saber eletronica, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

Baixe saber eletronica e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity! uww,sabereletronica.com.br Pu Brasil R$13,90 Mediçoeside Cpu pie sistonr jatos Erros de Medidas em Vitimetros Digitais Cisoblisao pira aelygiocla Ruelyu Es Data E, fo Acompanhe a terceira parte do curso de retrabalho manual Curso sobre Sensores Ferramenta Desenvolvimento Principais sensores utilizados Veja como utilizar o Confira a seleção dos na indústria, características, LTSpice: alternativa quatros melhores vantagens e desvantagens e a para produzir e drivers para forma como são empregados simular projetos controle de LEDs ASS MICROCHIP Nova Família PIC16 8 Bits Enhanced Core de Baixíssimo Consumo (XLP) J Rod E .- o E E Características Principais: e Tecnologia eXtreme Low Power (XLP) de baixo consumo; e Driver LCD, EEPROM e Osc. Interno de 32MHz; e Sensoriamento capacitivo mTouch e Arquitetura Enhanced Core de melhor desempenho e maior otimização em linguagem C; * Diversas Interfaces de comunicação (SPI/I2C e EUSART com suporte para RS-232/RS-485); e Suporte via compiladores Microchip Hi-Tech Cº Para saber mais acesse: Consulte nossa rede de distribuidores autorizados: Artimar nsamo rm a nas (11) 3231-0277 beviangbeviancombr PN * Farnell Newark. sai saberpartimar com.br Seja Técnico em O emstene Eletrônica > gene o E O DirLOMA registrado no CREA Formando-se a distância no Instituto Monitor Confira as vantagens de estudar malhaves profis Formei-me técnico enquanto no Instituto Monitor. =". trabalhava. Como viajo Você: muito, não teria conseguido Faz a matrícula pelo correio, internet ou me formar nesse curso se telefone, em qualquer época do ano; E não fosse por meio de uma BEstuda em lugar de sua escolha, no horário Ê escola a distância. 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Rangel Pestana, 1105 — Brás/SP No Rio de Janeiro: Rua Haddock Lobo, 219 — Tijuca/RJ | Mais informações: 0800-773-4455 Em Curitiba: Rua Vicente Machado, 181 = 1º andar - Centro/PR | Mais informações: 0800-773-4455  I SABER ELETRÔNICA 444 I Janeiro 2010 seção do leitor Colabore a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z Saber Eletrônica nº 422 Contato com o Leitor Envie seus comentários, críticas e sugestões para a.leitor.saberele tronica@editorasaber.com.br. As mensagens devem ter nome completo, ocupação, empresa e/ou ins- tituição a que pertence, cidade e Estado. Por motivo de espaço, os textos podem ser editados por nossa equipe. DTMF “Gostaria de saber se vocês tem em alguma edição o seguinte assunto: DTMF, que signi- fica a soma de duas frequências em trans- missão telefônica.” Empresa Genno Por email Em nosso portal encontra-se dois artigos referentes a este assunto, para acessá-los basta assinar o portal Saber Eletrônica enviando um email para assinaturas@ editorasaber.com.br. Se desejar tê-las impressas, favor entrar em contato com a Nova Saber e solicitar a revista Saber Eletrônica nº 422, e a revista Eletrônica Total nº 124. Se você gosta de escrever e trabalha com desenvolvimento de projetos, manutenção industrial, prédios inteli- gentes, automação ou outro assunto em nossa área e pretende construir um bom currículo para manter sua empregabi- lidade em alta, mande a sua idéia para artigos@editorasaber.com.br. Assinatura “Preciso assinar a revista Saber Eletrô- nica, mas não quero a digital, e sim a revista igual a da banca. Como eu faço para adquirir e receber em minha casa.” Benedito Cardoso Por email Prezado Benedito para assinar a revista Saber Eletrônica na versão impressa, basta enviar um email para assinaturas@editorasaber.com.br ou entrar em contato pelo telefone (11) 2095-5333. Leitor “Olá pessoal, meu nome é Wilson e conheço a revista desde quando usava fraldas! Me apaixonei por eletrônica, e me formei como engenheiro, hoje trabalho em uma grande multi- nacional exercendo a profissão. Mando um abraço a todos em especial ao professor Newton C. Braga, que para mim e colegas da época dos projetos iniciais, era o nosso grande herói. Parabéns a todos e um forte abraço!” Engº WIlson M. S. Filho Por email Caro Wilson, ficamos emocionados com seu depoimento. São histórias assim que nos motivam a continuar trabalhando para fazer da Saber Eletrônica a melhor e mais importante revista de eletrônica do Brasil. Agradecemos muito o seu contato e a sua audiência. Edições Antigas “Senhores sou assinante e gostaria de saber se é possivel fazer download de edições anteriores da revista.” Rogério França Por email Caro Rogério, estamos constantemente cadastrando as revistas mais antigas no nosso portal. O número mais antigo é a revista Saber Eletrônica nº 399. Caso precise delas impressas, pode entrar em contato com a Nova Saber pedido@sabermarketing.com.br ou pelo site www.novasaber.com.br SE445_leitor.indd 6 18/3/2010 10:04:05 Overcurrent Protection Overvoltage Protection Protection USB SuperSpeed Soluções em Proteção de Circuitos O USB 3.0 oferece uma velocidade de transferência de dados de 10 vezes superior a USB 2.0, e pode usar aproximadamente o dobro da potência. Assim, proteger seu circuito contra danos de sobrecorrente, sobretensão e descargas eletrostáticas é ainda mais crucial para ajudar a garantir um desempenho confiável. 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Your advantage. 10 I SABER ELETRÔNICA 445 I Fevereiro 2010 acontece Produtos Analisador PXA de Sinais Este analisador de sinais PXA N9030A da Agilent é o membro de mais alta performance da série X de analisa- dores de sinais, sendo o substituto ideal para os equipamentos equivalen- tes atuais. O instrumento pode cobrir frequências que alcançam 26,5 GHz e apresenta flexibilidade para o presente e para o futuro através de capacidades operacionais de medida e de expansão de hardware. Dentre as aplicações para este equi- pamento estão as que envolvem tecnologia aeroespacial, defesa, comu- nicações comerciais e outras. A sua linguagem de comunicação compatível com outras tecnologias possibilita seu interfaceamento com analisadores de espectro tanto da própria Agilent quanto da HP. Destaca-se ainda neste aparelho sua performance, que reduz as incertezas das medidas e revela detalhes de sinais em níveis a partir de 75 dB de faixa dinâmica livre de espúrios, numa faixa de 140 MHz de largura. Especificações adicionais incluem um ruído de fase de -128 dBc/Hz em 10 kHz de offset (1 Ghz), precisão absoluta de amplitude de +/- 0,19 dB e sensibilidade de -172 dBm apresentada com nível médio de ruído (DANL) em 2 GHz. Os novos instrumentos estão disponíveis em quatro faixas de frequências: • N9030A-503, cobrindo de 3 Hz a 3,6 GHz; • N9030A-508, cobrindo de 3 Hz a 8,4 GHz; • N9030A-513, cobrindo de 3 Hz a 13,6 GHz; • N9030A-525, cobrindo de 3 Hz a 26,5 GHz. N9030A – Analisador PXA de Sinais, da Agilent. LEDs com a maior luminosidade do mercado A Belmetal se consolida no segmento de comunicação visual e lança novas soluções em LEDs, alternativa de iluminação que tem crescido em todo o mundo principalmente pela sua particularidade de economizar até 90% a mais de energia em relação a uma lâmpada comum, não emitir calor e ter uma duração de 20 a 30 vezes maior. De olho neste mercado, a Belmetal traz uma linha de produtos para este setor. “Há uma grande expectativa de crescimento do mercado de LEDs no Brasil. Acredito que aqui o produto ainda esteja começando a ser descoberto”, explica Victor Figueiredo, Supervisor Nacional de Produtos da Belmetal. Os LEDs da Belmetal têm uma luminosidade acima da média de mercado, com mais pontos por metro – 30 por metro. No mercado a média é de 20 pontos por metro. O custo-benefício da iluminação por LEDs também é bastante atrativo para o consumidor. “Em alguns projetos o LEDSIGN, como é conhecido, fica mais barato que o próprio néon”, afirma o supervisor. Além deste produto, a Belmetal traz ao consumidor uma consultoria técnica com profissionais especializados em suas 11 filiais espalhadas pelo Brasil além da sua matriz corporativa em São Paulo, que dão ao cliente a solução ideal para cada projeto. A aplicação dos LEDs pode ser bastante variada, e tem sido usada principalmente com objetivos de comunicação corporativa. “Nosso foco será atender especificamente empresas fabricantes de luminosos e Letra Caixa, assim como especificar e homologar o produto em grandes corporações”, diz Victor Figueiredo. O produto está disponível na Belmetal nas cores verde, vermelho, azul, branco frio e branco quente, e tem uma garantia de 80.000 horas, além de ser a prova d’água. SE445_acontece.indd 10 17/3/2010 12:12:58 => Nova família de osciloscópios Agilent 1000 Pa => Peça já tação! M a IS e m (a | h 0 Fr. RN oe A familia de osciloscópios Agilent 1000 foi projetada para que você tenha um osciloscópio melhor do que imaginou. E OS recursos que você só esperava ter em um osciloscópio gran x a portabilidade e o preço baixo que você precisa em um pequeno. Nós melhoramos o oscilascópio econômico, dando mais a você. . 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Para saber mais consulte o seu distribuidor Agilent a PRE PAR ET A EO Dr lent.com.br 28 separa 12 I SABER ELETRÔNICA 445 I Fevereiro 2010 tecnologias Renato Paiotti A integração da central de processa-mento com os periféricos num úni-co dispositivo é o sonho de vários projetistas, porém performance x espaço x peso é difícil de conciliar, embora nada seja impossível. Em janeiro a Apple anunciou o lança- mento do Ipad, um computador portátil que dispensa teclado e mouse, onde a tela é sensível ao toque. Para uso pessoal este dispositivo é bem interessante, mas, e quan- do o uso destes dispositivos requer um nível de detalhe maior do que o oferecido pelo sistema Touchscreen? Especialmente utilizado por artistas gráficos e usuários de softwares gráficos? Pensando nesse mercado a Wacon desenvolveu a família W8000, com a qual é possível interagir com o computador direta- mente na tela de LCD utilizando uma caneta que não tem fio, porém com um circuito que é alimentado pelo próprio campo magnético gerado pelo monitor. A família W8000 é um sistema integrado que captura as informações de uma matriz de sensores, onde o sinal chega de forma analógica, converte estes sinais em digital e transfere estas informações para a CPU. Aparentemente parece fácil, afinal é só informar a posição da caneta, que é sem fio, e indicar em que posição ela se encontra, mas com a tecnologia EMR é possível informar além da posição, a distância em que a caneta se encontra e o seu grau de inclinação, muito útil para os artistas gráficos que podem de- senhar diretamente sobre o monitor LCD e simular pinceladas sutis, além do ângulo que o pincel está sendo usado. A tecnologia A EMR Technology é uma tecnologia em- pregada na tablet CintIq fabricada pela própria Wacom. Como ilustrado na figura 1 podemos ver que esta tecnologia captura, através de uma matriz de sensores (bobinas), o campo magnético gerado pela caneta. Conforme a ca- pacitância capturada por cada um dos sensores, é possível saber a distância, o grau de inclinação e o ponto em que ela se encontra desta matriz que está distribuída por toda a tela. A caneta não possui nenhum tipo de fio ou bateria que alimente o seu circuito, isso porque ela consegue a própria alimentação do circuito através do campo induzido vindo da tablet, uma vez que o circuito da caneta é simples e de baixo consumo. F1. Como os sinais são capturados. EMR® Technology (Electro-Magnetic Resonance) Conheça esta tecnologia desenvolvida pela Wacom para atender o mercado de tablet’s PC da área gráfica, que podem ser usadas em diversas outras aplicações SE445_EMR.indd 12 17/3/2010 12:11:37 Fevereiro 2010 I SABER ELETRÔNICA 445 I 15 a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z Oscilador com 2 Inversores O circuito