FACULDADE DE TECNOLOGIA DE GARÇA

CURSO DE MECATRÔNICA INDUSTRIAL

TRABALHO SOBRE

CIRCUITOS CODIFICADORES E DECODIFICADORES

AMPLIFICADORES OPERACONAIS

CIRCUITOS ARITIMÉTICOS

MEMORIAS LATCH

SENSORES

GARÇA

11/2010

ALUNOS

CARLOS EDUARDO BUENO

MARCO ANTONIO NUNES DA SILVA

MARCOS AURÉLIO CARRETEIRO FILHO

RODRIGO GOMES

Referencial Teórico do Curso deTecnologia em Mecatrônica Industrial, referente às matérias de Princípios

de Mecatrônica e Eletrônica básica.

Professor: Gustavo Coraíni Professor: Edson Detregiachi Filho

GARÇA

11/2010

SUMÁRIO

1. CODIFICADORES E DECODIFICADORES DIGITAIS

1.1 CODIFICADORES DIGITAIS1.2 DECODIFICADORES DIGITAIS 1.3 - CONCLUSÃO

2. MEMÓRIAS LATCH

2.1 Latch.2.2 Latch-SR2.3 Latch tipo D

3. CIRCUITOS ARITIMÉTICOS DIGITAIS

3.1 Circuitos Combinacionais 3.2 Introdução.3.3 Circuitos com 2 duas Variávies3.4 Circuitos aritméticos 3.5 Somador Completo3.6 Somador completo a partir de meio somadores3.7 Circuito completo com essa ligação.3.8 Meio subtrator3.9 Sub-trator Completo a partir de Meio Sub-tratores.3.10 Somador / Subtrator Completo

4. AMPLIFICADOR OPERACIONAL

4.1 CONCEITO4.2 PRINCIPAL CARACTERISTICAS DE UM AMPOP4.3 DESCRIÇÕES DE FUNCIONAMENTO4.4 APLICAÇÕES PARA O AMPLIFICADOR OPERACIONAL

4.5 BREVE HISTORICO DO AMPLIFICADOR OPERACIONAL4.6 CODIGOS DE ALGUNS FABRICANTES4.7 MODOS DE FUNCIONAMENTO4.8 CARACTERÍSTICAS DE UM AMPOP IDEAL 4.8.1 Ganho de Tensão 4.8.2 - Tensão de OFFSET 4.8.3 SLEW RATE 4.8.4 OVERSHOOT 4.9 ALIMENTAÇÃO DO AMPLIFICADOR OPERACIONAL4.10 MÉTODOS DE POLARIZAÇÃO DO AMPLIFICADOR 4.10.1 Modos de operação: 4.10.2 - Sem Realimentação 4.10.2 - Realimentação positiva 4.10.3 - Realimentação Negativa 4.11 CONCEITO DE CURTO-CIRCUITO VIRTUAL 4.12 - CIRCUITOS BÁSICOS COM AMP OP4.12.1 - Amplificador Inversor 4.12.2 - Amplificador Não Inversor 4.12.3 - Amplificador Somador 4.12.4 - Amplificador Subtrador 4.12.5 - Comparador

5. SENSORES

5.1 - Introdução5.2 - Definições de Sensores5.2.1 - Sensores Analógicos5.2.2 - Sensores Digitais5.3 - Principais tipos de sensores5.3.1- Sensores de luz5.3.2 - Sensores de temperatura5.3.3 - Sensores de calor5.3.4 - Sensores de radiação5.3.5 - Sensores de partículas subatômicas5.3.6 - Sensor de resistência elétrica5.3.7 - Sensores de corrente elétrica

5.3.8 - Sensores de tensão elétrica5.3.9 - Sensores de potência elétrica5.3.10 - Sensores magnéticos5.3.11 - Sensores de pressão5.3.12 - Sensores de fluxo de gás e líquido5.3.13 - Sensores químicos5.3.14 - Sensores de movimento5.3.15 - Sensores de orientação5.3.16 - Sensores mecânicos5.3.17 - Sensores de proximidade5.3.18 - Sensor whisker5.3.19 - Sensores de distância (sem contacto)5.3.20 - Sensores acústicos5.3.21 - Sensores binoculares5.3.22 - Sensor de umidade5.3.23 - Sensores de toque5.4 - Neste estudo vamos detalhar mais especificadamente o Sensor Ultra-sônico5.5 - Conclusão

6. ENTREVISTA SOBRE SENSORES INDUSTRIAIS

7. BIBLIOGRAFIA

1. CIRCUITOS CODIFICADORES E DECODIFICADORES

1.1 CODIFICADORES DIGITAIS

Nada mais é do que o inverso do Decodificador.

O codificador é um circuito lógico que, como o próprio nome diz, codifica um sinal que se encontra em uma forma para outra forma, usando um tipo de código.

Estrutura: Ele contém E entradas e S saídas. Seu uso correto se dá quando no máximo uma entrada tem o valor 1, ou alto (As demais, portanto, serão 0, ou baixo).O trabalho do codificador é transformar o valor de entrada no valor de saída.O valor de entrada indica qual dos pinos de entrada está na posição 1.O valor de saída também indica qual dos pinos de entrada está na posição 1, mas de uma maneira diferente.

Sim, porque existem diversas maneiras de representar um mesmo valor.

Um exemplo bem simples pode explanar de uma forma mais fácil e didática de como entendi este assunto.

Suponha que vou comprar um carro na concessionária, e me disponibilizaram um mísero teclado para selecionar o modelo que desejo comprar.

