Analise De Circuitos Mt

Curso: Mecatrônica Docente:

Módulo: III Turno:

Carga Horária: Turma:

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SUMÁRIO


Circuitos Elétricos.............................................................................................03
Amplificador operacional..................................................................................17
Circuitos Ceifadores.........................................................................................18
Circuitos P.I.D..................................................................................................19
Circuitos com Filtros........................................................................................20
Circuitos PWM.................................................................................................21
Circuitos de Acionamento...............................................................................26
Bibliografia......................................................................................................31

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I - CIRCUITOS ELÉTRICOS 1) ESTUDO DO CIRCUITO RESISTIVO SÉRIE; 1.1)

OBJETIVO:

Verificar os conceitos teóricos do circuito resistivo tipo série, comprovando a Lei de Kirchoff das Tensões (LKT). 1.2) RELAÇÃO DE MATERIAIS: 1 fonte de tensão contínua; 1 voltímetro; 1 amperímetro; resistores fixo de 100Ω/100W, 150Ω/100W e 200Ω/100W; 1.3) DESENVOLVIMENTO: Com base no circuito resistivo tipo série, conforme a Figura 1, primeiramente fazer os cálculos teóricos e preencher a coluna de valores teóricos na Tabela 1. Proceder as medições de R MED a frio. Com o circuito montado e energizado, proceder com as medições de tensão e corrente e transcrever esses resultados para a Tabela 1.

Figura 1: Circuito resistivo tipo série.

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Preencher a Tabela 1 abaixo: Valores Teóricos = ______________ V

CIRCUITO RESISTIVO SÉRIE Valores Medidos E MED = ______________ V

R EQ − TEO = ___________ Ω

R EQ − MED = ___________ Ω

R TEO

R MED

E TEO

U TEO

ITEO

U MED

∆U %

∆I %

I MED

R1 R1 R2 R2 R3 R3 Tabela 1: Tabela de medições de corrente no circuito resistivo série. 1.4) CONCLUSÕES: ......................................................................................................................................................................................... ......................................................................................................................................................................................... ......................................................................................................................................................................................... ......................................................................................................................................................................................... ......................................................................................................................................................................................... 2) CIRCUITO RESISTIVO PARALELO. 2.1) OBJETIVO: Verificar os conceitos teóricos do circuito paralelo comprovando a Leis de Kirchoff das Correntes (LKT). 2.2) MATERIAL UTILIZADO: 1 fonte de tensão contínua; 1 voltímetro; 1 amperímetro; resistores fixo de 100Ω/100W, 150Ω/100W e 200Ω/100W; 2.3) DESENVOLVIMENTO: Com base no circuito resistivo tipo paralelo da Figura 2 abaixo, primeiramente, fazer os cálculos teóricos e preencher a coluna dos valores teóricos. Proceder medições de R MED a frio. Com o circuito montado e energizado, proceder às medições de tensão e corrente e preencher a Tabela 2.

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Figura 2: Circuito elétrico resistivo tipo paralelo. Preencher a Tabela 2: Valores Teóricos E TEO = _____________V

CIRCUITO RESISTIVO PARALELO Valores Medidos E MED = _____________V

R EQ − TEO = __________ Ω

R EQ − MED = __________ Ω

R TEO

R MED

U TEO

ITEO

U MED

∆U %

∆I %

I MED

R1 R1 R2 R2 R3 R3 Tabela 2: Tabela de medições de corrente resistivo paralelo. 2.5) CONCLUSÕES: ......................................................................................................................................................................................... ......................................................................................................................................................................................... ......................................................................................................................................................................................... ......................................................................................................................................................................................... 3) CIRCUITO RESISTIVO MISTO. 3.1) OBJETIVO: Verificar os conceitos teóricos do circuito paralelo, comprovando a Lei de Kirchoff das Tensões (LKT) e Correntes (LKT).

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3.2) MATERIAL UTILIZADO: 1 fonte de tensão contínua; 1 voltímetro; 1 amperímetro; resistores fixo de 100Ω/100W, 150Ω/100W e 200Ω/100W; 3.3) DESENVOLVIMENTO: Com base no circuito resistivo tipo misto da Figura 3 fazer, primeiramente, os cálculos teóricos e preencher a coluna dos valores teóricos. Proceder medições de R MED a frio. Com o circuito montado e energizado, proceder as medições de tensão e corrente e preencher a Tabela 3.

