensor piezorresistivo.

PiezoeltricoO material piezoeltrico um cristal que

produz uma tenso diferencial proporcio-nal presso a ele aplicada em suas faces: quartzo, sal de Rochelle, titnio de brio, turmalina etc. Este material acumula cargas eltricas em certas reas de sua estrutura cristalina, quando sofre uma deformao fsica por ao de uma presso. A piezoele-tricidade foi descoberta por Pierre e Jacques Curie em 1880.

Tem a desvantagem de requerer um cir-cuito de alta impedncia e um amplificador de alto ganho, sendo susceptvel a rudos. Alm disso, devido natureza dinmica, no permite a medio de presso em estado slido. Porm, tem a vantagem de rpida resposta.

A relao entre a carga eltrica e a pres-so aplicada ao cristal praticamente linear:

q = Sq x Ar

q - carga eltrica,Sq - sensibilidade,A - rea do eletrodo,r - presso aplicada,C - capacidade do cristal,Vo - tenso de sadaAtente para as figuras 22 e 23.

RessonantesPossuem, em geral, o princpio da tec-

nologia que conhecida como vibrating wire. Uma mola de fio magntico anexada ao diafragma que, ao ser submetido a um campo magntico e ser percorrido por uma corrente eltrica, entra em oscilao.

A frequncia de oscilao proporcional ao quadrado da tenso (expanso/compres-so) do fio. No sensor Silcio Ressonante no

F21. Sensor Piezorresisitivo.

F22. Sensor Piezoeltrico.

F23. Circuito para o Sensor Piezoeltrico.



se usa fio e, sim, o silcio para ressonar com diferentes frequncias que so funes da expanso/compresso ( uma funo do tipo 1/f2). O sensor formado por uma cpsula de silcio colocada em um diafragma que vibra ao se aplicar um diferencial de pres-so, e a freqncia de vibrao depende da presso aplicada.

Alguns sensores ressonantes exigem tcnicas de compensao em temperatura via hardware/software complicadas, au-mentando o nmero de componentes, o que em alguns equipamentos exige mais placas eletrnicas.

No sensor da figura 24, a frequncia de ressonncia dada por:

Onde: = frequncia fundamental de resso-

nncia do fio (hertz)L = comprimento do fio (metros)T = tenso do fio (newtons) = unidade de massa do fio (quilogra-

mas por metro).Isto mostra que um fio pode ser usado

como um sensor de fora. Neste tipo de

F26. Sensor capacitivo.

F27. Sensor capacitivo, onde a tenso de sada proporcional ao desloca-

mento relativo das placas.

F24. Sensor de fio ressonante.

F25. Exemplo de construo de um sensor capacitivo.

sensor, um circuito eletrnico oscilador usado para manter um fio vibrando em sua frequncia natural, quando este se encontra sob tenso (proporcionada pela presso aplicada).

O princpio semelhante ao de uma corda de violo. O fio que vibrar est localizado em um diafragma.

Com a mudana de presso no diafrag-ma, muda a tenso sob o fio, o que afeta a frequncia com que o fio vibra. Estas alte-raes de frequncia so uma consequncia direta das mudanas de presso e, como tal, so caracterizadas como medidas de presso.

CapacitivosEstes so os sensores mais confiveis e

que j foram usados em milhes de aplica-es. So baseados em transdutores onde a presso aplicada a diafragmas-sensores faz com que se tenha uma variao da ca-pacitncia entre os mesmos e um diafragma central, por exemplo.

Esta variao de capacitncia tipicamen-te usada para variar a frequncia de um oscilador, ou como elemento em uma ponte de capacitores. Esta variao de capacitncia pode ser utilizada para variar a frequncia de um oscilador.

Esta frequncia pode ser medida dire-tamente pela CPU e convertida em presso. Neste caso no existe converso A/D, o que contribui na exatido e eliminao de drifts embutidos nas converses analgicas/digitais.