Fig.1

Os mecânicos que montam o carro precisam saber qual modelo será escolhido.

Uma solução para a comunicação entre eu e os mecânicos, seria esta:

C1- FORD

C2-FORS

C3-ECO SPORT

C4-FORD KA

Figura. 2- Exemplo de codificador

Observe que, para transmitir a minha opção, foram usados 4 fios elétricos (vermelhos).Como só existem 4 opções possíveis (Carro 1, 2,3 e 4), é possível representar a escolha com dois dígitos binários (pois 2 dígitos binários podem representar 4 valores diferentes). Deste modo, numa segunda solução para transmitir a opção escolhida, vai ser necessário apenas 2 fios vermelhos. A correspondência entre os dígitos binários e a escolha está na tabela abaixo:

D.B. Escolha

00 Carro 1

01 Carro 2

10 Carro 3

11 Carro 4

Correspondência entre os 2 dígitos binários e a escolha

Tabela. 1 - Tabela de equivalência

O problema agora é transformar o impulso elétrico dos botões nos dígitos binários. E depois, lá na oficina, transformar estes dígitos binários em impulsos para os leds. Os circuitos que fazem estas transformações são, respectivamente, o codificador e decodificador. O circuito da segunda solução é o seguinte:

Figura. 3 - Exemplo de codificador

Portanto, o codificador transforma um valor em seu valor codificado, que no nosso exemplo é transformar a escolha (C1, C2, C3, C4) em dígitos binários (DB1, DB2). O codificador é o seguinte (tendo em vista que existem várias configurações para um codificador):

Como se vê, não é necessário que haja uma relação entre o número de entradas e de saídas em um codificador.

1.2 DECODIFICADORES DIGITAIS

Nada mais é do que, um transformador de conjunto de sinais BCD, Código de Gray, Binário, XS-3 ou de outra forma normalmente usada pelos circuitos digitais para a forma decimal, ou outra forma que seja apropriada. Lembrando que ele ativa somente, a saída correspondente ao código de entrada.

O código, que é o endereço da saída a ser ativada, pode der apresentado ao codificador de várias maneiras. Ex: através de outro circuito lógico, tais como endereços de um microprocessador, ou de chaves e contatos.

Fig. 4

Na maioria das vezes estes circuitos, são utilizados na conversão de códigos para circuitos de acionamento de Displays, facilitando a compreensão pelo usuário.

CARRO-1

CARRO-2

CARRO-3

CARRO-4

CARRO-1

CARRO-2

CARRO-3

CARRO-4

Código Binário de Entrada.

Código Binário de Saída.

DECODIFICADO

No exemplo abaixo, pude observar a forma em que um circuito decodificador opera.

Este é um dos decodificadores mais utilizados em sistemas digitais por que

Converte informações codificadas em BCD para um código especial que, aplicado ao display de 7 segmentos, fornece visualmente as informações. Os displays de 7 segmentos são dispositivos formados por 7 leds, dispostos com mostra a figura abaixo:

Cada um dos 7 segmentos do display é formado por um led, e estes 7 leds podem estar conectados pelo catodo (catodo comum), acendendo quando recebem nível lógico “1”.

Figura. 5 - Display de 7 segmentos.

Exemplo: Para o código em BCD igual a 0000, sendo o equivalente ao algarismo decimal zero, somente o segmento “g” do display deve permanecer apagado.

Para o código BCD em 0101, com equivalente em decimal igual ao algarismo decimal 5:

a

b

c

d

e

f

g

Figura. 6 - Display de 7 segmentos com numero 5.

O mesmo raciocínio é utilizado para o restante dos algarismos de 0 à 9, e os números decimais podem ser representados utilizando-se um display de 7 segmentos para cada casa decimal. Alguns displays podem possuir um segmento a mais no formato de ponto para indicar casas decimais.

Tabela verdade para o decodificador BCD - 7 Segmentos para display catodo comum:

D C B A a b c d e f g0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 00 0 0 1 0 1 1 0 0 0 00 0 1 0 1 1 0 1 1 0 10 0 1 1 1 1 1 1 0 0 10 1 0 0 0 1 1 0 0 1 10 1 0 1 1 0 1 1 0 1 10 1 1 0 1 0 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 0 0 1 01 0 0 0 1 1 1 1 1 1 11 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1

Tabela.2 - Tabela verdade para o decodificador BCD

a

b

ce

f

g

d

1.3 - CONCLUSÃO

Ficou muito claro que os circuitos, Codificadores e Decodificadores são essenciais para a eletrônica.

Um exemplo muito claro, desta afirmação é a comunicação da CPU e seus periféricos, (mouse, teclado, vídeo, impressoras e outros)...

Todo microprocessador, possui um circuito decodificador, e sua função é decodificar, as instruções existentes na linguagem de máquina. A linguagem de máquina nada mais é do que os conhecidos números binários. Cada número representa uma operação que será executada, alimentando um determinado circuito lógico, existente no interior do processador. E o responsável por alimentar o circuito lógico, é o Decodificador, que recebe uma determinada instrução, ligando a saída que alimentara o circuito correspondente, por realizar determinada tarefa.