Figura 3: Circuito resistivo tipo misto. Preencher a Tabela 3: CIRCUITO RESISTIVO MISTO Valores Teóricos E TEO = _____________V

Valores Medidos E MED = ______________V

R EQ − TEO = __________ Ω

R EQ − MED = ___________ Ω

R TEO

R MED

U TEO

ITEO

U MED

R1 R1 R2 R2 R3 R3 Tabela 3: Tabela de medições de corrente resistivo misto.

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I MED

∆U %

∆I %

3.4) CONCLUSÕES: ......................................................................................................................................................................................... ......................................................................................................................................................................................... ......................................................................................................................................................................................... ......................................................................................................................................................................................... .........................................................................................................................................................................................

1) ESTUDO DA VARIAÇÃO DA RESISTÊNCIA EM FUNÇÃO DO COMPRIMENTO DO CONDUTOR. 1.2)

OBJETIVO:

L mantendo o material do condutor ( ρ ) e a área da seção transversal (A) constantes, A porém procedendo variação em seu comprimento (L).

Validar a equação R = ρ

1.2) RELAÇÃO DE MATERIAIS: Ωmm 2 1 módulo didático de Níquel-Cromo de diâmetro φ = 0,50 mm e ρ = 1,1 ; m 1 multímetro digital a ser utilizado como ohmímetro;

1.3) DESENVOLVIMENTO: Observe o módulo didático contendo o material específico na FIGURA 1.

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L . A Após tomar ciência e conhecimento do módulo didático e preencher a Tabela 1.

Figura 1: Módulo didático para o estudo da equação R = ρ

R

L(m)

R 12 R 13

0,25 0,50

R 14 R 15

0,75 1,00

R 16

1,25

A( mm 2 )

 Ω mm 2    m 

ρ

R CALC (Ω)

∆R%.

R MED (Ω)

TABELA 1: VARIAÇÃO DA RESISTÊNCIA EM FUNÇÃO DO COMPRIMENTO DO CONDUTOR. O desvio percentual da medida é dada por: ∆R % =

R CALC − R MED R CALC

100 .

1.4) GRÁFICO: Elaborar gráfico com a resistência medida ( R MED (Ω) ) no eixo Y e o comprimento do condutor (L(m)) no eixo X.

Gráfico do R eostato 350

Resistência (Ohms)

300 250 200 150 100 50 0 -50 -20

0

20

40 60 Posição do Cursor (% )

80

100

12 0

Figura 2: Gráfico envolvendo a variação da resistência em função do comprimento do condutor e mantendo material e diâmetro constantes. 1.5) CONCLUSÕES:

............................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................. .

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2) ESTUDO DA VARIAÇÃO DA RESISTÊNCIA EM FUNÇÃO DA ÁREA DA SEÇÃO TRANSVERSAL DO CONDUTOR: 2.1) OBJETIVO: L , mantendo o comprimento (L) e o material constantes ( ρ ) e variar o diâmetro ( φ ) e a A área da seção transversal (A).

Validar a equação R = ρ

2.2) RELAÇÃO DE MATERIAIS: Ωmm 2 3 módulos didáticos de Níquel-Cromo ( ρ = 1,1 ) de diâmetros φ = 0,40 mm, φ = 0,45 mm e φ = 0,50 mm; m 1 multímetro digital;

2.3) DESENVOLVIMENTO: Obter 3 módulos didáticos de Níquel-Cromo com as seções φ = 0,40 mm, φ = 0,45 mm e φ = 0,50 mm ;

Figura 2: Módulos didáticos a serem estudados. Com os três módulos didáticos de Níquel-Cromo representados pelas três áreas de seções transversais distintas e proceder com o preenchimento da Tabela 2.

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R

L(m)

R MED (Ω)

R CALC (Ω)

φ = 0,40mm φ = 0,45mm φ = 0,50mm φ = 0,40mm φ = 0,45mm φ = 0,50mm R 12 0,25 R 13 0,50 R 14 0,75 R 15 1,00 R 16 1,25

Tabela 2: Variação da resistência em função do diâmetro do material. 2.4) GRÁFICO: Elaborar o gráfico com os valores medidos de R MED (Ω) no eixo Y e no eixo X os valores de L(m). Deverá constar 3 curvas no mesmo gráfico para cada valor do diâmetro correspondente.

Gráfico do R eostato 350

Resistência (Ohms)

300 250 200 150 100 50 0 -50 -20

0

20

40 60 Posição do Cursor (% )

80

100

12 0

Figura 3: Variação da resistência em função do diâmetro do condutor e mantendo o comprimento e o material. 2.4) COMENTÁRIOS:

............................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ........................

