Processamentode sinais

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CONFEDERAO NACIONAL DA INDSTRIA CNI

Robson Braga de AndradePresidente

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Rafael Esmeraldo Lucchesi RamacciottiDiretor de Educao e Tecnologia

SENAI-DN SERVIO NACIONAL DE APRENDIZAgEM INDuSTRIAL

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SENAIServio Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Nacional

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2012. SENAI Departamento Nacional

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A reproduo total ou parcial desta publicao por quaisquer meios, seja eletrnico, mecnico, fotocpia, de gravao ou outros, somente ser permitida com prvia autorizao, por escrito, do SENAI Departamento Regional do Rio Grande do Sul.

Esta publicao foi elaborada pela equipe da Unidade Estratgica de Desenvolvimento Educacional UEDE/Ncleo de Educao a Distncia NEAD, do SENAI do Rio Grande do Sul, com a coordenao do SENAI Departamento Nacional, para ser utilizada por todos os Departamentos Regionais do SENAI nos cursos presenciais e a distncia.

SENAI Departamento NacionalUnidade de Educao Profissional e Tecnolgica UNIEP

SENAI Departamento Regional do Rio Grande do SulUnidade Estratgica de Desenvolvimento Educacional UEDE/Ncleo de Educao a Distncia NEAD

FICHA CATALOGRFICA

S491p

Servio Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Nacional Processamento de sinais / Servio Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Nacional, Servio Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Regional do Rio Grande do Sul. Braslia : SENAI/DN, 2012. 295 p. : il. (Srie Automao Industrial). ISBN 978-85-7519-531-4

1. Dispositivos eletrnicos. I. Servio Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Regional do Rio Grande do Sul. II. Ttulo. III. Srie.

CDU 621.38Bibliotecrio Responsvel: Enilda Hack- CRB 599/10

Lista de ilustraesFigura 1 - Circuito ..............................................................................................................................................................22Figura 2 - Raio - Tenso ..................................................................................................................................................22Figura 3 - Corrente contnua ........................................................................................................................................23Figura 4 - Corrente alternada .......................................................................................................................................24Figura 5 - Smbolo do diodo ........................................................................................................................................24Figura 6 - LED (diodo emissor de luz) .......................................................................................................................24Figura 7 - Diodo retificador ..........................................................................................................................................25Figura 8 - Diodo em srie na alimentao de um circuito eletrnico ...........................................................25Figura 9 - Diodo de proteo contra transientes de tenso .............................................................................26Figura 10 - Interior de um diodo, a juno PN (anodo e catodo) ...................................................................27Figura 11 - Inversamente Polarizado ........................................................................................................................28Figura 12 - Diretamente Polarizado ...........................................................................................................................28Figura 13 - Cargas iguais se repelindo, e as cargas opostas se atraindo, criando uma rea de fluxo de eltrons ...........................................................................................................................................................................28Figura 14 - Cargas iguais se repelindo, e as cargas opostas se atraindo, criando uma rea de re-pulso na juno, interrompendo o fluxo de eltrons ........................................................................................29Figura 15 - Smbolo do diodo retificador, segundo norma IEEE 315 .............................................................30Figura 16 - Conversor de corrente alternada para corrente contnua, com retificador de onda completa .30Figura 17 - Ponte retificadora e seus diodos convertendo corrente contnua em corrente alternada .....30Figura 18 - Smbolo de diodo zener, segundo norma IEEE315, e diodo zener ..........................................32Figura 19 - Circuito ..........................................................................................................................................................32Figura 20 - Diodo 1N746 ...............................................................................................................................................33Figura 21 - Smbolo de LED e um LED .....................................................................................................................35Figura 22 - Imagem interna de um diodo ..............................................................................................................36Figura 23 - Sinaleiros LEDs usados em quadros de comando eltricos e em sistemas de automao industrial ...............................................................................................................................................................................36Figura 24 - Mquina utilizando os sinaleiros de LED ...........................................................................................37Figura 25 - LEDs junto a resistores em um circuito srie ...................................................................................37Figura 26 - Dgito de 7 segmentos, composto por 7 leds para mostar o nmero, mais um para o ponto .38Figura 27 - Fotodiodo ....................................................................................................................................................39Figura 28 - Cortina tica de segurana com LED .................................................................................................40Figura 29 - Smbolo do varicap segundo norma IEEE315 .................................................................................40Figura 30 - Diodo schottky ...........................................................................................................................................41Figura 31 - Diodo tnel ..................................................................................................................................................41Figura 32 - Multimetro ...................................................................................................................................................41Figura 33 - Diodo diretamente polarizado .............................................................................................................42Figura 34 - Diodo inversamente polarizado ...........................................................................................................42Figura 35 - Optoacopladores .......................................................................................................................................43Figura 36 - Circuito divisor de tenso ......................................................................................................................43Figura 37 - Optoacoplador ..........................................................................................................................................44Figura 38 - Diagrama de um sistema automatizado ...........................................................................................44Figura 39 - Circuito integrado ......................................................................................................................................45Figura 40 - Transmissores NPN e PNP .......................................................................................................................47Figura 41 - Smbolo de um transistor bipolar NPN e diagrama da juno NPN ........................................48Figura 42 - Transistor NPN polarizado. Carga representa um circuito ou componente que est sendo energizado .............................................................................................................................................................48