2. MEMÓRIAS LATCH

2.1 Latch. A forma mais básica de implementar-se um circuito lógico de memória é conhecida como latch, que significa, em português, trinco, ferrolho. Sua arquitetura é composta de duas portas lógicas inversoras, possuindo duas saidas: a variável lógica Q e o seu complemento lógico, se você impõe nível lógico alto (1) em Q, seu complemento vai para o nível lógico baixo (0). Esse estado (Q = 0) permanecerá até que você imponha nível lógico baixo a Q. É ou não é um dispositivo de memória? Evidentemente, o latch só consegue armazenar um único bit. Se você precisar armazenar palavra de mais de um bit, você precisará de um latch para cada bit (por exemplo, uma palavra de 32 bits precisa de um dispositivo de memória de 32 latch´s para ser armazenada). Um latch, portanto, é um elemento básico de memória que opera sob níveis de sinal (isto é, ativo quando o sinal é 1 ou 0.

2.2 Latch-SR. Pode-se, também, construir um latch com outras portas lógicas (OR e AND), e, de quebra, ainda pode-se disponibilizar entradas para o latch. Um latch construido dessa forma é chamado LATCH-SR. Veja o latch-SR construido com porta NAND.

Latch-SR com portas NAND Tabela Característica

S R Qt+1 Próximo estado

0 0 ? Estado não usado

0 1 1 Estado SET

1 0 0 Estado RESET

1 1 Qt Mantém o estado atual

Fig.1

Note que este Latch-SR possui duas portas NAND entrelaçadas com duas entradas, S e R. Também possui duas saidas, uma denominada Q, e a outra sendo o complemento

de Q. Independentemente dos valores lógicos atribuidos a S e a R, estas variáveis são referências aos valores da variável de estado do Latch-SR. Em primeiro lugar, especifica-se o estado do Latch-SR através do par Q e seu complemento,

É claro que a escolha adequada das entradas poderá produzir um dos dois estados, de acordo com a tabela característica vista acima. Note que o estado SET é alcançado pela combinação S = 0 e R = 1. O estado RESET por S = 1 e R = 0. Já na combinação S = 1 e R = 1, o estado atual é mantido. Finalmente, a combinação S = 0 e R = 0, não é utilizada pelo simples fato de produzir um estado indefinido, daí o uso do símbolo ?.

A outra implementação de latch com duas entradas faz uso de portas NOR.

Latch-SR com portas NOR Tabela Característica

S R Qt+1 Próximo estado

0 0 Qt Mantém o estado atual

0 1 1 Estado SET

1 0 0 Estado RESET

1 1 ? Estado não usado

Fig. 2

Note que a diferença entre as duas implementações está na combinação SR que leva ao estado indefinido. É claro que o aparecimento de estado indefinido representa uma desvantagem dos Latches-SR. Um avanço possível na direçao da eliminação desse problema é a inclusão de um terceira entrada de controle, C. Seu diagrama lógico com a respectiva tabela característica são dados por.

Latch-SR com entrada de controle Tabela Característica

C S R Próximo estado

0 X XMantém o estado

atual

1 0 0Mantém o estado

atual

1 0 1 0

1 1 0 1

1 1 1 Estado não usado

Fig. 3

Esta entrada de controle "habilita" o latch; é usada para restringir entradas que possam afetar o estado do latch.

2.3 Latch tipo D. Você pode notar que o latch-SR possui uma séria desvantagem: o estado indefinido que não pode ser usado. Mas tem uma vantagem: com o entrada de controle, não há necessidade de fazer-se uma combinação de S e R para manter-se o atual estado. Porisso, necessita-se apenas da entrada de controle, C, e de mais uma única entrada, a qual chamaremos de D. A esta nova configuração daremos o nome de latch tipo D.

Latch tipo DTabela

Característica

D DPróximo estado

0 XMantém o estado

atual

1 0 0

1 1 1

Fig. 4

Observe que a entrada D substitui, com vantagem, as duas anteriores, S e R. Primeiro porque você mantém o estado atual pela desabilitação do latch via entrada de

controle, ou seja, C = 0; e depois, pela eliminação do estado indefinido, pelo fato de voce não mais permitir a combinação S = R = 1, pela inclusão de um inversor.

Mas há, também, uma desvantagem. É que, enquanto a entrada de controle é mantida alta, e se houver uma flutuação no sinal D, a saida Q, do Latch D, também flutuará, eventualmente mudando de estado. Significa que o estado do latch D não é estável, o que será resolvido.

3. CIRCUITOS ARITIMÉTICOS DIGITAIS

3.1 - Circuitos Combinacionais

3.2 Introdução.

Antes de começarmos a falar de circuitos aritméticos devemos primeiramente os observar os circuitos combinacionais , aonde através deste assunto estenderemos como funciona: Somadores, subtratores,circuitos que executam prioridades,codificadores, decodificadores e outros circuitos que são utilizados em várias aplicações.

Circuitos combinacional é aquele em que a saída depende exclusivamente de suas combinações de entrada.

Podemos utilizar estes circuitos para a resolução de problemas que necessitam de uma resposta, de acordo com suas variáveis de entrada.

Figura. 1 – Sequência de processo.

Figura 1

Figura. 2 - Esquema geral de um esquema combinacional compostos de suas variáveis de entradas e sua (as) saída (s).

Figura. 2

Pode-se notar que o circuito lógico pode possuir uma ou mais variáveis de entrada e uma ou mais saídas, conforme a definição do projeto aplicado.

3.3 - Circuitos com 2 duas Variávies.

Figura 3 - Representa o cruzamento de duas ruas A e B , aonde vai ser instalado um sistema de semáforo automático , com as seguintes características.

Figura. 3

1° Quando carro houver transitando somente na rua B e o semáforo 2 deve permanecer verde , para que haja transito de viaturas.

2° Quando carro houver transitando somente na rua A o semáforo 1 deve permanecer verde pelo mesmo motivo do 1° caso.