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3) ESTUDO DA VARIAÇÃO DA RESISTÊNCIA EM FUNÇÃO DO MATERIAL: 3.1) OBJETIVO: Validar a equação R = ρ

L , mantendo o comprimento (L) e a área da seção (A) constantes e variando o A

material( ρ ). 3.2) RELAÇÃO DE MATERIAIS: 2 módulos didáticos sendo um de Níquel-Cromo ( ρ = 1,1

Ωmm 2 ) de diâmetros φ = 0,50 mm e outro de m

Ωmm 2 ) de diâmetro φ = 0,50 mm; m 1 multímetro digital a ser utilizado como ohmímetro;

Constantam ( ρ = 0,5

3.3) DESENVOLVIMENTO: Obter 2 módulos didáticos diferentes (Níquel-Cromo e Constantam) e preencher a Tabela 3.

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Figura 3: Módulos didáticos a serem estudados. Módulo A de Constantan e Módulo B de Níquel-Cromo. Proceder as medições dos módulos de Níquel-Cromo e Constantan e transferir para a Tabela 3.

Resistência ( Ω )

L(m)

R 12 R 13

0,25 0,50 0,75 1,00 1,25

R 14 R 15

Constantam

( φ = 0,50 mm ) Valores Medidos

Níquel-Cromo ( φ = 0,50 mm ) Valores Medidos

R 16 Tabela 3: Variação da resistência em função de materiais diferentes e mantendo o comprimento e o diâmetro constantes.

3.4) GRÁFICO: Elaborar gráfico com o valor da resistência medida R MED (Ω) dos dois elementos no eixo Y e o comprimento L(m) no eixo X.

Gráfico do R eostato 350

Re sistência (Ohms)

300 250 200 150 100 50 0 -50 -20

0

20

40 60 Posição do Cursor (% )

80

100

12 0

Figura 4: Variação da resistência em função de materiais diferentes considerando comprimento e diâmetro iguais.

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3.5) CONCLUSÕES:

............................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ........................ 4) ESTUDO DA VARIAÇÃO DA RESISTÊNCIA EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA: 4.1) OBJETIVO: Validar a expressão R θ = R 20 [ 1 + α (θ - 20 ) ] e comprovar através dos experimentos e medições que com o acréscimo de temperatura há um aumento na resistência final do material. 4.2) MATERIAL UTILIZADO: - 1 lâmpada incandescente de 150W/127V; - 1 multiteste; - 1 fonte de tensão alternada; - cabos de ligação; 4.3) DESENVOLVIMENTO: 4.3.1) Com base nos dados nominais da lâmpada incandescente (150W/127V) calcule a corrente elétrica e a resistência da lâmpada quando em funcionamento nestas condições: Resolução: PTEO = 150W U TEO = 127 V R TEO =

ITEO =

2 U TEO 127 2 = = 107 Ω PTEO 150

U TEO 127 V = = 1,186 A R TEO 107 Ω

Logo, para esses dados nominais, na lâmpada acima especificada, a sua resistência será de 107 Ω e a sua corrente elétrica será de 1,186 A para estas condições de funcionamento. 4.3.2) Proceder medição da lâmpada incandescente a frio:

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Figura 4: Medição de resistência da lâmpada (150w/120v) a frio.

R 20o C = R FRIO = ___________ Ω 4.3.3) Montar o circuito em corrente alternada abaixo utilizando uma tomada monofásica ( fase e neutro) da bancada.

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Figura 5: Montagem do circuito da lâmpada energizada para medição de tensão e corrente. Considerar E (TENSÃO NA FONTE DE TENSÃO) = U (TENSÃO NA CARGA), ou seja, a queda de tensão nos cabos será desprezível.

U MED = ____________ V I MED = ____________ A

R θ = R QUENTE =

U MED = ___________ Ω I MED

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4.3.4) Preencher a Tabela 4 abaixo com os respectivos valores medidos e calculados:

R FRIO (Ω)

R TEO (Ω)

R QUENTE (Ω)

ΛR = R QUENTE - R FRIO

Tabela 4: Resumo dos valores calculados e medidos para a lâmpada incandescente. 4.3.5) Calcular a temperatura de operação do filamento de tungstênio através da equação de recorrência:

R θ = R 20 [ 1 + α (θ - 20 ) ]

θ = _________ o C 4.4) Pesquisar a temperatura de fusão do tungstênio: Resposta.: ________ Graus. Obs.: entre no www.google.com.br digite a palavra chave tungstênio fusão e clique no primeiro endereço. 4.5) Conclusões e comentários:

_______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________

TABELA DE VALORES NUMÉRICOS DOS MATERIAIS CONDUTORES 16

Material

Coeficiente.  1  Térmico: α  o   C Alumínio 0,00292 34,2 0.0039 Bronze 0,067 14,9 0,002 Cobre puro 0,0162 61,7 0,00382 Cobre duro 0,0178 56,1 0,00382 Cobre recozido 0,0172 58,1 0,00382 Constantan 0,5 2 0,00001 Estanho 0,115 8,6 0,0042 Grafite 13 0,07 0,0005 Ferro puro 0,096 10,2 0,0052 Latão 0,067 14,9 0,002 Manganina 0,48 2,08 0 Mercúrio 0,96 1,0044 0,00089 Nicromo 1,1 0,909 0,00013 Níquel 0,087 10,41 0,0047 Ouro 0,024 43,5 0,0034 Prata 0,00158 62,5 0,0038 Platina 0,106 9,09 0,0025 Tungstênio 0,055 18,18 0,0041 Zinco 0,056 17,8 0,0038 Tabela 5: Valores numéricos de resistividade, condutividade e coeficiente térmico de condutores mais utilizados.

 Ωmm 2  Resistividade: ρ    m 

 m  Condutividade: δ  2  Ωmm 

II - AMPLIFICADORES OPERACIONAIS Introdução O objetivo deste capítulo _e introduzir o Amplificador Operacional (Op.Amp), apresentando algumas definições básicas. Inicialmente, são apresentados diversos símbolos comumente usados para representar os OpAmps. Em seguida, as equações gerais de um OpAmp são definidas. Simbologia A Figura 3.1 apresenta um símbolo genérico para um OpAmp com saída simples. Deste símbolo constam: i) os pinos de entrada (v+ e v ), ii) os pinos de alimentação (VPS+ e VPS ) e iii) o pino de saída (vo). Intrinsicamente, _e ainda considerado um pino para referência de tensão, a partir do qual são medidas as tensões em todos os outros pinos.

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Figura 3.1: Símbolo genérico para um OpAmp.

III - CIRCUITOS CEIFADORES

Os circuitos ceifadores como o próprio nome sugere, são responsáveis por ceifar (cortar) parte do sinal de entrada sem distorcer o restante da forma de onda do sinal oscilante no tempo. Os circuitos ceifadores podem ser série ou Paralelo.

PESQUISA E DESENVOLVIMENTO Pesquisar os diversos tipos e exemplificar em aplicações práticas dos circuitos ceifadores. CIRCUITOS PROPORCIONAIS, INTEGRAIS E DERIVATIVOS O controlador proporcional combina as vantagens do controlador PI e PD. A ação integral está diretamente ligada à precisão do sistema sendo responsável pelo erro nulo em regime permanente. O efeito desestabilizador do controlador PI é contrabalançado pela ação derivativa que tende a aumentar a estabilidade relativa do sistema ao mesmo tempo que torna a resposta do sistema mais rápida devido ao seu efeito antecipatório. Considerando-se o mesmo sistema da figura (3.3) e fixando-se K = 1 e Ti = 2, a influência da ação derivativa na resposta do sistema pode ser observada na figura (3.5). A função de transferência do controlador PID é dada por: (3.4)

É importante ressaltar que a equação (3.1) e a função de transferência (3.4) constituem-se na versão clássica do controlador PID. Outras versões e variações existem, mas a filososfia de funcionamento, a partir da combinação dos efeitos das três ações básicas, é a mesma. A figura (3.5) mostra o efeito da ação derivativa considerando-se um controlador PID para o mesmo sistema das simulações mostradas nas figuras (2.4) e (3.3)

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Figure 3.5: PID - Kp=4; Ti=1.5; Td=0.1 (tracejado), 0.4(pontilhado), 2(contínuo)

IV - CIRCUITOS COM FILTROS Projetar um filtro RC “passa-baixas” com freqüência de corte, fC, por volta de 500Hz. Isso significa escolher valores da resistência e da capacitância adequados para se obter esse valor de 500Hz, com o compromisso de que esses elementos, com os valores escolhidos, existam no laboratório. Simular com o programa EWB o comportamento do filtro projetado (circuito da figura 1.19), medindo e anotando os valores de pico das tensões de entrada e saída, em função da freqüência da tensão de entrada, para posterior comparação com os valores experimentais. Montar o circuito da figura 1.20, colocando na entrada do filtro o gerador de áudio. Conectar um dos canais do osciloscópio na saída e o outro canal deve ser usado para medir a tensão de entrada. Prestar atenção na ligação dos terminais de terra das pontas de prova.

