Universidade Federal do Rio Grande do Norte

Centro de Tecnologia

Departamento de Engenharia Elétrica

Instrumentação Eletrônica

Professor: Luciano Fontes

Fonte de tensão e Voltímetro digital

Artur Henrique

Jonas Damasceno

Natal – RN

2010

IntroduçãoSabemos que aparelhos como fontes de tensão e voltímetros são indispensáveis para

qualquer técnico ou estudante que trabalha na área de eletrônica. Porém, no mercado de hoje esses aparelhos podem ser muito caros, e os que são mais baratos, são quase sempre deficientes em qualidade. Assim, tentamos produzir neste projeto aparelhos que fossem baratos e que tivessem uma boa qualidade, alem disso aparelhos que consumam pouca energia.

Neste relatório, apresentaremos como foi construída uma fonte de tensão DC que pode operar na faixa de 0 – 32V (valor que depende do fundo de escala regulável em nosso circuito) com voltímetro digital com display. A nossa fonte possui ainda um led indicador de funcionamento do circuito e outro que indica curto-circuito em sua saída. O voltímetro pode ser adaptado para fazer medições externas de tensões de 0 a 1000VDC ou medidas da nossa própria fonte, essa escolha é feita através de uma chave.

Produzimos a nossa fonte elétrica de tensão contínua com base principalmente em um conversor DA. Um contador binário de 8 bits foi utilizado para gerarmos uma rampa na saída do conversor DA com 256 valores diferentes. A saída do conversor DA é então levada a um amplificador para regular através de um potenciômetro o fundo de escala, e por fim chegamos à parte de potência do circuito, que servirá para fazer com que a nossa fonte suporte níveis de corrente mais altos, como ate 5A.

Para a construção do voltímetro, utilizamos simplesmente um conversor AD para tornarmos a tensão analógica de entrada em valores digitais, e então jogamos esses valores digitais para um decodificador BCD que acionará displays digitais. Para controlar os níveis de tensão utilizamos malhas resistivas na entrada do voltímetro que determinarão o fundo de escala o qual quer se medir a tensão.

Contador Crescente / Decrescente

Conversor D/A

Etapa de potência

Clock

Controle Saída

Construção e características da Fonte de 0 – 32VDC

A fonte foi construída utilizando um circuito muito semelhante ao de um conversor D/A, onde o valor digital é gerado a partir de contadores. Este valor é então convertido em um valor analógico que irá controlar a tensão de saída da fonte.

A seguir vemos o diagrama de blocos simplificado do circuito:

Contador

O contador possui duas entradas de controle: um Enable que ativa ou inativa a contagem, e um Up/Down que determina o sentido de contagem (acréscimo ou decréscimo). A escolha deste método para controle de tensão na fonte se deu pela sua grande maleabilidade: alterando a quantidade de contadores podemos variar a resolução do sistema, ou seja, o acréscimo/decréscimo na tensão a cada pulso de clock. Desta forma, o sistema pode obter infinitas combinações de resolução e fundo de escala se adaptando à maioria das necessidades. Porém para os componentes utilizados é recomendável que esta tensão não ultrapasse os 32V. Para tensões maiores é necessário rever a etapa do conversor D/A e a etapa de potência, trocando os componentes por adequados. Um CI muito utilizado como contador binário é mostrado abaixo, o 74190.

Para fins didáticos o protótipo deste projeto foi uma fonte com regulagem de 0-13V com 28 = 256 divisões, o que nos dá uma resolução de 0,05V por pulso de clock, valor consideravelmente preciso.

O contador foi feito com os CIs 74190 que apresentam as características necessárias para o nosso circuito. Como necessitamos de 8 bits e cada CI possui capacidade para 4 bits, utilizamos dois deles cascateados.

Os pinos 1, 9, 10, 11, 12, 15 poram desativados pois não são necessários para o nosso caso. A tensão de 5V injetada no pino 16 junto com o terra no pino 8 fazem a alimentação deste CI. O controle de contagem é feito através do nível lógico injetado no pino 5: Baixo para ‘crescente’ e alto para ‘decrescente’. A contagem é habilitada no pino 4 através de um nível alto de tensão. O clock é injetado no pino 14 e no pino 13 vemos um Carry-out usado para o cascateamento, sendo este conectado à entrada de clock do contador seguinte. Nos pinos 3, 2, 6 e 7 vemos a saída dos bits LSB e MSB respectivamente.