Vale a pena lembrar que este princpio de leitura totalmente digital utilizado pela Smar desde meados da dcada de 80 (a Smar, a nica empresa brasileira e uma das poucas no mundo a fabricar este tipo de sensores). Possuem respostas lineares e praticamente so insensveis a variaes de temperatura, sendo os mais indicados em instrumentao e controle de processos, j que possuem excelentes performance em estabilidade, em temperatura e presso esttica. Algumas de suas vantagens:

Ideais para aplicaes de baixa e alta presso;

Minimizam o Erro Total Provvel e, consequentemente, a variabilidade do processo;

Ideais para aplicaes de vazo.Por sua resposta linear, permite alta

rangeabilidade com exatido. Acompanhe as figuras 25, 26 e 27.

Veja aplicao e vdeo de sensores capacitivos em: www.smar.com/brasil2/products/ld300series.asp e www.smar.com/brasil2/products/ld400series.asp.

f = 12L T


Eletrnica Aplicada

sores com fibra tica movimentou 237 milhes de dlares

2014: Perspectiva de movimento de 1,6 bilhes de dlares no mercado americano de sensores com fibra tica

A sensitividade dos sensores a fibra, ou seja, o distrbio menos intenso que pode ser medido, pode depender de:

Variaes infinitesimais em algum parmetro de caracterizao da fibra usada, quando a fibra o prprio elemento sensor;

Mudanas nas propriedades da luz usada, quando a fibra o canal atravs do qual a luz vai e volta do local sob teste.

Os sensores a Fibra tica so compactos e apresentam sensitividades comparveis ao similares convencionais. Os sensores de presso so construdos com o emprego de uma membrana mvel numa das extremi-dade da fibra.

Podemos citar as seguintes vantagens destes sensores: alta sensibilidade, tamanho reduzido, flexibilidade e resistncia, baixo peso, longa vida til, longa distncia de

ticosSo ainda pouco difundidos, mas ve-

jamos abaixo alguns marcos da evoluo da fibra tica:

Foi inventada em 1952 pelo fsico indiano Narinder Singh Kanpany.

1970: Corning Glass produziu alguns metros de fibra tica com perdas de 20 dB/km.

1973: Um link telefnico de fibras ticas foi instalado no EUA.

1976: Bell Laboratories instalou um link telefnico em Atlanta de 1 km e provou ser praticamente possvel a fibra tica para telefonia.

1978: Comea em vrios pontos do mundo a fabricao de fibras ticas com perdas menores do que 1,5 dB/km.

1988: Primeiro cabo submarino de fibras ticas mergulhou no oceano e deu incio super-estrada da informao.

2004: A fibra tica movimenta cerca de 40 bilhes de dlares anuais.

2007: Fibra ptica brasileira faz 30 anos e o mercado americano de sen-

transmisso, baixa reatividade qumica do material, ideal para operar em ambientes com risco de exploso e intrinsecamente seguros, isolamento eltrico, ideal para operar em ambientes com alta tenso, imunidade eletromagntica, multiplexao de sinais (uma nica fibra pode possuir dezenas de sensores: pode medir vibrao, presso, temperatura, fluxo multifsico, deformao, etc.).

Uma tcnica utilizada em construo de sensores ticos o Interfermetro Fabry--Perot: este dispositivo usado geralmente para medidas de comprimentos de onda com alta preciso, onde essencialmente dois espelhos parcialmente refletores (de vidro ou quartzo) so alinhados e se obtm o contraste de franjas mximo e a distncia entre os mesmos pela variao mecnica. Esta variao da distncia poderia ser gerada por presso e, com isso, teramos um sensor de presso. Figura 28.

Sensor HallO sensor Hall recebe este nome pois

baseado no efeito Hall, descoberto em 1879 por Edwin Hall.



Este efeito o resultado da fora de Lorentz no movimento de eltrons sujeitos a um campo magntico.

Quando se tem um fluxo de corrente em um material que no est exposto a um campo magntico, as linhas equipotenciais que cruzam perpendicularmente este fluxo, so linhas retas.

A fora de Lorentz no movimento de eltrons no material dada por:

Onde:q: carga do eltronB: campo magnticoO produto externo indica que a fora tem

uma direo mutuamente perpendicular ao fluxo de corrente e ao campo magntico.