Figura 1.20: Circuito para o estudo do comportamento do filtro RC 19

Medir os valores de pico das tensões de entrada e saída do filtro da figura 1.20, assim como a defasagem da tensão de saída em relação à tensão de entrada, em função da freqüência. Lembrar que o osciloscópio deve estar calibrado, assim como verificada a confiabilidade das escalas de freqüência do gerador. Cerca de quinze medidas devem ser suficientes, desde que convenientemente escolhidas a fim de caracterizar muito bem o comportamento do filtro (e que estejam dentro da faixa de freqüência aceita pelo osciloscópio). Fazer o gráfico que melhor evidencie o comportamento descrito acima. Comparar com o comportamento previsto teoricamente e pelo previsto pelo programa EWB. Superpor as três curvas na mesma figura para facilitar a comparação. Desse gráfico, obter o valor experimental da freqüência característica (ou freq6uência de corte) do filtro e comparar, levando em conta os erros, com o valor esperado. Fazer um gráfico da defasagem da tensão de saída em relação à tensão de entrada em função da freqüência. Comparar com o comportamento esperado, sempre superpondo a curva teórica à curva experimental. É interessante analisar o comportamento de um outro quadripolo RC como esse que foi descrito, com a única diferença que é trocada a posição do resistor com a do capacitor. A tensão de saída, agora, é a tensão sobre o resistor, VR. A previsão do comportamento desse circuito é análoga à que foi realizada para o filtro “passa-baixas”. Entretanto as conclusões são diferentes. Esse estudo, com as deduções e justificativas das conclusões deve constar do relatório. Não vai haver tempo, provavelmente, para a realização de medidas experimentais, mas é possível fazer a simulação com o programa EWB, da mesma maneira como foi sugerido para o filtro “passabaixas”. Comparar os resultados da simulação com os previstos teoricamente (superpor as curvas que ilustram esse comportamento no mesmo gráfico). Comentar os resultados.

V - MODULAÇÃO PWM Os controles de potência, inversores de frequência, conversores para servomotor, fontes chaveadas e muitos outros circuitos utilizam a tecnologia do PWM (Pulse Width Modulation) ou Modulação de Largura de Pulso como base de seu funcionamento. A maneira tradicional, ou mais simples de se controlar uma carga de potência é através de um reostato em série, conforme mostra a figura 1.~

Variando-se a resistência apresentada pelo reostato pode-se modificar a corrente na carga e, portanto, a potência aplicada a ela. Este tipo de controle ainda é encontrado nas lâmpadas de painéis de alguns carros mais antigos. A grande desvantagem deste tipo de controle, denominado “linear”, é que a queda de tensão no reostato multiplicada pela corrente que ele controla representa uma grande quantidade de calor gerada. O controle passa a dissipar (e pedir) mais potência que a aplicada na própria carga em determinadas posições do ajuste. Além dessa perda ser inadmissível, ela faz com que o componente usado no controle seja capaz de dissipar elevadas potências, ou seja, torna-se caro e grande (normalmente reostatos ou potenciômetros de fio, mesmo para potências relativamente baixas). O uso de transistores ou circuitos integrados em um controle mais elaborado, que ainda varie linearmente a potência aplicada pelo controle direto da corrente, pode ser feito conforme ilustra a figura 2.

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Embora o potenciômetro usado no controle dissipe pequena potência, pois a corrente nele é menor, este tipo de controle ainda tem um problema: a potência dissipada pelo dispositivo que controla a corrente principal é elevada. Esta potência depende da corrente e da queda de tensão no dispositivo e, da mesma forma, em certas posições do ajuste, pode ser maior que a própria potência aplicada ao dispositivo. Na eletrônica moderna, o rendimento com pequenas perdas e a ausência de grandes dissipadores que ocupem espaço é fundamental, principalmente quando circuitos de alta potência estão sendo controlados. Desta forma, este tipo de controle de potência linear não é conveniente, sendo requisitadas outras configurações de maior rendimento como as que fazem uso das tecnologias PWM. Na matéria “Fontes Chaveadas” é explicado como funcionam as fontes chaveadas, que justamente usam a tecnologia PWM, mas os motores de corrente contínua ou alternada e outras cargas como solenóides, aquecedores e lâmpadas incandescentes também podem usá-la. Como tal tecnologia funciona é o que passamos a ver agora. V.1 - PWM PWM é a abreviação de Pulse Width Modulation ou Modulação de Largura de Pulso. Para que se entenda como funciona esta tecnologia no controle de potência, partimos de um circuito imaginário formado por um interruptor de ação muito rápida e uma carga que deve ser controlada, de acordo com a figura 3.