As entradas para controle da tensão foram implementadas conforme o circuito a seguir:

As chaves duplas fazem simultaneamente a seleção do sentido da contagem e ativação da contagem através do Enable que é ativo-baixo. Quando ambas as chaves estão abertas, o enable fica com nível alto, interrompendo a contagem em um valor fixo.

Clock

O clock foi implementado com um simples multivibrador com LM555. A sua frequencia é quem determina o tempo com que irão ocorrer os incrementos ou decrementos no valor da tensão, logo, sabendo que a resolução da fonte será de 0,05V por pulso de clock, um clock de 20Hz significa que a tensão irá variar a uma taxa de 1V/s. Deve-se observar que o clock não pode ter uma frequência muito além desse valor (20Hz), pois quanto maior a frequência mais rápido a tensão de saída da fonte irá variar, assim o controle da tensão de saída se tornará mais dificil. Em contrapartida, se o clock for muito lento, teremos um controle de tensão muito devagar, porém mais preciso. A fórmula para a frequencia do multivibrador nesta configuração com diodo é:

f= 1,44(R1+R2 )×C1

Podemos fazer R1=R2 para obtermos um ciclo de trabalho de 50%, mas isso não é relevante, já que o contador funciona com detecção de borda. Logo, qualquer valor de ciclo de trabalho irá funcionar para este projeto.

Escolhendo C1=1uF temos:

20Hz= 1,442 R×1uF

→R=R1=R2=36KΩ

Como a frequencia não apresenta necessidade de ser extremamente precisa, pode-se usar os valores comerciais mais próximos sem perdas relevantes para o nosso objetivo.

Conversor D/APara o conversor D/A usamos um conversor R-2R, porém qualquer outro tipo de conversor

funcionaria perfeitamente. Escolhemos este pela sua praticidade e alto nível de precisão. Abaixo temos a figura de como o mesmo foi projetado.

Este é um conversor D/A de 8bits do tipo R2R. Os valores dos resistores que compõem os pesos foram escolhidos à partir de valores comerciais próximos da relação R / 2R. Este é um dos tipos de conversor A/D mais utilizados por apresentar uma boa precisão em seus valores mesmo para um número elevado de bits. Um detalhe importante é que, pelo fato de este conversor usar uma configuração Inversora do AmpOp, os comandos para aumentar ou diminuir a tensão ficarão invertidos. Para contornar este problema adicionamos mais um amplificador inversor, só que agora com controle de ganho. É a tensão vista no fio 16 que passará então para o estágio amplificador que regulará a tensão máxima de saída da nossa fonte DC. O ganho do amplificador será regulado por um potenciômetro colocado na realimentação. É através deste potenciômetro podemos regular o fundo de escala da nossa fonte. O circuito que regula o fundo de escala é o mostrado abaixo:

Etapa de potencia

A etapa de potencia é responsável por fornecer a potência necessária para a saída da fonte. A configuração com um par darlington é usada para que possamos aumentar o nível de corrente que pode ser suportado na saída, podendo fornecer correntes da ordem de 5A. O resistor R12 deve ser de 5W no mínimo, e o transistor Q4 deve ter um bom dissipador de calor para agüentar correntes mais altas. O LED2 deve ser de cor amarela ou verde comum. A tensão vista na saída da fonte (fio 38) será a mesma injetada na entrada que fica no fio 22, logo, a saída do regulador de fundo de escala que foi mostrado anteriormente a este circuito. Os capacitores C5 e C6 formam um filtro para reduzir ruídos.

Temos agora a ultima parte do nosso circuito, que é um indicador de curto-circuito na saída da fonte. Para este indicador utilizamos um simples circuito contendo um transistor PNP BC327, um CI regulador de tensão em 5V, o 7805, um led vermelho comum, um resistor na base e outro no emissor deste transistor, assim, quando a tensão na base do mesmo for aterrada (fonte em curto-circuito), o transistor irá entrar em condução fazendo com que o LED1 acenda. O circuito para este indicador é mostrado abaixo:

O CI 7805 também é responsável por alimentar o clock, os contadores e o voltímetro, já que estes necessitam de alimentação máxima de 5V, pois são circuitos TTL.

Acima é mostrada a entrada da nossa fonte DC, que vem da rede elétrica de 220V. O Vcc é a alimentação do circuito que deve vir de um transformador passando por uma ponte retificadora com valor no mínimo 10% maior que a tensão máxima de saída, para evitar saturação dos AmpOps. A alimentação simétrica serve apenas para alimentar os AmpOps, já que o controle de tensão será feito no +Vcc. Uma alteração do circuito usando transistores PNP pode ser eventualmente feita para que haja controle tanto de +Vcc como de –Vcc, transformando o circuito em um controle de tensão para fonte simétrica.