3° Quando houver transito na rua A e B deve dar preferência para a rua A

Analisando as situações poderemos montar a expressão lógica do circuito.

Figura 4 – Tabela totalmente preenchida.

Fig. 4

Transpondo para tabela de Karnaugh e agrupando poderemos obter a expressão simplificada das saídas , V1/ Vm1/V2/Vm2.

Figura. 5

Observando a figura acima o circuito resultante é:

Figura. 6

Com as definições de circuitos combinacionais podemos obter vários circuitos com mais variáveis de entrada.Essas definições são obtidas através de situações práticas de maneira geral. Existem outros circuitos destinados a aplicações específicas empregados, sobretudo em arquiteturas internas de circuitos integrados.

3.4 - Circuitos aritméticos

Os circuitos abaixo são utilizados principalmente na construção da ULA (Unidade Lógica Aritmética), dos microprocessadores e circuitos comerciais.

Meio somador

Representação em blocos

Figura. 7

Este circuito é conhecido também como Hafl Adder sendo a saída de transporte denominada carry out ambos derivados do inglês.

3.5 - Somador Completo

Possibilita somar números binários com 1 algarismo, para somar números com mais algarismo este circuito torna-se insuficiente.

Aplicação utilizando meio somador e somador completo.

Figura – 8

3.6 - Somador completo a partir de meio somadores

Podemos construir um somador completo a partir de 2 meio somadores.

Vamos analisar a expressão dos blocos abaixo.

Fig. 9

Fatorando a expressão temos:

Ligando A e B nas entradas do meio somador 1 , temos.

Fig. 10

Ligando a saída S no meio somador 1 a entrada x do outro meio somador e a entrada y , deste a variável Te temos:

Figura. 11

3.7 - Circuito completo com essa ligação.

Figura. 12

3.8 - Meio subtrator

O meio subtrator completo possibilita efetuar subtração de 1 algarismo , para fazer subtração com mais de 1 algarismo esse circuito torna-se insuficiente.

Figura.13

Figura em blocos, derivação do inglês full subtractor.

Podemos esquematizar para 2 números

Figura.14

3.9 – Sub-trator Completo a partir de Meio Sub-tratores.

Pode-se construir um Sub-trator completo a partir de 2 Meio Sub-tratores.

Vamos analizar as expressões em blocos.

Fig. 15

Ligando A e B nas entradas X e Y do meio subtrator 1 temos.

Figura 16

Ligando a saída S na entrada X do segundo bloco , e a variável Y na entrada Te , temos.

Figura. 17

Circuito completo com todas as ligações.

Figura. 18

3.10 Somador / Subtrator Completo

Podemos fazer um circuito que efetue as duas operações, se introduzir uma entrada com nível zero e permanecendo o circuito efetuara a soma completa , e se introduzir uma entrada com nível 1 faz a subtração completa.

Observe diagrama completo do circuito.

Figura. 19

Circuito em bloco.

Figura. 20

4. AMPLIFICADOR OPERACIONAL

4.1 CONCEITO

O amplificador operacional, também conhecido como AMPOP é um amplificador CC multi-estágio, com entrada diferencial, cujas características se aproximam de um amplificador ideal.

4.2 PRINCIPAL CARACTERISTICAS DE UM AMPOP

a) Resistência de entrada infinita;

b) Resistência de saída nula;

c) Ganho de tensão infinito;

d) Resposta de freqüência infinita;

e) Insensibilidade à temperatura.

Mais adiante iremos analisar cada uma das características citadas acima.

4.3 DESCRIÇÕES DE FUNCIONAMENTO

O AMPOP é um componente eletrônico compacto construído da junção de resistores, capacitores e transistores.

A principal função dos amplificadores operacionais é a de amplificar tensão. Conjugando estes dispositivos com outros componentes, podem efetuar-se montagens que desempenhem outras funções sobre os sinais.

Este componente em tempos passados era largamente utilizado para computar as operações matemáticas como soma e integrações. Por isso recebe o nome de Amplificador Operacional. De acordo com o avanço tecnológico o Operacional foi anexado ao nome devido a sua versatilidade em implementações antes complexas e nos mais variados projetos.

Sua representação gráfica é dada pela figura abaixo:

Figura 1 – Diagrama elétrico de um Amplificador Operacional

V+ – Entrada não Inversora

V- – Entrada Inversora

VO – Tensão de Saída

V0 = A.(V+ - V-)

O AOP possui duas entradas e uma saída onde à função é apresentar na saída o múltiplo da diferença entre as duas entradas onde A é o ganho de tensão do Amplificador Operacional.

4.4 APLICAÇÕES PARA O AMPLIFICADOR OPERACIONAL

É muito difícil enumerar a totalidade das aplicações deste componente, podemos dizer que sua utilização está presente na maioria dos equipamentos de sistemas de controle industrial, instrumentação nuclear e petroquímica, equipamentos médicos, computadores, aparelhos de som, etc.

4.5 BREVE HISTORICO DO AMPLIFICADOR OPERACIONAL

Os primeiros AOP’s foram desenvolvidos na década de 40 através de válvulas, as características destes primitivos AOP’s eram bastante ruins. Com o surgimento do transistor na década de 50 foi possível evoluir o AOP com características bastante razoáveis. Porém foi quando na década de 60 com o surgimento dos circuitos integrados que o amplificador operacional teve sua maior evolução onde no ano de 1963 a FAIRCHILD SEMICONDUCTOR® lançou o seu primeiro AOP monolítico μA702. Também como tudo que se desenvolve o μA702 apresentou uma série de problemas, tais como:

- Baixa resistência de entrada;

- Baixo ganho;

- Alta sensibilidade a ruídos;

- Necessidade de alimentação diferenciada (-6V e +12V).