da figura 4 gera sinais re- tangulares e faz uso de dois inversores de um circuito integrado 40106. Os outros inversores do 40106 podem ser utilizados de forma independente. A frequência deste circuito é determinada por R e C. Para R = 100 k ohms e C = 10 nF teremos um sinal na faixa de áudio. Oscilador Controlado por Tensão Podemos controlar a frequência do os- cilador anterior numa boa faixa de valores a partir de uma tensão externa, usando a configuração da figura 5. A tensão de controle estará entre 0 e 2 V, tipicamente. O circuito, com os compo- F6. oscilador com 3 inversores. F5. Oscilador contro- lado por tensão. F4. Oscilador com 2 inversores. SE445_10_osciladores.indd 15 17/3/2010 12:08:20 16 I SABER ELETRÔNICA 445 I Fevereiro 2010 Circuitos Práticos nentes indicados, gera sinais na faixa de áudio e a forma de onda é retangular. Outras funções CMOS que possam ser configuradas como inversores, funciona- rão perfeitamente nesse oscilador. Oscilador com Três Inversores Maior estabilidade para a geração dos sinais pode ser conseguida com o oscila- dor ilustrado na figura 6. Os três inversores são de um circuito integrado 40106, mas outros circuitos integrados que possam ser empregados na mesma função servirão. O sinal de saída é retangular e a frequ- ência depende de R1 e C1. Para os valores indicados, o circuito gera sinais na faixa de áudio. Oscilador sem Componentes Externos No oscilador exibido na figura 7 a frequência de operação depende do tem- po de propagação do sinal através das funções inversoras. Como esse tempo depende da tensão de alimentação, podemos controlar a fre- quência pelo potenciômetro de 10 k ohms que ajusta a tensão no circuito. O sinal gerado pode chegar a alguns megahertz e é rico em harmônicas, servin- do o oscilador como excelente gerador de sinais. Outras funções inversoras podem ser empregadas no mesmo circuito e o nú- mero de portas deve ser sempre ímpar. Oscilador Disparado Na figura 8 temos um circuito que en- tra em oscilação quando o pino de entrada for levado ao nível alto. A frequência é determinada por R1 e C1. R2 deve ser sempre maior do que 10 vezes o valor de R1. Com os valores in- dicados, o circuito gera um sinal na faixa das audiofrequências. Outras funções que possam ser confi- guradas como inversor e controle podem ser empregadas. Por exemplo, podemos usar em lugar do 4069 o próprio 4011 como inversor. O sinal obtido na saída deste circuito é retangular com um ciclo ativo de apro- ximadamente 50%. Oscilador com Portas NOR Na figura 9 mostramos como obter um oscilador usando as portas NOR de um circuito integrado 4001. O sinal gerado é retangular e a sua frequência depende basicamente de C1 e R2. R1 deve ser pelo menos 10 vezes maior que R2. Oscilador de Frequência Variável No circuito da figura 10 podemos ajustar a frequência do sinal gerado em um potenciômetro comum. A frequência gerada depende do ca- pacitor e para o valor indicado estará na faixa de áudio. Qualquer circuito integrado CMOS que possa ser configurado como inversor funcionará neste circuito. Conclusão Os circuitos que vimos são apenas alguns que podem ser usados como osciladores. Lembramos que a velocidade de operação dos circuitos CMOS depende muito da sua tensão de alimentação. Assim, para uma alimentação de 5 V, um circuito alcança no máximo 3 MHz enquanto que alimentado com 15 V pode chegar a 8 MHz. A frequência máxima, em cada caso, depende do circuito integrado utiliza- do. Consulte os manuais em caso de dúvidas. F7. Osciladopr sem com- ponentes externos. F8. Oscilador disparado. F9. Oscilador com 2 portas NOR. F10. Oscilador de frequência varíavel. E SE445_10_osciladores.indd 16 18/3/2010 11:29:35 Fevereiro 2010 I SABER ELETRÔNICA 445 I 17 Projetos a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z Este projeto não tem como finali-dade ser o produto final de um sistema de sequência de senhas, porém é um módulo simples que serve de base para as implementações mais sofisticadas. O sistema apresentado consiste em um display LCD de 2 x 16, um Arduíno (neste caso utilizamos o Tatuíno), uma matriz de contatos e alguns componentes. Não abordaremos neste artigo como se faz para instalar o compilador e como funciona o Arduíno, que já foi apresenta- do em artigos anteriores, e vamos direta- mente para a montagem do projeto. Para os leitores que desejam saber mais sobre o Arduíno, recomendo a leitura de artigos que se encontram no site www.sabere- letronica.com.br ou no site da própria equipe de desenvolvedores do Arduíno (www.arduino.cc). A lógica do funcionamento O sistema consiste em ligar o Arduíno, que ficará em loop até que o botão seja pressionado. Neste momento o display Display de senhas com o Arduíno Este artigo mostra um módulo que serve de base para a constru- ção de um display LCD que exibe na tela a próxima senha chama- da, emitindo um sinal sonoro. Este sistema já é muito utilizado em bancos e clínicas, porém nesta montagem utilizando o Arduíno é possível mostrar o seu simples funcionamento. Renato Paiotti que está exibindo “Saber Eletronica” na primeira linha e “Senha: 0” na segunda, emitirá um sinal sonoro pelo buzzer e exibirá “Senha: 1” na segunda linha. A cada toque no botão, uma senha subse- quente será chamada. A reinicialização do processo, ou seja, a volta à senha número “0” é feita pressionando-se o pino Reset do Arduíno. O display O display utilizado neste sistema foi um de 2 linhas por 16 caracteres. Este tipo de display possui alguns pinos de contato externo, mas os dados são passa- dos pelos pinos D0 a D7. Iremos usar os pinos D4 a D7, porém não precisaremos nos preocupar como e o que deveremos passar através destes pinos para apre- sentar os dados, isso porque na hora de compilarmos o código-fonte, estaremos adicionando uma biblioteca chamada LiquidCrystal.h, que faz todo o trabalho de pegar a frase que digitamos (ou as variáveis que desejamos apresentar no display) e exibi-las. SE445_Display.indd 17 17/3/2010 12:36:14 20 I SABER ELETRÔNICA 445 I Fevereiro 2010 Desenvolvimento Todo projeto envolvendo LEDs faz o projetista esco- lher o melhor driver, com o melhor consumo aliado ao melhor rendimento. Neste artigo o autor selecionou os 4 melhores drivers publicados no “Livro de Receitas” da Texas Instruments sobre controle de LEDs. LED Ref. Design Cookbook - T.I. Tradução: Eutíquio Lopez Drivers de LEDs Lanterna Solar de 3 watts (com LEDs) O CI TPS 61165 funciona com tensão de entrada entre 3 e 18 V, liberando na saí- da uma tensão de até 38 V. O dispositivo controla até 10 LEDs em série através da sua chave FET, especificada para 40 V. Ele opera numa frequência de chaveamento fixada em 1,2 MHz para reduzir o ripple de saída, melhorar o rendimento da conversão, e permitir o uso de pequenos componentes externos. A corrente de ajuste do WLED é determinada por um resistor sensor externo RSET e a tensão de realimentação é regulada para 200 mV. Em ambos moodos de dim- ming (digital ou PWM), o ripple de saída do CI sobre o capacitor de saída é pequeno, não gerando ruído audível associado com o “dimming” de controle on/off comum. Para proteção durante condição de LED aberto, o TPS 61165 corta o chaveamento, protegendo a saída da ultrapassagem dos limites máximos especificados. O PMP3598 utiliza o TPS 61165 em uma configuração “boost” assíncrona. Um circui- to adicional implementado em torno do amp. op. fornece as indicações de sobretensão/car- ga da bateria e também o elo entre o painel solar e as entradas da bateria. O circuito incorpora ainda as necessárias proteções T1. Especificações de Projeto. Parameter Input Voltage Output Voltage Output Ripple Output Current Switching Frequency Minimum 4.5 10.45 - 0 - Typical 6 10.5 - - 1200 Maximum 7.4 10.65 50 350 - Unit Volts Volts mV pp mA kHz Fevereiro 2010 I SABER ELETRÔNICA 445 I 21 F1. Esquema elétrico do PMP3598 – Convesor Boost Assíncrono. Sites Projetos de Referência: www.ti.com/powerreferencedesigns Datasheets, guides, samples: www.ti.com/sc/device/tps61165 F3. Proteção para LED aberto (desligado). F2. Forma de onda do chaveamento. F5. Ripple de saída. F4. Curva do Rendimento (%) x Corr. Saída IO (mA). térmica e contra sobrecorrente, tendo uma característica de carga em aberto. As considerações mais importantes neste projeto são o seu alto rendimento e a boa regulação da corrente do LED. O TPS 61165 opera em modo de corrente constante para regular a corrente do LED. O pino CTRL é usado como entrada para controlar tanto o dimming digital quanto o dimming PWM (controles de brilho do LED). O modo de dimming para o CI é sele- cionado cada vez que esse pino é habilitado. Um dimming analógico foi implementado através da variação da referência de reali- mentação. Um resistor variável de 20 kΩ pode ser usado para variar a corrente do LED de modo a conseguir o dimming. O conversor eleva de 6 V para 10,5 V/ 350 mA, apresentando um rendimento mínimo de 85%. O circuito é usado para controlar três WLEDs (LEDs brancos) de 1 W ou múltiplos LEDs comuns de 50 mA desde que sua potência total não ultrapasse 3 W. 22 I SABER ELETRÔNICA 445 I Fevereiro 2010 Desenvolvimento F1. Esquema elétrico do Módulo TPS62260LED-338. F2. Três conversores buck TPS62260, um para cada LED (VM, VD e AZ). T1. Especificações de Projeto. Driver de LEDs Triplo com Tecnologia “Sem Fio” Iluminações para residências e comér- cios podem auferir a vantagem da mistura adicional de cores de LEDs vermelhos, verdes e azuis. Este projeto de referência mostra como controlar remotamente a saída colorida de um LED através de um controlador “sem fio” de baixa potência. As cores são geradas por três LEDs (vermelho, verde e azul). Um microcontrolador MSP430, de ultrabaixa potência, controla o brilho de cada um dos LEDs com uma corrente constante provida pelos três conversores buck TPS62260, um para cada LED. A tabela de cores procuradas toma a for- ma de um arranjo armazenado no MSP430. Sempre que o encoder rotativo é girado, novos valores de vermelhos, verdes e azuis são lidos do arranjo e utilizados para gerar os três sinais PWM de saída. É comum serem armazenados 252 valores, os quais poderão ser trocados se assim for desejado. Um valor decimal de 100 chaveia o LED para off (0%), enquanto um valor de 65535 fornece uma razão mark-space de 100%. Quando a fonte de 5 V é aplicada, o circuito entra no modo de demonstração onde os valores armazenados no arranjo são lidos e a saída, na sequência, fica num “loop”infinitamente. Tão logo o encoder rotativo muda, a sequência para e um valor particular de cor (do LED) pode ser selecionado. Existe um “pin header” (placa auxiliar) que pode ser usado para espetar na placa RF do “MSP430 Wireless Development Tool”, o qual é disponibilizado em separado (o eZ430-RF2500). Com este módulo adicional, as cores dos LEDs podem ser controladas remotamente via interface RF sem fio. Caso o projetista prefira reprogramar o MSP430, uma ferramenta de emulação “flash” separada para o microcontrolador poderá ser ordenada, tal como a MSP- FET430 UIF. Maiores informações sobre as duas ferramentas acima mencionadas podem ser encontradas, respectivamente, em: http://focus.ti.com/docs/toolsw/fol- ders/print/ez430-rf2500.html e http://focus. ti.com/docs/toolsw/folders/print/msp- fet430wif.html Sites www.ti.com/sc/device/TPS62260 www.ti.com/tps62260led-338 Parameter Input Voltage Output Current Minimum 4.5 -- Typical 5 0,300 Maximum 5,5 -- Unit VDC Amp Fevereiro 2010 I SABER ELETRÔNICA 445 I 25 Desenvolvimento Sites Driver de backlights para LCDs grandes O CI TPS61195, da Texas Instruments, possibilita soluções altamente integradas para “backlights” (lanternas) de grandes LCDs. Esse dispositivo possui internamente um regulador boost de alta eficiência e um MOSFET de potência de 50 V/ 3 A. Os oito reguladores de tipo dreno de corrente for- necem uma regulação