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Robô – SEGUE FAIXA
Equipe - Danadoso
Ariel Oliveira de Figueiredo
Diego Ribeiro Santos
Fabio Ragazzi Marçal
Projeto Integrador do curso de Engenharia mecatrônica, módulo Instrumentação Industrial.3˚ Semestre
Eng.Mec. Marcus Valério
Professor Orientador
Guarulhos
2011
FACULDADE ENIAC
Robô- Segue faixa
Equipe - Danadoso
_____________________________________Ariel Oliveira de Figueiredo
_____________________________________Diego Ribeiro Santos
_____________________________________Fabio Ragazzi Marçal
____________________
Marcus ValérioOrientador Acadêmico
Guarulhos
Setembro 2011
RESUMO
Este projeto tem por objetivo o estudo dos componentes eletrônicos tais como, resistores,
diodos, transdutores, capacitores e sensores com o propósito de criar um robô segue faixa
guiado por dois sensores “foto transdutores”, que por sua vez entende que a um diferencial de
luminosidade no piso, sendo a pista branca e as faixas do percurso em preto, assim quando o
robô não receber um sinal de luminoso refletido pelo piso, o sensor correspondente ao motor
automaticamente o desligará, todos recursos para criação do projeto, foi desenvolvido através
da fundamentação teórica, pesquisada sobre cada componente e suas utilizações no circuito
para resistividade e controle da tensão necessária e distribuída para cada componente, para
que assim todos os movimentos do robô como: ir para frente e virar para direita e esquerda
todas as vezes que o sensor correspondente ao motos encostar na faixa da pista do
circuito.Trazendo assim um conhecimento abrangente na área da robótica móvel.
Palavras Chaves: sensor, capacitor, diodo, transistor.
3
SUMÁRIO
Pág.
LISTA DE FIGURAS...............................................................................................................5
LISTA DE TABELAS..............................................................................................................7
LISTA DE SÍMBOLOS............................................................................................................8
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS..............................................................................9
CAPÍTULO 1..........................................................................................................................10
INTRODUÇÃO.......................................................................................................................10
CAPÍTULO 2..........................................................................................................................11
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.........................................................................................11
CAPÍTULO 3..........................................................................................................................47
DESENVOLVIMENTO.........................................................................................................47
CAPÍTULO 4..........................................................................................................................54
RESULTADOS.......................................................................................................................54
CAPÍTULO 5..........................................................................................................................55
CONCLUSÕES.......................................................................................................................55
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................................................56
APÊNDICE ..............................................................................................................................57
4
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Resistores de fio..............................................................................Pág 12
Figura 2.2 - Resistores de filme de carbono (de grafite).....................................Pág 12
Figura 2.3 - Resistores de filme metálico.. ........................................................Pág 13
Figura 2.4 - Resistor Potenciômetro............................. .................................Pág 14
Figura 2.5 - Resistor Trimpot..............................................................................Pág 14
Figura 2.6 - Resistores de Reostatos.................................................................Pág 14
Figura 2.7 - Leitura dos resistores......................................................................Pág 16
Figura 2.8 - núcleos com 8 elétrons cada...........................................................Pág 19
Figura 2.9 - material semicondutor do tipo n.....................................................Pág 20
Figura 2.10 - material semicondutor do tipo p....................................................Pág 20
Figura 2.11 - junção PN.....................................................................................Pág 21
Figura 2.12 - Estrutura do diodo........................................................................Pág 22
Figura 2.13 - Polarização direita.........................................................................Pág 23
Figura 2.14 - Polarização inversa.......................................................................Pág 24
Figura 2.15 - Capacitor eletrolítico......................................................................Pág 28
Figura 2.16 - Leituras de capacitores..................................................................Pág 29
Figura 2.17- Capacitores usando letra e seus valores.......................................Pág 29
Figura 2.18 - Letras e valores de capacitores.....................................................Pág 29
Figura 2.19 - Coeficiente de temperatura...........................................................Pág 30
Figura 2.20 - Coeficiente de temperatura...........................................................Pág 31
Figura 2.21- Código de cores dos capacitores...................................................Pág 32
Figura 2.22 - Circuitos integrados.......................................................................Pág 37
Figura 2.23 - Decodificador/Excitador BCD........................................................Pág 37
Figura 2.24 - Codificador decimal para BCD (10 para 4)....................................Pág 38
Figura 2.25 - Pinagem CI 4511...........................................................................Pág 38
Figura 2.26 - Catodo Comum..............................................................................Pág 39
Figura 2.27- Codificador.....................................................................................Pág 39
5
Figura 2.28 - Pinagem do Ci 7490......................................................................Pág 40
Figura 2.29 - Esquema em blocos interno simplificado......................................Pág 40
Figura 2.30 - Circuito de Aplicação.....................................................................Pág 41
Figura 2.31 - Display Catodo Comum/display anodo comum.............................Pág 42
Figura 2.32 - Display de 7 segmentos................................................................Pág 42
Figura 2.33 - Formato Display de 7 segmentos..................................................Pág 43
Figura 2.34 - Mostrador do display.....................................................................Pág 43
Figura 2.35 - Circuitos Sequenciais Flip-Flop.....................................................Pág 44
Figura 2.36 - Flip-Flops.......................................................................................Pág 44
Figura 2.37 - Sinal de clock.................................................................................Pág 45
Figura 2.38 - Esquema de bloco clock................................................................Pág 45
Figura 2.39 - Flip-Flop JK com sinal de clock.....................................................Pág 45
Figura 2.40 - Flip-Flop JK com preset e clear....................................................Pág 45
Figura 2.41 - Mostrando módulo de um contador...............................................Pág 46
Figura 3.1- materiais que foram usados no projeto............................................Pág 49
Figura 3.2 - Base do robô...................................................................................Pag 49
Figura 3.3 - Layout da placa de circuito impresso..............................................Pág 51
Figura 3.4 - Layout do contador do circuito.........................................................Pág 51
Figura 3.5 - Esquema do contador feito no multi maker.....................................Pág 51
Figura 3.6 - Esquema elétrico do circuito pronto................................................Pág 52
Figura 3.7 - Esquema elétrico foto transistores..................................................Pág 52
Figura 3.8 - Sensor com foto-transistor...............................................................Pág 53
6
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Tabela dos valores comerciais de resistores..................................Pág 15
Tabela 2.2 - Tabela de cores para resistores.....................................................Pág 16
Tabela 2.3 - Tabela dos tipos de capacitores.....................................................Pág 27
Tabela 2.4 - Tabela de tolerância capacitiva......................................................Pág 30
Tabela 2.5 - Coeficiente de temperatura e tolerâncias.......................................Pág 31
Tabela 2.6 - Variação máxima de capacitância..................................................Pág 32
Tabela 2.7 - Tabelas de cores e tolerâncias dos capacitores.............................Pág 33
Tabela 2.8 - Tabela Verdade decodificador.......................................................Pág 38
Tabela 2.9 - Tabela Verdade Codificador..........................................................Pág 40
Tabela 2.10 - Tabela Verdade de suas saídas..................................................Pág 41
Tabela 5.1 - Tabela de custos do projeto............................................................Pag 57
Tabela 5.2 - Cronograma do Projeto........................................................................Pág 57
7
LISTA DE SÍMBOLOS
Led = Light emiting diodes
DC = Corrente continua
AC = Corrente alternada
A = Ampers
m = Mili (unidades de medida)
K = Kilo (unidades de medidas)
Ω = Ohms
W = Watts
V = Volts
Q = Coulomb
ρϜ = Picofarad
ηϜ = Nanofarad
μϜ = Microfarad
Ϝ = Farad
C = Capacitância
8
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
If = Forward = Direto
Vr = Reverse = Inverso
1N = Código Americano
1S = Código Japonês
AO = BA = Código Europeu
tc = Coeficiente de temperatura
A/D = Analógico para Digital
D/A = Digital para Analógico
9
CAPÍTULO 1
Introdução
Visando todos os estudos sobre componentes elétricos, criamos um robô. A
culminância deste projeto acontecerá através de uma competição de robôs.
