AMPLIFICADORES OPERACIONAIS - PARTE 2

 CIRCUITO SEM REALIMENTAÇÃO

Comparador de Tensão

Em um circuito onde o amplificador operacional opera em malha aberta, ou sem realimentação, o ganho é determinado pelo próprio fabricante e não é possível ser controlado. Na maioria das vezes estes circuitos são utilizados em circuitos comparadores.

Fonte: Autor, 2022.

Observe o cirtuito a seguir:

Fonte: Autor, 2022.

A tensão se saída é dada por: Vo = (Vr - Vi) . Av

O ponto de comutação de um comparador também pode ser chamado de limiar de comutação ponto de referência, ou seja, é o valor de tensão que determina o estado da saída do amplificador operacioanl. Com base no circuito acima, observe que o ponto de comutação é determinado pela tensão na entrada Vr = 6V. Assim, quando a tensão de entrada está abaixo da tensão de referência, a saída permanece desativada e quando a tensão de entrada supera a tensão de refência, a saída muda de estado. 

A tensão de saída do amplificador operacional depende da tensão de alimentação, ou seja, O nível mínimo e máximo serão aproximadamente iguais a tensão de alimentação. Exemplo:

• Se a tensão de alimentação for +5V e 0V.
  Vi > Vr, Vout = 5V.
  Vi < Vr, Vout = 0V.
• Se a tensão de alimentação for +12V e -12V.
  Vi > Vr, Vout = +12V.
  Vi < Vr, Vout = -12V.
  

Continua...

AMPLIFICADORES OPERACIOANIS - PARTE 1

A eletrônica analógica sempre me fascinou, especialmente os circuitos relacionados à amplificadores e processadores de áudio. Mantenho ainda com muito carinho meus equipamentos analógicos, entre eles um tape-deck duplo Technics, um toca discos Sony, um CD Player Sony e em especial um Sintonizador CCE SR-3070, projeto Kenwood KR-3090. No entanto sempre gostei de fazer algumas montagens especialmente aqueles relacionados à sistemas de som.

Esta postagem é parte de uma série de postagens relacionadas à amplificadores operacionais que estou publicando no Blog da Romatec, empresa da qual faço parte do quadro societário. A intensão é compartilhar um pouco sobre os amplificadores operacionais, além de apresentar alguns circuitos práticos que pretendo montar para facilitar o entendimento e também apresentar na prática o funcionamento dos amplificadores operacionais.

Então vamos lá!

UM POUCO DA HISTÓRIA

Em 1941, Karl Dale Swartzel Jr. (1907 a 1998), inventa e registra a patente do 'amplificador somador', quando trabalhava na Bell Labs. Sua criação foi influenciada pelo desenvolvimento dos computadores analógicos nos anos de 1940, quando se viu a necessidade de criar um dispositivo capaz de realizar operações matemáticas. Os primeiros modelos foram desenvolvidos com base nas válvulas termiônicas, muito utilizadas na época e consideradas como a grande invenção daquele período.

Fonte: Patente US2401779 de Karl D. Swartzel Jr.

CONCEITOS FUNDAMENTAIS

Definição

Um amplificador operacional é um amplificador CC multiestágio com entrada diferencial cujas características se aproximam de um amplificador ideal (PERTENCE, 2003).

Características

• Alta impedância de entrada;
• Baixa impedância de saída;
• Ganho muito alto (AV);
• Resposta de frequência infinita;
• Insensibilidade à temperatura.

Simbologia

Fonte: Adaptado de Wendling, 2010.

Aplicações

Entre as aplicações mais comuns dos amplificadores operacionais são: sistemas eletrônicos de controle industrial, em equipamentos médicos e hospitalares, em sistemas de instrumentação e de aquisição de dados, em telecomunicações, sistemas de áudio, circuitos analógicos para realizar operações matemáticas, entre outras.

Suas principais aplicações são realizar operações matemáticas de integração, diferenciação, soma e multiplicação, quando estão operando na região linear (região ativa). Na região de saturação, pode ser utilizado como comparador, gerador de onda quadrada, dente de serra, filtros ativos, osciladores, etc.

Modo de operação

Os amplificadores operacionais podem ser utilizados de três modos: sem realimentação (malha aberta), com realimentação positiva ou negativa (malha fechada) e modo diferencial.

Continua...

RADIOFREQUENCIA - RF

 

Olá Pessoal!

Hoje vamos abordar um assunto que faz parte do dia a dia das pessoas e que muitas vezes passa despercebido. A radiofrequencia como o próprio termo sugere, está relacionado frequências e ondas de rádio. Neste post não temos a pretensão de esgotar o assunto, mas trazer elementos que possam estimular os leitores a buscar mais informações para um maior detalhamento do assunto.

O que é radiofrequencia?

Segundo o site da ANATEL, radiofrequencia é a faixa do espectro eletromagnético de 8,3 kHz a 3000 GHz, onde é possível a radiocomunicação.

De acordo com o Wikipédia, radiofrequencia (RF) é a faixa de frequência que abrange aproximadamente de 3 kHz a 300 GHz e que corresponde à frequência das ondas de rádio. RF geralmente se refere a oscilações eletromagnéticas ao invés de mecânicas nessa faixa de frequência, embora existam sistemas mecânicos em RF.