de corrente muito precisa e casada. No total, o CI suporta até 96 LEDs brancos (WLEDs), sendo que sua saída em configuração boost ajusta o nível de tensão para a queda de tensão do WLED automaticamente de modo a melhorar o seu rendimento. O TPS61195 aceita múltiplos modos de controle de brilho para os WLEDs. Por exemplo, durante o “dimming PWM” direto, a corrente do WLED é ligada/ desligada no ciclo ativo com a frequência sendo de- terminada por um sinal PWM integrado. Nesse modo de controle, a frequência do sinal é programável via resistor, enquanto o ciclo ativo é controlado pela ação de uma entrada de sinal externo (PWM) através de um pino PWM. Nos modos mixados de “dimming” analógico, a informação do ciclo ativo da entrada PWM é convertida em um sinal analógico para controlar a corrente do WLED linearmente sobre uma área de brilho contida entre 12,5 e 100%. O dispositivo permite também que “dimming PWM” seja acrescentado quando o sinal analógico mantiver a corrente do WLED abaixo de 12,5%, situação essa em que o mesmo será traduzido numa informação de ciclo ativo do PWM para controlar o chaveamento da corrente do WLED de modo que o seu valor médio fique abaixo de 1%. Este CI dispõe de proteção contra so- brecorrente, contra curto-circuito, possui soft-start e bloqueio de sobretemperatura. Ele fornece ainda proteção contra sobreten- são na saída (programável), sendo o limiar ajustado por uma combinação formada por um resistor/ divisor externos. O TPS61195 dispõe de um regulador line- ar interno para alimentação e é encapsulado em invólucro QFN de 4 x 4 mm. www.ti.com/powerreferencedesigns www.ti.com/sc/device/tps61195 E 26 I SABER ELETRÔNICA 445 I Fevereiro 2010 Desenvolvimento Softwares de simulação existem para todas as áreas da engenharia e diversas conquistas do homem não seriam possíveis sem eles. No caso da eletrônica, podemos trabalhar sem tais softwares, mas certamente eles facilitam nossa vida. Spice é a definição para os softwares de simulação de circui- tos elétricos no PC. Normalmente esses softwares são onerosos, porém, temos uma alternativa chamada LTSpice, da Linear Technologies. O LTSpice é uma ferramenta de simu- lação desenvolvida pela empresa citada que possibilita a simulação de seus CIs, e também a simulação de milhares de outros circuitos. Esta ferramenta é gratui- ta e pode ser baixada no próprio site do fabricante - www.linear.com. Para explicar o funcionamento do LTSpice vamos simular alguns circuitos bem conhecidos e úteis na eletrônica, os filtros utilizando componentes passivos: o filtro passabaixa, passa-alta e passabanda. LTSpice e o circuito O filtro passabaixa é aquele onde as frequências abaixo da frequência de corte do filtro passam e as frequências acima são atenuadas. Em um filtro utilizando um resistor e um capacitor, a frequência de corte é calculada pela fórmula: LTSpice Simulação - Filtros Veja como utilizar o LTSpice, da Linear Technologies, uma ferramenta alternativa útil no momento de produzir e simular seus projetos Bruno Muswieck Clicando no “Novo Arquivo” abrirá uma janela com o nome default do progra- ma, salve o arquivo na pasta desejada com o nome “passabaixa”. Agora, devemos colocar os componentes, para isso vamos ao atalho “component tool” onde se encon- tram todos os componentes das bibliotecas padrões que vêm com o LTSpice. Devemos colocar um resistor (res), capacitor (cap) e a fonte (voltage) Figura 2. Uma dica: para girar os componentes como o R1 é preciso que o componente seja escolhido (“component tool”) e antes de colocá-lo, clique no botão “rotate” no canto superior direito da tela. Agora devemos unir o circuito uti- lizando o botão “Wire Tool”, e colocar a referência no botão “Ground”. Veja na figura 3. Portanto, nós temos nosso filtro pas- sabaixa montado. O próximo passo é configurar os valores dos componentes. Clicando com o botão direito em cima do componente podemos modificar seu valor. Pela equação 1, para R1 = 10k ohms e C1 = 1µF temos uma frequência de corte de 15,91 Hz, então vamos configurar para V1 gerar um onda quadrada de 1 kHz e com R2 = 10 k ohms. Figura 4. Para a configuração de V1 não é tão simples como a configuração de Rx e Cx, então clicamos com botão direito em V1 e no botão “Advanced”. Para obtermos a onda quadrada de 1 kHz, devemos confi- gurar os valores de acordo a figura 5. Para gerar a onda quadrada utilizamos o tipo de onda “Pulse”. “Vinitial [V]” é a tensão inicial do sinal, “Von [V]” é a tensão no segundo momento, “Tdelay [s]” é o delay inicial da onda, “Trise [s]” é o tempo para a onda ir de Vinitial a Von, Tfall [s]” é oposto ao Trise, “Ton [s]” é o tempo em que a tensão ficará no valor de Von, “Tperiod ƒc = 1 2πRC Agora vamos ao LTSpice para montar o circuito. Observe a figura 1. No LTSpice irei fazer a explicação de alguns botões básicos devido ao objetivo do artigo ser demonstrar como simular circuitos nele. SE4445_LTSpice_Filtros.indd 26 17/3/2010 12:02:51 Fevereiro 2010 I SABER ELETRÔNICA 445 I 27 a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z [s]” é o período da onda e “Ncycles” é o número de vezes que o pulso será repe- tido. Para o nosso caso usamos um valor alto de modo a gerar o pulso quadrado e repetidas vezes, produzindo assim nossa onda quadrada. Simulação, Transiente Para rodar a simulação devemos con- figurar o tipo de simulação em “Simulate -> Edit Simulation Cmd”. Agora iremos fazer a simulação do tipo Transiente, e con- figurarmos de acordo com a figura 6, onde representamos a duração da simulação. Agora podemos rodar a simulação do filtro passabaixa, para isto clique no botão “run” (simulação). Na primeira vez que rodarmos a simu- lação, não irá aparecer nada na janela da simulação. Para podermos ver os sinais é necessário passar o mouse em cima das conexões do circuito para aparecer o probe da medição de tensão, e ao clicar, irá surgir a forma de onda na janela da simulação. Também é possível passar o mouse nos componentes e irá aparecer o probe de cor- rente, então irá mostrar a onda da corrente no componente durante a simulação. Na figura 7, na janela de simulação a V(n001) é a tensão medida de V1 e a V(n002) é a tensão em R2, onde podemos ver como se comporta nosso filtro. Porém podemos modificar estes nomes para ficar mais fácil de compreender nossa simulação e, para isso, clicamos no botão “Label Net” e vamos colocar dois labels, Vin como a tensão em V1 e Vout como tensão no R2. Rodamos novamente a janela e coloca- mos os probes em Vin e Vout e poderemos ver uma janela igual a figura 8, agora fica mais fácil de compreender o circuito. Essa opção é útil quando nosso circuito fica complexo, isto ajuda na análise da simulação. Agora você já tem o circuito básico de um filtro passabaixa, então pode mexer nos valores para ajustar um filtro de acor- do com sua aplicação, como por exemplo, diminuir o ripple ajustando R1 e C1. Simulação, Análise em AC Outro tipo de simulação muito inte- ressante é o tipo “AC analysis”, ou aná- lise em AC. Com este tipo de simulação podemos ver a resposta em frequência F1. LTSpice. F2. Montagem Passa Baixa. F3. “Wire Tool” e “Ground”. F4. Passa baixa valores. SE4445_LTSpice_Filtros.indd 27 17/3/2010 12:02:57 30 I SABER ELETRÔNICA 445 I Fevereiro 2010 Instrumentação Cinco Dicas para Redução de Ruído nas Medições Newton C. Braga Este artigo foi publicado ori- ginalmente pela National Instru- ments (www.ni.com), sendo de grande utilidade para todos os que trabalham com instrumentação Garantir medidas exatas geral-mente significa ir além das especificações de um datasheet. Entender uma aplicação no contexto do seu ambiente elétrico também é importante para assegurar o sucesso, particularmente em ambientes ruidosos ou industriais. Loops de terra, tensões elevadas em modo comum e radiação eletromagnética são exemplos de ruídos que podem afetar um sinal. Existem muitas técnicas para reduzir o ruído em um sistema de medição, que in- cluem blindagem adequada, cabeamento e terminação. Além desses cuidados co- muns, você pode fazer mais para garantir uma melhor imunidade a ruído. As cinco técnicas, a seguir, servem como um guia para alcançar resultados mais exatos nas medições. Rejeição de Tensão DC em Modo Comum Realizar medições mais exatas nor- malmente começa com leituras diferen- ciais. Um dispositivo ideal de medições diferenciais lê apenas a diferença de potencial entre os terminais positivo e negativo do(s) seu(s) amplificador(es) de instrumentação. Dispositivos práticos, entretanto, são limitados na habilidade de rejeitar tensões em modo comum. Tensão em modo comum é a tensão comum a ambos os terminais, positivo e negativo, do amplificador de instrumentação. Na figura 1, 5 V é comum para ambos os terminais, AI+ e AI-, e o dispositivo ideal lê os 5 V que resultam da diferença entre os dois terminais. A tensão de trabalho máxima de um dispositivo de aquisição de dados (DAQ) refere-se ao sinal de tensão somado à ten- F1. Um amplificador de instrumen- tação ideal rejeita completamente tensões em modo comum. F2. A isolação separa eletricamente o terra de referência do amplificador de instrumentação do terra geral. SE445_Reducao.indd 30 17/3/2010 12:01:29 Fevereiro 2010 I SABER ELETRÔNICA 445 I 31 a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z são em modo comum e especifica o maior potencial que pode existir entre uma entrada e o terra. A tensão de trabalho máxima para a maioria dos dispositivos DAQ é a mesma que a faixa de entrada do amplificador de instrumentação. Por exemplo, dispositivos DAQ Série M de baixo custo como a NI 6220 têm uma ten- são de trabalho máxima de 11 V; nenhum sinal de entrada pode ultrapassar 11 V sem causar dano ao amplificador. A isolação pode aumentar drastica- mente a tensão de trabalho máxima de um dispositivo DAQ. No contexto de um sistema de medição, “isolação” significa separação física e elétrica de duas partes de um circuito. Um isolador passa dados de uma parte do circuito para a outra sem conduzir eletricidade. Como a cor- rente não pode fluir através da barreira de isolação, você pode mudar o nível de referência do dispositivo DAQ para um nível diferente do terra. Isso desacopla a especificação de tensão máxima de traba- lho da faixa de entrada do amplificador. Na figura 2, por exemplo, o terra de refe- rência do amplificador de instrumentação é eletricamente isolado do terra geral. Enquanto a faixa de entrada é a mes- ma que na figura 1, a tensão de trabalho foi estendida para 60 V, rejeitando 55 V da tensão de modo comum. A tensão de trabalho máxima é, agora, definida pela isolação do circuito, ao invés da faixa de entrada do amplificador. O teste de célula de combustível é um exemplo de aplicação que requer rejeição de altas tensões DC em modo comum. Cada célula individualmente pode gerar aproximadamente 1 V, mas uma pilha de células pode produzir vários kilovolts ou mais. Para medir com exatidão a tensão de uma única célula de 1 V, o dispositivo de medição deve estar preparado para rejeitar a alta tensão em modo comum gerada pelo restante da pilha. Rejeição de Tensão AC em Modo Comum Raramente tensões em modo comum consistem apenas de um nível DC. A maior parte das fontes de tensão em modo comum contém componentes AC soma- das ao nível DC. O ruído é inevitavelmen- te acoplado ao sinal medido por meio do ambiente eletromagnético ao redor. Isto é particularmente problemático para si- nais analógicos de nível baixo passando pelo amplificador de instrumentação do dispositivo DAQ. As fontes de ruído AC podem ser clas- sificadas em geral pelos seus mecanismos de acoplamento – capacitivo, indutivo ou radiado. Acoplamentos capacitivos resultam de uma variação temporal de campos elétricos, como aquelas criadas por aproximação de relés ou outros si- nais de medição. Ruídos de acoplamento indutivo ou magnético resultam