A apresentação ocorrerá dia 02/04/2011, no endereço: Rua Força Pública, 100 CEP
07012-030-Centro – Guarulhos- Faculdade Eniac.
O desenvolvimento do projeto integrador exigido pela faculdade tem por objetivo
utilizar componentes eletrônicos, sendo o principal deles os sensores, onde sua função é guiar
o robô sobre uma pista branca com uma faixa preta, traçando dois percursos, um circuito oval
e o outro no formato da letra E.
O robô que executar o percurso mais rápido ganhará a competição, que deverá ter um
juiz, que será um professor responsável por todas as vistorias cabíveis, como: cronometrar
tempo, funcionamento dos robôs e organização das equipes.
A avaliação da competição será dividida em dois momentos: através do desempenho
de cada robô e também pela fundamentação teórica (pasta do projeto), que será dividida em
duas etapas, sendo uma delas apresentada na primeira banca examinadora e posteriormente
deverá ser apresentada na segunda banca do projeto integrador.
10
CAPÍTULO 2
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 RESISTORES ELÉTRICOS
São dispositivos elétricos muito utilizados em eletrônica, com a finalidade de causar uma
queda de tensão elétrica ou transformar energia elétrica em energia térmica (efeito joule).
2. 1.1 Tipos de Resistores quando à Resistência
Fixos: o valor da resistência elétrica é preestabelecido.
Ajustáveis: o valor da resistência elétrica pode ser escolhido e ajustado dentro de uma
faixa de valores.
Geralmente são usados para calibração de circuitos elétricos e eletrônicos. Exemplo:
trimpots
Variáveis: o valor da resistência elétrica pode ser variado dentro de uma faixa de
valores. São usados para controle de parâmetros em circuitos elétricos e eletrônicos. Exemplo:
potenciômetros, reostatos.
Tipos Construtivos de Resistores
2.1.2 Resistor de fio
Consiste basicamente de um tubo cerâmico (ou vidro) que serve de suporte a um fio
condutor de alta resistividade enrolado (níquel-cromo) sobre este tubo.
O comprimento e o diâmetro do fio determinam sua resistência elétrica.
Os terminais são soldados nas extremidades do fio.
Aplicada uma camada de material isolante para proteção, Como mostrada na figura 2.1
abaixo.
2.1.2.1 Características:
• robustos;
• suportam altas temperaturas;
• geralmente na cor verde;
• especificações impressas no seu corpo (resistência, tolerância e potência nominal)
2.1.2.2 Valores:
• baixas resistências (Ω a kΩ)
11
• alta potência (de 5W a 1000kW)
• alta tolerância (10% a 20%)
2.1- Resistores de fio
2.1.3 Resistor de filme de carbono (de grafite)
Tubo cerâmico (ou de vidro) coberto por um filme (película) de carbono;
O valor da resistência elétrica é obtido mediante a formação de um sulco no filme,
produzindo uma fita espiralada cuja largura e espessura define o valor da sua resistência;
Os terminais são soldados na extremidade do filme;
Aplicada uma camada de material isolante para proteção, conforme mostrada na figura
2.2 abaixo.
2.1.3.1 Características:
Potência nominal está associada ao tamanho, Geralmente na cor bege e as
especificações impressas através do código de cores.
2.1.3.2 Valores:
Grande faixa de valores de resistências (Ω a 10MΩ), com mesmo tamanho, baixa
potência (até 3W) e média tolerância (5% a 10%)
2.2- Resistores de filme de carbono (de grafite)
2.1.4 Resistores de filme metálico
Semelhante ao de carbono.
12
Tubo cerâmico coberto por um filme de uma liga metálica (níquel-cromo), como
mostrado na imagem 2.3 abaixo.
2.1.4.1 Características:
Geralmente na cor azul, potência associada ao seu tamanho e especificações impressas
através do código de cores.
2.1.4.2 Valores:
Grande faixa de resistências (Ω até MΩ), baixa potência (até 7W), baixa tolerância - mais
precisa (1% a 2%) e outras cores: de potência (marrom) e de precisão (verde escuro).
2.3- Resistores de filme metálico
2.1.5 Potenciômetro
É um resistor variável de 3 terminais, sendo 2 ligados às extremidades da resistência e
um ligado a um cursor móvel;
Entre os extremos: resistência fixa;
Entre um extremo e o cursor: resistência variável;
Uma haste é acoplada ao cursor para permitir variação da resistência. Podem ser
giratórios ou deslizantes.
Usados em circuitos para variar grandezas controladas por corrente ou tensão elétrica.
Exemplos: volume de som, contraste de cores em TV, temperaturas, etc., conforme mostrado
na figura 2.4 abaixo.
13
2.4-Resistor Potenciômetro
2.1.6 Trimpot
É um resistor ajustável cujo cursor é acoplado a uma base plana giratória vertical ou
horizontal, dificultando o acesso manual;
Usados em circuitos em que não se deseja mudança freqüente da resistência.
Exemplos: circuitos para ajuste ou calibração (uso interno), como mostrado na figura 2.5
abaixo.
2.5- Resistor Trimpot
2.1.7 Reostatos
Os reostatos são resistores de fio variáveis ou ajustáveis;
Sua resistência varia em função do comprimento do fio utilizado entre os contatos móvel
(cursor) e fixo como mostrado na figura 2.6
2.6- Resistores de Reostatos
14
2.1.8 Valores comerciais de resistores
Os resistores são fabricados e vendidos com valores nominais padronizados, os quais
cobrem uma grande faixa de valores possíveis. A tabela abaixo apresenta as raízes das séries
de valores comerciais de resistores. Todos os valores comerciais encontrados são múltiplos
das raízes das séries de valores, como mostrado na tabela 2.1.abaixo.
2.1- Tabelas dos valores comerciais de resistores
2.1.9 Código de cores para resistores
Os resistores são fabricados em valores padronizados de resistência nominal;
Os valores padronizados são determinados a partir de séries de valores (raízes), dos
quais são determinados os múltiplos e submúltiplos;
O código de cores determina o valor padrão (resistência nominal) dos resistores a
partir dos anéis coloridos impressos no corpo do resistor;
Como mostrado na tabela 2.1
Os resistores mais comuns vêm com 4 anéis coloridos;
Os resistores de precisão possuem 3 algarismos significativos e vêm com 5 anéis
impressos;
Em geral, o primeiro anel a ser lido é aquele mais próximo a um dos terminais do
resistor, desde que não seja da cor preta, ouro ou prata.
A tolerância representa percentualmente a faixa de variação admissível para o valor da
resistência do resistor.
15
2.2- Tabelas de cores para resistores
A leitura dos anéis deve ser efetuada a partir do anel mais próximo a uma das
extremidades do resistor, como ilustra a figura 2.2
2.7- Leituras dos resistores
2.1.10 Capacidade máxima de potência dissipável (Potência máxima do componente)
É a capacidade de liberação (dissipação para o ambiente) do calor gerado pelo Efeito
Joule na passagem da corrente elétrica e acumulado no componente. Se o componente não
tiver capacidade de liberar este calor, a sua temperatura aumentará progressivamente até que
seja danificado (queime).
Está associada às dimensões físicas (tamanho) do componente;
São fabricados em tamanhos padrões;
Valor fornecido pelo fabricante: impresso no corpo dos resistores de fio e em função
do padrão de tamanho nos resistores de filme.
2.1.11 Tensão nominal máxima de um resistor
É a tensão na qual o resistor dissipa sua potência nominal;
é a máxima tensão admissível pelo resistor, caso contrário pode danificar por
sobreaquecimento.
16
2.1.12 Tolerância
No processo de fabricação de qualquer produto sempre há imperfeições que produzem
pequenos desvios
(diferenças) com relação às suas especificações iniciais. No caso dos componentes
eletrônicos, nem sempre o valor nominal especificado é obtido com exatidão durante o seu
processo de fabricação. Por isso, os fabricantes indicam a tolerância, além do valor nominal
do componente. A tolerância indica a incerteza contida no valor do componente ou o limite de
erro máximo que o fabricante admite. Assim, a tolerância indica a faixa limite de valores onde
se situa o valor real (medido) do componente. A tolerância pode ser indicada em valores
absolutos ou em valores percentuais.