Foi então que a própria FAIRCHILD, com apoio de Robert Widlar e sua equipe lançou em 1965 o conhecido μA709. Este último foi considerado o primeiro AOP “confiável” lançado no mercado. A seguir a mesma equipe projetou o μA741, o que foi lançado pela FAIRCHILD em 1968 e até hoje estes dois AOP’s ocupam posição de destaque no segmento. Evidentemente como os avanços tecnológicos não param hoje temos diversos tipos de AOP’s com características superiores às do μA709 e μA741, por exemplo, LF351 (NATIONAL) e CA3140 (RCA) que utilizam jfet´s em sua construção.

4.6 CODIGOS DE ALGUNS FABRICANTES

Existem inúmeros fabricantes de Amplificadores Operacionais. Cada fabricante possui uma codificação diferente para identificar seus produtos. Um mesmo integrado pode ser produzido por vários fabricantes diferentes. Sendo assim é importante que o projetista conheça os diferentes códigos para poder identificar o fabricante e buscar o manual do mesmo (DATABOOK). Na tabela a seguir temos a codificação usada pelos fabricantes mais conhecidos no Brasil. Tomamos como exemplo o 741.

FABRICANTES CÓDIGOSFAIRCHILD A741NATIONAL LM741MOTOROLA MC741RCA CA741TEXAS SN741SIEMENS TBA221 (741)

Tabela 1 – Alguns fabricantes de amplificadores operacionais

4.7 MODOS DE FUNCIONAMENTO

O AOP tem a função de amplificar o resultado da diferença entre suas entradas como no exemplo a seguir:

Figura 2 – Exemplo de funcionamento de um Amplificador Operacional

O exemplo acima está usando a diferença entre os dois sinais contínuos. Supondo que o ganho A seja de 100.000. Portanto a tensão de saída (VO) será VO = 100.000 (4,75mV – 4,8mV) = -5,0V. Por definição sempre o ganho A será positivo e sempre que V+ - V- for menor que zero a tensão de saída será negativa ou vice versa.

4.8 CARACTERÍSTICAS DE UM AMPOP IDEAL

Ri = α

Ri = α RO = 0

Figura 3 – Características de um amplificador operacional

1) AMPOP ideal só amplifica a diferença dos sinais de entrada, nunca amplifica o sinal comum às duas entradas. Portanto podemos dizer que o AMPOP ideal nunca satura.

2) AMPOP ideal não consome e nem fornece corrente através de suas entradas, conseqüentemente a impedância das entradas do AOP é infinita (R1 = α)

3) AMPOP ideal tem impedância de saída nula (RO = 0). Isto significa que a saída é uma fonte de tensão ideal independente da corrente drenada pela carga acoplada à saída.

4) AMPOP ideal deve ter ganho A = α (infinito), ou seja, para que a ampliação seja viável, inclusive para sinais de baixa amplitude o ganho de tensão é infinito.

5) AMPOP ideal deve ter um ganho A constante que independe do valor da freqüência dos sinais de entrada, não deve introduzir defasagem ou mesmo atraso no circuito e A é um número real e positivo.

6) AMPOP ideal deve apresentar insensibilidade a temperatura.

4.8.1 Ganho de Tensão

O ganho de tensão que é obtido através da relação entre a tensão de saída pela tensão de entrada.

4.8.2 - Tensão de OFFSET

Um AmpOP real tem a saída de um amplificador ideal nula, mas quando suas entradas estão em curto circuito. Nos amplificadores reais acontece um casamento de impedâncias imperfeito dos dispositivos de entrada normalmente diferencial a saída do AmpOP pode ser diferente de zero quando ambas as entradas assumem potencial zero. Significa dizer que há uma tensão CC equivalente, na entrada chamada de tensão de OFFSET. Os valores desta tensão normalmente nos amplificadores comerciais estão situados na faixa de 1 a 100mV os componentes comerciais estão dotados de entradas para ajuste da tensão de OFFSET.

4.8.3 SLEW RATE

Define-se SLEW RATE (SR) de um amplificador como sendo a máxima variação de tensão de saída por unidade de tempo. Normalmente o SR é dado em V/μs.

Em termos gerais, podemos dizer que o valor de SR nos dá a “velocidade” de resposta do amplificador. Quanto maior o SR, melhor será o amplificador.

Costuma-se traduzir SLEW RATE por taxa de subida, taxa de resposta, taxa de giro, etc.

4.8.4 OVERSHOOT

Finalmente, resta-nos considerar outra característica citada nos manuais dos fabricantes denominada OVERSHOOT, a qual costuma ser traduzida por “sobre passagem” ou “sobre disparo”. O OVERSHOOT é o valor, dado em porcentagem, que nos indica quanto o nível de tensão de saída foi ultrapassado durante a resposta

transitória do circuito, ou seja, antes da saída atingir o estado permanente. Para o 741, o OVERSHOOT é da ordem de 5%. Convém frisar que o OVERSHOOT é um fenômeno prejudicial, principalmente quando se trabalha com sinais de baixo nível.

4.9 ALIMENTAÇÃO DO AMPLIFICADOR OPERACIONAL

Figura 4 – Esquema de alimentação de um amplificador operacional

4.10 MÉTODOS DE POLARIZAÇÃO DO AMPLIFICADOR

4.10.1 Modos de operação:

- Sem Realimentação;

- Realimentação Positiva;

- Realimentação Negativa;

4.10.2 - Sem Realimentação

Este modo é conhecido como operação em malha aberta, por utilizar o ganho do operacional estipulado pelo fabricante, ou seja, não se tem o controle do mesmo. Este modo de operação é largamente empregado em circuitos comparadores.