Conforme o dicionário on-line de português, Dicio, radiofrequencia é uma frequência de onda eletromagnética, intermediária entre as audiofrequências e as frequências infravermelhas, usada em transmissão de rádio e televisão. Frequência das emissões de ondas radioelétricas, de amplitude entre 3 kHz e 300 GHz.

A radiofrequencia está diretamente relacionada ao eletromagnetismo, isto é, o ramo da física que estuda de forma unificada os fenômenos da eletricidade e do magnetismo, propriedades magnéticas das correntes elétricas e suas aplicações. 

O que são ondas eletromagnéticas?

É uma perturbação física composta por um campos elétrico e um campo magnético variáveis no tempo, perpendiculares entre si, capaz de se propagar no espaço, no vácuo ou em meios materiais, na velocidade da luz, transportando exclusivamente energia.

O que é um campo elétrico?

É um campo de força gerado pela interação de cargas elétricas que estão sujeitas à ação de forças elétricas de atração e repulsão.

O que é um campo magnético?

É um campo de força que influi sobre materiais ferromagnéticos ou sobre cargas elétricas em movimento. Um campo magnético possui direção e magnitude (força) e por isso é um campo vetorial.

O que é um campo eletromagnético? 

É um fenômeno que envolve o campo elétrico e o campo magnético variando no tempo.

O que é comprimento de onda?

É a distância percorrida pela onda durante um ciclo. O comprimento de onda é obtido dividindo a velocidade de propagação pela frequência.

NOTA: A velocidade de propagação depende do meio de propagação (espaço, vácuo, cabos de transmissão, etc.)

Propriedades especiais da corrente elétrica em RF

As correntes elétricas de radiofrequencia (que oscilam na frequência de rádio) possuem propriedades especiais que não são encontradas nas correntes contínuas ou correntes alternadas em baixas frequências. A corrente em RF:

• Pode irradiar energia para fora do condutor (ondas de rádio);
• Não penetra profundamente os condutores elétricos, flui ao longo da superfície (efeito skin);
• Pode ionizar o ar facilmente, criando um caminho condutor nele;
• Quando conduzida por um cabo elétrico comum tende a refletir nas extremidades do cabo, tais como os conectores, e retornar de volta ao cabo em direção à fonte, causando uma condição chamada de ondas estacionárias.

Algumas aplicações que utilizam radiofrequencia

• Transmissões de rádio e televisão;
• Sistemas de telecomunicações;
• Sistemas de internet;
• Tratamentos estéticos;
• Equipamentos para tratamentos médicos;
• Diagnósticos por imagem;

Se você ficou interessado no assunto já está convidado a ouvir os Podcasts da Romatec sobre radiofrequencia, mas se achou confuso e complicado demais, participe através dos comentários.

2º ENCONTRO - CONVERSANDO SOBRE A INDÚTRIA 4.0

Olá Pessoal!

No dia 26 de maio foi realizado o primeiro encontro virtual, para conversar sobre a indústria 4.0. O evento tem o objetivo de estimular profissionais que atuam na área de manutenção a debater sobre as tecnologias emergentes que irão transformar o futuro próximo. A base dos assuntos abordados foi publicado aqui no Blog no dia 24. Na ocasião foi apresentado o conceito e os nove pilares da indústria 4.0.

Os presentes debateram o assunto e junto elaboraram cinco tópicos que relacionam os desafios e cinco tópicos que relacionam as oportunidades que serão discutidos nos próximos encontros.

O segundo encontro será realizado no dia 09 de maio, as 19h30min. Neste encontro a pauta será os cinco tópicos relacionados aos desafios a serem enfrentados pelos profissionais que atuam direta ou indiretamente na digitalização da indústria.

       Pauta:

1. Otimizar sistemas de informática e as redes de comunicação.
2. Quebrar paradigmas, o começo de uma nova gestão da manutenção.
3. Integrar a indústria 4.0 aos operadores.
4. Adaptar os novos sistemas de controle à gestão da manutenção.
5. Demonstrar a importância de adequar máquinas e equipamentos à indústria 4.0.

Segue alguns links com leitura prévia que podem contribuir com o evento:

• Agenda Brasileira para a Indústria 4.0
• Ind40 Manufatura Avançada
• Impacto das tecnologias digitais da Indústria 4.0 na Cultura Organizacional das Empresas
• Políticas para o desenvolvimento da indústria 4.0 no Brasil

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA - LITERATURA BRASILEIRA

 

Olá Pessoal!

Gostaria de compartilhar com vocês minha algo que considero um excelente oportunidade de adquirir livros de excelente qualidade com preço muito acessível. A imagem acima ilustra os exemplares que comprei diretamente através da página do autor Ivo Barbi. Ambos são de uma linguagem acessível e abordam assuntos de extrema relevância para todo bom profissional que atua na área da eletrônica de potência.