de uma variação temporal de campos magnéticos, semelhante áquelas criadas por aproxima- ção de maquinário ou motores. Se a fonte de campo eletromagnético está longe do circuito de medição, como a iluminação fluorescente, o acoplamento dos campos magnético e elétrico é consi- derado eletromagnético combinado ou acoplamento radiado. Em todos os casos, uma tensão em modo comum variável no tempo é acoplada ao sinal de interesse, na maior parte dos casos na faixa de 50-60 Hz (frequência da rede elétrica). Um circuito de medição ideal tem um caminho perfeitamente balanceado para ambos os terminais, positivo e negativo, do amplificador de instrumentação. Tal sistema rejeitaria completamente qual- quer ruído com acoplamento AC. Um dispositivo prático, entretanto, especifica o grau de tensão em modo comum que ele pode rejeitar com uma relação de rejeição de modo comum (CMRR). A CMRR é a razão entre ganho do sinal medido e o ganho do modo comum aplicado ao amplificador, como mostra a seguinte equação: F3. A NI 6230 possui uma CMRR muito maior que a NI 6220. F4. Uma medição diferencial de termo- par com uma fonte de sinal aterrada pode criar um loop de terra. SE445_Reducao.indd 31 17/3/2010 12:01:35 32 I SABER ELETRÔNICA 445 I Fevereiro 2010 Instrumentação Escolher um dispositivo DAQ com uma CMRR melhor sobre uma faixa de frequência mais larga pode fazer uma diferença significativa na imunidade a ruído do seu sistema. A figura 3, por exemplo, mostra a CMRR para um dis- positivo de baixo custo Série M compa- rada com a de um dispositivo industrial Série M. Em 60 Hz, os dispositivos industriais Série M NI6230 têm 20dB a mais de CMRR que os dispositivos de baixo custo Série M 6220. Isso é equivalente a uma atenuação 10 vezes melhor de ruídos em 60Hz. Qualquer aplicação deve se benefi- ciar ao rejeitar ruídos de 60 Hz. Todavia, máquinas rotativas ou motores de alta rotação requerem imunidade a ruído em altas frequências. Em 1 kHz, dispositivos NI 6230 rejeitam ruído 100 vezes melhor que dispositivos NI 6220, fazendo deles ideais em aplicações industriais. Quebre os Loops de Terra Loops de terra são indiscutivelmente a fonte de ruído mais comum em sistemas de aquisição de dados. Aterramento ade- quado é essencial para medições precisas, porém é um conceito que frequentemente não é assimilado. Um loop de terra se forma quando dois terminais conectados em um circuito estão em potenciais de terra diferentes. Essa diferença ocasiona um fluxo de corrente na interconexão, o que pode causar erros de nível. Para com- plicar ainda mais, o potencial de tensão entre o terra da fonte de sinal e o terra do dispositivo DAQ geralmente não é um nível DC. Isso resulta em um sinal que apresenta componentes da frequência da alimentação da rede nas leituras. Consi- dere a aplicação simples de termopar na figura 4. Neste caso, uma medição de tem- peratura teoricamente simples se torna complexa pelo fato do dispositivo sob teste (DUT) estar em um potencial de terra diferente do dispositivo DAQ. Mesmo com ambos os dispositivos compartilhan- do o mesmo terra, a diferença de potencial pode ser 200 mV ou mais, se os circuitos de distribuição de alimentação não es- tiverem adequadamente conectados. A diferença aparece como uma tensão em modo comum com uma componente AC no resultado da medição. Lembre-se que isolação é um meio de separar eletricamente o terra da fonte de sinal do terra de referência do amplificador de instrumentação (veja a figura 5). Como a corrente não pode fluir pela barreira de isolação, o terra de referência do amplificador pode estar em um po- tencial maior ou menor que o da Terra. Você não pode criar um loop de terra em um circuito desses. Usar um dispositivo de medição isolado evita a necessidade de aterrar adequadamente um sistema de medição, garantindo resultados mais precisos. Use Loops de Corrente de 4-20 mA Cabos com comprimento longo e a presença de ruído em ambientes in- dustriais, ou eletricamente carregados, podem fazer com que a medição precisa de tensão se torne difícil. Por isso, trans- dutores industriais que medem pressão, fluxo, proximidade e outros geralmente emitem sinais de corrente ao invés de tensão. Um loop de corrente de 4-20 mA é um método comum de um sensor enviar informação por longas distâncias em muitas aplicações de monitoramento de processo, como mostra a figura 6. Cada um desses loops de corrente contém três componentes – um sensor, uma fonte de alimentação e um ou mais dispositivos DAQ. O sinal de corrente do sensor está tipicamente entre 4 e 20 mA, com 4 mA representando o mínimo de sinal e 20 mA representando o máxi- mo. Esse esquema de transmissão tem a vantagem de usar 0 mA para indicar um circuito aberto ou uma conexão ruim. Fontes de alimentação estão tipicamente F5. A isolação elimina loops de terra, separando o terra do terra de referência do amplificador. F6. Um amplificador de instrumentação usa um resistor shunt para converter sinais de corrente em tensão. F7. Lógica 24 V tem melhores margens de ruído que TTL. SE445_Reducao.indd 32 17/3/2010 12:01:40 Fevereiro 2010 I SABER ELETRÔNICA 445 I 35 a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z em 1% a medida de um resistor de 1 Mohms, em condições de umidade algo elevadas. Esse tipo de problema é muito comum quando se testa resistores de foco de monitores de vídeo e televisores. O valor medido pode estar “abaixo do normal” devido à sujeira acumulada, atraída pela alta tensão do próprio cinescópio. Queda de tensão Um outro erro introduzido nas medi- das de corrente é devido à tensão de carga do circuito em série. De acordo com a figu- ra 4, quando um instrumento é ligado em série com um circuito, um erro é gerado pela tensão que aparece no resistor interno e nos cabos das pontas de prova. Os mesmos erros são válidos para o caso em que correntes alternadas são medidas. Entretanto, em medidas de corrente alternada os erros devidos à carga representada pelo instrumento são maiores, pois temos as indutâncias dos elementos internos do circuito a serem somadas. Erros nas medidas de frequência e período Os erros nessas medidas ocorrem principalmente quando sinais de baixas intensidades são analisados. A presença de harmônicas, ruídos e outros problemas pode afetar as medi- das. Os erros são mais críticos nos sinais lentos. Conclusão Ao realizar medidas de resistências, correntes e tensões com um multímetro digital é preciso levar em conta que a precisão das medidas também depen- derá do modo como o instrumento é usado. Além disso, é necessário conhecer as suas características para entender a pos- sibilidade de que eventuais diferenças de leituras possam surgir. Não basta encostar as pontas de prova em um circuito e acreditar totalmente na indicação que o instrumento dará. É preciso saber o que está acontecendo no circuito e principalmente no instrumento, para ver se ele não está sendo “engana- do” e passando o resultado enganoso ao operador. Faixa Corrente de Teste Dissipação do DUT à plena escala 100 ohms 1 mA 100 µW 1 k ohms 1 mA 1 µW 10 k ohms 100 µA 100 µW 100 k ohms 10 µA 10 µW 1 M ohms 5 µA 30 µW 10 M ohms 500 nA 3 µWE F1. Mesmo sendo baixa a resistência, não pode ser desprezada. F2. Cuidado nas medidas de resistores com coeficientes de temperatura elevados. F3. Poeira nas placas pode apresentar fugas e distorcer os resultados. F4. Erro gerado pela tensão que surge no resistor interno e nos cabos. T1. Correntes e dissipações (potência) em plena escala. SE444_erros.indd 35 17/3/2010 11:58:13 36 I SABER ELETRÔNICA 444 I Janeiro 2010 Instrumentação Medições de Campos Eletromagnéticos causados por sistemas de transmissão Com o avanço das telecomunica-ções, somos expostos cada vez mais a campos eletromagnéticos, por exemplo, redes celulares e novos sinais de TV Digital. Por isso, os efeitos dos campos eletromagnéti- cos (Electromagnetic Fields - EMFs) são amplamente discutidos em público no momento. Para medidas e controle precisos, tanto para aceitação pelas nor- mas quanto para verificação de efeitos adversos, sistemas de medição portáteis são ideais para uma rápida verificação em campo. Para medidas precisas de campos eletromagnéticos, inclusive com geração de estatísticas, um sistema portátil de medição é o ideal. Especialmente em áreas densamente povoadas, onde discrição pode ser um fator a considerar. Medições precisas e avaliações estatísticas Não apenas as medições instantâneas, mas a coleta durante períodos longos e o tratamento estatístico desses valores são fundamentais. Tais análises são ferramentas que for- necem uma base sólida para a discussão sobre os efeitos, por exemplo, das opera- doras celulares. As operadoras precisam não apenas de medições abrangentes por curtos períodos (short-term), dos campos eletromagnéticos, mas por vezes também por longos períodos (long-term). Tais me- didas podem ser necessárias quando de um comissionamento ao serem instalados novos sistemas, como inclusive em sequ- ências de medições em grandes áreas. Até o momento apenas dois métodos estavam disponíveis para medir os efeitos Cada vez mais a atenção das pessoas tem sido tomada pelos assuntos relativos ao aquecimento global, criando uma grande mo- bilização sobre o meio ambiente e como conservá-lo. Inicialmente se levantou a preocupação com a camada de ozônio e os efeitos que a radiação solar pode causar, o que felizmente levou a uma conscientização muito grande da população. Outras formas de radiação vêm agora à tona e, uma que tem adquirido importância cada vez maior, esta à nossa volta e nem sempre nos damos conta: a Radiação Não Ionizante ou RNI. dos campos eletromagnéticos no ambiente (Electromagnetic Fields on the Environment -EMCE): Medição de banda larga com o au- xílio de um sensor isotrópico; Medição de frequência seletiva com auxílio de uma antena dipolo ou direcional. Um sistema combinando as duas vantagens é ideal para medições de EMF (figura 1). Este sistema pode ser usado para me- dições precisas e avaliações estatísticas de campos eletromagnéticos, particular- mente em áreas densamente povoadas. Funciona em conjunto com um software para medições de EMF, que foi espe- cialmente desenvolvido para aplicações de compatibilidade eletromagnética no ambiente. Com a ajuda deste software, locais críticos como escolas podem ser monitorados durante um longo período de tempo (dias ou semanas). Entre outros tipos, podem ser medidos campos eletromagnéticos causados por serviços de radiocomunicação tais como GSM, CDMA, UMTS, WiMAX, LTE, DECT, Bluetooth™ ou W-LAN, ou por som e radiodifusão de TV. Sensor Isotrópico simplifica a Medição Um sensor isotrópico é um sensor ideal e só existe na teoria. Porém, com a combinação de vários sensores po- demos criar um sensor cujo comporta- mento é idêntico ao isotrópico teórico. Os sensores desenvolvido pela Rohde & Schwarz são composto por três monopolos passivos, ortogonalmente dispostos e que são selecionáveis por • • Jürgen Kausche Bernhard Rohowsky Tradução: Fernando Pavanelli SE445_campos.indd 36 17/3/2010 11:53:20 Janeiro 2010 I SABER ELETRÔNICA 444 I 37 Instrumentação a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z meio de diodos PIN integrados, tendo a função de uma chave de RF. O sof- tware calcula a intensidade de campo isotrópica equivalente aos três valores medidos com o auxílio de um algoritmo proprietário. Para obter ótimas características isotrópicas, próximas do ideal, os mono- polos são simétricos à haste da antena. Esse conjunto é revestido por um radome feito de poliestireno para proteção con- tra os efeitos meteorológicos ou danos mecânicos. O modelo de radiação isotrópica deste sensor simplifica consideravelmente as medições. Para medições feitas durante longos períodos, medições de intensidade de campo com seleção de frequência po- dem ser conduzidas independentemente