Quando o interruptor está aberto não há corrente na carga e a potência aplicada é nula. No instante em que o interruptor é fechado, a carga recebe a tensão total da fonte e a potência aplicada é máxima. Como fazer para obter uma potência intermediária, digamos 50%, aplicada à carga? Uma idéia é fazermos com que achave seja aberta e fechada rapidamente de modo a ficar 50% do tempo aberta e 50% fechada. Isso significa que, em média, teremos metade do tempo com corrente e metade do tempo sem corrente. Veja a figura 4.

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A potência média e, portanto, a própria tensão média aplicada à carga é neste caso 50% da tensão de entrada. Veja que o interruptor fechado pode definir uma largura de pulso pelo tempo em que ele fica nesta condição, e um intervalo entre pulsos pelo tempo em que ele fica aberto. Os dois tempos juntos definem o período e, portanto, uma frequência de controle. A relação entre o tempo em que temos o pulso e a duração de um ciclo completo de operação do interruptor nos define ainda o ciclo ativo, conforme é mostrado na figura 5.

Variando-se a largura do pulso e também o intervalo de modo a termos ciclos ativos diferentes, podemos controlar a potência média aplicada a uma carga. Assim, quando a largura do pulso varia de zero até o máximo, a potência também varia na mesma proporção, conforme está indicado na figura 6.

Este princípio é usado justamente no controle PWM: modulamos (variamos) a largura do pulso de modo a controlar o ciclo ativo do sinal aplicado a uma carga e, com isso, a potência aplicada a ela.

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V.2 - NA PRÁTICA

Na prática, substituimos o interruptor por algum dispositivo de estado sólido que possa abrir e fechar o circuito rapidamente como, por exemplo, um transistor bipolar, um FET de potência, um IGBT ou até mesmo um SCR. A este dispositivo é então ligado um oscilador que possa ter seu ciclo ativo controlado numa grande faixa de valores. Na prática, é difícil chegar à duração zero do pulso e à 100%, já que isso implicaria na parada do oscilador, mas podemos chegar bem perto disso. Na figura 7 temos um exemplo de circuito que pode ser usado num controle PWM simples para um motor DC de pequena potência (com corrente de até alguns ampères).

O oscilador, montado com um circuito integrado 4093 tem sua saída no nível alto determinada pelo ajuste do potenciômetro, enquanto que sua saída no nível baixo é determinada pelo resistor R1 (fixo). Assim, fazendo R1 suficientemente pequeno em relação ao valor do potenciômetro, o circuito poderá gerar sinais numa ampla faixa de ciclos ativos. Estes sinais são então aplicados ao transistor de potência que comanda a carga.

V.3 - TIPOS DE PWM O exemplo de aplicação é o que se denomina de “simple magnitude PWM”, onde o sinal aplicado à carga determina simplesmente a potência que ela deve receber, pela largura do pulso. No entanto, existe um segundo tipo de controle PWM denominado “Locked anti-phase PWM”, que pode incluir na modulação do sinal informações sobre a potência aplicada à carga e o sentido da corrente que deve circular por ela. Este tipo de controle, em especial, é interessante quando se trata de motores elétricos onde o sentido da corrente determina o sentido da rotação ou do torque. O seu princípio de funcionamento é simples de ser entendido. Se os pulsos aplicados à carga não variarem entre 0V e um valor máximo de tensão +V, por exemplo, mas entre uma tensão negativa e uma tensão positiva (-V a +V), o ciclo ativo determina também o sentido de circulação da corrente pela carga. Se, por exemplo, o ciclo ativo for de 50% conforme mostra a figura 8, a tensão média na carga, e portanto a potência, será zero.

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Agora, variando o ciclo ativo para mais e para menos de 50%, teremos uma predominância dos pulsos positivos ou negativos de modo que a corrente média tende a circular num sentido ou noutro, de acordo com a mesma figura. Logo, neste tipo de circuito, a corrente na carga variará entre –100% e +100%, conforme o ciclo ativo do sinal aplicado. Um circuito simples de aplicação para este tipo de controle é fornecido na figura 9.

Usamos uma fonte simétrica de +6V/-6V para controlar um pequeno motor de 50mA a partir de um integrado LM555. Uma etapa de potência com transistores pode ser acrescentada a este circuito, para o uso com motores de maior corrente. O potenciômetro ajusta tanto a largura como os intervalos entre os pulsos de modo que a carga e descarga do capacitor sejam derivadas por diodos diferentes, agindo assim no ciclo ativo do sinal de saída. Este circuito pode ser facilmente simulado no Electronics Workbench, ou até mesmo montado em uma matriz de contatos.