Antes de mais nada, preciso deixar claro que esta publicação é de livre e espontânea vontade. Não há e não obtive qualquer vantagem ao fazer esta publicação. O objetivo é simplesmente compartilhar a informação e permitir que outras pessoas possam aproveitar esta oportunidade sem igual. Na página do autor há outros livros disponíveis para compra, bom como livros para baixar gratuitamente.

Alguns meses atrás eu comprei os dois exemplares, um sobre projetos de fontes chaveadas e outro sobre eletrônica de potência. Para quem tiver interesse, vou deixar os links para acesso:

Para comprar estes livros acesse: https://www.livroeletronicadepotencia.com.br/

Fonte: https://ivobarbi.com.br/livro-projetos-de-fontes-chaveadas/ acesso em 30/05/2021.

Fonte: https://ivobarbi.com.br/livro-eletronica-de-potencia/ acesso em 30/05/2021.

Você também baixar outras obras que o autor disponibiliza gratuitamente. Acesse a página principal, acesse pelo menu LIVROS > LIVROS PARA DOWNLOAD e escolha o que desejar.

Fonte: https://ivobarbi.com.br/categoria/livros/livros-para-download/ acesso em 30/05/2021.

Agora que você já sabe o caminho desta oportunidade bacana, posso dar minha sugestão? Se você baixar os materiais gratuitos, adquira pelo menos um dos outros livros que está à venda. Desta forma você estará contribuindo e incentivando o trabalho do autor.

Na internet é possível encontrar muita coisa gratuita, mas nem sempre é de fonte confiável. Por isso vale lembrar que todo material de qualidade que nos é oferecido gratuitamente, de alguma forma envolveu custos, seja relacionado à tempo ou dinheiro. Então, façamos nossa parte. Vamos contribuir para que estes materiais continuem sendo disponibilizado gratuitamente.

Grande abraço.

CONVERSANDO SOBRE A INDÚSTRIA 4.0

Olá Pessoal!

O conceito de Indústria 4.0 é bastante novo e compreende na inclusão de tecnologias da área da automação, controle e da informação voltados ao aperfeiçoamento dos processos para produção de produtos e serviços.

INTRODUÇÃO

Este texto apresenta uma breve análise sobre a quarta revolução industrial, também conhecida como Indústria 4.0. Novamente o avanço tecnológico está favorecendo mudanças significativas nas quais acredita-se revolucionar a indústria, não só no âmbito fabril, mas também no dia a dia das pessoas envolvidas nos processos produtivos. O objetivo é apresentar os principais pilares da indústria 4.0, bem como as tecnologias aplicadas, a segurança da informação e as oportunidades diante o mercado de trabalho.

No final do século XVIII as descobertas acerca das energias mecânicas e os motores a vapor deram início a primeira revolução industrial. Máquinas passaram a substituir e auxiliar a mão-de-obra humana na realização de determinadas funções, permitindo que muitos trabalhos manuais fossem mecanizados.

A busca constante pelo aperfeiçoamento dos processos industriais continuava a cada década. A descoberta do petróleo e da eletricidade deu início a segunda revolução industrial. Tais descobertas permitiram aumentar ainda mais os processos de produção que aliada a utilização de métodos científicos dava-se início à fabricação em linhas de produção, com destaque para indústria automobilística de Henry Ford em 1913.

A terceira revolução industrial teve início em meados de 1970. O avanço da informática, dos sistemas de comunicação e da robótica possibilitou automatizar processos industriais com grandes resultados, um marco para o sistema capitalista global.

A quarta revolução industrial, ou Indústria 4.0, começa no início do século XXI na Alemanha como estratégia de tecnologia onde empresários, universidades e órgãos governamentais passaram a colaborar com ideias para estimular a competitividade da indústria. Caracterizada pela interconexão de dados, integração e inovação através de um conjunto de tecnologias que permitem a fusão do mundo físico, digital e biológico.

Historicamente é sabido que as três primeiras revoluções industriais trouxeram grandes mudanças para indústria elevando lucros e a competição tecnológica, o cerne do desenvolvimento econômico. A quarta revolução industrial é caracterizada pelo conjunto de tecnologias que permitem a fusão do mundo físico, digital e biológico, conectando máquinas e sistemas.

PILARES DA INDÚSTRIA 4.0

Para que sejam alcançados os resultados desejados é preciso grande envolvimento das tecnologias que formam os nove pilares da indústria 4.0, cujos conceitos são descritos a seguir:

a) Big Data – É um grande e complexo conjunto de dados provenientes das mais diferentes fontes de informações. A partir destes dados é possível realizar análises e gestão de grandes quantidades de dados para melhorar o desenvolvimento e a otimizar processos industriais. Com base no resultado das análises é possível equalizar consumo de energia, qualidade de produção, melhora a identificação de situações que exigem tomada de decisão rápida.

b) Robótica – É a ciência que estuda e desenvolve sistemas autônomos baseados em conjuntos mecânicos, circuitos eletroeletrônicos, computadores e sistemas embarcados. Robôs autônomos melhoram a qualidade de fabricação, garante alta disponibilidade e desempenho das tarefas repetitivas que necessitam alta precisão, velocidade e baixo custo de produção.