da direção e polarização, com o sensor estacionário. A localização de fontes irradiantes através da intensidade de campo máxi- mo em espaços fechados como salas, que requerem o escaneamento com o sensor em mãos, se torna prática devido ao en- capsulamento do radome. O sensor pode ser também montado em um tripé para medições por longos períodos. O sensor passivo oferece uma alta sensibilidade e uma faixa dinâmica mais ampla que um sensor ativo. A intensidade de campo máxima de 100 V/m permite medições próximas dos emissores com espaçamento suficiente dos valores limite. A sensibilidade mínima de tipicamente 1 mV/m permite inclusive medições confiá- veis de baixa intensidade de campo, como ocorre longe da fonte de irradiação. F1. Exemplo de sistema composto de um Analisador de Espectro com soft- ware para medidas de EMF e kit de antenas isotrópicas de 9KHz a 6 GHz. SE445_campos.indd 37 17/3/2010 11:53:26 40 I SABER ELETRÔNICA 445 I Fevereiro 2010 Sensores E Este artigo é baseado no Application Note 4432 da Maxim (www.maxim-ic.com), o qual descreve o projeto de um sensor de temperatura completa- mente isolado. Trata-se de um projeto ideal para situações críticas, onde o isolamento do sensor em relação ao circuito processador é importante. O projeto da Maxim se baseia no circuito integrado MAX845, que consiste em um sensor de temperatura, e no MAX6576 que consiste num transformador isolado. A ideia básica deste projeto é que em determinadas aplicações é necessário isolar o circuito sensor, dada a existência de po- tenciais diferentes no local em que ele está instalado, o que pode afetar o sistema de transmissão de dados. Na figura 1 temos então o circuito sugerido pela Maxim. O circuito faz uso de um driver de trans- formador com saídas retangulares que opera em frequência fixa, no caso o MAX845. Este circuito integrado excita um transformador com uma relação de espiras de 1:1 e tomada central num dos enrolamentos. O secundário do transformador alimenta uma ponte de onda completa (Graetz) que gera uma tensão de aproximadamente 4,5 V para alimentação do sensor de temperatura. O MAX6576 pode ser utilizado em muitas aplicações, pois combina o circuito sensor, com toda a eletrônica de processamento do sinal e ainda tem uma interface I/O fácil de usar. A corrente que ele drena da fonte vem de uma fonte simples e é muito pequena. A tensão pode ficar na faixa de 3 a 5 V. No lado primário do sistema, o retorno de terra do MAX845 tem um circuito RC colocado entre a base e emissor de Q1. O valor de RC assegura que a soma da corrente do sensor de temperatura e a corrente de magnetização do transformador seja insufi- ciente para fazer o Q1 conduzir. Quando Q2 conduz, ele drena aproximadamente 12 mA da linha de 4,5 V. Esta corrente é refletida no primário, esta corrente da fonte flui do 5 V para o MAX845 através do terra e do resistor de 75 Ω. Assim, a condução de Q2 causa a con- dução de Q1, o qual segue a forma de onda de saída do coletor de Q1. Este circuito tem uma forma de onda conforme indicado nas figuras 2 e 3 com um jitter equivalente a 0,1° K na conversão mais rápida. Sensor de Temperatura Isolado SE445_Temperatura.indd 40 17/3/2010 12:50:26 Fevereiro 2010 I SABER ELETRÔNICA 445 I 41 Sensores F2. Forma de onda no coletor de Q1, conforme a saída do CI2 (MAX 6576). F1. Circuito do sensor isolado de temperatura. F3. Forma de onda no coletor de Q1, conforme a saída do CI2 (MAX 6576). SE445_Temperatura.indd 41 17/3/2010 12:50:35 42 I SABER ELETRÔNICA 445 I Fevereiro 2010 Sensores Curso sobre Sensores Veja na primeira parte deste ar- tigo a abordagem dos principais sensores utilizados na indústria, e como eles são empregados, com as suas características, vantagens e desvantagens Filipe Pereira filipe.as.pereira@gmail.com O ser humano é provavelmente o melhor exemplo comparativo de como funciona um sistema de instrumentação. Perante a aquisição de dados exterior, realiza ações de controle, ou seja, está continuamente a monitorar a realidade que o envolve e, em função dela, a tomar decisões que nela se repercutem. O conceito de um sistema de aqui- sição e controle, aplicado aos sistemas industriais, nada mais é do que a aqui- sição de dados do mundo físico através de sensores. Para que esta informação, com programação, controle processos ou sistemas através de atuadores. A primeira geração de instrumentos utilizados em medidas elétricas foi a dos instrumentos analógicos, onde o operador tinha de efetuar a leitura dos valores, de forma a controlar a máquina ou processo. O decréscimo dos custos da eletrônica digital, nomeadamente dos PLCs, ori- ginou o aparecimento de uma segunda geração de instrumentos, designados como instrumentos digitais. Vamos então introduzir dois conceitos importantes: Variável dinâmica é qualquer parâmetro físico que pode variar, ao longo do tempo, espontanea- mente ou por influências externas. Exemplos: temperatura, pressão, caudal, nível, força, luminosidade, umidade etc. Sistema de Controle é um con- junto de dispositivos que mantém uma ou mais grandezas físicas, dentro de condições definidas à sua entrada. Os dispositivos que o compõem po- dem ser elétricos, mecânicos, ópticos e até seres humanos. O objetivo do controle de processos é fazer com que uma variável dinâmica fique fixa sobre (ou perto) de um valor específico desejado. • • F1. Controle de um processo para regular o nível do líquido num tanque. SE445_sensores.indd 42 17/3/2010 11:49:17 Fevereiro 2010 I SABER ELETRÔNICA 445 I 45 Linearidade: Quando a sensibi- lidade se mantém constante para todos os valores da variável física, o sensor é dito linear. Zona morta: A mais larga variação da variável a ser lida, à qual o sen- sor não responde. Estabilidade: Repetição dos re- sultados. Estabilidade no zero: Medida da capacidade do instrumento para regressar à indicação de saída nula para entrada nula. Tempo de resposta: Rapidez com que a saída responde a uma varia- ção do sinal da entrada. Coeficiente de Temperatura: Altera- ção na resposta do sensor, por unida- de de temperatura. Esta característica aplica-se a todos os sensores. Sensores Mecânicos O fim-de-curso mecânico é um sensor digital. São normalmente utilizados como sensores de proximidade. Existem numa grande variedade de formas para uma diversidade de aplicações. Os sensores digitais são indicados para operações do tipo “liga/desliga”. As principais características dos sen- sores mecânicos são: Fáceis de integrar em máquinas de qualquer tipo; Requerem contato; Robustos. Em seguida são apresentadas duas figuras 5 e 6 com exemplos de sensores mecânicos: Sensores Indutivos O sensor de proximidade indutivo (figura 7) tem internamente uma bobina que produz um campo eletromagnético, que é utilizado pra detectar a presença de um objeto metálico. Este tipo de sensor (figura 8) é com- posto por quatro elementos: Uma bobina; Um oscilador; Um circuito de sincronização; Uma saída. Vejamos o funcionamento de cada um dos componentes que constituem o sensor indutivo. • • • • • • • • • • • • • • • • • F9. Princípio de funcionamento de um Sensor indutivo. F10. Sensores indutivos com e sem encapsulamento metálico. F11. Colocação de Sensores indutivos. F12. Pontos de operação e deso- peração num Sensor indutivo. F13. Exemplos de Sen- sores indutivos. SE445_sensores.indd 45 17/3/2010 11:49:50 46 I SABER ELETRÔNICA 445 I Fevereiro 2010 Sensores O oscilador produz uma tensão alternada que, quando é aplicada à bobina, faz com que esta produza um campo magnético. Quando um objeto metálico perturba esse campo magnético, este decresce de amplitude. O circuito de sincronização que está encarregado de monitorar a amplitude do campo magnético, ao perceber a perturbação do campo, faz atuar a saída. Retirando o objeto metálico do campo de atuação do sensor, a saída deste retorna ao seu estado normal. • • • Atente para a figura 9. As bobinas destes sensores encon- tram-se enroladas em um núcleo de ferrite e podem estar, ou não, envoltas no encapsulamento metálico do sensor. (figura 10). O encapsulamento metálico é coloca- do em volta das bobinas para restringir lateralmente o campo magnético. Estes sensores podem ser colocados em suportes de metal, desde que seja salvaguardado o espaço por cima e em torno da superfície de detecção do sensor. Quando os sensores indutivos não possuírem encapsulamento metálico à volta das bobinas para restringirem o campo magnético lateral, a sua colocação deverá ser feita tendo em atenção que não poderá haver partes metálicas a perturbar o fluxo magnético. Na colocação de vários sensores indu- tivos devem ser obedecidas as seguintes regras: Na colocação adjacente de senso- res, com encapsulamento metálico de proteção das bobinas, deverá ser dado um espaço que não pode ser inferior a duas vezes o diâmetro do sensor; Na colocação adjacente de senso- res, sem encapsulamento metálico de proteção das bobinas, deverá ser dado um espaço que não pode ser inferior a três vezes o diâmetro do sensor; Na colocação frontal de sensores, com encapsulamento metálico de proteção das bobinas, deverá ser dado um espaço que não pode ser inferior a quatro vezes a distância máxima de detecção do sensor; Na colocação frontal de sensores, sem encapsulamento metálico de proteção das bobinas, deverá ser dado um espaço que não pode ser inferior a seis vezes a distância má- xima de detecção do sensor. Observe a figura 11. Os sensores de proximidade indutivos respondem à presença de um objeto me- tálico quando este está na área de atuação do sensor. O ponto em que o sensor indutivo reconhece o objeto metálico é denominado de ponto de operação e o ponto em que o sensor deixa de reconhecer o objeto é • • • • F14. Exemplos de aplicações de Sensores. F15. Sensor capacitivo. F16. Princípio de funcionamento de um Sensor Capacitivo. SE445_sensores.indd 46 17/3/2010 11:49:57 Fevereiro 2010 I SABER ELETRÔNICA 445 I 47 denominado de ponto de desoperação. (Figura 12). A área entre estes dois pontos é desig- nada de zona de histerese. Os sensores indutivos estão disponí- veis em vários tamanhos e configurações, de acordo com as várias aplicações indus- triais. Veja na figura 13. As aplicações deste tipo de sensores são bastante vastas, exemplificando-se, algumas delas: Detecção de brocas partidas; Detecção de parafusos para veloci- dade ou sentido de rotação; Detecção de enlatados e tampas metálicas; Detecção de válvulas abertas ou fechadas. Na sequência, na figura 14, são apre- sentadas algumas das aplicações dos sensores. Sensores Capacitivos Os sensores de proximidade capaciti- vos são bastante semelhantes aos induti- vos. (Figura 15). Distinguem-se no entanto por, os sensores capacitivos, produzirem um campo eletrostático, em vez de um campo eletromagnético. Além disso, os sensores capacitivos podem detectar objetos metálicos e não metálicos, nome- adamente papel, vidro, plástico, tecido, entre outros. Os sensores capacitivos são formados por dois eletrodos concêntricos de metal, ou seja, um condensador que se encontra ligado a um circuito oscilador. • • • • Modelo de sensor Distância D4 mm/ M5 50 mm M12 250 mm M18 250 mm K31 500 mm K40 750 mm K80 500 mm L18 150 mm L50 30 mm L50 80 mm Quando um objeto entra no campo eletrostático, formado pelos eletrodos, a capacidade é alterada e o oscilador, mo- nitorizado por um circuito de disparo, ao chegar a uma determinada amplitude faz com que a saída mude de estado. Quando o objeto sai do campo, a am- plitude do oscilador decresce, e o sensor comuta para o seu estado Off. Veja na figura 16. F17. Exemplo de uma aplicação de um Sensor Capacitivo. F18. Exemplos de sensores capacitivos existentes no mercado. F19. Exemplos de aplica- ções de Sensores. F20. Exemplos de sensores fotoelétricos. F21. Fontes de luz utilizadas na elabora- ção dos sensores fotoelétricos. T1. Valores