Exemplo:
Um resistor de 100Ω com tolerância absoluta de ±10Ω, indica que o valor medido
deve se encontrar numa faixa entre 90 a 110Ω.
Um resistor de 100Ω com tolerância percentual de ±5% indica que o valor medido
deve se encontrar numa faixa entre 95 a 105Ω.
Portanto, quanto menor a tolerância maior a precisão do componente.
Existem, no mercado, componentes com tolerâncias desde ±0,01% até ±50%. Ainda
há componentes com tolerâncias assimétricas, por exemplo -20% a +50%.
A tolerância é um fator importante a ser observado nos componentes, pois todo
sistema eletrônico (composição de vários componentes) possuirá, inevitavelmente, uma
tolerância operacional (incerteza) maior que a tolerância do pior componente utilizado.
2.1.13 Temperatura da operação
Muitos componentes eletrônicos têm as suas características nominais influenciadas
pela temperatura de seu corpo (encapsula mento) durante o funcionamento. Desta forma, os
fabricantes devem especificar a faixa de temperaturas na qual o componente se comporta
conforme o esperado, sem risco de ser danificado.
Alguns componentes devem ser armazenados em locais cuja temperatura não
ultrapasse determinados limites, sob pena de terem suas características físico-químicas
irreversivelmente alteradas. É por esse motivo que os fabricantes também especificam os
limites de temperatura de armazenamento e estocagem dos componentes.
2.1.14 Coeficiente de temperatura
17
O coeficiente de temperatura de um componente eletrônico indica o comportamento de
seu valor nominal conforme a variação da sua temperatura. Geralmente é expressa em
percentual por grau Celsius (%/°C).
Um coeficiente de temperatura positivo indica que o valor nominal do componente
aumenta com o aumento da sua temperatura. Um coeficiente de temperatura negativo indica
que o valor nominal do componente diminui com o aumento da temperatura.
2.1.15 Encapsulamento
O tipo de material, a forma e as dimensões do encapsulamento (corpo) dos
componentes são extremamente importantes, pois, além de dar a sustentação mecânica ao
componente, também determina a sua capacidade de dissipação de potência e a faixa de
temperatura de operação, pode funcionar como blindagem eletromagnética e ditar a forma de
fixação mecânica e conexão elétrica ao circuito.
2.2 MATERIAIS SEMICONDUTORES
Antes de entrarmos no assunto propriamente dito, é necessário fazermos algumas
considerações sobre o material de que são feitos alguns importantíssimos componentes
eletrônicos, tais como: diodos e transistores entre outros; este material é conhecido como
semicondutor. Existem na natureza materiais que podem conduzir a corrente elétrica com
facilidade: os metais-Ex: cobre alumínio, ferro etc. Materiais que não permitem a passagem
da corrente elétrica, pois o portador de carga (elétrons), não tem mobilidade neles. São os
isolantes. Ex.: mica, borracha, vidro plásticos etc. Em um grupo intermediário, situado entre
condutores e os isolantes estão os semicondutores, que não são nem bons condutores e nem
chega a ser isolantes. Destacamos entre os semicondutores, pois serão alvos deste estudo o
silício (Si) e o germânio (Ge). Existem outros elementos semicondutores também importantes
para eletrônica é eles o selênio (Se), o Gálio (Ga.) etc. As principais características que
interessa no caso do Silício e do Germânio é que estes elementos possuem átomos com 4
elétrons na sua última camada e que eles se dispõe numa estrutura geométrica e ordenada. O
silício e o germânio formam cristais onde os átomos se unem compartilhando os elétrons da
última camada. Sabemos da química que os átomos de diversos elementos têm uma tendência
natural em obter o equilíbrio, quando sua última camada adquire o número máximo de 8
elétrons. Desta forma formam tanto o silício quanto o germânio formam cristais quando os
seus átomos um ao lado do outro compartilham os elétrons havendo sempre 8 deles em torno
de cada núcleo, o que resulta num equilíbrio bastante estável para estes materiais.
18
Cada átomo compartilha 4 elétrons com os vizinhos, de modo a haver 8 elétrons em
torno de cada núcleo, como mostrado na figura 2.8 abaixo.
Figura 2.8- núcleos com 8 elétrons cada
Nesta forma cristalina de grande pureza o silício e o germânio não servem para
elaboração de dispositivos eletrônicos, mas a situação muda quando adicionamos certas
“impurezas” ao material. Estas impurezas consistem em átomos de algum elemento químico
que tenha na sua última camada um numero diferente de 4 elétrons, e que sejam agregados a
estrutura do Germânio ou/e do silício em proporções extremamente pequenas da ordem de
partes por milhão (ppm). No nosso exemplo (figura 2.2.2) utilizaremos o silício com as duas
possibilidades de adição.
a) Elementos com átomos de 5 elétrons na última camada;
b) Elementos com átomos dotados de 3 elétrons na última camada.
No primeiro caso, mostrado na figura 2.9 a adição e utilizando o elemento arsênio
(As). Como os átomos vizinhos só podem compartilhar 8 elétrons na formação da estrutura
cristalina, sobrará um que não tendo a que se ligar, adquire mobilidade no material, e por isso
pode servir como portador de carga.
19
Figura 2.9- material semicondutor do tipo n
O resultado é que a resistividade ou capacidade de conduzir a corrente se altera e o
semicondutor no caso o silício fica, o que se chama “dopado” e se torna bom condutor da
corrente elétrica. Como o transporte das cargas é feito nos materiais pelos elétrons que sobram
ou elétrons livres que são cargas negativas, o material semicondutor obtido desta forma, pela
adição deste tipo de impureza, recebe o nome de Semicondutor do tipo N (N-negativo). Na
segunda possibilidade, agregamos ao cristal de silício uma impureza, que contém 3 elétrons
na sua última camada, no caso o Índio (In) obtendo-se então uma estrutura conforme mostrada
na Figura 2.10
Figura 2.10- material semicondutor do tipo p
Observa-se que, no local em que se encontra o átomo de Índio não existem 8 elétrons
para serem compartilhados de modo que sobra uma vaga, que chamamos de “lacuna”. Esta
lacuna também funciona com portador de carga, pois os elétrons que queiram se movimentar
20
através do material possa “saltar” de lacuna para lacuna encontrando assim um percurso com
pouca resistência. Como os portadores de carga neste caso são lacunas, e a falta de elétrons
corresponde ao predomínio de uma carga positiva, dizemos que o material semicondutor
assim obtido é do tipo P (P de positivo). Podemos formar materiais semicondutores do tipo P
e N tanto com os elementos como o silício e o germânio, como com alguns outros
encontrados em diversas aplicações na eletrônica.
2.2.1 Junções PN.
Um importante dispositivo eletrônico é obtido quando juntamos dois materiais
semicondutores de tipos diferentes formando entre eles uma junção semicondutora. A junção
semicondutora é parte importante de diversos dispositivos como os diodos, transistores,
SCRs, circuitos integrados, etc. Por este motivo, entender o seu comportamento é muito
importante. Supondo que tenhamos dois pedaços de materiais semicondutores, um do tipo P e
o outro do tipo N, se unirmos os dois de modo a estarem num contato muito próximo, formam
uma junção, conforme se mostra na Figura 2.11, na sequência.
Figura 2.11 junção PN
Esta junção apresenta propriedades muito importantes. Analisemos inicialmente o
ocorre na própria junção. No local da junção os elétrons que estão em excesso no material N e
podem movimentar-se procuram as lacunas, que estão também presentes no local da junção,
no lado do material P, preenchendo-as. O resultado ‘e que estas cargas se neutralizam e ao
mesmo tempo aparece certa tensão entre os dois materiais (P e N). Esta tensão que aparece na
junção consiste numa verdadeira barreira que precisa ser vencida para que possamos fazer
circular a corrente entre os dois materiais. Esta barreira é chamada de Barreira de potencial ou
ainda Tensão de Limiar ou ainda Tensão de Condução. Para o Germânio esta tensão é de 0,2
Volts e para o Silício é de 0,7 Volts.
21
A estrutura indicada, com os dois materiais semicondutores P e N, forma um componente
eletrônico com propriedades elétricas bastante interessantes e que é chamado de diodo
(semicondutor).