Para alimentação do clock e do contador foi acrescentado um CI 7805 que é um regulador de tensão capaz de abaixar a tensão +Vcc para 5V, já que estas etapas usam componentes lógicos e necessitam que o nível máximo de tensão seja de 5V.

Voltímetro

O voltímetro funciona à base de dois CIs: CA3162 e CA3161. O primeiro é um conversor A/D que converte o nível de tensão injetado para um valor digital. O segundo é um conversor para displays de 7 seguimentos. Juntos eles são capazes de converter valores de tensão na faixa de 0 a 1V e mostra-las em três displays de 7 seguimentos de ânodo comum com precisão de 1mV.

Para o CA3162 os pinos 10 e 7 são aterrados. A entrada de tensão é feita no pino 11. Entre os pinos 8 e 9 está conectado um potenciômetro de 47KΩ usado para fazer calibração junto com o potenciômetro de 10KΩ visto no pino 13. No pino 6 temos um controle de velocidade de contagem e memória: quando houver uma tensão de 1.2V neste pino ele ativa a função Hold, “congelando” o valor da medida feita. Quando a tensão é 0V, a conversão é feita no modo lento utilizando um clock interno de 4Hz. Quando a tensão neste pino é de 5V a conversão é feita no modo rápido através de

um clock de 96Hz também interno. No nosso projeto desabilitamos a função de memória e injetamos 5V para que a conversão ocorra de forma rápida.

A alimentação é feita com 5V no pino 14 e o capacitor presente no pino 12 é um filtro padrão indicado pelo fabricante.

Os pinos 3, 4 e 5 servem para habilitar os displays através de transistores PNP que podem ser o modelo BC327. O pino 5 controla o LSB enquanto o 4 controla o MSB. Os pinos 16, 15, 1 e 2 são as saídas do MSB para o LSB respectivamente que devem ser conectadas ao CA3161.

O CA3161 é alimentado com 5V entre o pino 16 e o pino 8 e os pinos de 9 a 15 são conectados aos displays que irão mostrar a tensão convertida.

O ajuste do voltímetro é feito da seguinte forma: injeta-se 0V na entrada (pino 11 do CA3162) e regula-se o potenciômetro de 47KΩ entre os pinos 8 e 9. Este potenciômetro regula o Zero do voltímetro e deve-se ajustá-lo de modo que nos displays apareça o valor 000. Agora, injetamos uma tensão conhecida, de preferência próxima do fundo de escala, 900mV por exemplo. Ajustamos então o ganho através do potenciômetro de 10KΩ presente no pino 13 até que o valor 900 seja mostrado no display.

Durante o ajuste é possível observar a capacidade de medição de tensões negativas deste voltímetro, porém com menor precisão já que o display responsável por mostrar o MSB exibirá agora o sinal de “-“. A exibição de “---“ indica que houve ultrapassagem do fundo de escala negativamente, enquanto que a exibição de “EEE” indica que o fundo de escala positivo foi ultrapassado.

Porém este multímetro é capaz de medir tensões entre 0 e 1V. Para expandirmos esta escala fazemos vários divisores de tensão com o uso de uma chave seletora dupla de quatro posições.

Fazendo um divisor de 1/10 alteramos o fundo de escala para 10V, um divisor de 1/100 altera para 100V e assim sucessivamente.

Os pinos H1, H2 e H3 são os pinos H dos displays, que representam os separadores decimais. Quando a divisão for de 1/10, o fundo de escala será de 10V, logo o separador decimal deverá aparecer imediatamente após o MSB, ou seja, H1. Quando a divisão for de 1/100, deverá aparecer no display seguinte (H2), e quando for de 1/1000 deverá aparecer do LSB. Indicando que aquele valor é lido em Volts. Quando a tensão de entrada for injetada diretamente, ou seja, fundo de escala de 1V, a chave estará em uma posição aberta, logo, não haverá separadores decimais, de

modo que o valor mostrado será lido em milivolts. O resistor R5 limita a corrente que vai para os pinos H, evitando a queima dos displays.

Para seleção de qual tensão medir (saída da fonte ou tensão externa) usamos uma chave simples (J1). Em EXT pode-se conectar pontas de prova para medições de tensão externas.

Bibliografia:Revista Saber Eletrônica

Fotos do circuito