Relatorio Controle Simulador Ciclo Termico

7/18/2019 Relatorio Controle Simulador Ciclo Termico

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIAFACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA

RELATÓRIO DE PROJETO

Desenvolvimento e Construção de um Sistema de Controledo Simulador de Ciclo Térmico do Laprosolda

Autor: Renata Campello Scotti

Relatório Interno LAPROSOLDA/UFU 04/2003

Laboratório para o Desenvolvimento deProcessos de Soldagem - LAPROSOLDA/UFU

Universidade Federal de Uberlândia LAPROSOLDA/UFU



Desenvolvimento e Construção de um Sistema de Controle do Simulador deCiclo Térmico do Laprosolda

Autor : Renata Campello Scotti

Matícula: 1011067 – 0 (Engenharia Elétr ica)

Data: Janeiro de 2004

1 – Motivação

O Laboratório de Desenvolvimento de Processos de Soldagem possui umamáquina de simulação de ciclo térmico que estava temporariamente desativada

devido ao fato de que não possuir um sistema que controlasse seu funcionamento.Esta seria controlada de acordo com uma temperatura pré-determinada quealcançasse o corpo de prova em teste, sob efeito de aquecimento por efeito Joule.

A atividade consistiu no projeto e montagem de um circuito eletrônico quepudesse realizar esta função. O circuito escolhido consiste em um sistema decontrole digital de temperatura limite.

2 – O Projeto

2.1 – Introdução ao projeto

O objetivo deste trabalho foi construir um dispositivo que recebesse um sinalde temperatura, comparasse-o a uma temperatura pré-escolhida e quando estastemperaturas fossem iguais, enviasse um sinal que desligaria uma fonte de energia,mantendo-a desligada até o usuário dar o comando de reset. A saída do circuitodeve ser acoplada ao contator da fonte que se deseja desligar.

É pertinente também lembrar que este dispositivo poderia ser utilizado nocontrole de qualquer equipamento que exija desligamento automático após teratingido um sinal de um certo nível, não necessariamente de temperatura, poispoderia ainda ser adaptado para outro tipo de referência, como luminosidade oucorrente. Poderia ser utilizado também para controlar o enchimento de um tanque,

onde um sensor enviaria um sinal quando um certo nível de líquido fosse atingido. Odispositivo seria responsável por desativar a bomba e interromper o enchimento dotanque.

2.2 - Materiais utilizados:

- 1 Amplificador Instrumental INA128- 1 Amplificador Operacional UA741CN- 1 flip-flop tipo D MM74HC74AN- 1 transistor BC548- 1 transistor BD139- 2 diodos 1N4004- 1 potenciômetro 100k Ω

1



- 1 trimpot 1k Ω - 1 LED- Resistências: 180, 330, 820, 1K8, 6K8, 10K, 680K Ω - 1 push-button- 1 relé 12V

2.3 – Funcionamento do circuito:

O sinal de entrada é um sinal contínuo, em milivolts, de valor crescente. Umapossível fonte para esse sinal, no caso de temperatura, é um termopar. O sinal, aprincípio, era amplificado por um amplificador operacional 741C não-inversor, cujoganho é aproximadamente 250, como mostra a Figura 1. Porém, isto se mostrouineficiente, pois por ser um CI de qualidade baixa, ele amplificava sinais de tensãoigual a zero, desregulando o funcionamento do sistema. Para contornar estasituação foi escolhido um amplificador instrumental, o INA128, ilustrado na Figura 2.

Figura 1 – Amplificador Não-Inversor

Figura 2 – Montagem do Amplificador de Instrumentação

O INA128 é altamente aplicado para receber e amplificar linearmente sinaisvindo de termopares, sendo que oferece muito pouco ruído. Seu ganho é dado por:

2



G R

k G

Ω+=

501 .

Com Rg = 180 Ω, o valor do ganho G é igual a aproximadamente 278. Como mostraa figura, este resistor regulador do ganho é colocado entre os pinos 1 e 8 do CI. Asentradas do termopar são colocadas no pino 2 (parte positiva) e no pino 3 (partenegativa). No pino 3 é colocado também um resistor de 10k Ω para o terra(referência). O pino 5 também é ligado à referência. Os pinos 4 e 7 são os pinos dealimentação do CI, e são fornecidos para eles –15 e +15 volts, respectivamente. Asaída é o pino 6.

Depois de amplificado, o sinal passa por um comparador. Para estecomparador foi utilizado o CI 741, que se mostrou eficaz na aplicação. A figura 3mostra a pinagem de um amplificador operacional 741C:

Figura 3

O sinal entra no pino 3, que é a entrada não-inversora. No pino 2, que é aentrada inversora, coloca-se o potenciômetro. Dessa forma, enquanto a entrada formenor que a referência, o comparador terá como saída o valor da sua alimentação

no pino 4. Quando o inverso ocorre, a saída será aproximadamente o valor daalimentação no pino 7. Os pinos 4 e 7 são alimentados com -15 e +15 volts,respectivamente. A saída está no pino 6.