2.2.2 Diodos
Diodo é um semicondutor formado por dois materiais de características elétricas
opostas, separados por uma área sem carga (vazia) chamada de junção. Esta junção é que dá a
característica do diodo como mostra à figura 2.12 a abaixo. Normalmente os diodos são feitos
de cristais “dopados” de silício e do germânio.
Figura: 2.12 Estruturas do diodo
2.2.3 Especificações dos diodos
As especificações dos Diodos comuns são feitas em função da corrente máxima que
podem conduzir no sentido direto, abreviado por If( o f de forward=direto), e pela tensão
máxima que podem suportar no sentido inverso, abreviada por Vr (reverse=Inverso) e ainda
segundo códigos, da seguinte forma: 1N – Código americano (uma Junção); 1S – Código
Japonês; AO = BA – Código europeu.
2.2.4 Polarização dos Diodos.
2.2.4.1 Polarização Direta
22
Para polarizar um diodo ligamos o anodo ao pólo positivo da bateria, enquanto o
catodo é ligado ao pólo negativo da mesma. Ocorre uma repulsão tanto dos portadores de
carga da parte N se afastando do pólo negativo da bateria, como dos portadores de carga da
parte P se afastando do pólo positivo da bateria. Convergem, tanto os portadores de N como
os portadores de P, para a região da junção. Temos então na região da junção uma
recombinação, já que os elétrons que chegam passam a ocupar as lacunas que também são
“empurradas” para esta região. O resultado é que este fenômeno abre caminho para novas
cargas, tanto em P como em N, fazendo com que as estas se dirijam para região da junção,
num processo contínuo o que significa a circulação de uma corrente. Esta corrente é intensa, o
que quer dizer que um diodo polarizado desta maneira, ou seja, de forma direta deixa passa
corrente com facilidade. Na figura 2.13, podemos visualizar melhor este fenômeno.
Figura 2.13 Polarização direita
2.2.4.3 Polarização Inversa.
Quando invertemos a polaridade da bateria, em relação aos semicondutores, ou seja,
pólo positivo da bateria ligado ao catodo (N) e o pólo negativo.
Da bateria ligada ao anodo(P), o que ocorre é uma atração dos portadores de carga de
N para o pólo positivo da bateria e dos portadores de P para o pólo negativo das 7 mesma.
Ocorre então um afastamento dos portadores de N e de P da junção. O resultado é que
em lugar de termos uma aproximação das cargas na região da junção temos um o seu
afastamento, com um aumento da barreira de potencial que impede a circulação de qualquer
23
corrente. O material polarizado desta forma, ou seja, inversa, não deixa passar a corrente.
Veja na figura 2.14, como ocorre esta situação.
Figura 2.14 Polarização inversa
2.2.5 Tipos de Diodos.
Diodos de silício uso geral:- são aqueles usados em circuitos lógicos, circuitos de
proteção de transistores, polarização etc. São fabricados para o trabalho com correntes de
pequena intensidade de no máximo 200mA e tensões que não ultrapassam 100V.
Um dos diodos mais populares deste grupo é o de referência 1N4148.
2.2.5.1 Diodos Retificadores.
Sua função é de retificar corrente de AC para DC pulsante. É destinada a condução de
correntes intensas e também operam com tensões inversas elevadas que podem chegar 1000v
ou 1200 no sentido inverso Conduzem correntes diretas de até 1 A.
2.2.5.2 Diodos emissores de luz – Led (Light emiting diodes).
Estes diodos polarizados de forma direta emitem luz monocromática quando a
corrente circula pela sua junção.
Aplicações: Controles remotos, Monitores, Indicativo de funcionamento dos dispositivos em
um PC etc.
Tensão de funcionamento: Leds vermelhos –1,6V demais de 1,8 a 2,1V .
24
Indicações de identificação- os Leds mais comuns são indicados por tipos de fabrica, tais
como as siglas TIL (TIL221 etc.) da Texas Instruments, CQV (da Phillips) ou LD (Icotron).
2.2.5.3 Fotodiodos.
São aqueles que estando polarizada inversamente a sua resistência ôhmica é função da
incidência da luz na sua junção. O resultado é que se obtém a circulação de corrente
dependente da intensidade de luz incidente.
Características: sensibilidade à luz incidente, velocidade com que reagem as variações da
intensidade da luz incidente.
Aplicações: Leitura de códigos de barras, cartões perfurados, leitura ótica dos CD Roms, e
ainda, recepção da luz modulada de um laser via fibra ótica. Como extensão desta propriedade
dos diodos de serem sensíveis à luz também tem os fotodiodos sensíveis à radiação nuclear
que também atuam com polarização inversa. O seu símbolo é igual ao dos fotodiodos e o seu
aspecto é igual ao tipo quadrado visto acima em aspectos, utilizando em sua janela central a
mica.
2.2.5.4 Varicap.
É um diodo duplo que quando polarizado inversamente apresenta uma capacitância a
qual depende da tensão aplicada.
Aplicações: Sintonia eletrônica de rádios Am, Fm e TV.
2.2.5.5 Diodo Zener.
Polarizado inversamente mantém a tensão do circuito constante, mesmo que a corrente
varie, ou seja, ele funciona como regulador de tensão em um circuito. Obs.: polarizado
diretamente funciona como um diodo comum.
Aplicações: em fontes de alimentação para manter a tensão estável e constante, além de
estarem presentes em outras aplicações em que se necessita tensão fixa.
Código de identificação. Uma série de diodos que se emprega muito em projetos e aparelhos
comerciais é a BZX79C da Phillips Components, formada por diodos de 400mA. Nesta série
a tensão do diodo é dada pelo próprio tipo.
Ex.: BZX79C2V1-onde 2V1 corresponde a 2,1 V(0V substituí a virgula). BZX79C12V-
corresponde a um diodo de 12 V.
25
2.3 CAPACITORES
Componente eletrônico constituído de duas placas condutoras, separadas por um
material isolante. É um componente que, embora não conduza corrente elétrica entre seus
terminais, é capaz de armazenar energia elétrica, sendo esta sua principal característica.
É constituído por duas placas condutoras denominadas Armaduras, que são separadas
por um material isolante chamado Dielétrico. Ligados a estas placas condutoras (as
armaduras) estão os terminais para conexão do capacitor com outros componentes de um
circuito elétrico.
A Capacitância (C) é a capacidade de acumulação de cargas elétricas no capacitor,
quando aplicamos em seus terminais determinada tensão. Sua capacitância é determinada
pelas dimensões das placas e pela distância de uma em relação à outra, ou seja, é diretamente
proporcional à área das armaduras e inversamente proporcional à espessura do Dielétrico.
Unidades de Medida da capacitância: Farad (F), Microfarad (μF), Nanofarad (ηF) e
Picofarad (ρF). A quantidade de cargas (Q, em Coulomb) que um capacitor pode armazenar
depende da tensão (V, em Volts) e de sua capacitância (C, em Farad) entre seus terminais.
Quando uma Tensão Contínua é aplicada às placas do capacitor, através dele não se
verifica nenhuma passagem de corrente, devido à presença do dielétrico. Por outro lado,
ocorre uma acumulação de carga elétrica nas placas de tal forma que, a placa ligada ao pólo
negativo do gerador acumula elétrons enquanto que a placa ligada ao pólo positivo do gerador
fica com falta elétrons. Este fenômeno é chamado de Polarização do Dielétrico.
Quando a tensão aplicada é interrompida, a carga acumulada mantém-se devido ao
campo elétrico que se forma entre as placas. Se as placas forem curto-circuitadas, encostando
se os dois terminais de ligação, uma rápida passagem de corrente é produzida e o capacitor se
descarrega, retornando à condição inicial.
Quando uma corrente contínua é aplicada a um capacitor, a tensão leva certo tempo
para atingir o valor máximo. Portanto, no capacitor, a corrente está adiantada em relação à
tensão. O tempo necessário para que o capacitor se carregue totalmente depende das
resistências do circuito.
Para um circuito RC em série, quanto maior o valor do resistor e do capacitor, mais
tempo leva para que o capacitor carregue-se totalmente. A medida da velocidade de
crescimento da tensão no capacitor é dada pela constante de tempo (τ) do circuito.