c) Simulação – A simulação computacional permite analisar dados em tempo real, aproximando o mundo físico do mundo virtual, possibilitando melhorar o desempenho das máquinas através de configurações para testes virtuais dos produtos a serem colocados em produção, permitindo identificar a necessidade de possíveis ajustes no processo de produção.

d) Integração de sistemas – A integração dos sistemas melhora a comunicação entre fornecedores, empresas e clientes, gerando melhor harmonia entre todos para que façam parte de um grande ecossistema. Com isto é possível garantir uma gestão completa das cadeias envolvidas em todos os processos de forma automatizada.

e) Internet das Coisas (IoT) - A internet das coisas consiste na conexão entre uma rede de sensores, máquinas, veículos e equipamentos através de dispositivos eletrônicos embarcados. A interconexão destes equipamentos permite a coleta e troca de informações de forma rápida e efetiva, podendo ser aplicada ao desenvolvimento de produtos e serviços.

f) Ciber-segurança – Com o aumento da necessidade de conectar máquinas, equipamentos e sistemas entre fornecedores, empresas e clientes é de extrema importância garantir a segurança das redes, tanto corporativas (TI) quanto as de automação e operacionais (TA). O uso de sistemas de ciber-segurança robustos é fundamental garantir a proteção de possíveis ameaças aos sistemas e informações.

g) Computação em nuvem – É o termo que define a disponibilidade sob demanda de recursos em um sistema de computador, especialmente para armazenamento de dados de grande capacidade, sem o gerenciamento ativo direto do utilizador. Também permite a realização e registro das tarefas relacionadas à produção através de aplicativos que compartilham e dados entre diferentes localidades, tanto local como externo permitindo que os sistemas ultrapassem os limites dos servidores de uma empresa, fornecendo recursos que refletem tanto em agilidade e produtividade quanto na redução de custos, tempo e eficiência para execução das tarefas.

h) Manufatura aditiva – Conjunto de tecnologias que produzem objetos a partir de modelos digitais, baseado em sistemas de impressão em 3D. O processo é realizado aplicando camadas sobrepostas de material em uma máquina ligada à um software computacional. Esta estratégia pode ser utilizada para criar protótipos de testes e modelos reais em um curto espaço de tempo e com custo de extremamente baixo quando comparado à um sistema de produção tradicional.

i) Realidade aumentada – É a integração e projeção virtual de objetos em uma imagem do mundo real de forma a oferecer mais informações através de uma câmera, podendo utilizar sensores de movimento como acelerômetro e giroscópio para conectar sistemas de integração de dados para auxiliar na tomada de decisões.

TECNOLOGIA APLICADA

Considerando os conceitos que compreendem a Indústria 4.0 é preciso adaptar-se às novas tendências tecnológicas, além de dominá-las no que tange o uso dos sistemas. Para que seja possível ligar o mundo físico ao mundo digital e biológico é possível citar como principais tecnologias: Inteligência artificial, internet das coisas, impressão 3D, biologia sintética e sistemas ciber-físicos.

A inteligência Artificial é um segmento da computação que utiliza softwares e técnicas avançadas em máquinas e robôs que permitem reproduzir ações e reações de modo semelhante à capacidade humana, especialmente no raciocínio, tomada de decisões e resolução de problemas complexos. Também permitem que, a partir de um modelo inicial, os sistemas registrem e aprimorem sua base de dados para tomada de decisões futuras.

Na área da comunicação, a internet das coisas tem gerado inúmeras discussões, pois representa a conexão de máquinas, equipamentos, dispositivos móveis e objetos físicos com a internet para que possam ser realizar funções de modo automatizado.

A impressão 3D é a tecnologia que utilização um sistema de deposição de material em camadas para construção de peças, modelos ou protótipos. As impressoras 3D podem ser dos mais diversos tipos de materiais, desde plástico, metal e materiais orgânicos.

A biologia sintética consiste na aplicação dos princípios de engenharia à biologia, através da construção ou reconstrução de enzimas, células, circuitos genéticos e muito mais. Apesar de não ser o objetivo, é possível a reprodução de seres vivos a partir de materiais não vivos ao invés de apenas redesenhar seres vivos.

Sistemas ciber-físicos possuem como ideia principal a possibilidade de reconstruir todo objeto ou processo físico através do mapeamento e digitalização dos modelos originais. Com base nesta tecnologia acredita-se que tudo poderá ser reproduzido, representando a perfeita união entre o físico e o tecnológico.

DESAFIOS DA INDÚSTRIA 4.0

A quarta revolução industrial é algo irreversível, já está acontecendo, e para alcançar seus objetivos é fundamental que as novas tecnologias sejam aplicadas de forma adequada. No entanto, as mudanças tecnológicas exigem que todas as esferas envolvidas participem desta evolução.

Para facilitar a análise das questões relacionadas ao futuro tecnológico é possível citar alguns destes desafios:

• Garantir a segurança cibernética e a privacidade dos dados;
• Desenvolver protocolos de rede wireless com alta velocidade;
• Desenvolver protocolos de comunicação padronizados para IoT;
• Flexibilizar a integração entre máquinas e equipamentos;
• Desenvolver a cooperação entre sistemas;
• Facilitar a integração de sistemas ERPs com Big data;
• Desenvolver sistemas voltados à prestação de serviços de manutenção; e
• Modelar mecanismos de decisão e negociação inteligentes.