Um ponto importante que deve ser observado neste tipo de circuito é que na posição de 50% de ajuste do potenciômetro (potência média nula na carga), na verdade temos uma corrente circulando o tempo todo por ela, o que vai causar dissipação de calor. Assim sendo, para cargas elevadas, este tipo de controle não é dos mais indicados e não funcionaria, por exemplo, se a carga controlada fosse justamente um elemento de aquecimento ou uma lâmpada! Mesmo no caso de motores DC é preciso ter muito cuidado na escolha da frequência de operação do circuito para que na condição de parado (0% de potência) ele não se mantenha vibrando na frequência do oscilador. Eventualmente componentes adicionais podem ser previstos em paralelo com o motor como, por exemplo, um capacitor, para evitar este problema.

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V.4 - VANTAGENS DO PWM Na operação de um controle por PWM existem diversas vantagens a serem consideradas e alguns pontos para os quais o projetista deve ficar atento para não jogar fora estas vantagens. Na condição de aberto, nenhuma corrente circula pelo dispositivo de controle e, portanto, sua dissipação é nula. Na condição de fechado, teoricamente, se ele apresenta uma resistência nula, a queda de tensão é nula, e ele não dissipa também nenhuma potência. Isso significa que, na teoria, os controles PWM não dissipam potência alguma e, portanto, consistem em soluções ideais para este tipo de aplicação. Na prática, entretanto, isso não ocorre. Em primeiro lugar, os dispositivos usados no controle não são capazes de abrir e fechar o circuito num tempo infinitamente pequeno. Eles precisam de um tempo para mudar de estado e, neste intervalo de tempo, sua resistência sobe de um valor muito pequeno até infinito e vice-versa, numa curva de comutação semelhante a mostrada na figura 10.

Neste intervalo de tempo a queda de tensão e a corrente através do dispositivo não são nulas, e uma boa quantidade de calor poderá ser gerada conforme a carga controlada. Dependendo da frequência de controle e da resposta do dispositivo usado, uma boa quantidade de calor poderá ser gerada neste processo de comutação. Entretanto, mesmo com este problema, a potência gerada num controle PWM ainda é muito menor do que num circuito de controle linear equivalente. Transistores de comutação rápidos, FETs de potência, e outros componentes de chaveamento podem ser suficientemente rápidos para permitir que projetos de controles de potências elevadas sejam implementados sem a necessidade de grandes dissipadores de calor ou que tenham problemas de perdas de energia por geração de calor que possam ser preocupantes. O segundo problema que poderá surgir vem justamente do fato de que os transistores de efeito de campo ou bipolares usados em comutação não se comportam como resistências nulas, quando saturados. Os transistores bipolares podem apresentar uma queda de tensão de até alguns volts quando saturados, o mesmo ocorrendo com os FETs. Deve-se observar em especial o caso dos FETs de potência que são, às vezes, considerados comutadores perfeitos, com resistências de fração de ohm entre o dreno e a fonte quando saturados (Rds(on)) mas na prática não é isso que ocorre. A baixíssima resistência de um FET de potência quando saturado (resistência entre dreno e fonte no estado on) só é válida para uma excitação de comporta feita com uma tensão relativamente alta.Assim, dependendo da aplicação, principalmente nos circuitos de baixa tensão, os transistores de potência bipolares ou mesmo os IGBTs podem ser ainda melhores que os FETs de potência.

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V.5 - CIRCUITOS INTEGRADOS Para implementação de controles PWM existem muitos circuitos integrados especiais, alguns deles incluindo as etapas de potência e até mesmo circuitos de pontes H para reversão de sentido. Um circuito integrado bastante popular neste tipo de aplicação é o LMD18200, da National, que consiste numa ponte H com controle PWM para cargas de 3 A e tensões de até 55 V. Este circuito integrado é fornecido num invólucro SIL de alta potência, de 11 pinos, para ser montado num radiador de calor, tendo seu diagrama em blocos mostrado na figura 11.

A entrada de controle de direção e parada (brake) é compatível com lógica TTL. Os interessados podem encontrar o data-sheet deste componente no site da National Semiconductor em http://www.national.com

V.6 – CONCLUSÃO Numa Infinidade de aplicações práticas que envolvem desde o controle de potência de motores e outras cargas até fontes chaveadas, a técnica do PWM é empregada. Saber exatamente como ela funciona é muito importante para todos aqueles que trabalham com eletrônica de potência, principalmente os ligados a manutenção e instalação de equipamentos industriais.