2.3.1 Reatância capacitiva
26
Quando uma Tensão Alternada é aplicada a um capacitor, seu comportamento é a
conseqüência direta do que ele manifesta no caso de uma Tensão Contínua.
O Dielétrico é submetido a solicitações alternadas, pois variam de sinal rapidamente e
sua polarização muda com o mesmo ritmo. Se a freqüência aumenta, o Dielétrico não pode
seguir as mudanças com a mesma velocidade com que ocorrem, e assim, a polarização
diminui o que acarreta uma redução da capacitância. Portanto, devido ao fato de que a
capacitância tende a diminuir com o aumento da freqüência, os capacitores Styroflex e
cerâmicos são os únicos que podem ser empregados em alta freqüência (Amplificadores e
Osciladores). Com as Tensões Alternadas, produzindo o fenômeno de sucessivas cargas e
descargas, verifica-se uma circulação de corrente, embora esta não flua diretamente pelo
Dielétrico.
Assim, chega-se a uma das principais aplicações dos capacitores: a de separar a
Corrente Alternada da Corrente Contínua, quando estas se apresentam simultaneamente. Em
geral: o capacitor comporta-se como um circuito aberto em corrente contínua e como uma
resistência elétrica em corrente alternada.
2.3.2 Tipos de capacitores
O que determina o tipo do capacitor é o seu Dielétrico. Pode ser do tipo:
- Axial (1 terminal em cada extremidade).
- Radial (2 terminais na mesma extremidade).
2.3-Tabela dos tipos de capacitores
2.3.3 Associação de capacitores
2.3.3.1 Associação em serieA Capacitância Total diminui, pois há um aumento efetivo da distância entre as placas.
2.3.3.2 Associação de paralelosA Capacitância Total aumenta, pois aumenta a área de placas que recebem cargas.
27
2.3.4 Tensão de trabalhoHá um limite para a tensão que pode ser aplicada a um capacitor qualquer. Se for
aplicada uma tensão alta, haverá uma corrente que forçará uma passagem através do
Dielétrico. O capacitor entra em curto-circuito e é descarregado. A tensão máxima a ser
aplicada a um capacitor é chamada de Tensão de Trabalho e não deve ser ultrapassada.
2.3.5 Capacitores eletrolíticos
Consiste em uma folha de alumínio como armadura positiva, onde por um processo
eletrolítico, forma-se uma camada de óxido de alumínio que serve como dielétrico, e um
fluído condutor, o eletrólito que impregnado em um papel poroso, é colocado em contato com
outra folha de alumínio de maneira a formar uma armadura negativa. O conjunto é bobinado,
sendo a primeira folha de alumínio ligada ao terminal positivo e outra ligada a uma caneca
tubular, encapsulado todo o conjunto, e ao terminal negativo.
Os capacitores eletrolíticos, por apresentarem o dielétrico como uma fina camada de
óxido de alumínio e em uma das armaduras um fluido, constituem uma série de altos valores
de capacitância, mas com valores limitados de tensão de isolação e terminais polarizados.
Figura 2.15- Capacitor eletrolítico
2.3.6 Leitura de capacitores
Os capacitores eletrolíticos apresentam seu valor nominal e polaridade inscrita no
próprio componente. Alguns outros capacitores apresentam uma codificação é um tanto
estranha mesmo para os técnicos experientes, (e ainda mais difícil de compreender para o
técnico novato.) Observemos o exemplo abaixo:
28
Figura 2.16- Leituras de capacitores
O valor do capacitor, "B", é de 3300 pF (picofarad = 10^-12 F) ou 3,3 nF (nanofarad
=10^-9 F) ou 0,0033 UF (microfarad = 10^-6 F). No capacitor "A", devemos acrescentar mais
4 zeros após os dois primeiros algarismos. O valor do capacitor, que se lê 104, é de 100000 pF
ou 100 nF ou 0,1UF.
Figura 2.17- Capacitores usando letra e seus valores
O desenho acima mostra capacitores que tem os seus valores impressos em nano farad
(nF) = 10^-9F. Quando aparece no capacitor uma letra "n" minúscula, como um dos tipos
apresentados ao lado, por exemplo: 3n3, significa que este capacitor é de 3,3nF. No exemplo,
o "n" minúsculo é colocado ao meio dos números, apenas para economizar uma vírgula e
evitar erro de interpretação de seu valor.
Para transformar em pico farad, pegamos 0,000.000.003.3F e dividimos por 10^-12,
resultando 3300pF. Alguns fabricantes fazem capacitores com formatos e valores impressos
como os apresentados abaixo. O nosso exemplo, de 3300 pF, é o primeiro da fila, como
mostrado na figura 2.18 abaixo.
2.18- Letras e valores de capacitores
29
Note nos capacitores seguintes, o aparecimento de uma letra maiúscula ao lado dos
números. Esta letra refere-se à tolerância do capacitor, ou seja, o quanto que o capacitor pode
variar de seu valor em uma temperatura padrão de 25°C. A letra "J" significa que este
capacitor pode variar até ±5% de seu valor, a letra "K" = ±10% ou "M" = ±20%. Seguem na
tabela 2.4, os códigos de tolerâncias de capacitância.
2.4-Tabela de tolerância capacitiva
Agora, um pouco sobre coeficiente de temperatura "TC", que define a variação da
capacitância dentro de uma determinada faixa de temperatura. O "TC" é normalmente
expresso em % ou ppm/°C ( partes por milhão / °C ). É usado uma seqüência de letras ou
letras e números para representar os coeficientes. Observe a figura 2.19 abaixo.
Figura 2.19- Coeficiente de temperatura
Os capacitores acima são de coeficiente de temperatura linear e definido, com alta
estabilidade de capacitância e perdas mínimas, sendo recomendados para aplicação em
circuitos ressonantes, filtros, compensação de temperatura e acoplamento e filtragem em
30
circuitos de RF. Na tabela 2.5 estão mais alguns coeficientes de temperatura e as tolerâncias
que são muito utilizadas por diversos fabricantes de capacitores.
Tabela 2.5-coeficiente de temperatura e tolerâncias
Outra forma de representar coeficientes de temperatura é mostrada na figura 2.20 É
usada em capacitores que se caracterizam pela alta capacitância por unidade de volume
(dimensões reduzidas) devido à alta constante dielétrica sendo recomendados para aplicação
em, acoplamentos e supressão de interferências em baixas tensões.
Figura 2.20- Coeficiente de temperatura
Os coeficientes são também representados exibindo seqüências de letras e números,
como por exemplo: X7R, Y5F e Z5U. Para um capacitor Z5U, a faixa de operação é de +10°C
que significa "Temperatura Mínima", seguido de +85°C que significa "Temperatura Máxima"
31
e uma variação "Máxima de capacitância", dentro desses limites de temperatura, que não
ultrapassa -56%, +22%. Veja as três tabelas 2.6, abaixo para compreender este exemplo e
entender outros coeficientes.
Tabela 2.6- variação máxima de capacitância
2.3.7 Capacitores de poliéster metalizados usando código de cores
A tabela a seguir 2.7, mostra como interpretar o código de cores dos capacitores
abaixo figura 2.21.
No capacitor "A", as 3 primeiras cores são: laranja, laranja e laranja, correspondem a
33000, equivalendo a 33 nF. A cor branca, logo adiante, é referente a ±10% de tolerância. E o
vermelho, representa a tensão nominal, que é de 250 volts.
Figura 2.21- Código de cores dos capacitores
2.7- Tabelas de cores e tolerâncias dos capacitores
32
2.4 SENSORES
Segundo Seippel1 são dispositivos usados para detectar, medir ou gravar fenômenos
físicos tais como calor, radiação etc., e que responde transmitindo informação, iniciando
mudanças ou operando controles. Considerem agora outra definição de sensores: “São
dispositivos que mudam seu comportamento sob a ação de uma grandeza física, podendo
fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que indica esta grandeza”. Quando operam
diretamente, convertendo uma forma de energia em outra, são chamados transdutores. Os de
operação indireta alteram suas propriedades, como a resistência, a capacitância ou a
indutância, sob ação de uma grandeza, de forma mais ou menos proporcional. O sinal de um
sensor pode ser usado para detectar e corrigir desvios em sistemas de controle, e nos
instrumentos de medição, que freqüentemente estão associados aos SC de malha aberta (não
automáticos), orientando o usuário.