de distância mínimos na coloca- ção dos sensores fotoelé- tricos de forma a evitar inter- ferências. SE445_sensores.indd 47 17/3/2010 11:50:02 50 I SABER ELETRÔNICA 445 I Fevereiro 2010 Sensores diâmetro do emissor. O receptor atuará quando um objeto entrar nessa zona. Repare na figura 24. O tipo de sensor mais comum, dentro dos sensores fotoelétricos, é o de reflexão difusa. O emissor e o receptor são encapsu- lados dentro da mesma peça. O emissor emite a luz que ao incidir no objeto que se pretende detectar, retor- na ao emissor. Os sensores de reflexão difusa (figura 25) têm menor alcance que os outros tipos de sensores ópticos, isto porque depen- dem da luz refletida no objeto. Os sensores de reflexão difusa com supressão de fundo (figura 26) são usa- dos para a detecção de objetos a uma distância conhecida. Os objetos que estão para lá da distância de detecção pretendida são ignorados. Além desta característica, os sensores de reflexão difusa com supressão de fundo são iguais aos sensores de reflexão difusa. Estes tipos de sensores são similares aos sensores de reflexão difusa, a princi- pal diferença reside, unicamente, no fato de a luz ser refletida num refletor, em vez de ser no objeto. Os sensores de retrorreflexão (figura 27) possuem maior alcance que os senso- res de reflexão difusa. Os refletores são encomendados separados dos sensores, e podem ser pedidos com várias formas. Estes sensores são especialmente usados na deteção de objetos brilhantes, usando um refletor com pequenos pris- mas que polarizam a luz do sensor. Veja na figura 28. Nesta configuração, o emissor e o re- ceptor são encapsulados separadamente. O emissor emite a luz e o receptor recebe a luz do outro lado. Quando um objeto passa entre o emissor e o receptor, o feixe de luz é interrompido e o sensor é atuado. (Figura 29). Conclusão Nesta primeira parte conhecemos alguns tipos de sensores e seu funciona- mento, na próxima edição abordaremos outros tipos de sensores, suas aplicações, e instalações. Até a próxima! Bibliografia 1) Catálogos OMRON: (www.omron. pt) 2) Automação industrial - 3 edição - J.Norberto Pires - EDITORA: Lidel 3) Autómatas programables – Josep Balcells, José Luis Romeral - EDI- TORA: Marcombo 4) Técnicas de automação - João R.Caldas Pinto - EDITORA: Edições Técnicas e Profissionais 5) Curso de Automação Industrial – Paulo Oliveira - EDITORA: Edições Técnicas e Profissionais 6) Manual de Formação OMRON - Eng.º Filipe Alexandre de Sousa Pereira F27. Sensores fotoelétri- cos de retrorreflexão. F28. Constituição de um Sensor fotoelétrico de retrorreflexão. F29. Princípio de funcionamento de um Sensores fotoelétricos de retrorreflexão. E SE445_sensores.indd 50 17/3/2010 11:50:22 Fevereiro 2010 I SABER ELETRÔNICA 445 I 51 Microcontroladores Uma das grandes facilidades de ser músico nos dias de hoje é poder utilizar inúmeros equi-pamentos que podem facilitar muito algumas tarefas. Os instrumentos de percussão já possuem versões eletrônicas populares, mas ainda assim seu custo é alto. Isso é devido ao emprego de DSPs e extensas bibliotecas de som. Demonstra-se, a seguir, o funcionamento de um tambor eletrônico, propondo-se um projeto sim- ples e barato. Como o som é produzido? Existem algumas formas de se produ- zir áudio a partir da vibração mecânica de alguns objetos. Uma delas pode ser simplificada na figura 1. Esta conversão é feita nas seguintes etapas: Converte vibração mecânica em tensão elétrica; Ajusta o sinal gerado pelo trans- dutor para ser amostrado pelo conversor A/D; Converte a tensão analógica em um grupo de bits; Monta mensagens baseadas no valor de pico; Define qual arquivo de áudio será executado; Executa o áudio. Neste método a frequência dos sinais não é considerada, pois são utilizados sons reais dos instrumentos. • • • • • • Tambor Eletrônico Utilizando recursos simples, podemos montar um tambor eletrônico usando um microcontrolador PIC O circuito analógico para apenas um canal ou piezoelétrico é apresentado na figura 2. O valor do capacitor pode ser mo- dificado para um melhor ganho (Entre 1 nF e 100 nF). Frequência de corte inferior FL = 15 Hz e frequência de corte superior FH = 25 kHz. O capacitor de realimentação Cf define o ganho, enquanto os resistores Ri e Rf, de- finem a faixa de frequência. Como o piezo- elétrico gera tensões positivas e negativas, faz-se necessária a soma de uma tensão DC, de valor igual à metade da tensão alimentação. Caso contrário, a tensão de alimentação precisaria ser simétrica. Com isso, as etapas 1 e 2 estão con- cluídas. Para as etapas 3 e 4 o uso de um microcontrolador é a escolha mais adequada. Além de possuir um conversor A/D e ser uma plataforma programável, o microcontrolador permite a comunicação com o PC, onde serão executadas as tare- fas 5 e 6. O microcontrolador escolhido foi o PIC18F452 da Microchip. Outros microcontroladores podem ser igualmen- te utilizados. • • Uma das formas de simplificar este processo é associar um PC à aplicação. Isso permitirá que as etapas 5 e 6 fiquem a cargo do PC, e as demais, 1 a 4, de um circuito composto de componentes co- muns encontrados no mercado. Um tambor eletrônico pode ser útil para estudo, para complementar um kit acústico, adicionando efeitos, ou simples- mente para diversão. O transdutor mais usado é o piezoe- létrico. Ele é capaz de produzir em seus terminais uma tensão proporcional à vi- bração em sua estrutura. O acoplamento do piezoelétrico pode ser feito na pele do tambor com o auxílio de uma espuma. Outros objetos também podem ser usados além de um tambor. Captando o sinal Captar a tensão gerada pelo piezoe- létrico exige alguns cuidados. Uma das formas de se realizar isso é utilizar um amplificador em modo de carga. Uma explicação detalhada pode ser obtida no documento (Signal Conditioning Piezoele- tric Sensors - Application Report SLOA033A – Texas Instruments). a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z Nicholai Pavan Sorpreso F1. Diagrama de conversão da vibração mecânica ao áudio. SE445_tambor.indd 51 17/3/2010 11:44:46 52 I SABER ELETRÔNICA 445 I Fevereiro 2010 Microcontroladores A saída de cada amplificador ope- racional deve ser inserida em cada uma das entradas do conversor A/D do mi- crocontrolador. Nem todo amplificador operacional servirá para esta finalidade, isso porque, para garantir tensões de 0 a 5 V, que é a faixa de trabalho do micro- controlador, o amplificador operacional deverá ser alimentado com 5 V. É importante utilizar modelos do tipo rail-to-rail, pois a tensão de alimentação é baixa. Além disso, o piezoelétrico apresen- ta alta impedância, exigindo que o ampli- ficador operacional também possua alta impedância na entrada. O circuito inte- grado LMC6484, da National Instruments, atende a estas características, possuindo quatro elementos encapsulados. Por esta razão, o software apresentado para o pro- jeto refere-se a quatro entradas. Software A finalidade do programa em exe- cução no microcontrolador é realizar uma varredura nos 4 canais utilizados. Sempre que um sinal for encontrado, seu pico será detectado. Com esta infor- mação, uma mensagem será montada e enviada ao PC. Para fazer a varredura dos canais, uma interrupção por tempo foi configurada para ocorrer, aproximadamente a cada 110 µs. Garante-se um tempo de amos- tragem de 420 µs por canal. Este tempo é suficiente para obter dados do sinal do piezoelétrico, que pode durar de 50 ms a 500 ms, dependendo da intensidade de batida e do ganho. A referência de tensão utilizada não será em 0 V e sim em 2,5 V. Como o PIC18F452 trabalha com um conversor A/D de 10 bits, o número inteiro para a referência é 512 (1024 ÷ 2). Porém, na prática, é necessário utilizar uma faixa de limitação, pois do contrário, um mínimo ruído será considerado como um sinal e também não é possível garantir que a tensão de referência seja exatamente 2,5 V. A faixa escolhida compreende de 482(VL) a 542(VH), que equivale a 2,36 V e 2,65 V. Esta faixa pode ser ampliada ou reduzida para, respectivamente, diminuir ou aumentar a sensibilidade. Cada vez que um sinal é detectado, durante os 15 ms seguintes o sistema determina seu pico, que posteriormente será enviado ao PC. Cada mensagem enviada ao PC é formada por uma letra (A, B, C ou D), que indica o canal e um número de quatro dígitos que repre- senta o pico. A comunicação com o PC é configurada para 19,2 kbps e ocorre por meio de um circuito padrão com o CI MAX232. O programa ainda conta com um sis- tema adaptativo. O sinal do piezoelétrico pode apresentar períodos bem maiores que 15 ms, de modo que para evitar a amostra do mesmo sinal mais de uma vez ou aguar- dar até que este se conclua, o programa adapta a faixa de referência de acordo com a intensidade do sinal. Sinais de maior intensidade necessitam de maior tempo para acomodação, mas adaptando a faixa de referência um outro sinal já pode ser amos- trado antes mesmo que o atual se conclua. O código-fonte deste projeto se encontra no site www.sabereletronica.com.br. Como as mensagens tornam-se sons? Uma vez que as mensagens geradas pelo circuito cheguem ao PC, um programa em execução no Windows se encarregará de recebê-las e destiná-las ao lugar certo. Uma das formas como o PC trabalha com música é através do protocolo MIDI. Deste modo, o programa transformará as mensagens no padrão MIDI e um estúdio virtual ou sampler poderá interpretá-las, produzindo assim o som. O Circuito Na página de download do site www. sabereletronica.com.br , além do código- fonte, o leitor também encontrará o esque- ma no formato Eagle. (Figura 3). É possível ver que o módulo de capta- ção do transdutor já está inserido e ligado aos pinos 2 a 5 do microcontrolador, o CI3 (MAX232) faz a comunicação entre o pino 25 do microcontrolador e o conector DB9. Vale a pena lembrar que é possível usar um diodo zener com tensão de regulação de 2,4 V como tensão de referência. O cabo para a conexão com o piezoe- létrico deve ser semelhante aos cabos para microfone, ou seja cabos com malha. Conclusão Para os técnicos que gostam de música e de montar os seus projetos, essa é uma boa oportunidade de aumentar o conheci- mento e a gama de aparelhos eletrônicos, que podem ser aprimorados e terem o som refinado com um pouco mais de dedicação. Espero que este projeto sirva de base para projetos ainda maiores e que tenha uma grande utilidade para o leitor que deseje montar. F2. Circuito elétrico para 1 canal ou piezolétrico. E SE445_tambor.indd 52 18/3/2010 11:28:21 Fevereiro 2010 I SABER ELETRÔNICA 445 I 55 a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z pinos vão se soltando e o circuito vai saindo, ajudado pela força exercida pela chave de fenda. Passando diversas vezes o soldador e mudando a posição da chave de fenda para a outra ponta do CI de modo a le- vantá-lo, em pouco tempo conseguimos liberá-lo completamente. Devemos ape- nas ter o cuidado de limpar, depois, o local dos terminais para remover as eventuais pontes de solda que se formam. Usando um sugador de solda Uma ferramenta barata mas de grande utilidade em qualquer oficina de repa- ração de equipamentos eletrônicos é o sugador de solda, que tanto pode ser do tipo isolado como pode ser encaixado no soldador, conforme mostra a figura 2. A finalidade do sugador é remover totalmente a solda em torno dos terminais de um componente quando ela é derretida, liberando-o assim. Observe na figura 3. Nessa figura mostramos como o su- gador deve ser usado para retirar a solda derretida de modo a liberar os terminais de um componente. O sugador indicado é do tipo que usa uma bisnaga de borracha para fazer o vácuo que puxa a solda derretida. Existem outros que possuem um pe- queno pistão com uma mola. O pistão é posicionado por uma mola e para se sugar a solda um botão é pres- sionado, liberando a mola que puxa esse