slides introducao a engenharia eletrica

Introdução à Engenharia Elétrica

Prof. Robercy Alves

Universidade Federal de Ouro Preto

Campus João Monlevade

Instituto de Ciências Exatas e AplicadasMaterial cedido por : Glauco Yared

Sumário – Plano de Ensino

1 – Apresentação do Curso 1.1 – Introdução 1.2 - Grade curricular 1.3 – Ênfase 1.4 – Laboratórios planejados

2 – Áreas da Engenharia Elétrica 2.1 – Eletrônica 2.2 – Controle de processos 2.3 – Biomédica 2.4 – Telecomunicações 2.5 – Computação 2.6 – Sistemas elétricos de potência

3 – A Ênfase na Área de Telecomunicações 3.1 – Teoria e Aplicações

4 – A Ênfase na Área de Controle de Processos 4.1 - Teoria e Aplicações

5 – A Ênfase na Área de Sistemas Elétricos de Potência 5.1 - Teoria e Aplicações

6 – Seminários em Engenharia Elétrica

Áreas da Engenharia Elétrica

Eletrônica Estuda os dispositivos eletrônicos e a aplicação dos

mesmos em circuitos elétricos Divide-se em duas sub-áreas:

Eletrônica digital Os sinais elétricos utilizado em circuitos digitais assumem

dois níveis de tensão (0 e +5V). Baseado na lógica Booleana (operações com números

binários) Eletrônica analógica

Os sinais elétricos assumem valores reais contínuos

Introdução à Eletrônica Digital

Vantagens Permite a utilização de algoritmos para correção de erro Menos sensível ao ruído Permite a implementação de circuitos que apresentam

menor consumo de energia (tecnologia CMOS)

Porta inversoraTransição de níveis


Sistemas de numeração – notação posicional Números decimais

Representados por dígitos de 0 à 9 Exemplo: 15410 = 1x102 + 5x101 + 4x100

Números binários Representados pelos dígitos 0 e 1 Exemplo: 100110102 = 1x27 + 0x26 + 0x25 + 1x24 + 1x23 +

0x22 + 1x21 + 0x20 = 15410

Números octais Representados por dígitos de 0 à 7 Exemplo: 2328 = 2x82 + 3x81 + 2x80 = 15410

Números hexadecimais Representados por dígitos de 0 à 9, A, B, C, D, E, F Exemplo: 9A16 = 9x161 + 10x160 = 15410


Conversão de número binário para octal Deve-se agrupar o número binário em grupos de 3 bits,

começando da direita para a esquerda Conversão de número binário para hexadecimal

Deve-se agrupar o número binário em grupos de 4 bits, começando da direita para a esquerda


Conversão de número decimal para binário, octal e hexadecimal Método das divisões sucessivas

Consiste na realização de divisões sucessivas do número representado na base 10 pelo valor da nova base desejada, até que o dividendo obtido seja igual a 0


Adição e subtração de números binários

Lembrando que 102 – 1 = 1


Exercícios: 1 – Converta os números abaixo para base 10:

11011002, FFA16, 100016

2 – Converta os números decimais abaixo para base desejada: 53 para base 2 127 para base 8 4000 para base 16

3 – Converta os números representados em um sistema de numeração quaternário para a base desejada

320214 para base 10 322104 para base 8 12303224 para a base 16

4 – Realize as seguintes operações com números binários 1001102 + 1112

1101112 + 1012

1001102 - 1112


Álgebra Booleana Lei comutativa

A + B = B + A A • B = B • A

Lei associativa (A + B) + C = A + (B + C) (A • B) • C = A • (B • C) = A • B • C

Identidade A + 0 = A A • 1 = A

Lei distributiva A + (B • C) = (A + B) • (A + C) → A • A + A •C + A •B + B •C A • (B + C) = (A • B) + (A • C)

Complemento A + A’ = 1 A • A’ = 0

A + A • C + A • B → A • (1 + C + B) → A


Portas lógicas mais utilizadas (CIs)


Portas lógicas


Exemplo de implementação de uma função booleana ao nível de portas lógicas

Z = A’ • (B’ • (C + D)) = A’ • (B’ • C + B’ • D) = A’ • B’ • C + A’ • B’ • D


Minimização lógica Redução do número de literais da função lógica

O número de literais está associado a quantidade de conexões (fios) existentes no circuito

Redução do número de portas lógicas O número de portas lógicas está associado à área necessária

para a implementação do circuito Redução do número de níveis em cascata

Quanto maior o número de níveis em cascata, maior o atraso na propagação do sinal elétrico


Implementações de uma função booleana com diferentes números de portas, literais e extensão de caminhos

Função lógica:Z = A’ • B’ • C + A’ • B • C + A • B’ • C + A • B • C’