2.4.1 Características dos sensores
2.4.1.1 Linearidade
É o grau de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza física. Quanto maior, mais
fiel é a resposta do sensor ao estímulo. Os sensores mais usados são os mais lineares,
conferindo mais precisão ao SC. Os sensores não lineares são usados em faixas limitadas, em
que os desvios são aceitáveis, ou com adaptadores especiais, que corrigem o sinal.
2.4.1.2 Faixa de atuação
33
É o intervalo de valores da grandeza em que pode ser usado o sensor, sem destruição ou
imprecisão. Porem os sensores se divide em vários tipos como veremos mais tarde.
2.4.1.3 Detectores
Segundo Seppel1 diretores são dispositivos usados para sentir a presença de alguma coisa tal
como calor, radiação ou outro fenômeno físico.
Nota-se que qualquer diferença nas definições de Seipel1 é muito tênue.
2.4.1.5 Sinal
Geralmente é qualquer quantidade que pode ser representada como uma função do
tempo. Mais estritamente, funções do tempo tais como excitação e resposta, também
denominadas entrada e saídas, são chamadas sinais na teoria de sistemas (Meirovitch4).
Sinais de tempo contínuo: são sinais nos quais o tempo é uma variável contínua.
Sinais de tempo discreto: são sinais nos quais o tempo é uma variável discreta, normalmente
assumindo valores periódicos.
2.4.1.6 Sinais analógicos
São sinais cuja amplitude não é restrita, podendo assumir quaisquer valores.
2.4.1.7 Sinais digitais
São sinais cuja amplitude é restrita a uma classe de valores. Um computador digital só
aceita sinais digitais, geralmente codificados na forma binária. Portanto para utilizar o
computador digital é necessário mudar o formato dos sinais de analógico discreto para digital
discreto. Isto é feito através de conversores de sinais. Temos os conversores analógico-para-
digital denotado simbolicamente por conversores A/D, e os conversores digital-para-
analógico, representados por D/A utilizados para fazer a conversão de volta, isto é, de digital
para analógico.
2.4.1.8 Servomecanismos:
São sistemas de controle com realimentação nos quais as saídas são posições
mecânicas, velocidades ou acelerações. Portanto servomecanismo e sistema de controle de
posição (velocidade ou aceleração) são sinônimos.
2.4.1.9 Função de Transferência
34
Em teoria de controle a função de transferência se refere a relação entre a saída e a
entrada dos sistemas.
2.5 TRANSDUTORES
Transdutor: Segundo Seippel1 um transdutor é um dispositivo que converte uma
forma de energia ou quantidade física em outra. Não há completa concordância em relação a
esta definição. Embora autoridades no assunto insistam que o termo transdutor deva ser
aplicado apenas para o dispositivo que transforma um tipo de energia ou quantidade física em
outra, existem outras definições de uso corrente. Observem a definição de Brignell e White2:
Os transdutores dividem-se em dois subconjuntos, sensores fornecem informações de entradas
em nosso sistema a partir do mundo externo e atuadores que executam ações de saída para o
mundo externo. Notem que por esta definição sensores são transdutores cuja ação é dar
entradas do mundo externo para o sistema. Surge ainda o termo atuador responsável pelas
ações de saída do sistema para o mundo externo. Esta definição é bastante apropriada para
sistemas de controle. Para Brignell e White2 detectores são definidos como sensores binários.
Ogata3 apresenta uma definição em termos de sinais de entrada e saída de um sistema, ou seja,
um transdutor é um dispositivo que converte um sinal de entrada em um sinal de saída de
outra forma. Note que esta definição lembra transformação de energia ou de quantidade física,
como dada por Seippel1, mas também lembra a definição apresentada por Brignell e White2 no
sentido de que os transdutores estão associados à entrada e saída de sistemas de controle.
Ogata1 estende um pouco mais a discussão sobre os transdutores, classificando-os como:
2.5.1 Transdutores analógicos
São transdutores nos quais os sinais de entrada e saídas são funções contínuas do
tempo. As amplitudes dos sinais podem assumir quaisquer valores dentro das limitações
físicas do sistema.
2.5.2 Transdutores a dados amostrados
São transdutores nos quais os sinais e saída ocorrem apenas em instantes discretos
de tempo, normalmente periódicos. As amplitudes do sinal são não - quantizáveis.
2.5.3 Transdutores digitais
35
São aqueles nos quais nos quais os sinais de entrada e saída são discretos e a
amplitude dos mesmos é quantificáveis, ou seja, podem assumir apenas certos valores
discretos.
2.5.4 Transdutores analógico-digital
São transdutores nos quais o sinal de entrada é uma função contínua do tempo e o
sinal de saída é um sinal quantizável que pode assumir apenas certos valores discretos.
2.5.5 Transdutores digital-analógico
São aqueles nos quais o sinal de entrada é um sinal quantizado e o sinal de saída é uma
função contínua do tempo.
2.6 TRANSISTORES
Os primeiros transistores eram dispositivos simples destinados a operar apenas
corrente de baixa intensidade, sendo por isso quase todos iguais nas principais características.
No entanto, com o passar do tempo ocorreram muitos avanços nos processos de
fabricação, que levaram os fabricantes a produzirem uma enorme quantidade de tipos, capazes
de operar com pequenas intensidades de corrente, mas também com correntes altas; o mesmo
ocorreu com as tensões e até mesmo com a velocidade.
Existe hoje, em termos de tipos de transistores mais de um milhão, o que requer
manuais de consultas volumosos quando se quer escolher um determinado tipo.
Assim para facilitar o estudo de transistor na prática é necessário que se divida estes
dispositivos em “famílias” em que as características principais se mantêm.
Para outras características, as diferenças são normalmente fornecidas pelos fabricantes
em forma de folhas de dados chamadas de datasheets.
2.7 TECNOLOGIAS COM CIRCUITOS INTEGRADOS
2.7.1 Circuito integrado
Micro circuito eletrônico em que os diferentes componentes se encontram ligados
entre si, de maneira inseparável, sobre um pequeníssimo pedaço de material semicondutor.
Foi proposto, em 1952, pelo físico britânico G W A Dunner. O primeiro circuito integrado,
contendo 5 componentes, foi construído, em 1958, pelo físico americano Jack Kilby.
36
Circuito digital integrado - circuito lógico implementado com semicondutores e fabricado de
acordo com a técnica dos circuitos integrados.
Figura 2.22 Circuitos Integrados
As primeiras famílias de circuitos digitais integrados foram as seguintes:
• Família DTL
• Família TTL
• Família CMOS
Entre estas famílias destacam-se as duas primeiras (DTL e TTL), das quais se darão
seguidamente quatro exemplos.
Exemplos da família DTL Porta NAND; Porta NOR
Exemplos da família TTL: Porta NAND; Porta NOR
2.7.2 CI 4511
Decodificador / excitador BCD de display de sete segmentos. Suporta corrente de até 25mA
na saída de excitação dos segmentos.
Decodificador - definição:
Circuito lógico que converte um código binário de n bits em 2n linhas de saída, sendo que
cada linha de saída é ativada por uma, e somente uma, das possíveis combinações dos bits de
entrada.
Figura 2.23 Decodificador/Excitador BCD
2.8- Tabela Verdade Decodificador
Decodificador - Tabela verdade
37
Ao A1 A2 S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7
0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0
0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1
Figura 2.24 Codificador Decimal para BCD (10 para 4).
Invólucro de 16 pinos
Figura 2.25 Pinagem CI 4511
Funções de suas pinagens
f, g, a, b, c, d, e - Excitam os segmentos dos displays.
A, B, C, D - Entrada binária.
38
LT - Leva as saídas a 1.
LE - Habilita a memorização dos latchs internos congelando o display. A transferência
para a saída e travamento de uma nova leitura ocorrerá sempre na subida de pulso deste pino,
para isto é necessário que este permaneça no mínimo num período de 650US em nível baixo.