Quando se tem um fluxo de corrente em um material sujeito a um campo magntico perpendicular, o ngulo atravs do qual o fluxo de corrente mudado pelo campo magntico conhecido como ngulo Hall e um parmetro dependente do material, sendo determinado pela mobilidade do eltron que tambm determina o coeficiente de Hall RH. Neste caso, as linhas equipoten-ciais ao longo do comprimento do material so inclinadas, e isso nos leva tenso de Hall medida ao longo do material. Ou seja, tem-se uma tenso proporcional ao campo magntico aplicado.

O efeito Hall est presente em todos os materiais, mas sua aplicao eficaz somente onde a mobilidade do eltron relativamente alta, como por exemplo no arseneto de glio (GaAs).

Em termos construtivos, resumida-mente, considere um determinado material (figura 29) com espessura d, conduzindo uma corrente i ao longo de seu compri-mento e sujeito a um campo magntico B aplicado perpendicularmente direo de sua espessura.

O resultado destas condies a gerao de tenso conhecida como tenso de Hall, VHALL, cuja magnitude dada por:

Onde:RH: constante Hall do material.Atualmente, existem inmeras aplica-

es destes sensores, desde a aplicao em servomotores em videocassetes, sensores de catracas para controle de acesso, sensores de velocidade, sistema de injeo em motores automotivos, medio de corrente, potncia e campo magntico, controle de motores DC sem escova, sensores de proximidade, controle de rotao, controle de posio, posicionadores inteligentes de vlvulas/atuadores.

F28. Sensor de Presso com Princpio de Fabry-Perot.

F29. Princpio de construo e funcionamento do sensor Hall.

Referncia BibliogrficaArtigos tcnicos - Csar Cassiolatowww.system302.com.brwww.smar.com.brwww.smar.com/brasil2/artigos tecnicos/www.ipb.pt/~jpcoelho/teaching.htmwww.sabereletronica.com.br/secoes/leitura/551www.ipb.pt/~jpcoelho/IEM/Pesquisas na internet (Todas as ilus-traes, marcas e produtos usados aqui pertencem aos seus respecti-vos proprietrios, assim como qual-quer outra forma de propriedade intelectual).

Links RelacionadosAcesse a lista completa de artigos tcnicos SMAR em www.smar.com/brasil2/artigostecnicos/

E

Csar Cassiolato Diretor de Marketing, Qualidade e Engenharia de Projetos & Servios da SMAR Equipamentos Ind. Ltda., foi Presi-dente da Associao PROFIBUS Brasil Amrica Latina de 2006 a 2010, Diretor Tcnico do Centro de Competncia e Treinamento em PROFIBUS, Diretor do FDT Group no Brasil, Engenheiro Certificado na Tecnologia PROFI-BUS e Instalaes PROFIBUS pela Universida-de de Manchester

Veja aplicao em: www.smar.com/brasil2/products/fy300series.asp e www.smar.com/brasil2/products/fy400series.asp.

ConclusoNeste artigo foram apresentados alguns

exemplos de condicionamento bsico de sinais, assim como alguns tipos de sensores.

importante ressaltar, entretanto, que a rea de processamento de sinais imensa e com vrias aplicaes, principalmente na automao industrial.

f =q(vB)

V HALL=( RHd )iB


Eletrnica Aplicada

Neste artigo demonstraremos a realizao de controle de motores, usando algoritmos complexos para microcontroladores de apenas um ncleo padro (ARM Cortex M4)

Controle de MotoresAlgoritmos Complexos paraMicrocontroladoresXMC4000,da Infineon

Mike Copeland, Carlos Galuzio

e Vinicius Costa

Quando falamos em microcontrola-dores trabalhando em aplicaes de tempo real, os complexos proje-tos de controle do motor tm sido dominados por ncleos especializados. Em muitos casos so utilizados microcontrola-dores de 2 ncleos, onde o ncleo principal tem como tarefa o controle do algoritmo, j o segundo ncleo responsvel pelo gerenciamento em tempo real de I/Os e manipulao de dados.