Pode ser simplificado por meiode Mapa de Karnaugh


Leis e Teoremas da Álgebra Booleana


Formas canônicas Utilizadas para representar funções booleanas na forma

algébrica Soma de produtos ou soma de mintermos

Mintermo Formado pelo produto dos literais para cada linha da tabela

verdade cuja saída for igual a 1, sendo que aqueles literais que assumirem valor igual a 1 permanecem inalterados e aqueles que assumirem valor 0 são empregados na forma complementar

Produto de somas ou produto de maxtermos Maxtermo

Formado pela soma dos literais para cada linha da tabela verdade cuja saída for igual a 0, sendo que aqueles literais que assumirem valor igual a 0 permanecem inalterados e aqueles que assumirem valor 1 são empregados na forma complementar


Exercício: Determine a função booleana F representada na tabelaverdade da Figura 2.14

F = A’ • B • C + A • B’ • C’ + A • B’ • C + A • B • C’ + A • B • C


Exercícios: 1 – Desenhe os esquemáticos dos circuitos digitais que implementam

as seguintes funções booleanas: X(Y + Z) X’ + Y’ Z’ [X(Y + Z)]’

2 – Prove os seguintes teoremas de simplificação, usando as oito primeiras leis da álgebra booleana

(X + Y)(X + Y’) = X X(X + Y) = X (X + Y’)Y = XY (X + Y)(X’ + Z) = XZ + X’Y

3 – Simplifique as seguintes funções lógicas através dos teoremas da álgebra booleana

XY + XY’ YZ’ + X’ YZ + XYZ (X + Y)(X’ + Y + Z)(X’ + Y + Z’) X + XYZ + X’ YZ + X’ Y + WX + W’ X

4 – Considere a função f(A,B,C,D) = Σ mintermos(0,1,2,7,8,9,10,15) Determine a expressão algébrica em termos da soma de mintermos determine a expressão algébrica em termos do produto de maxtermos

Introdução à Eletrônica Analógica

Tecnologia de semicondutores Dopagem Diodos


Transistores (componentes eletrônicos com 3 terminais utilizados para amplificação de sinais ou chaveamento) BJT (Bipolar Junction Transistor) JFET (Junction Field Effect Transistor) MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect

Transistor)PMOSNMOS


MOSFET – NMOS


Transistores PMOS e NMOS operando como chaves



????

Introdução à Automação Industrial

Elementos básicos de um sistema de automação Energia

Elétrica Programa de instruções

Seqüência de operações que devem ser realizadas em um ciclo de trabalho

Exemplo: Carregamento de uma peça em uma máquina;

processamento da peça; descarregamento Ajuste e verificação dos parâmetros (entradas) e variáveis

(saídas observadas) de processo, respectivamente Tomada de decisões

Interação com o operador


Sistema de controle Execução do programa de instruções Controle em malha aberta

Controle em malha fechada

Controlador Atuador ProcessoParâmetrosde entrada

Variáveisde saída

Controlador Atuador ProcessoParâmetrosde entrada

Variáveisde saída

Sensor derealimentação


Funções de controle avançadas Monitoramento de segurança

Chaves limite Sensores fotoelétricos Sensores de temperatura Sensores de pressão Visão computacional

Diagnóstico de manutenção Monitoramento de status Diagnóstico de falhas

Detecção de erros e recuperação Erros aleatórios Erros sistemáticos Erros absurdos Recuperação através da realização de ajustes ao término do ciclo de

trabalho, ou durante o mesmo, dependendo da gravidade


Níveis de automação Dispositivo

Sensores e atuadores Máquinas

Máquinas ferramentas Robôs industriais

Células Equipamentos de manipulação de materiais Máquinas de processamento

Planta MRP (Material Requirements Planning) Controle de chão de fábrica Controle de qualidade

Empresa Marketing Pesquisa Agendamento mestre da produção (Master Production Scheduling)

Sistemas de Controle Industriais

Controle contínuo Parâmetros e variáveis são contínuos

Exemplo: Controle de posição de uma peça em relação uma máquina de usinagem

Em geral, visa manter uma variável de saída em um valor desejado Controle discreto

Parâmetros e variáveis são discretos As ações são realizadas em instantes discretos, podendo ser:

Dirigidas por eventos Exemplo:

Início de processamento de uma peça, cuja presença é detectada por uma chave limite Dirigida por tempo

Exemplo: O tratamento térmico sobre uma peça metálica realizado durante um determinado intervalo de tempo

Abordagens de Controle de Processos por Computador

Monitoramento de processos Coleta de dados

Controle digital direto (Direct Digital Control – DDC) Controle de diversas variáveis de saída através de um

computador Multiplexadores Conversores AD e DA Computadores

Novas funções de controle (tratamento de não-linearidades) Edição dos programas de controle