Figura 5 – Esquema de alimentação de um amplificador operacional em malha aberta.

4.10.2 - Realimentação positiva

Este modelo de operação é denominado operação em malha fechada. Pois o ganho do operacional é obtido pelo projetista. Apresenta como desvantagem uma instabilidade ao circuito. É aplicado em circuitos osciladores.

Neste modo de operação o ANP não trabalha como amplificador de sinais, pois sua resposta não é linear.

Figura 6 – Esquema de alimentação de um amplificador operacional em malha fechada

4.10.3 - Realimentação Negativa

Este modo de operação é o mais importante e o mais utilizado em circuitos com AmpOP, veja que a saída é reaplicada à entrada inversora do AmpOP através de RF. Existem várias aplicações para os AmpOP com realimentação negativa entre elas podemos destacar:

- Amplificador Inversor;

- Amplificador Não Inversor;

- Amplificador Somador;

- Amplificador Diferencial;

- Diferenciador;

- Integrador;

- Filtros Ativos, etc.

Este modo de operação como na realimentação positiva tem característica de malha fechada, ou seja, o ganho é determinado por R1 e RF e pode ser controlado pelo projetista.

Figura 7 – Esquema de alimentação utilizando realimentação negativa

4.11 CONCEITO DE CURTO-CIRCUITO VIRTUAL

Denomina-se o termo curto circuito virtual para designar o estado onde as tensões em dois pontos distintos são idênticas (como em um curto-circuito) e suas correntes são nulas.

4.12 - CIRCUITOS BÁSICOS COM AMP OP

4.12.1 - Amplificador Inversor

Figura 8 – Esquema elétrico de um amplificador inversor

4.12.2 - Amplificador Não Inversor

Figura 9 – Esquema elétrico de um amplificador não inversor

4.12.3 - Amplificador Somador

Amplificador somador tem a finalidade somar dois ou mais valores de entradas analógicas ou digitais em tempo real. Exemplo pode-se somar uma rampa, uma senoíde e um nível contínuo instantaneamente em tempo real.

Empregado em misturadores de sinal.

Circuito Padrão.

Figura 10 – Esquema elétrico de um amplificador Somador

4.12.4 - Amplificador Subtrador

O Amplificador subtrator tem a finalidade de amplificar as diferenças de tensões entre as suas entradas.

Figura 11 – Esquema elétrico de um amplificador Subtrador

4.12.5 - Comparador

Freqüentemente precisamos comparar uma tensão com outra para verificar qual delas é a maior. Tudo o que precisamos é uma resposta sim/não. Um comparador é um circuito com duas tensões de entrada (não inversora e inversora) e uma tensão de saída. Quando a tensão não inversora for maior que a tensão inversora, o comparador produzirá uma alta tensão “1”; quando a entrada não inversora for menor que a entrada inversora, a saída se baixa “0”. A saída alta simboliza a resposta sim e a resposta não será mais baixa.

A maioria dos circuitos comparadores são construídos por AOP’s na configuração de malha aberta ou às vezes tendo sua tensão de saída limitada por diodo zener. Na maioria dos casos o diodo zener também é utilizado como tensão de referencia.

Figura 12 – Esquema elétrico de um Comparador

Na prática quando se projetam circuitos comparadores, é muito comum a utilização de dois diodos em antiparalelo, colocados entre os terminais da entrada para proteger o estágio diferencial contra possíveis sobre tensões ou sobre correntes que possam danificar o integrado. Conforme o circuito ao lado.

Figura 13 – Esquema elétrico de um Comparador com proteção

5. SENSORES DIGITAIS E ANALÓGICOS.

Introdução

Em vários projetos o uso de sensores é indispensável. Através de sensores, podemos fazer a leitura de determinadas características do ambiente, tais como a presença de um obstáculo no caminho de um robô a temperatura de um motor ou o fato de uma porta estar fechada ou não, e responder de acordo com a resposta, ou seja, criar um sistema capaz de interagir com o ambiente.

Nesta monografia, serão apresentados diversos tipos de sensores, desde modelos comuns até alguns mais elaborados.

5.2 - Definições de Sensores

Podemos definir a palavra sensor como “aquilo que sente”. Na eletrônica, um sensor é conhecido como qualquer componente ou circuito eletrônico que permita a análise de uma determinada condição do ambiente, podendo ela ser algo simples como temperatura ou luminosidade; uma medida um pouco mais complexa como a rotação de um motor ou a distância de um carro até algum obstáculo próximo ou até mesmo eventos distantes do nosso cotidiano, como a detecção de partículas subatômicas e radiações cósmicas.

Os sensores podem ser classificados como um tipo de transdutor. Um transdutor é um componente que transforma um tipo de energia em outro. Um motor, por exemplo, é um tipo de transdutor, pois converte energia química ou elétrica em energia mecânica. Um alto-falante também é um transdutor, já que ele transforma energia elétrica em som. Porem, um sensor pode ser definido como um transdutor específico, que transforma algum tipo de energia (luz, calor, movimento) em energia elétrica, utilizada para a leitura de alguma condição ou característica do ambiente.