Figura 43 - Smbolo de um transistor bipolar PNP e diagrama da juno PNP .........................................49Figura 44 - Transistor NPN polarizado. Carga representa um circuito ou componente que est sendo energizado .............................................................................................................................................................49Figura 45 - Circuito de acionamento de rel utilizando transistor NPN .......................................................50Figura 46 - Circuito de acionamento de rel utilizando transistor PNP .......................................................53Figura 47 - Encapsulamento: principais encapsulamentos de transistores e suas potncias ..............54Figura 48 - Tela de busca do Google .........................................................................................................................56Figura 49 - Datasheet do transistor pesquisado ...................................................................................................56Figura 50 - Detalhe do multmetro, marcado para teste de diodo ................................................................56Figura 51 - Teste transistor NPN ..................................................................................................................................57Figura 52 - Teste transistor PNP ...................................................................................................................................57Figura 53 - Transistor Darlington ................................................................................................................................58Figura 54 - Smbolo de JFET e representao da estrutura construtiva .......................................................59Figura 55 - Estrutura construtiva de um transistor MOS canal N de um transistor MOS canal P tipo enriquecimento e seus respectivos smbolos .........................................................................................................60Figura 56 - Estrutura construtiva de um transistor MOS canal N de um transistor MOS canal P tipo depleo e seus respectivos smbolos.......................................................................................................................61Figura 57 - Motor de corrente contnua convencional ......................................................................................62Figura 58 - Motor de corrente contnua convencional 1 ...................................................................................62Figura 59 - Motor DC .......................................................................................................................................................62Figura 60 - Ponte H para controle da rotao de um motor utilizando transistores MOS .....................63Figura 61 - Detalhamento .............................................................................................................................................63Figura 62 - Terminal de controle de um transistor ..............................................................................................64Figura 63 - Terminal de controle de um transistor 1............................................................................................65Figura 64 - Conexo da carga a um transistor NPN usado como chave.......................................................65Figura 65 - Circuito CMOS ou MOS ............................................................................................................................66Figura 66 - Smbolos CMOS .........................................................................................................................................66Figura 67 - Tipos de tiristores ......................................................................................................................................67Figura 68 - Smbolo do SCR ..........................................................................................................................................69Figura 69 - Analogia entre um SCR e um circuito com dois transistores .....................................................69Figura 70 - Representao da Curva V x A de um SCR ........................................................................................69Figura 71 - Smbolo de DIAC ........................................................................................................................................70Figura 72 - Circuito de um dimmer ............................................................................................................................71Figura 73 - Voltmetro para milivolts conectado a um sensor de temperatura tipo termopar ............72Figura 74 - Da direita para esquerda: Sensor de presso que envia sinal analgico atravs de vari-ao de corrente (4 a 20 mA); Sensor tubular indutivo analgico, que envia sinal de 0 a 10V con-forme proximidade; sensores analgicos por ultrasom, que envia sinal de 0 a 10V ................................73Figura 75 - Amplificador operacional. CI LM741 ...................................................................................................75Figura 76 - Amplificador inversor. No grfico em vermelho, o sinal de entrada (Vi), e em azul o sinal de sada, j amplificado e invertido (Vo). ...................................................................................................................76Figura 77 - Amplificador. No grfico em vermelho, o sinal de entrada (Vi), e em azul o sinal de sada, j amplificado (Vo). ............................................................................................................................................................76Figura 78 - Tanque de fluido ........................................................................................................................................77Figura 79 - Tanque de fluido 1 .....................................................................................................................................77Figura 80 - Divisor de tenso .......................................................................................................................................78Figura 81 - Circuito ..........................................................................................................................................................79Figura 82 - Circuito 1 .......................................................................................................................................................79Figura 83 - Circuito somador inversor ......................................................................................................................81Figura 84 - Amplificador operacional como subtrator .......................................................................................82Figura 85 - Amplificador operacional como subtrator 1 ....................................................................................82