Em seguida, usou-se um transistor BD548, no estado de corte/saturação.Porém, era necessário impedir que tensão negativa chegasse aos componentesseguintes. Para resolver este problema, um diodo 1N4004 foi inserido, de modo queapenas a tensão positiva (15 volts) chegasse ao transistor. No momento em que atemperatura desejada é atingida e o sinal de saída do comparador se altera de 0para +15 volts, o transistor, que estava em corte, atinge seu estado de saturação,permitindo assim que o led indicador acenda.

Considerando que apenas 20 mA de corrente poderiam passar pelo led e que

o transistor tem um ganho β = 10 (por estar operando em corte/saturação), acorrente na base será de 2 mA. Sabendo isso, os resistores do transistor são: Rc(coletor) = 820 Ω, Rb (base) = 6K8 e Re (emissor) = 330 Ω.

A Figura 4 ilustra o esquema desta etapa.

3



+15V

Vb

LM741

3

2

7

4

6

1

5+

-

V +

V -

OUT

OS1

OS2

Va

BD546

3

1

2

+15V

0

0V

0

+15V

Figura 4 – Comparação dos sinais

O sinal de saída do comparador, Vb, é, então, reduzido a aproximadamente um

terço de sua amplitude por um divisor de tensão, pois a próxima etapa do circuitonão suporta uma tensão maior que 5 volts. Isto poderia também ser assegurado porum diodo zener de 5,1 volts. Em seguida, Vb é enviado a um flip-flop do tipo D. Omodelo escolhido foi o SN74LS74A, que contém em seu interior dois flip-flops tipo Dacionados por borda de subida. Apenas um deles foi necessário. Os pinos de preset e clear são acionados com nível lógico baixo. A Figura 5 mostra a disposição dospinos e a Figura 6 é a tabela da verdade. Utilizou-se a 5ª linha da tabela, inserindonível lógico alto nos pinos 1 (clear) e 4 (preset) e nível lógico baixo no pino 2(entrada D).

Figura 5

Figura 6

Quando o pulso de clock muda de nível lógico baixo para nível lógico alto, oflip-flop é disparado. A saída Q, que antes era alta, torna-se baixa. Este sinal é

recebido por um segundo transistor, o BD139, utilizado em corte/saturação para oacionamento do relé. Para limitação da corrente foi colocado um resistor de 1K8 em

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sua base. O relé, de alimentação 12 volts, é do tipo normalmente aberto. Nomomento da transição, o relé é desacionado e, conseqüentemente, desaciona umcontator ligado à máquina. Assim, esta desliga. Foi adicionado um resistor de valoralto (680k) em paralelo com o diodo, que normalmente é colocado entre os terminaisda bobina do relé.

Nesta situação, mesmo que a temperatura medida comece a baixar, odispositivo impede que a máquina volte a funcionar, até que o usuário pressione umbotão de reset, ligado ao flip-flop, iniciando o ensaio novamente. O botão de reset éum botão do tipo push-button, de modo que ele envia normalmente um sinal de 5volts (nível lógico alto) ao pino de preset e quando pressionado ele aterra o pino emquestão (nível lógico baixo). Para começar ou recomeçar o processo, este botãodeverá ser pressionado.

A Figura 7 mostra o esquema da última etapa do circuito.

Figura 7

A fonte de alimentação também teve que ser construída, para que o circuitonão dependesse de uma fonte externa. Inicialmente ela foi projetada para fornecer – 15, +15 e 5 volts. Mais tarde, quando o relé utilizado exigiu 12 volts, foi feita umaadaptação na própria placa do circuito do controlador, usando um regulador detensão LM7812 para obter os 12 volts necessários.

2.4 – Layout

O seguinte layout foi feito em Tango for DOS. Pode ser implementado em

uma placa de circuito impresso 600x620 mm.

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3 – Resultados e Conclusões

O circuito acima, embora simples, sofreu diversas modificações ao longo do

processo. O 741, embora tenha dado problemas ao ser usado como amplificador,substituiu perfeitamente o CA3140 que inicialmente estava sendo usado como ocomparador.

Em todos os circuitos integrados utilizados e experimentados foram feitostestes a respeito da alimentação. A princípio, tentou-se colocar uma alimentação de0/+15 V. Embora funcionasse algumas das vezes, esta disposição mostrou-seineficiente na maior parte do tempo, sendo então substituída pela alimentação deuma fonte simétrica 15/15 volts. Percebeu-se ainda que colocando alguns resistorespara drenar a corrente, o aparelho funcionava com maior precisão. Estes resistoressão o de 10 k colocado no amplificador de instrumentação e o de 680 kohmscolocado no relé.

Para ser utilizado para um outro fim específico, alguns ajustes devem serfeitos. Por exemplo, o ganho do amplificador deve ser determinado de acordo com afonte do sinal de entrada. Cada tipo de termopar tem sua própria taxa de conversãode graus centígrados para milivolts. Então, deve ser avaliada a faixa de temperaturaque será usada para então definir o ganho do amplificador e ainda a referência docomparador.

4 – Bibibliografias

• MALVINO, Albert Paul – Eletrônica Básica volumes 1 e 2 4a edição –Editora McGraw Hill

• IDOETA, Ivan e CAPUANO, Francisco Gabriel – Elementos deEletrônica Digital 28a edição – São Paulo

• PERTENCE, Antonio Jr - Amplificadores Operacionais e filtros Ativos4a edição – Ed. McGraw Hill

• www.datasheetcatalog.com

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