OPORTUNIDADES E MERCADO DE TRABALHO

A quarta revolução industrial afetará não apenas o âmbito industrial, mas todas as áreas relacionadas às novas tecnologias que já demonstram necessidade de adaptações. A mudança será indiscutivelmente para todos e não vai eliminar os trabalhadores, mas sim criar oportunidades nas mais diversas áreas do conhecimento e será necessário aprendizado contínuo para aumentar o nível de competência, profissionais com múltiplas formações, permitindo que pessoas físicas e jurídicas consigam acompanhar as mudanças.

Nosso cotidiano está mudando dia após dia de forma quase imperceptível, no entanto, esta mudança é exponencial. Ter uma formação de nível superior em determinada área do conhecimento já não será mais suficiente para haver destaque profissional. Para Alvin Toffler, do livro A Terceira Onda (1980), “o analfabeto do século XXI não será aquele que consegue ler e escrever, mas aquele que não consegue aprender a desaprender e a reaprender”. Esta frase pode servir como uma reflexão relacionada às novas mudanças tecnológicas.

Diante das novas necessidades é possível aproveitar a oportunidade de se reinventar, aprender sobre as novas tendências e tecnologias para que seja possível se manter no mercado de trabalho. O Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial - SENAI apresentou um estudo com novas profissões em oito novas áreas. A tabela 1 ilustra as novas profissões.

Tabela 1 – Novas profissões criadas com a Indústria 4.0.

Fonte: www.hojees.com.br

CONCLUSÕES

Este texto apresenta uma breve análise sobre a quarta revolução industrial, também conhecida como Indústria 4.0. O avanço tecnológico está favorecendo mudanças significativas nas quais acredita-se revolucionar a indústria, não só no âmbito fabril, mas também no dia a dia das pessoas envolvidas nos processos produtivos. O objetivo é apresentar uma análise dos principais pilares da Indústria 4.0, as tecnologias aplicadas, a segurança da informação e as oportunidades diante o mercado de trabalho.

Nosso cotidiano está mudando dia após dia de forma quase imperceptível, no entanto, esta mudança é exponencial e ter uma formação de nível superior em determinada área do conhecimento já não será mais suficiente para haver destaque profissional, é tempo de aprendizado contínuo para o aumento das competências pessoais e profissionais.

Este texto foi produzido com base em estudos bibliográficos e não pretende esgotar o assunto, mas sim apresenta elementos relevantes para o entendimento dos conceitos relacionados à Indústria 4.0.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

3DLAB, Soluções em Impressão 3D. Manufatura aditiva: saiba o que é e o que ela representa. Disponível em < https://3dlab.com.br/o-que-e-manufatura-aditiva/ > Acessado em 11 dez. 2020.

CADERNOS Adenauer XXI (2020), N º1. A quarta revolução industrial: inovações, desafios e oportunidades. Rio de Janeiro: Fundação Konrad Adenauer, abril 2020.

CARDOSO, Marcelo de Oliveira. Indústria 4.0: a quarta revolução industrial. Monografia de especialização, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2016.

MAGALHÃES, Regina. Impactos da quarta revolução industrial. GVEXECUTIVO, Vol. 17, Nº 1, JAN/FEV 2018.

MINISTÉRIO da Indústria, Comércio e Serviços. Agenda brasileira para a indústria 4.0. Disponível em < http://www.industria40.gov.br/ > Acessado em 11 dez. 2020.

SCHWAB, Klaus. Quarta Revolução Industrial. 1ª Ed. Edipro, São Paulo, 2018.

SOARES, Matias Gonsales. A Quarta Revolução Industrial e seus possíveis efeitos no direito, economia e política. Universidade Autónoma de Lisboa. Lisboa, 2018.

O RETORNO DO MQ-1001 - 2012/2021

Olá Pessoal!

Faz tempo que não tenho conseguido conciliar o tempo entre as tantas coisas que gostaria de fazer e as prioridade relacionadas ao trabalho e a família. No entanto, desta vez não puder deixar passar. Quem lembra do projeto do amplificador MQ-1001?

Fabricado de modo artesanal, em 2012, o MQ-1001 foi construído utilizando uma módulo de potência de 100Wrms e um pré amplificador de 4 bandas com apenas uma entrada de linha. Sim, apenas uma entrada pois o objetivo foi fazer um projeto simples, podendo ser utilizado diretamente ligado na saída de um smatphone, computador ou ainda em uma mesa do som.

Então, 9 anos depois, vamos rever o projeto completo com vistas inéditas. 

Até breve!