Neste artigo iremos mostrar como algo-ritmos complexos para controle de motor podem ser facilmente implementados em microcontroladores de apenas um ncleo Cortex-M4F, quando este integrado a perifricos inteligentes, como no caso dos microcontroladores da nova famlia XMC4000 da Infineon.

Como exemplo, iremos analisar as equa-es relacionadas ao Controle de Campo Orientado (FOC) de um Motor sncrono de m permanente (Permanent Magnet Synchro-nous Motor - PMSM), mostraremos como estes podem ser manipulados utilizando

estacionrio com 3 enrolamentos distribu-dos senoidalmente. Na figura 1 podemos observar uma seco transversal de um PMSM simples em corte.

Os enrolamentos distribudos no estator so semelhantes aos que seriam encontra-dos em um motor de induo trifsico. Em uma fase (por exemplo fase A) o nmero de espiras (Ns) em qualquer ngulo () seria aproximadamente NS.cos (). Isso vlido tambm para as outras 2 fases, porm com um defasamento de 120o. Na realidade as distribuies dos enrolamentos so apenas aproximadamente senoidais, porm isso j suficiente para um FOC.

Como Tesla descobriu, se voc aplicar 3 correntes em regime senoidal para este tipo

a biblioteca CMSIS DSP. Os conceitos que sero aplicados neste exemplo podem ser usados para outros tipos de motores. Ns iremos ver como a disponibilidade de peri-fricos inteligentes elimina a necessidade de utilizao do segundo ncleo, alm de des-crever alguns dos muitos benefcios de usar um nico ncleo padronizado na indstria em conjunto com a biblioteca DSP CMSIS.

Estrutura e funcionamento de um motor PMSM

Antes de olharmos os algoritmos de controle e equaes, importante compreen-der o funcionamento de um motor PMSM.

Um motor trifsico PMSM consiste de um rotor de m permanente e um rotor



F1. Seo transversal de um motor PMSM bsico com um rotor de 2 polos e um estator com enrolamento simples(A), e outro

com trifsico com enrolamentos distribudos em 120 (B). Os en-rolamentos do estator so distribudos senoidalmente. Crculos representados com um X (ou um ponto) no centro representam a direo da corrente que circula em cada condutor, onde X a

corrente que entra na folha e o ponto a que sai da folha.

F2. (A) representao vetorial do PMSM trifsico mostrando as trs correntes de fase (Ia, Ib, Ic) e sua soma vetorial (Is). Em (B) o rotor tambm mostrado

com o seu fluxo orientado em torno do d de giro do eixo. Para uma efici-ncia mxima, Is deve ser alinhado com o eixo do rotor em quadratura (Q).

de estator uma rotao ser criada, e podemos provar isso matematicamente. O fluxo gerado pelo enrolamento proporcional corrente e ao nmero de espiras deste enrolamento. Assim temos que, com a multiplicao do nmero de espiras pela corrente que circula este enrolamento obtemos o fluxo gerado por esta fase do estator, este conhecido como Fora Magnetomotriz (Magneto Motriz Force MMF). Quando somado com o resultado das outras duas fases, ns temos o fluxo total gerado, como podemos observar na equao (1) abaixo, que pode ser simplificada atravs da Lei dos Cossenos:

fatores de escala, que seriam multiplicados pelos valores encontrados na tabela.

Com este artifcio ns conseguimos remover as propriedades senoidais do sistema com auxlio de funes trigo-nomtricas (no caso apenas com uma funo sin) e com isso temos a liberdade de trabalhar apenas com suas amplitudes, onde podemos aplicar um controle linear com PI. Este um exemplo de utilizao de FOC, quando transformamos a senoide em um sistema linear para que fosse possvel aplicar controle linear PI.

Para entender como isso funciona, va-mos simplificar o desenho da figura 1 (B) por meio de vetores. A figura 2 semelhante figura 1, exceto todos esses pequenos cr-culos que so substitudos pelos eixos A, B e C. A corrente que flui atravs de fase a

Para um controle de motor eficiente, o principal objetivo manter o fluxo do estator defasado 90o do fluxo do rotor. Portanto, o torque do motor proporcional amplitude do fluxo total do estator.