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VI - CIRCUITOS DE ACIONAMENTO V.1 - ESTRELA TRIÂNGULO

Sempre que possível, a partida de um motor trifasico de gaiola, deverá ser direita, por meio de contactores. Deve ter-se em conta que para um determinado motor, as curvas de conjugados e corrente são fixas, independente da dificuldade da partida, para uma tensão constante. Nos casos em que a corrente de partida do motor é elevada podem ocorrer as seguintes conseqüências prejudiciais: - Elevada queda de tensão no sistema da alimentação da rede. Em função disto provoca a interferência em equipamentos instalados no sistema; - O sistema de proteção (cabos, contatores) deverá ser superdimensionado ocasionando um custo elevado; - A imposição das concessionárias de energia elétrica que limitam a queda da tensão da rede; - Caso a partida direta não seja possível devido aos problemas citados acima, pode-se usar sistema de partida indireta para reduzir a corrente de partida; - Em alguns casos ainda, pode-se necessitar de um conjugado de partida alto, com corrente de partida baixa, deve-se neste caso escolher um motor de anéis. 1 - Partida de Motores com Chave Estrela - Triângulo . É fundamental para a partida com a chave estrela - triângulo que o motor tenha a possibilidade de ligação em dupla tensão, ou seja, em 220 / 380V , em 380/660V ou 440/760V . Os motores deverão ter no mínimo 6 bornes de ligação. A partida estrela- triângulo poderá ser usada quando a curva de conjugados do motor é suficientemente elevada para poder garantir a aceleração da máquina com a corrente de partida na ligação - triângulo. Também a curva do conjugado é reduzida na mesma proporção. Por este motivo, sempre que for necessária uma partida estrela - triângulo, deverá ser usado um motor com curva de conjugado elevado. Os motores WEG, tem alto conjugado máximo de partida, sendo, portanto, ideais para a maioria dos caso, para uma partida estrela - triângulo. Antes de se decidir por uma partida estrelatriângulo, será necessário verificar se o conjugado de partida será suficiente para operar máquina. O conjugado resistente da carga não poderá ultrapassar o conjugado de partida do motor (veja figura 2.4), nem a corrente no instante da mudança para triângulos poderá ser de valor inaceitável. Existem casos onde este sistema de partida não pode ser usado. Se a partida for em estrela, o motor acelera a carga até a velocidade, ou aproximadamente até 85% da rotação nominal. Neste ponto, a chave deverá ser ligada em triângulo. Neste caso, a corrente, que era de aproximadamente a nominal, ou seja 100%, salta repentinamente para 320%, o que não é nenhuma vantagem, uma vez que na partida era de somente 190%. 2 - Corrente e conjugado para partida estrela - triângulo de um motor de gaiola acionando uma carga com conjugado resistente Cr. I - Corrente em triângulo; IY - Corrente em estrela; CY - Conjugado em estrela; C - Conjugado em triângulo.

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Na figura abaixo temos o motor com as mesmas características, porem o conjugado resistente CR é bem menor. Na ligação Y , o motor acelera a carga até 95% da rotação nominal. Quando a chave é ligada, a corrente que era de aproximadamente 50%, sobe para 170%, ou seja, praticamente igual a da partida Y. Neste caso a ligação estrela - triângulo apresenta vantagem, porque se fosse ligado direto, absorveria da rede 600% da corrente nominal. A chave estrela - triângulo em geral só pode ser empregada em partidas da máquina em vazio, isto é, sem carga. Somente depois de ter atingido a rotação nominal, a carga poderá ser aplicada.

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Esquematicamente, a ligação estrela - triângulo num meter para uma rede de 220V é feita de maneira indicada na figura acima notando-se que a tensão por fase, durante a partida é reduzida para 127V. 1. Material Utilizado: 2. Parte Prática: 3. Diagrama Principal

4. Diagrama de Comando

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5. Diagrama de Comando

6. Diagrama: utilizando uma carga trifasica com lâmpadas.

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7. 8. 9. 10. 11.

Conclusão Questões Elaborar uma questão referente a teoria. Onde aplicaríamos um Soft Starter E um inversor de freqüência?

VII - BIBLIOGRAFIA Eletrônica Básica – J. Brophi 2 Eletricidade Básica Van Valkenburg volume 5 www.perfectum.eng.br/sistint.html - 20k academicos.cefetmg.br/disciplinas.php?id=7 - 35k www.ece.ufrgs.br/~jmgomes/pid/Apostila/apostila/node24.html - 4k

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