CIRCUITO LÓGICO EM VHDL - LÓGICA PROGRAMÁVEL

Olá! Esta é a terceira postagem da série Atividade Prática, desenvolvidas para o curso de engenharia elétrica. O estudo foi realizado em conjunto com o colega Fabricio Dias e teve o objetivo de otimizar a compreensão dos conceitos estudados na disciplina de Lógica Programável. O experimento abarca a montagem de um circuito lógico com circuitos integrados discretos e a reprodução do mesmo circuito em uma plataforma para desenvolvimento de circuitos lógicos com tecnologia FPGA, em linguagem VHDL, através do software computacional Quartus II.

1. INTRODUÇÃO

Conhecer e entender o funcionamento de circuitos lógicos combinacionais é essencial para que seja possível implementar estes circuitos em dispositivos FPGA. Os dispositivos lógicos programáveis permitem sintetizar circuitos digitais, desde os mais simples aos mais complexos. Neste relatório são apresentados os resultados de um experimento prático realizado através da montagem de um circuito lógico em protoboard e posteriormente implementado e reproduzido em uma plataforma para desenvolvimento de dispositivos FPGA, utilizando linguagem de programação VHDL.

Neste relatório o circuito estudado é representado por meio de desenho esquemático e fotos da montagem em protoboard. Também é apresentada a expressão lógica e a tabela verdade do circuito que serviu de base para montagem e para escrita do código que reproduz no dispositivo FPGA o mesmo resultado da montagem. Tais procedimentos reforçam o entendimento dos conceitos estudados na disciplina de Lógica Programável.

2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Para esta atividade prática foram propostas quatro opções de circuitos para estudo, ficando a cargo do aluno a escolha do circuito a ser estudado. O experimento consiste em realizar a montagem do circuito em protoboard, com circuitos integrados discretos, e no kit FPGA, através da programação em linguagem VHDL no software de desenvolvimento Quartus II.

O circuito escolhido é apresentado no item 2.1 por meio do diagrama esquemático, da expressão lógica e pela tabela verdade do circuito. No item 2.2 é apresentada a montagem em protoboard e no item 2.3 a montagem no kit FPGA.

2.1. Circuito estudado

O circuito lógico a ser estudado nesta atividade prática é ilustrado na figura 1. O circuito foi desenhado no software Multisim, que permite a simulação dos sinais que facilita a compreensão dos conceitos relacionados.

Figura 1 - Diagrama esquemático do circuito lógico.

As chaves que conectam as entradas A, B e C à tensão de alimentação, bem como os resistores R1, R2 e R3 possuem a função de determinar os níveis dos sinais de entrada e o sinal de saída é indicado pelo LED1. O resistor R4 tem a função de limitar a corrente do LED.

A expressão matemática do circuito lógico é dada por:

S = (A AND B) OR (A AND C) OR (B AND C) 

A tabela verdade permite visualizar o estado da saída S que é determinada pelas entradas A, B e C do circuito.

Para comprovar os estados da saída S foi acrescentado ao circuito um Gerador de Palavras que simula os sinais de entrada e um analisador lógico para medir os níveis dos sinais de entrada e saída, simultaneamente. Assim é possível verificar e comprovar os estados da tabela 1.

Figura 2 - Simulando os sinais para verificação da tabela verdade.

Figura 3 - Sinais gerados e medidos no ambiente de simulação.

2.2. Montagem em protoboard

A montagem em protoboard proporciona um contato direto como circuito, possibilita realizar medições com instrumentos e componentes reais. Com base no diagrama da figura 1 o circuito foi montado e é ilustrado na imagem seguinte:

Figura 4 - Montagem do circuito em protoboard.

Figura 5 - Detalhe do circuito montado.

Após a montagem foram realizados testes para verificar o comportamento do circuito e confirmar os estados descritos na tabela verdade. Para facilitar a verificação foi utilizado um circuito auxiliar, um kit de desenvolvimento com microcontrolador PIC , no qual foi implementado um gerador de palavras de 8 bits para que fosse possível realizar o mesmo teste realizado no simulador.

A figura 6 ilustra o circuito auxiliar, que tem a finalidade de gerar a sequência estabelecida na tabela 1, conectado ao circuito do protoboard e ao analisador lógico que permite registrar os sinais de entrada e saída do circuito, simultaneamente. Os sinais registrados no analisador podem ser verificados através da figura 7.

Figura 6 - Medição de sinais com analisador lógico.

Figura 7 - Sinais registrados no analisador.

2.3. Montagem no kit FPGA

Para realizar a montagem do circuito lógico no kit FPGA foi utilizado o software Quartus II onde é implementado o código VHDL que corresponde ao circuito montado em protoboard. O software permitiu a simulação dos sinais de entrada, de saída e a execução da expressão lógica.

O código VHDL é apresentado na figura 8, onde podem ser observadas as linhas de programação com comentários que facilitam o entendimento do código.

Figura 8 - Código VHDL do circuito estudado.

Após concluir a programação do código foi realizada a simulação do mesmo para verificar se o resultado estava de acordo com os resultados obtidos na simulação com o software Multisim. A simulação do código VHDL é ilustrada na figura 9.

Figura 9 - Simulação da expressão lógica escrita em VHDL.

Com o auxílio da ferramenta Pin Planer, no Quartus II, foram associados os pinos utilizados para montagem prática do circuito no kit FPGA, como ilustra a figura 10.