mesmo pistão fazendo o vácuo. No caso de um circuito integrado, o que fazemos é derreter e remover a solda de cada terminal de modo que ele possa ser desencaixado depois com facilidade. Evidentemente, de tempos em tem- pos, o reservatório para onde são sugadas as pelotinhas de solda deve ser limpo. É importante observar que teremos maior eficiência no trabalho de liberação dos terminais de um CI se usarmos um soldador de maior potência (40 a 60 watts), mas se o CI estiver bom e pretendermos aproveitá-lo em outra aplicação a opera- ção deve ser rápida para que o calor não o danifique. Usando uma malha absorvente de solda Um outro recurso barato que ajuda a limpar a solda dos terminais de um circuito integrado ou outro componente e, assim, permitir sua remoção é a malha absorvente de solda, que é mostrada na figura 4. O que se faz é aplicar o calor da ponta do soldador nesta malha que se posiciona sobre os terminais de um componente ou de um circuito integrado. Aquecida, a malha derrete a solda e a absorve, livrando assim os terminais do componente que pode ser extraído com facilidade. Evidentemente, a operação de remo- ção da solda deve ser rápida se não dese- jarmos causar dano ao componente. Isso é importante caso ele ainda esteja bom e simplesmente queiramos aprovei- tá-lo em outro equipamento. A malha de remoção deve ser jogada fora quando estiver “saturada” de solda. F3. A solda é derretida e depois é retirada com o sugador. F4. Retirando a solda com uma malha absorvente. SE445_Técnicas.indd 55 17/3/2010 11:41:43 56 I SABER ELETRÔNICA 445 I Fevereiro 2010 Componentes Esta malha pode ser adquirida em roli- nhos de 1 metro ou mais. Usando uma ponta extratora de CIs Um outro recurso interessante que os profissionais de reparação devem ter em sua oficina é a ponta extratora de CIs, conforme mostramos na figura 5. Nela mostramos uma ponta para a extração de CIs com invólucros DIP (Dual In-line Package) ou DIL, e uma ponta para invólucros SIP (Single In-line Package) ou SIL. O que se faz é colocar esta ponta num soldador de potência um pouco maior que o normal (40 a 100 watts) e aquecê-la. Seu formato permite que ela seja encostada ao mesmo tempo em todos os terminais do circuito integrado que se pretende extrair, veja na figura 6. Dessa forma, podemos derreter a sol- da de todos os terminais ao mesmo tempo, e forçando o circuito integrado para fora podemos retirá-lo com facilidade. Veja, entretanto, que o calor desenvol- vido no processo é elevado, o que signifi- ca que este método de extração coloca em risco a integridade do circuito integrado, principalmente se o profissional não for experiente a ponto de fazer a operação rapidamente. Também, neste caso‚ é importante reti- rar eventuais pontes de solda que podem se formar quando o circuito integrado é extraído, antes de se colocar o novo. Usando um extrator de CIs O extrator de CIs é uma ferramenta útil que pode se usada em conjunto com as demais descritas anteriormente, de modo a facilitar a retirada de circuitos integra- dos de placas de circuito impresso. Um extrator típico de circuitos integra- dos DIL é mostrado na figura 7. Esta ferramenta contém duas presas que são encaixadas nas partes laterais do circuito integrado. Um conjunto de molas força estas presas de tal modo que uma força é exer- cida sobre o CI no sentido de retirá-lo da placa. Tudo o que temos de fazer, então, é passar o soldador nos terminais de modo a retirar a solda que o extrator se encarre- ga de fazer a força para retirá-lo. Extração de circuitos SMD Os circuitos integrados SMD (para montagem em superfície) encontrados em muitos equipamentos eletrônicos mais modernos, além de terem seus terminais soldados na parte de cima da placa, são delicados e muito pequenos e estão cola- dos na placa. Para sua extração existem técnicas e kits especiais que os reparadores mais avançados devem ter. A forma mais simples de fazer reparos com este tipo de componente é remover a solda de seus terminais com um soldador de ponta bem fina e depois quebrar o com- ponente para sua extração. Figura 8. O componente substituto deve, en- tão, ser soldado no seu lugar com muito cuidado para que pontes de solda não curto-circuitem seus terminais. Conclusão Retirar um circuito integrado de uma placa de circuito impresso não é tão difícil quando o profissional sabe como fazê-lo. No entanto, como qualquer operação mais delicada, é preciso prática e isso só se con- segue depois de se tentar algumas vezes. Se o leitor nunca tentou dessoldar um circuito integrado de uma placa de circuito impresso e sabe que, mais cedo ou mais tarde, precisará saber fazer isso, é bom praticar. Arranje alguma placa velha que tenha circuitos integrados que não sejam mais aproveitáveis e treine, usando os recursos que você tem. Em pouco tempo você não terá di- ficuldades em fazer substituições de circuitos integrados em placas de circuito impresso. F5. Ponta extratora para CIs em invólucros DIL (DIP). F6. Usando a ponta extratora. F7. Usando um extrator de CIs. F8. Removendo com- ponentes SMD. E SE445_Técnicas.indd 56 17/3/2010 11:41:49 Fevereiro 2010 I SABER ELETRÔNICA 445 I 57 Componentes a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z Luiz Fernando F. Bernabe www.gebtec.com.br Curso Rápido de Retrabalho Manual em componentes montados em superfície (SMD) Parte 3 Há vários métodos para se re-trabalhar SMDs em invólucros “Quad”. Algumas empresas fabricantes de equipamentos de retrabalho fornecem junto um kit de extratores (“garfos”) ajustáveis com um fio de aço oxidado, outras empresas fabricam acessórios (inclusos ou não) do tipo de pinças a vácuo, pinças de aço especiais com molas, extratores se- miautomáticos combinados no cabo do soprador, conjunto de molas com pinça a vácuo, etc, etc. Todo esse ferramental é para facilitar somente a extração de componentes “Quad” e seus similares. O profissional tem que buscar a melhor relação custo/ benefício que seja ade- quada a sua necessidade, considerando inclusive a confecção de uma ferramenta própria (eu mesmo já fiz duas). Agora nesta terceira e última eta- pa, abordaremos exclusivamente estes mesmos invólucros, os do tipo Quad (quádruplos): os QFP, TQFP, PLCC e seus similares. Um “detalhe” externo que chama muito a atenção é a sua quantidade de terminais que justifica todos os cuidados com o retrabalho des- tes componentes QFP, indicando que o componente deve ter maior tecnologia para a sua fabricação, maior quantidade de funções e, por consequência, um custo maior, sendo mais difícil de ser adquirido em pouca quantidade. Os invólucros em Quad Flat preo- cupam muitos profissionais, até alguns mais experientes. Uma vez, no início de um curso presencial, um aluno afirmou que eu estava brincando quando disse que a prova de conclusão era retrabalhar um circuito integrado de 182 terminais, e duvidou com uma expressão séria no rosto. Ficou mais surpreso ainda quando respondi que ele mesmo iria fazer este retrabalho na prova. Por volta do fim do curso presencial, este aluno ficou admira- do com a própria habilidade em concluir a tarefa. Sabe quanto anos de experiência ele tinha na época? Quase 17 anos de trabalho em eletrônica!!! Por mais surpre- endente que seja, há muitos profissionais que são levados a pensar desse modo, vendo o lado das dificuldades. Os invólucros do tipo Quad são componentes em formato quadrado ou retangular (figura 1 e 2), que possuem ter- minais em todas as suas arestas. Podem ter seus terminais mais adequados para soquete (PLCC) ou para serem soldados, não possuem uma quantidade determi- nada de terminais, podem ser de 32, 64, 84, 100, 132, 144, 182, 208 ou até mais de 500 terminais. A segunda característica importante é que a sua quantidade total de terminais necessariamente é um nú- mero par, parece óbvio, mas no processo de “trouble shooting” essa informação é significativa na identificação (contagem) Chegamos a nossa última parte deste curso rápido. Vamos apenas fazer uma pequena retrospectiva. Vimos na primeira parte, o retraba- lho de SMDs de dois a 32 terminais utilizando uma técnica rápida, de grau de dificuldade de iniciante a médio, dependendo do compo- nente, da quantidade de terminais e da sua geometria. Na segunda parte, agora exi- gindo um pouco mais de destreza, apresentamos uma segunda téc- nica para o retrabalho dos com- ponentes maiores e de invólucros mais complexos; é muito útil, mas a velocidade de execução é menor, dependendo muito da quantidade de terminais. Esta técnica de nível intermediário pode ser utilizada em invólucros de diversos tipos, como por exemplo: SOP, MSSOP, SOIC, TSSOP, PDIP, etc. e sem limite de quantidade de terminais, de- pendendo apenas da habilidade do profissional SE445_Retrabalho.indd 57 17/3/2010 11:37:47 60 I SABER ELETRÔNICA 445 I Fevereiro 2010 Componentes da esta etapa, vire o CI novamente na posição em que será soldado, coloque-o sobre a manta antiestática e aplique o fluxo no-clean em seus terminais. Agora, segure-o com a pinça pela sua diagonal e coloque-o sobre os PADs. As tarefas mais difíceis de serem exe- cutadas no curso são estas, posicione o CI exatamente sobre os PADs nas quatro faces utilizando a pinça e, com uma boli- nha de solda na ponta do ferro de soldar, fixe o CI em uma de suas quinas. Faça uma outra bolinha e fixe o CI novamente na sua diagonal oposta. O componente está na posição correta, fixado e pronto para soldagem. Aplique o fluxo no-clean novamente, e com um mínimo de solda na ponta do ferro, solde um a um todos os terminais do circuito integrado. Observe a quan- tidade e como a solda se distribuiu no conjunto terminal/PAD. Remova o excesso de solda com aplicação do fluxo e da malha. Todas as soldas têm que estar brilhantes e limpas, como se fossem feitas por uma máquina. Encontro vocês em outra atividade. OK! E F8. O C.I. sendo retirado da placa com o extrator. F9. Utilizando a pinça para auxiliar na extração do C.I. SE445_Retrabalho.indd 60 17/3/2010 11:38:13 Fevereiro 2010 I SABER ELETRÔNICA 445 I 61 Componentes a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z Newton C. Braga O transistor 2N3055 pode ser encontrado nos catálogos de diversos fabricantes, dada a sua enorme utilidade. Trata-se de um transistor NPN de alta potência, de silício, apresentado em invólucro TO-3 de metal, conforme mostra a figura 1. Uma versão de menor dissipação, e mais “econômica”, é encontrada em in- vólucro plástico TO-220, como o TIP3055, mostrado na figura 2. Exceto pela dissipação, a versão em invólucro plástico deste transistor tem as mesmas características da versão original de invólucro de metal. O 2N3055 é um transistor de baixa frequência, ou seja, consegue-se controlar correntes elevadas, sacrificando-se sua ve- locidade. Assim, ele não consegue operar em frequências que estejam muito acima de algumas dezenas de quilohertz. No entanto, isso não é problema para as aplicações mais comuns que são: Em fontes de alimentação comuns (não comutadas), controlando a corrente principal; Como reostato, controlando a intensi- dade da corrente em cargas de potên- cia como lâmpadas, motores, etc; • • O Transistor 2N3055 Um transistor de enorme uti- lidade, considerado ideal para o “serviço pesado” e que todo montador ou projetista de apare- lhos eletrônicos principalmente daqueles envolvendo aplicações industriais, controle, robótica e mecatrônica deve conhecer, é o 2N3055. Capaz de dissipar po- tências de até 115 W e de operar com correntes de coletor de até 15 A podemos usá-lo em fontes de alimentação, amplificadores de áudio, controles de potência, e em muitas outras aplicações que trabalham com corrente contínua e baixas frequências. Veja neste artigo como usar o 2N3055 Na saída de amplificadores de áu- dio de alta potência, podendo ser ligados em paralelo para se obter saídas de centenas de