O desenvolvimento de sensores e as suas aplicações trouxeram como conseqüência inúmeras vantagens ou comodidades para a vida moderna. Desde a possibilidade de aumentar a eficiência no funcionamento de um motor ou de uma linha de produção, até realizar uma pesquisa científica com maior precisão e em menor tempo, até o fato de poder estacionar o carro sem o perigo de batê-lo ou de ter a segurança de que qualquer tentativa de furto de sua casa poderá ser frustrada, tais são as vantagens oferecidas pelo uso de sensores.

Apesar de ser imensa a variedade de sensores elétricos, podemos dividi-los basicamente em dois tipos:

5.2.1 - Sensores Analógicos

Podem assumir qualquer valor no seu sinal de saída ao longo do tempo, desde que esteja dentro da sua faixa de operação.

5.2.2 - Sensores Digitais

Podem assumir apenas dois valores no seu sinal de saída ao longo do tempo (zero ou um).

5.3 - Principais tipos de sensores

5.3.1 Sensores de luz: células solares, fotodiodos, fototransístores, tubos fotoelétricos, CCDs (charge-coupled device, ou dispositivo de carga acoplado, sensor para a gravação de imagens), radiômetro de Nichols, sensor de imagem sensores de som: microfones, hidrofone (transdutor eletroacústico que responde as fontes sonoras e as transforma em impulsos elétricos equivalentes), sensores sísmicos.

5.3.2 Sensores de temperatura: termômetros, termopares, resistências sensíveis a temperatura (termístores), termômetros bi-metálicos e termostatos.

5.3.3 Sensores de calor: bolómetro (instrumento elétrico p/ a detecção do calor (radiante), calorímetro.

5.3.4 Sensores de radiação: contador Geiger, dosímetro (p/ a medição da exposição diária ao ruído).

5.3.5 Sensores de partículas subatômicas: cintilómetro, câmara de nuvens, câmara de bolhas.

5.3.6 Sensor de resistência elétrica: ohmímetro.

5.3.7 Sensores de corrente elétrica: galvanômetro, amperímetro.

5.3.8 Sensores de tensão elétrica: eletrômetro, voltímetro.

5.3.9 Sensores de potência elétrica: wattímetro.

5.3.10 Sensores magnéticos: bússola magnética, bússola de fluxo de porta, magnetómetro, dispositivo de efeito Hall.

5.3.11Sensores de pressão: barômetro, barógrafo, pressure gauge, indicados da velocidade do ar, variómetro (indicador de velocidade vertical).

5.3.12 Sensores de fluxo de gás e líquido: sensor de fluxo, anemômetro, medidor defluxo, gasômetro, aquometro, sensor de fluxo de massa.

5.3.13 Sensores químicos: elétrodo ião-selectivo, elétrodo de vidro para medição de pH, elétrodo redox, sensor lambda

5.3.14 Sensores de movimento: arma radar (radar gun), velocímetro, tacômetro, hodómetro, coordenador de giro.

5.3.15 Sensores de orientação: giroscópio, horizonte artificial, giroscópio de anel de laser (ring laser gyroscope)

5.3.16 Sensores mecânicos: sensor de posição, selsyn, chave, strain gauge

5.3.17 Sensores de proximidade: Um tipo de sensor de distância, porém menos sofisticado, apenas detecta uma proximidade específica. Uma combinação de uma fotocélula e um LED ou laser. Suas aplicações são nos telefones celulares, detecção de papel nas fotocopiadoras entre outras.

5.3.18 Sensor whisker: Um tipo de sensor de toque e proximidade.

5.3.19 Sensores de distância (sem contacto): Uma série de tecnologias pode ser aplicada para captar as distâncias: Captação auto inicializável e livre varredura por laser - Um raio de laser é enviado ao alvo por um espelho. Um sensor de luz responde quando o raio é refletido de um objeto ao sensor, então a distância é calculada por triangularização.

5.3.20 Sensores acústicos: usam o retorno do eco de ultra sons que se propagam na velocidade do som. Usada nas câmaras polaróide do meio do século XX e também aplicado na robótica. Sistemas mais antigos como Fathometros (e localizadores de peixes) e outros sistemas Sonar (Sound Navigation And Ranging) em aplicações navais utilizavam em sua maioria freqüências de sons audíveis foco. Lentes de grande abertura são focalizadas por um sistema motorizado. A distância de um elemento "em foco" pode ser determinada pela posição das lentes.

5.3.21 Sensores binoculares: Duas imagens são obtidas em uma base conhecida e colocadas em coincidência por um sistema de espelhos e prismas. O ajuste é utilizado para determinar a distância.

5.3.22 Sensor de umidade: Há vários tipos de sensores de umidade. O tipo mais simples pode ser construído com apenas dois fios desencapados conectados à placa Gogo. Quando o solo fica mais úmido, ele conduz mais eletricidade e o valor do sensor muda. A mesma idéia pode ser usada para construir um sensor de água: se os fios tocam a água, há condução de energia através do líquido e a placa Gogo acusará a mudança.

5.3.23 Sensores de toque: Os sensores de toque são o tipo mais simples de sensores, mas são extremamente úteis. Seu princípio de funcionamento é bastante simples: duas superfícies metálicas, quando pressionadas, fecham o contato elétrico. É exatamente assim que funciona um interruptor de luz ou uma campainha.

5.4 – Neste Estudo vamos detalhar o Sensor ultra-sônico

- Princípio de Funcionamento

O sensor emite pulsos cíclicos ultra-sônicos que refletidos por um objeto incidem no receptor, acionando a saída do sensor.

- Definição da faixa de medição.