Figura 10 - Associação de entradas e saídas da expressão aos pinos físicos do kit FPGA.

A montagem do kit FPGA com auxílio do protoboard é ilustrada na figura 11, na qual é possível observar as chaves que determinam os níveis das entradas A, B e C, pinos 74, 75 e 73 respectivamente. A saída S foi associada ao pino 98 do kit, o qual possui um LED de uso geral.

Neste ensaio não foi utilizado o kit de PIC para auxiliar na geração dos sinais de entrada porque os níveis de tensão dos kits são diferentes entre si. Ainda que sejam diferentes, poderíamos ter implementado uma interface que permitiria a interconexão dos kits através de optoacopladores, no entanto, isto não está no escopo desta atividade prática.

A figura 12 ilustra os sinais das entradas e saída registrados com analisador e medidos no kit FPGA. Nota-se uma variação nas larguras dos sinais, decorrentes da variação do tempo em que as chaves de entrada são acionadas.

Figura 11 - Montagem do circuito lógico em kit FPGA.

Figura 12 - Sinais medidos no kit FPGA e registrados no analisador lógico.

3. CONCLUSÃO

A falta de familiaridade com o software Quartus II e com o kit de desenvolvimento com tecnologia FPGA foi a única dificuldade encontrada e exigiu um estudo mais aprofundado dos materiais disponibilizados nas aulas teóricas e práticas da disciplina.

O estudo permitiu relacionar os conceitos teóricos aos experimentos práticos, onde foi possível comprovar os mesmos resultados que demonstram grande confiabilidade e eficiência dos ambientes de programação que permitem a simulação de circuitos lógicos digitais. A simulação dos circuitos em ambiente computacional oferece grande facilidade na implementação e testes de circuitos lógicos, simples e complexos.

A realização desta atividade prática foi de extrema importância para otimizar a compreensão dos conceitos estudados acerca da utilização e programação de circuitos FPGA para resolução de problemas que envolvem circuitos lógicos combinacionais e não visa esgotar o assunto, pelo contrário, é indispensável aprofundar os estudos relacionados à linguagem VHDL e programação de circuitos FPGA frente a tendência ao uso destas tecnologias em equipamentos eletrônicos.

4. REFERÊNCIAS

CICHACZEWSKI, Ederson. Lógica Programável. Curitiba: Uninter, 2020. Material de aula.

D’AMORE, Roberto. VHDL: descrição e síntese de circuitos digitais – 2.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012.

TOCCI, Ronald J. Sistemas digitais: princípios e aplicações – 11.ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2011.

TEXAS INSTRUMENTS. Digital Logic: pocket data book. Texas: Texas Instruments Incorporated, 2007.

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DOS SENSORES CAPACITIVOS

Olá!

Esta é mais uma publicação da série Atividade Prática. O conteúdo a seguir é o resultado da atividade prática desenvolvida para disciplina de Materiais Elétricos, apresentado em forma de artigo para atender as especificações da atividade.

RESUMO

Para aperfeiçoar o conhecimento acerca de sensores capacitivos foi realizado um estudo do princípio de funcionamento, objeto ou meio detectado, tipo de aplicação e as vantagens da utilização, obtendo-se desta forma uma compreensão detalhada desta tecnologia aplicável aos mais diversos segmentos de eletroeletrônica.

Palavras chave: Sensor capacitivo, transdutor capacitivo, capacitor, constante dielétrica.

1. INTRODUÇÃO

Sensores ou transdutores capacitivos são componentes com funcionamento baseado nos princípios básicos do capacitor. A diferença básica está na forma como as placas estão dispostas, tendo o ar como dielétrico. Quando algum objeto é aproximado do sensor ocorre variação de capacitância e o sistema de controle passa atuar em razão desta variação. Sua aplicação está voltada para monitorar objetos não metálicos, podendo ser utilizado nas mais diversas aplicações da área eletroeletrônica.

2. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

Para facilitar o estudo acerca de sensores capacitivos é importante conhecer o conceito básico do capacitor, conhecido também como condensador. O capacitor é um componente capaz de armazenar energia potencial elétrica e carga elétrica. Geralmente composto por placas condutoras separadas por um material isolante chamado dielétrico. O processo de armazenamento da carga elétrica consiste em retirar elétrons de uma placa e transferir para outra. Esta movimentação dos elétrons é igual à energia potencial elétrica armazenada no capacitor devido à diferença de potencial entre as placas.

Figura 1 - Capacitor de placas paralelas (Young, 2009).

A razão entre a diferença de potencial entre as placas do capacitor e a carga armazenada em cada uma das placas determina o valor de capacitância do capacitor. A capacitância é diretamente proporcional à área das placas e da constante dielétrica do material isolante e inversamente proporcional à distância entre as placas. Essa capacitância será constante se a geométrica do sistema não alterar.

A diferença básica entre um sensor capacitivo e um capacitor convencional está na forma como suas placas estão dispostas. Nos capacitores as placas são dispostas uma sobre a outra e nos sensores capacitivos uma ao lado da outra. Nos sensores capacitivos o dielétrico é o ar, que tem constante dielétrica igual a 1. Assim quando algum objeto, com constante dielétrica maior do que 1, é aproximado da zona de atuação do sensor o valor da capacitância sofre alteração.