watts; Em circuitos comutadores que devam acionar dispositivos de cor- rentes elevadas como solenoides, eletroímãs, etc; Em carregadores de baterias, con- trolando a corrente principal; Em inversores, gerando ou ampli- ficando os sinais que devem ser aplicados aos transformadores. Damos a seguir os máximos absolutos deste transistor: Máximos a 25 graus Celsius: Tensão coletor/base: 100 V Tensão coletor/emissor: 70 V Tensão emissor/base: 7 V Corrente contínua de coletor: 15 A Corrente contínua de base: 7 A Dissipação máxima: 115 W Faixa de temperaturas de operação: -65 a 200 ºC Características Elétricas: Frequência de transição: 10 kHz (min) Ganho de corrente: 15 (min); 120 (tip) • • • • • • • • • • • • • F1. Invólucro metálico TO-3. SE445_transistor.indd 61 17/3/2010 11:34:15 62 I SABER ELETRÔNICA 445 I Fevereiro 2010 Componentes Fonte de Alta Corrente O primeiro circuito aproveita bem as características do 2N3055 no controle de correntes elevadas. Temos uma fonte de 13,2 V (12V) com uma corrente máxima de saída de 4 ampères. O circuito é ilustrado na figura 3 e o transistor 2N3055 deve ser montado em um excelente radiador de calor. Veja que, nas aplicações em que o 2N3055 opera com dissipações elevadas, é muito importante sua conexão térmica com o radiador de calor apropriado. Na figura 4 temos o modo de se fazer a montagem de um 2N3055 num radiador de calor. Entre o radiador e o transistor é colo- cado um isolador de mica ou plástico es- pecial untado com pasta térmica. A pasta térmica facilita a transferência de calor, mas isola eletricamente o componente do radiador de calor. Isoladores para os parafusos impedem que estes elementos de fixação façam contato com o radiador, mas tão somente com a carcaça. Um dos parafusos de fixação é apro- veitado como contato de coletor, sendo preso nele um terminal aberto, onde deve ser soldado o fio correspondente. Um teste com o multímetro depois da montagem, conforme demostra a figura 5, permite verificar se o transistor está devidamente isolado do radiador de calor. Na fonte de alimentação os diodos devem ser 1N5404 e o transformador deve ter um enrolamento secundário de 15+15V com uma corrente de 4 ampères. Os eletrolíticos devem ter as tensões mínimas de trabalho indicadas no dia- grama para que não ocorram roncos. Os F3. Esquema elétrico da Fonte de Alta Corrente. F4. Montagem do 2N3055 em radiador de calor. F5. Verificando a isolação entre o transistor e o radiador. F7. Circuito elétrico do Reostato nº 2. F6. Esquema elétrico do Reostato. F2. Invólucro plástico TO-220. SE445_transistor.indd 62 17/3/2010 11:34:24 Fevereiro 2010 I SABER ELETRÔNICA 445 I 65 opinião Roberto Brandão Gerente de Tecnologia da AMD Brasil Com o GPGPU, os computadores deixarão de ser exclusivamente “x86” e passarão a executar seu processamento em uma arquitetura híbrida CPU+GPU. Como a AMD enxerga estas plataformas híbridas que estão nascendo? Isso faz parte da evolução natural dos computadores. As GPUs evoluíram muito e em pouco tempo. Ignorar isso e desperdiçar todo o poder presente, hoje, nas placas de vídeo não faz sentido. A AMD está pronta para esta mudança? Atualmente a AMD é a única empresa que tem processadores x86, faz seu pró- prio chipset e tem soluções gráficas 3D. E em 2011 teremos o lançamento de um processador móvel que tem uma GPU fundida ao núcleo, não apenas integrada, denominado Fusion. Qual é a diferença de “integrado” e “Fusion”? Dizemos “integrado” quando existem vários circuitos dentro do mesmo encapsula- mento, mas estes conversam entre si como se fossem componentes separados. Uma GPU integrada ao processador desta forma, quando precisa de um dado da memória faz a solicitação ao barramento frontal ou ao HyperTransport, que acessa a controladora de memória que faz o acesso Com o amadurecimento de sistemas operacionais e softwares voltados para GPGPU, é natural que CPUs e GPUs passem a ter uma relação tão próxima que um dia venham a se fundir em um só componente altamente integrado e com excelente desempenho. Uma das empresas que lidera este mo- vimento de unificação é a AMD, atualmente a única empresa a ter uma linha própria de CPUs e GPUs, a qual participa ativamente no desenvolvimento do OpenCL e aposta que o futuro é dos processadores híbridos. Para mostrar um pouco mais sobre o futuro desta tecnologia, conversamos com o Gerente de Tecnologia da AMD Brasil, Roberto Brandão. Veja a seguir o que ele nos disse. então ao dado na RAM, o que ocasionará traduções de protocolo. No exemplo, mes- mo com a GPU integrada, o dado precisou sofrer várias traduções entre os protocolos internos de comunicação, primeiramente da GPU para o barramento, depois deste para a controladora, e por último da con- troladora para a memória. No caminho de volta o dado irá sofrer todas as traduções novamente. Este tipo de “integração” é fácil de fazer, tanto que a AMD já oferece processadores de baixo consumo com IGP (Integrated Graphical Processor) integrado há muito tempo, chamados Geode. A ideia do Fusion é integrar GPU e CPU em um processador avançado para que não seja mais necessário um barramento entre os circuitos, aumen- tando o desempenho de ambos. Chegaremos ao ponto em que não existirão mais dois componentes e sim apenas um, projeto que chamamos de GrandFusion. O que é exatamente o GrandFusion? No GrandFusion não existe mais separação física entre GPU e o núcleo físico x86. Basicamente, ele é uma APU (Advanced Processing Unit) ou HPU (Hybrid Processing Unit) que consegue processar tanto chamadas DirectX (DirectCompute e Direct3D) quanto instruções x86. Não teremos mais apenas uma integração no silício entre componentes distintos, tudo será fundido no nível das microinstruções. Um dos caminhos que a indústria seguirá com o amadurecimento do GPGPU, será a unificação de CPU e GPU em uma nova arquitetura avançada. Conversamos com um executivo da empresa, que nos conta alguns detalhes sobre o futuro do GPGPU e das plataformas híbridas A Arquitetura Híbrida da AMD 66 I SABER ELETRÔNICA 445 I Fevereiro 2010 opinião Nossa ideia é que tudo seja tão integrado que será impossível saber se determinada área de cache é de vídeo ou x86, pois será de ambos. Podemos esperar toda essa integração com a primeira família de processadores Fusion? Não, na primeira geração do Fusion ainda existirão dois circuitos distintos, apesar de não haver mais a tradução de informações entre eles. Talvez na segunda geração seja possível chegar ao nível de integração que queremos. A AMD acha, então, que o x86 como o conhecemos morrerá? Morrer não, ele irá se expandir cada vez mais. O x86 está acostumado com esta evolução. Se você tentar lembrar qual foi a última vez em que viu um x86 puro, dificilmente conseguirá. Isso porque vieram extensões MMX, SSE, o próprio 3D-Now da AMD e o x86-64, que é uma grande extensão, e hoje em dia também temos novas extensões voltadas à virtualização. O suporte a GPGPU será considerado como mais uma extensão do x86. A AMD descontinuou os projetos Brook+ e Close to Metal, voltados para GPGPU? Eles não foram descontinuados, mas evoluíram para algo maior. Todos os projetos que existiam vão continuar em desenvolvi- mento, mas agora voltados para o OpenCL, que é livre. Onde e como irá triunfar o OpenCL? O OpenCL é “Open”, uma linguagem universal que pode ser usada em qualquer lugar. Hoje o mercado não olha com bons olhos soluções fechadas, que não tenham concorrência ou cujo uso dependa do pa- gamento de royalties. Além disso, o OpenCL deverá funcionar em qualquer lugar, e nada impede que eu tenha um netbook com funções aceleradas por GPGPU, ou ainda que um mestre faça seus testes em um notebook antes de usar seu software dentro do centro de processa- mento da Faculdade. Este tipo de vantagem não se consegue com um produto voltado apenas para o mercado profissional ou para o de jogos. O OpenCL é uma API somente para jogos? Não. Nada impede que o OpenCL também seja utilizado no desenvolvimento de jogos, mas creio que este não será o foco desta API. Existem alternativas como o Compute Shader, desenvolvido pela Mi- crosoft, que acredito ser o mais apropriado para este mercado. A AMD/ATI oferece suporte ao OpenCL? Não só oferecemos suporte, como já tem muita gente usando-o. No site http:// developers.amd.com é possível baixar a última versão do SDK do OpenCL, já na sua versão final, além dos últimos drivers de vídeo com suporte completo a esta API, e com a vantagem de que todo este material é free. Como a AMD/ATI lida com a demanda de produtos com suporte a GPGPU? A AMD/ATI não tem produção própria de processadores, sejam eles CPUs ou GPUs. A produção é feita através de parceiros como a TSMC (GPUs) e GlobalFoundries (processadores). A demanda por produtos da empresa cresceu tanto no último ano que agora a GlobalFoundries está iniciando também a produção de GPUs. Percebemos um grande aumento na procura de nossos produtos por parte de grandes integradores, inclusive daqueles que costumeiramente trabalhavam apenas com outras marcas, e que agora já se mostram mais receptivos aos produtos AMD/ATI. Boatos dizem que a dificuldade de encontrar produtos da linha DirectX11 no mercado é culpa da baixa produção de GPUs . Isso é verdade? A AMD está sofrendo as consequências do seu próprio sucesso. Ela é a única que disponibiliza produtos com suporte ao Di- rectX 11 e com poder de processamento de 5 teraflops. Além disso, a procura por parte dos grandes integradores, dentre eles alguns que eram parceiros de concorrentes, sur- preendeu a todos. Nossa parceira TSMC tem cumprido fielmente todas as nossas exigências e pra- zos, não podendo ser culpada por qualquer dificuldade de encontrar o produto no mercado. Para 2010 teremos também a GlobalFoundries produzindo GPUs. O problema inicial da maior demanda que oferta das placas Radeon HD 5000 já foi resolvido e estamos lançando mais modelos com suporte a DirectX 11, incluindo placas de custos intermediários e de entrada. Todas suportam também os pacotes de software que fazem uso de aceleradores em GPUs. A ideia é que teremos Radeon HD 5000 para todos os níveis de orçamento. A adoção de GPGPU no mercado brasileiro será algo rápido? Hoje, não existe no Brasil produção de placas de vídeo. Algumas empresas estão se preparando para isso, entretanto, seu objetivo maior é atender as regras do PPB, ou seja, oferecer produtos que permitam que um computador seja vendido dentro da faixa de preço inferior a R$ 2.000,00, que conta com benefícios fiscais do governo. Com o aumento dos impostos para importação de placas de vídeo, decretado pelo governo para proteger a produção local, a adoção do GPGPU será mais lenta do que deveria. E ...as GPUs evoluíram muito e em pouco tempo. Ignorar isso e desperdiçar todo poder presente, hoje, nas placas de vídeo não faz sentido. SE445_OpniaoAMD.indd 66 17/3/2010 12:31:17 MOSFETs Canal N IRFP4OO4PBF ao 1 195* 220 IRFP4368PBF 5 1,85 195* 380 IRFP446SPBF 100 26 195* 360 IRFP4S68PBF 150 59 1m 151 IRFP4G6BPBF 200 97 130 161 IRFP4768PBF 250 7 3 180 * Baseado em informações compiladas em Outubro 2008 **Limite do Encapsulamento SEMI CONDUTORES A nova família de MOSFETs TO-247 da IR gera um aumento de 50% de performance comparado a outos MOSFETs disponíveis no mercado. Devido ao baixo Rys ey OS NOVOS mosfets T0-247 podem extender a vida útil de baterias em aplicações de controle de motor, melhorar a eficiência em inversores e No-breaks, e atender a performanca em Amplificadores de áudio classe D de alta potência Aplicações « Amplificadores Audio Classe D * Fontes de Alimentação * Motores DC * Inversores DC-AC * No-breaks * Aplicações Industriais Características « Ultra-Baixo Room * Alta capacidade de corrente * 40V' a 250W em encapsulamento T0-247 * RoHS e qualificação MSLT ur, ro Performance Internationa RRISA to Te THE POWER MANAGEMENT LEADER