Caso permaneça em nível zero continuamente não afetará a contagem.
Pinagens para display do tipo FND500, FND560 (catodo comum).
Figura 2.26 Catodo Comum
2.7.4 CI 7490
Codificador- definição:
Circuito digital oposto do Decodificador
• Possui um conjunto de linhas de entrada, sendo que somente uma delas
pode estar ativada em determinado instante de tempo, produzindo uma
saída que é um código de n bits, dependendo da entrada que estiver
ativada.
Figura 2.27 Codificador
Constituído de dois divisores por 2 e 5 independentes. Sua freqüência máxima típica é de
18MHZ.
39
Invólucro DIP-14
Figura 2.28 Pinagem do CI 7490
Esquema em blocos interno simplificado
Figura 2.29 Esquema em blocos interno simplificado
2.9- Tabela Verdade Codificador
Codificador –Tabela verdade
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 O2 O1 O0
X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
X 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1
X 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0
X 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1
X 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0
X 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1
X 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0
X 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1
2.7.5 Função de sua Pinagem
INPUT A - Entrada de clock do contador A (acionada por borda de descida).
INPUT B - Entrada de clock do contador B (acionada por borda de descida).
R0(1), R0(2) - Em nível alto zera (0000) a saída do contador.
R9(1), R9(2) - Em nível alto leva a nove (1001) a saída do contador.
QA, QB, QC, QD - Saídas do contador.
40
Circuito de aplicação (Contador BCD)
Figura 2.30 Circuito de Aplicação
Para o circuito acima as chaves S1 e S2 levam as saídas a zero (0000) ou nove (1001). Abaixo
a tabela verdade de suas saídas em função de um clock aplicado no pino 14.
2.10 Tabela verdade de suas saídas.
D C B A
0 0 0 0
0 0 0 1
0 0 1 0
0 0 1 1
0 1 0 0
0 1 0 1
0 1 1 0
0 1 1 1
1 0 0 0
1 0 0 1
2.8 TECNOLOGIA COM DISPLAY DE 7 SEGMENTOS
Os display de 7 segmentos é a maneira mais fácil de mostrar ao mundo exterior
informações que estejam em circuitos eletrônicos. Estes displays são fornecidos de duas
maneiras:
Com catodo comum e anodo comum.
41
Na configuração catodo comum, todos os catodos de todos os Leds que formam o
display são interligados entre si e ligados ao GND. Para ligarmos um Led do display basta
aplicar uma tensão no resistor que esta ligado ao anodo do Led correspondente.
Na configuração anodo comum, todos os anodos de todos os Leds que formam o
display são interligados entre si e ligados ao +VCC. Para ligarmos um Led do display basta
aplicar uma tensão em nível baixo no resistor que esta ligado ao catodo do Led
correspondente.
Figura 2.31 Display Catodo Comum/ Display Anodo Comum
A figura abaixo mostra a configuração dos display de 7 segmentos:
Figura 2.32 Display de 7 Segmentos
Formato do display 7 segmentos com catodo comum.
42
Figura 2.33 Formato do display de 7 Segmentos
O ponto P é o ponto decimal. Em anodo comum deve ficar em nível lógico alto e em
catodo comum deve ficar em nível lógico baixo.
Para interligarmos o mundo digital com o mundo exterior utilizando os display de 7
segmentos necessitamos de um CI conversor de BCD para decimal neste caso existem os CIs
7448(catodo comum) e o 7446(anodo comum). Para nosso exemplo utilizaremos o 7446
juntamente com um display em anodo comum. O conversor de binário para decimal 7446
segue abaixo:
Figura 2.34 Mostrador do Display
43
2.9 TECNOLOGIA COM FLIP FLOPS
Circuitos seqüenciais: flip flops
Em um circuito combinacional, a saída depende apenas de uma combinação das entradas,
enquanto que em um circuito seqüencial, a saída depende, além de uma combinação das
entradas atuais, também dos valores anteriores (memória).
Figura 2.35- Circuitos Seqüenciais: Flip-flops
2.9.1 A definição do flip-flop
O flip-flop é um elemento de circuito que pode apresentar em seu funcionamento
apenas dois estados estáveis. Com a aplicação de um sinal de entrada pode-se efetuar a
mudança de um estado para outro e de se conhecer o respectivo estado em que se encontra.
Assim, este circuito é considerado como uma célula básica de memória da lógica seqüencial
capaz de armazenar um bit. Em outras palavras.
Os flip-flops são os circuitos seqüenciais mais elementares e possuem a capacidade de
armazenar a informação neles contida. Representam a unidade elementar de memória de 1 bit
(binary digit), ou seja, funcionam como um elemento de memória por armazenar níveis
lógicos temporariamente. São chamados de biestáveis porque possuem dois estados lógicos
estáveis, geralmente representados por “0” e “1”.
Figura 2.36- Flip-Flops
44
2.9.2 Flip-flops com sinal de clock
Figura 2.37- Sinal de Clock
Figura 2.38- Esquema de Bloco Clock
2.9.3 Flip-flop JK com sinal de clok
Figura 2.39- Flip flop JK com sinal de clock
2.9.3.1 Flip-flop JK com preset e clear
Figura 2.40- Flip flop JK com preset e clear
45
2.9.4 Aplicações com flip flops:
- Célula de memória
- Contadores binários
- Registradores de deslocamento
- Conversor Paralelo-serial
Figura 2.41 Módulo de um contador depende do número de estágios usados.
46
CAPITULO 3
DESENVOLVIMENTO
3.1 MOVIMENTO INICIAL
Com Instruções dadas pelos professores da faculdade Eniac aos alunos do 3° semestre
de Eng. e tecnologia em mecatrônica industrial, iremos desenvolver um robô segue faixa que
deverá percorrer o trajeto proposto pela faculdade. Para isto iremos utilizar os nossos
conhecimentos obtidos durante este semestre.
3.2 FORMAÇÃO DA EQUIPE
Com o intuito de fazermos o projeto de maneira mais eficiente optamos por
trabalharmos em grupo para assim podermos somar conhecimentos e experiências de maneira
a desenvolvermos o projeto com total precisão, podendo assim aprender a aceitar
divergências de opiniões entre cada integrante do grupo.
3.3 COMPETIÇÕES
A competição aconteceu no dia 02 de abril de 2011, onde foi avaliado o desempenho
do nosso robô mediante ao tempo gasto no percurso e com o menor numero de interferências
externas (exemplo arrumar o robô com a mão).
Nosso robô teve um comportamento excelente a nossa expectativa, a primeira bateria
no circuito oval o nosso robô conseguiu tirar em 24 segundos sem intervenções e fez o
circuito E com muita precisão e sem intervenções também e foram gastos 55 segundos,
mesmo com um tempo muito longo os robôs no surpreendeu já que o propósito da equipe não
era velocidade e sim precisão.
Já tínhamos em mente que não ganharíamos a competição pelo fato de que, a proposta
seria que o vencedor era que fizesse o percurso em menos tempo seria o campeão.
Completamos o restante das baterias que totalizam em quatro voltas em cada percurso
e então na ultima volta não sabemos por qual motivo nosso robô sofreu duas intervenções
durante a prova do E, analisamos de varias maneiras, fizemos vários testes após o ocorrido e
chegamos à conclusão que isso aconteceu por causa sujeiras na pista, mesmo assim ficamos
muito satisfeitos com os resultados obtidos durante a prova lembrando que nosso foco
principal é a precisão dos sensores.
47
Na segunda competição que aconteceu no dia 04 de junho de 2011, aconteceram muitos
imprevistos, por esse motivo não participamos da competição.
A apresentação do segue faixa o robô funcionava perfeitamente, com a colocação do
contador digital tivemos problemas com a alimentação, pois iríamos usar os mesmos 6V do
circuito segue faixa na placa do contador, outro problema foi o fato em que o circuito do robô
segue faixa estava roubando corrente em um dos componentes que não conseguimos
identificar , por isso decidimos conversar com o professor orientador do projeto, que iríamos
refazer todo os circuitos do robô para que não aja duvida em relação ao projeto proposto e ao
entendimento dos integrantes do grupo, sendo assim iremos apresentar o robô funcionado no
dia 10 de junho de 2011, para o professor orientador de nosso projeto.