Teoria Simplificada FOCPara que possamos exemplificar usare-

mos um estudo de caso de um projeto de alguns anos atrs e algumas solues, no caso uma fonte de alimentao ininterrup-ta. Neste projeto eram usados Microcon-troladores com ADC integrado e mdulo de PWM ligado a uma meia ponte e um transformador para gerar tenso alternada. A tenso de sada deveria ser uma onda senoidal limpa com 110 V/60 Hz indepen-dente da carga que lhe fosse imposta. Para gerao do PWM era utilizado um controle PI (Controle Proporcional Integrativo) com 110 V/60 Hz como sinal de referncia. Assim, o ADC teria a funo de ler a tenso real e comparar com nossa referncia, passando este erro para um controle PI, que iria con-trolar o PWM de forma a manter o sinal de referncia na sada.

Para no utilizar sistemas complexos no lineares, outra opo de projeto seria tabelar os pontos de uma senoide de referncia e guardar na memria do microcontrolador, assim cada interrupo de PWM teria refe-rncia a uma posio da tabela. Esta soluo nos forneceria na sada uma forma de onda senoidal de 60 Hz, conforme desejado. Entre-tanto, este circuito fica muito dependente da carga. Para controlar a amplitude deste sinal, poderamos utilizar um controle PI para gerar

(enrolamento que foi desenhado em azul escuro na figura 1) pode ser representado como um vetor no eixo a (Ia). O mesmo verdade para as fases b (o enrolamento em vermelho) e c (o enrolamento em verde).

Uma vez que o fluxo proporcional corrente, os termos de fluxo e corrente so intercambiveis. O fluxo total produzido pelas trs correntes do estator mostrado pelo vetor Is, que a soma dos vetores de Ia + Ib + ic. O objetivo manter 90o a partir do fluxo gerado pelos ms do rotor. Na figura 2 (B) o fluxo do estator est alinhado adequadamente se Is est alinhado com a quadratura de rotor ou eixo-Q. Nesta figura voc pode ver que h algum desalinhamento.

Para alinhar o fluxo do estator com o rotor, devemos primeiro identificar o componente do fluxo do estator que est ali-


Eletrnica Aplicada

nhado com o rotor. Este o componente do fluxo que est alinhado com o rotor eixo-q, chamado iq. Temos tambm de identificar o componente que no est devidamente alinhada com o rotor. Este o componente do fluxo que est alinhado com o rotor eixo-d, chamado id. Na vardade, id e iq so simplesmente as projees de Is para os eixos d e q, como mostrado na figura 3.

Todas estas frmulas e desenhos pare-cem timas no papel, mas ainda precisamos de algumas equaes para obter id e iq a partir da corrente do estator e posio do rotor. Na figura 4 mostraremos como chegar aos valores destas correntes iq e id. Para isso temos dois passos a serem seguidos, o primeiro deles conhecido como Transfor-mada de Clarke. A transformada de Clarke tem como funo obter a resultante i e i dos vetores das correntes ia, ib e ic, sobre 2 eixos ortogonais, nomeados na figura como e (na figura 4 na cor verde claro). O segundo passo consiste em converter i e i para id e iq quando se conhece o ngulo

F4. Grfico representando a Transformada de Clarke (A) e a Transformada Park (B).

F5. Controlador PI simples no domnio do tempo.

do rotor , porm note que para que seja possvel realizar este passo necessrio que a equao ia + ib + ic = 0. Este passo conhecido como Transformada de Park.

A partir do momento em que temos os valores de iq e id podemos aplicar em contro-ladores PI. Um controlador PI ir trabalhar para deixar id em zero para garantir que o fluxo do rotor esteja perpendicular ao fluxo do estator, enquanto outro ir tratar iq a fim de controlar o torque gerado.

A biblioteca CMSIS DSP, citada anterior-mente, contm verses das transformadas de Clarke e Park com ponto fixo e ponto flutuante, assim como um controlador PID (Controle Proporcional Integral e Derivati-vo). A diferena entre um controlador PI para um PID seria que o PI uma verso mais simples de um PID, pois ele considera igual a zero a derivada Kd. Na figura 5 podemos ver um modelo de um controlador PI, com e(t) sendo o sinal de erro igual a diferena entre o id e iq desejado e o valor atual.