Figura 2 - Valores da constante dielétrica k para 20ºC.

Fonte: Young e Freedman, Física III – Eletromagnetismo.

O princípio de funcionamento dos sensores capacitivos baseia-se na variação de capacitância de um elemento sensor para determinar a frequência de um oscilador, circuito ressonante, no circuito de controle que processa a variação da frequência acionando um circuito de comutação, suficiente para acionar circuitos externos ao sensor, podendo ser facilmente integrado a controladores lógicos programáveis (CLP) ou até mesmo a pequenos controladores.

Figura 3 - Relação entre posição do objeto e a variação da frequência.

Fonte: Instituto Federal de Santa Catarina.

Estes sensores são fabricados com alta tecnologia e técnicas avançadas, permitindo que todo conjunto eletrônico seja acomodado em um invólucro plástico ou metálico e encapsulado em resina de alta densidade para tornar um sensor resistente às condições mais severas de utilização.

3. TIPO DE OBJETOS OU MEIO DETECTADO

Sensores capacitivos podem ser utilizados nos mais variados tipos processos, são capazes de monitorar e detectar a presença de pós, concentração de gases, objetos e produtos de natureza orgânica e mineral, metais e não metais, sólidos e líquidos, mesmo quando totalmente submersos no produto.

De modo geral um sensor capacitivo pode ser utilizado para detectar materiais diferentes, por exemplo, um sólido ou um líquido sendo necessária apenas a calibração do sensor de acordo com o material a ser detectado. A calibração é realizada por meio de ajuste no circuito de controle para que possa atuar conforme a frequência determinada na aproximação do objeto ao campo de atuação do sensor.

4. TIPOS DE APLICAÇÃO

Os sensores capacitivos são bastante dinâmicos, podem ser aplicados em várias situações onde há necessidade de detectar, de forma precisa, objetos ou materiais de natureza não metálica. Veja alguns tipos de aplicações:

• Controle de nível;
• Detectar o conteúdo de caixas em linha de produção;
• Controle do nível de grãos em silos;
• Monitorar a concentração do pó de arroz em silos;
• Contagem de garrafas, cheias ou vazias, em linha de produção;
• Identificar falha no envaze de produtos embalados em frascos de plástico;
• Medidores de posicionamento com alta precisão;
• Medidores de espessura;
• Identificar a composição de materiais com base na permissividade;
• Identificar posicionamento de fim de curso;
• Contadores em linhas de produção;
• Medição de umidade relativa;
• Analise de óleo mineral, de soja, entre outros;
• Sensores de pressão (utilizado na fabricação de microfones) e
• Monitoramento da concentração de gases.

O avanço da tecnologia tem favorecido a utilização das técnicas de sensoriamento capacitivo aumentando ainda mais as possibilidades de aplicações e nos mais variados produtos, como exemplo, telas e painéis táteis facilmente identificados em televisores, monitores de vídeo, computadores, tablets e smartphones.

5. VANTAGENS DA UTILIZAÇÃO

Entre as vantagens de utilizar sensores capacitivos, destacam-se as seguintes:

• Detectam objetos e materiais líquidos, sólidos, gasosos, metais e não metais;
• Capazes de detectar materiais ou objetos através de outros;
• Detectam objetos com dimensões reduzidas;
• Possui diversas configurações que facilitam a montagem;
• Alta resolução e precisão na diferenciação dos materiais;
• Acionamento sem contato físico;
• Chaveamento em estado sólido, que aumenta a durabilidade;
• Alta velocidade de resposta; 
• Excelente MTBF.

6. CONCLUSÃO

Este estudo permitiu rever conceitos sobre sistemas físicos de armazenamento de energia potencial elétrica, os capacitores, que são base no princípio de funcionamento dos sensores capacitivos. A identificação dos tipos de materiais capazes de ser detectados por estes sensores forneceu ampla visão para otimizar processos que necessitam de controle diferenciado. Este estudo teve como objetivo estimular e desenvolver o estudo de sensores capacitivos. Os resultados obtidos este estudo não visam esgotar o assunto, pelo contrário, é necessário ampliar ainda mais o conhecimento no âmbito dos sensores em razão das novas tecnologias e técnicas avançadas utilizadas na área de eletroeletrônica.

7. REFERÊNCIAS

YOUNG, Hugh D.; Freedman, Roger A. Física III: eletromagnetismo. 12. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2009.

NILSON, James W.; Susan A. Riedel. Circuitos elétricos. 10 ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2015.

ROSÁRIO, João Maurício; Princípios de mecatrônica. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005.

HALLIDAY, David.; Walker, Jearl.; Fundamentos de física: eletromagnetismo. Rio de Janeiro: LTC, 2009.

MIZUGUCHI, Jaime.; Sensores capacitivos por efeito de campo de borda aplicados à quantificação do molhamento foliar e da água presente no solo. Dissertação de Mestrado. Londrina: Universidade Estadual de Londrina, 2014.

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