Na competição podemos observar que os robôs que contaram tinha duas fontes de
energia uma para o robô e outra para o contador sendo assim aprendemos que não
precisaríamos ter mudado o primeiro circuito, já que os dois são independentes.
3.4 ESPECIFICAÇÕES DO ROBÔ
As especificações para o desenvolvimento do robô foram: placa de circuito impresso (onde
montamos os componentes de acordo com o layout dado pelo professor), 1 chassi feito de
acrílico, 2 motores de corrente continua de 12 v e 6 pilhas 1,5 v. O designer do robô ficou a
critério do grupo.
3.5 DESIGN DO CHASSI
Design do robô foi o tópico mais discutido na montagem do mesmo, pois o formato do
chassi redondo dará mais mobilidade para o desempenho do robô durante o percurso.
3.6 MATERIAIS PARA ESTRUTURA
A equipe não teve muita duvida com relação ao tipo de material a ser usado na
construção do robô, pois o grupo já havia chegado a conclusão que não se discutiria o valor
do projeto e sim a mobilidade que o robô deverá ter durante o percurso, por este motivo
optamos pelo teflon e acrílico pois com esses materiais o robô ficará mais leve e mais
resistente.
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Figura 3.1 – materiais que foram usados no robô
3.7 MONTAGEM DA ESTRUTURA
A montagem da estrutura foi composta somente por teflon e acrílico, já que o teflon
junto ao acrílico proporcionaria mais resistência e leveza ao robô, permitindo também futuras
alterações no projeto.
3.8 A BASE DO ROBÔ
Base de material em acrílico com a largura de 3 mm, com o raio de 92,5 mm e dois
cortes laterais para a colocação das rodas, com 65 mm de comprimento, 30 mm na parte
inferior da base e 35 mm na parte superior da base, esse corte são deslocados 7,5 mm do
centro da base. Como mostra a figura 3.2
Figura 3.2 base do robô
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3.9 RODAS
Como o objetivo de ter mais aderência durante o percurso o grupo optou pela
montagem do robô com rodas de borracha de 2 IN de diâmetro, já que o mesmo só possuiria
duas, tendo assim mais estabilidade devido ao dimensionamento das rodas no chassi.
3.10 DISPOSIÇÃO DAS RODAS
As rodas foram dispostas no centro do chassi proporcionando assim mais mobilidade
ao robô ao longo do percurso.
3.11 MOTORES
A escolha dos motores foi definida a partir da idéia de que a rotação não poderia ser
muito alta, pois acarretaria em uma penalidade durante a competição, o robô sairia do
percurso proposto, entretanto não poderia ser muito baixa, pois o robô demoraria muito tempo
para percorrer o circuito, prejudicando a equipe em relação a competição, por esse motivo
escolhemos os motores com caixa de redução, onde obtemos mais torque e precisão,
proporcionando menos interferências externas para ajudar o robô a completar o circuito.
3.12 FONTE DE ALIMENTAÇÃO
Como fonte de alimentação o grupo decidiu utilizar quatro pilhas AA de 1,5 volts em
série. O que somariam 6 volts que serão usados para a alimentação do circuito.
3.13 LAYOUT
O grupo já tinha de um layout de placa de circuito impresso fornecido pelos
professores de acordo com a apostila o layout seria o seguinte: como mostra a figura 3.3
abaixo
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Figura 3.3- Layout da placa de circuito impresso
Figura 3.4- Layout do contador do circuito
Figura 3.5- Esquema do contador feito no multi-maker
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Figura 3.6- Esquema elétrico do ciruito pronto
Devido alguns testes feito em sala de aula podemos observar claramente o
funcionamento do circuito, sento assim adquirimos conhecimento sobre cada dispositivos e
seus funcionamentos do circuito. Observamos também que se os fios não estiverem bem
colocados e também esconstados uns nos outro pode gerar curto ou falta de contato, como
aconteceu com nosso circuito, e também esse trabalho mostrou a importancia da atenção ao
passar o esquema eletrico para o protoboard (esquema físico).
3.16 SENSORES FOTO-TRANSISTORS
Figura 3.7- Esquema elétrico foto transistores
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Figura 3.8- Sensor com foto transistor
O objetivo do nosso projeto é implementar um contador utilizando uma interface com
display de sete segmentos, onde sua contagem será feita a partir de uma corrente gerada por
um feixe de luz ligado entre o Led e o foto-transistor.
Quando o robô estiver em funcionamento o feixe de luz que gera corrente entre o Led
e o foto-transistor ficará acionado diretamente gerando assim uma cortina entre os dois
dispositivos, fazendo com que qualquer elemento que passar por essa cortina imediatamente
interromperá o feixe de luz, conseqüentemente contará os pinos.
3.17 FOTO-TRANSISTOR
O foto-transistor é mais um dispositivo que funciona baseado no fenômeno da
fotocondutividade. Ele pode, ao mesmo tempo, detectar a incidência de luz e fornecer um
ganho dentro de um único componente.
Como o transistor convencional, o foto-transistor é uma combinação de dois diodos de
junção, porém, associado ao efeito transistor aparece o efeito fotoelétrico. Em geral, possui
apenas dois terminais acessíveis, o coletor e o emissor, sendo a base incluída apenas para
eventual polarização ou controle elétrico.
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CAPITULO 4
RESULTADOS
Iniciou-se o trabalho comprando os componentes e a placa de fenolite, onde colocou-
se o decalque das trilhas, mergulhamos no determinado liquido para a corrosão da placa e os
furos usando uma broca de 1 mm, logo em seguida estanhou-se as trilhas com o intuito de
melhorar a passagem da corrente elétrica por todos os componentes que seriam colocados nos
furos feito anteriormente.
Logo após terminou-se a placa de circuito impresso iniciou-se o trabalho em cima da
confecção do chassi, onde depois de debatemos o material a ser usado ficou decidido o uso do
acrílico como matéria prima. Debateu-se a criação do chassi redondo para assim facilitar a
mobilidade do robô durante o trajeto sobre o percurso. Criou-se um robô compacto para
facilitar a sua locomoção. Logo se efetuou a compra dos motores de 90 RPM e 12v onde uso-
se somente a metade de sua capacidade, duas rodas de borracha, 4 pilhas de 1,5 v cada,
suporte para as pilhas.
Iniciou-se a segunda parte com a compra dos componentes necessários para a
montagem do circuito, contador digital. Tais componentes como o CI 4511, CI 7490, Display
de sete seguimentos, resistores de 170 Ω, placa para a montagem do circuito, assim criou-se o
robô Danadoso.
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CAPITULO 5
CONCLUSÃO
Este projeto nos ajudou a entender melhor algumas matérias que tivemos durante o
semestre, pois aprendemos na pratica o conceito sobre robôs moveis controlados por sensores
e guiados através de faixas sobre o solo, muito utilizados em indústrias. Toda parte de
fundamentação teórica sobre resistores, sensores, diodos, transistores e transdutores,
agregaram muito para o nosso conhecimento, onde aprendemos a elevar, estabilizar e
diminuir uma tensão de um circuito impresso apenas utilizando os componentes citados
acima. Também aprendemos a trabalhar melhor com o solidworks uma vez que tivemos que
utilizá-lo para desenvolver o chassi do robô trazendo mais conhecimento sobre o software a
cada integrante do grupo. Além disso aprendemos a trabalhar em grupo, pois antes de
fazermos qualquer coisa, primeiro compartilhamos a idéia com o grupo, sendo que algumas
vezes tivemos que aceitar a opinião um do outro chegando a uma conclusão única.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
LOURENÇO, A C. e outros; “Circuitos em Corrente Contínua”, Ed. Ática, 1996. 21/03/2011
MICHELS, M.; “Apostila de Eletricidade Básica”, ETFSC/UNED-SJ, 1997. 21/03/2011
PHILIPS; “Catálogos de Componentes”. 21/03/2011
Site; “ebah”, Apostila resistores / Fernando Musso /Cefet. 21/03/2011
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APÊNDICE
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