Note que a sada do controlador uma tenso, Vd ou Vq, que so apenas variveis representativas. Voc no pode apenas con-verter este sinal para um PWM, necessrio realizar algumas passagens trigonomtricas tambm.

Existem algumas maneiras de converter este sinal Vq ou Vd em uma onda senoidal

trifsica. Vamos nos concentrar neste mo-mento em apenas uma, chamada de SVM (Space Vector Modulation). Poderamos escre-ver um artigo apenas sobre SVM, mas nesta oportunidade vamos ver apenas o bsico.

Vd e Vq so referenciados posio do rotor, portanto ns precisamos projetar estas tenses para vetores de tenso reais que podero ser implementados em inversores de frequncia trifsicos.

A figura 6 mostra um inversor de frequncia trifsico. Existem 6 tenses dife-rentes de zero que podem ser geradas pelo inversor. Cada vetor produzido atravs do chaveamento de um lado positivo e 2 negativos, ou 2 lados positivos e 1 negativo das fases, conforme mostrado nessa mesma figura. J na figura 7B voc pode observar estes vetores de tenso juntamente com o estado do inversor correspondente.

Ns usaremos basicamente 2 processos para transformar Vd e Vq para o vetor de tenso do inversor. O primeiro passo o inversor (Transformada de Park). Como o nome j diz, os sinais Vd e Vq sero transformados em V e V como podemos observar na figura 7A.A Anti-Transformada de Park est inclusa na biblioteca CMSIS DSP Library.

Anti-Transformada de ParkUma vez que conhecemos V e V,

eles podem ser projetados sobre os vetores de estado de comutao que so a melhor aproximao de sua soma vetorial. Essa projeo no simples, pois no realizada ortogonalmente mas sim ao longo de linhas distribudas a cada 60 (figura 7B). Abaixo, temos a equao (2) para a projeo quando o vetor soma V + V est entre U1 e U2. Note que essa frmula varia de acordo com a localizao do vetor soma de V + V:

Os resultados t1 e t2 so projees de V e V nos 2 vetores de tenso do inversor que esto prximos do vetor soma de V + V. Eles representam o percentual de tempo que cada estado de comutao deveria per-manecer ativo para ser produzida a tenso

F3. iq o componente de fluxo do estator responsvel por produzir o torque til. J o id o componente que deveria se

estabelecer em zero. Estes componen-tes podem ser encontrados atravs das

projees de is nos eixos q e d. Note que o ngulo do rotor representado por .


Eletrnica AplicadaEnergia

desejada. Quando temos t1 + t2 < 100%, t0 permanece ativo. Durante a ativao de t0 todos os lados positivos ou negativos podem ser ligados.

Algumas converses adicionais de retangular para polar so necessrias para encontrar o ngulo e a amplitude de V + V. O mtodo SVM pode se tornar complicado dependendo do projeto, neste caso ser ne-cessrio consultar outro material didtico.

Implementao dos algoritmos complexos

Nas sees anteriores vimos muitas das equaes bsicas que sero utilizadas pelo microcontrolador para realizar um controle avanado de motor. H tambm outras formas de controle que nos trazem outras equaes, aumentando o nvel de dificuldade. Existem casos onde, inclusive, dispensado o uso do sensores de posio do rotor.

Embora essas equaes sejam comple-xas, elas podem e vm sendo muito utiliza-das, principalmente em microcontroladores de 16 bits e 32 bits. evidente que uma CPU rpida com extenses DSP e capacidade de ponto flutuante permite que voc realize clculos rpida e facilmente, possibilitando a implementao de algoritmos complexos, como no caso do FOC sem sensor de posio.

Ento por que microcontroladores com 2 ncleos assimtricos so to populares no controle de motores? A resposta desta questo est relacionada com o fato de que um microcontrolador de controle de motor deve no apenas processar nmeros, pois apenas esta funo j acarreta vrias outras

F7. (A) Converso do Vd e Vq para V e V atravs da anti- transformada de Park e (B) converso de

saber_eletrônica_460_mar-abr_2012_web

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