Maior facilidade na atualização e modificação do sistema de controle


Controle numérico (Numerical Control – NC) Controle da seqüência de passos de processamento Inclui o controle da posição de uma ferramenta em relação a

um objeto (cálculo de trajetórias) Sistemas de controle distribuídos

Múltiplas estações de controle de processos Estações de operadores locais distribuídas pela planta Sala de controle central Estações de operadores e de controle de processos

interligadas por redes de comunicações


Processo

Material bruto Produto

Estação de controle de

processo


processo


processo

Estação de operador local

Estação de operador local

Sala de controlecentral

Componentes de Sistemas de Controle

Sensores Transdutores, que transformam diversas grandezas físicas

(temperatura, pressão etc.) em sinais elétricos São utilizados para a medição de variáveis de processo Devem ser calibrados antes da utilização Características desejáveis

Precisão Confiabilidade Baixo custo


Sensores de temperatura Termopares (princípio físico do efeito de Seebeck)


Termístores (semicondutores cuja resistência varia em função da temperatura)

Aumento da temperatura


Sensores de luz Fotodiodo

Diodo que conduz corrente elétrica na presença de luz Sensores de distância

Ultra-som Sensores de movimento

Fototacômetro (codificadores ópticos) Medição de velocidade

Exemplo: Feixe de laser que atravessa um disco com orifícios e é detectado por uma

célula fotoelétrica (geração de um trem de pulsos cuja freqüência é proporcional a velocidade de rotação do disco


Sensores de pressão Piezoeletricidade (geração de corrente elétrica por

cristais em resposta ao aumento de pressão mecânica) Sensores de posição

potenciômetros


Atuadores Realização de ações sobre o processo Tipos de atuadores

Elétricos (motor de passos, motor de corrente contínua etc.) Hidráulicos

São empregados para a aplicação de forças elevadas Pneumáticos

São baseados em ar comprimido Adequados para aplicações que demandam forças

relativamente menores (comparados aos atuadores hidráulicos)


Motor de passos Atuador de posicionamento As bobinas do estator são polarizadas alternadamente Pode ser unipolar (apresenta uma derivação entre o

enrolamento de duas bobinas) ou bipolar


Funcionamento do motor de passos de imã permanente unipolar


Passo inteiro com polarização de apenas uma bobina Menor torque


Passo inteiro com polarização de duas bobinas Maior torque


Meio passo


Exemplo: 25 dentes e 4 fases = 100 passos por volta 3,6º por passo


Resumo sobre motor de passos de imã permanente unipolar

Conversores A/D e D/A Utilizados no caso de controle digital


Conversão AD Número de níveis de quantização = 2n, sendo n o número de

bits do conversor Espaço de quantização ou resolução Erro de quantização

2 1AD n

faixaR

Processo

multiplexador

amplificador

sensor

outros sinais

ADentradadigital docomputador

condicionamento do sinal

2ADRErro


Método da aproximação sucessiva (exemplo 5.1) O número de comparações é igual ao número de bits do

conversor A primeira tensão de comparação é igual metade do valor

máximo da faixa de operação do conversor A segunda tensão de comparação é metade da primeira, e

assim sucessivamente Se a diferença entre a tensão de entrada e a tensão de

comparação for positiva, tem-se bit 1. Caso contrário, tem-se bit 0

Finalmente, os valores das tensões de comparação são multiplicados pelos respectivos bits a fim de verificar qual o valor decimal aproximado


Exercício: Um sinal contínuo deve ser digitalizado através de um conversor AD

de 12 bits. A faixa de tensão é de 30V. Determine o número de níveis de quantização, a resolução e o erro de quantização

Exercício: Um sinal de tensão compreendido em uma faixa de 0-115V deve ser

digitalizado por um conversor AD. Determine o número mínimo de bits necessários para a obtenção de erros de quantização de no máximo ±5V e ±1V

Exercício: Assumindo um sinal de entrada de 5.2V, utilize o método das

aproximações sucessivas para codificar tal entrada a partir de um conversor AD de 8 bits e faixa de operação de 10V


Conversão DA

sendo Eref a tensão de referência do conversor, n o número de bits e E0 a saída analógica Exercício:

Um conversor DA possui tensão de referência de 120V e 8 bits de precisão. Em um dado instante, o registrador apresenta a seqüência 01010101. Qual a saída analógica correspondente ?

1

0 1 2 30.5 0.25 0.125 2nref nE E B B B B

Introdução aos Sistemas de Controle

Objetivos de análise e de projeto Determinar a resposta transitória Determinar a resposta de estado estacionário

Reduzir o erro de estado estacionário Garantir a estabilidade do sistema

Introdução aos Sistemas de Controle

Introdução aos Sistemas de ControleProcedimento de projeto

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