Fig. 1

Fig.2

5.4.3 - Alinhamento angular

Fig.3

- Alinhamento Angular - Aplicação

Fig.4

- Cone sonoro – Ganho em dB

Fig.5

5.4.6 - Formas de Atuação

Fig.6

- Zonas Livres

Fig.7

– Vantagens

Para detecção de objetos a distâncias determinada

Detecção de objetos de diferentes materiais, formas e cores

Detecção de objetos pequenos em longa distância

Funcionamento constante sem manutenção

Pode ser usado- como sensor de proximidade com supressão de fundo- como barreira de reflexão- para saída da distância de objeto de forma digital ou analógica

- Comparação entre Sensores de proximidades Ultra-sônicos e Ópticos

-Ultra-sônico

fig.8

- Materiais e Objetos

Fig.9

5.4.11 - Exemplos de Aplicações

Fig.10

- Influências Ambientais

Insensível a pó, neblina

- Como especificar um sensor

Para a especificação do sensor é necessário especificar vários detalhes como, por exemplo:

- Distância de sensoriamento: SN

- Tensão de alimentação: VCA / VCC Tipos de saída: CA CC PNP NPN Saídas: NA, NF ou NANF

- Material a ser detectado:

- Metal (ferroso, não-ferroso, opaco, translúcido, transparente)- Não metal

- Dimensões do alvo:

- Diâmetro- Final alvo: brilhante / escuro

- Conexão elétrica: cabo, conector

- Temperatura de operação ambiente: ºC

- Ambiente: poeira, óleo, umidade/névoa

- Detecção cores. Proteção contra água. Tipo de Excitação: LO e DO

5.5 - Conclusão

Sensor é um dispositivo que detecta um estímulo físico (calor, luz, som, pressão, campo magnético, movimento, etc...). E transmite um estímulo, operante e correspondente, para que de alguma forma esta informação seja utilizada em um determinado processo, ou ambiente.

6.0 ENTREVISTA

Entrevistado.

Sr. Marcos Augusto de Lima

Função: Gestor do Setor de Manutenção de Máquinas e Automação.

Empresa: RCG Tecnologia Eletromecânica.

Data: 07/06/2010.

1- Senhor Marcos como o senhor define, a importância dos sensores no seu meio de trabalho?

R: Defino como uma ferramenta imprescindível, na realização de análise e também de aviso sobre diversos tipos de problemas, e também no desenvolvimento de novas automações.

2- Quais tipos de sensores são mais utilizados na empresa RCG?

R: Aqui utilizamos diversos tipos de sensores, como sensor de movimento, utilizado nas câmeras de circuito interno, sensor de temperatura utilizado nas máquinas de solda de placas, sensores ópticos utilizados em diversas máquinas onde a função destes é garantir um funcionamento correto das máquinas, sensor magnético utilizado nos portões automáticos, e outros que não me recordo no momento.

3- Estes sensores utilizados no dia a dia são de fácil acesso?

R: A maioria deles sim é comum de se encontrar em lojas do ramo, claro que às vezes acontece de algum se danificar, e não temos um backup imediato, somente existe

backup de sensores, que quando apresentam problemas podem interferir na segurança do operador ou prejudicar a produtividade da empresa.

4- Durante o período que tem trabalhado com sensores, houve realmente uma evolução tecnológica muito grande?

R: Sim claro que houve principalmente, em relação aos sensores analógicos, um exemplo bem simples, é o fim de curso do portão, antes utilizava se swchit, que eram na verdade totalmente mecânicos, já que conforme o portão fechava ou abria ele abria o fechava o contato através de caixinhas que continham uma roldana que deslizava até abrir o contato ou fechar o mesmo, para que quando o portão abrisse totalmente ou fechasse por completo a alimentação do motor fosse cortada. Hoje em dia utilizasse imã, conhecido como read que quando o portão esta abrindo ou fechando o imã de pólo negativo que esta conectado no eixo do motor, ele acaba no momento final de abertura ou fechamento do portão passando pelo imã de pólo positivo fixado no portão, fazendo com que seja enviado um sinal para a placa, e automaticamente a tensão que alimenta o motor do portão é cortada. Agora já inventaram mais uma nova forma de realizar com segurança este corte de tensão do motor quando o portão já abriu ou fechou, através de um circuito integrado que, memoriza o tempo de abertura e fechamento do portão logo na primeira vez que ele é posto em funcionamento. Com isto quando o portão abre pela segunda vez em diante, já esta memorizado o tempo de abertura e fechamento, fazendo com que a tensão de alimentação do motor seja cortado após aquele intervalo de tempo que o motor foi ligado.

5- Podemos então afirmar que os sensores, como computador, internet e energia, são importantíssimas, e também facilitadores de uma vida com mais conforto e segurança?

R: Com certeza, como você pode verificar, muitas máquinas que você esta visualizando, só foram possíveis, graças à evolução constante de novos sensores.

Muito Obrigado.

Senhor Marcos.

7.0 BIBLIOGRAFIA

Site: www.sabereletronica.com.br

Site: www.feiradeciencias.com.br

Site: www.leomar.com.br

Site: www.festo.com

Site: www.atos.com.br

Site: www.guiadoestudante.abril.com.br

Site: www.tmgeletronica.com.br

Site: www.maxwellbohr.com.br

Site: www.automato.com.br

Site: www.eletrônicadigital.com.br

Site: www.idev.wordpress.com.br

Site: www.newtonbraga.com.br

Sensores Industriais Editora Ética 1º Edição 2005.

Autores: Daniel Thomazini e Pedro Urbano Braga Albuquerque

Elementos de Eletrônica Digital 2º Edição 2007.

Autores: Idoeta e Capuano

Apostila da Faculdade Federal de Uberlândia