Figura 86 - Representao do sinal de entrada (Vin) e sada (Vo) de um oscilador astvel ..................83Figura 87 - Circuito integrado 555 e grfico de sada .........................................................................................83Figura 88 - Grfico de PWM a 1kHz ............................................................................................................................84Figura 89 - Oscilador Monoestvel ............................................................................................................................85Figura 90 - Filtro com capacitor, aplicado e fontes para diminuio do ripple .......................................86Figura 91 - Grfico da Intensidade de sinal x Frequncia ..................................................................................87Figura 92 - Filtro passa baixa ........................................................................................................................................87Figura 93 - Filtro passa alta ...........................................................................................................................................88Figura 94 - Filtro passa-faixa, usando capacitor, indutor e resistor ................................................................88Figura 95 - Filtro rejeita-faixa, tambm conhecido como rejeita-banda .....................................................89Figura 96 - Filtro passa-baixa ......................................................................................................................................90Figura 97 - Filtro passa-alta ..........................................................................................................................................90Figura 98 - Filtro ativo passa-banda ..........................................................................................................................90Figura 99 - Fonte de bancada ......................................................................................................................................91Figura 100 - Fonte de microcomputador ................................................................................................................91Figura 101 - Fonte chaveada 2A .................................................................................................................................91Figura 102 - Grfico da tenso aps retificao, sem aplicao de filtros ...................................................92Figura 103 - Transformador utilizado em uma fonte linear ..............................................................................93Figura 104 - Fonte simtrica .........................................................................................................................................93Figura 105 - Esquema de fonte simtrica ................................................................................................................93Figura 106 - Esquema de fonte simtrica ................................................................................................................94Figura 107 - Fases de uma fonte chaveada .............................................................................................................95Figura 108 - Reservatrios dgua ..............................................................................................................................99Figura 109 - Reservatrios dgua com sensor potenciomtrico ................................................................ 100Figura 110 - Reservatrios dgua com sensor de ultrassom ........................................................................ 100Figura 111 - Reservatrios dgua medido atravs do ngulo e refrao ................................................ 100Figura 112 - Reservatrios dgua sensor de nvel ............................................................................................ 101Figura 113 - Reservatrios dgua de clula de carga ..................................................................................... 101Figura 114 - Reservatrios dgua com terminais condutivos...................................................................... 101Figura 115 - Sensor de nvel digital e um sensor de nvel analgico ......................................................... 102Figura 116 - Chave de contato normalmente aberto com princpio de acionamento magntico . 103Figura 117 - Boto de emergncia com contato normalmente fechado ................................................. 104Figura 118 - Sensor NPN e PNP, forma de ligao e tipo de sinal de retorno .......................................... 105Figura 119 - Sensores NPN e PNP com resistor de definio de sinal para alta impedncia ............. 105Figura 120 - Sensores NPN e PNP ............................................................................................................................ 106Figura 121 - Dispositivos de acoplamento eletromecnicos (a rel).......................................................... 107Figura 122 - Sistema de sinaleiro e botoeiras cuja alimentao e comunicao realizada por um nico cabo de dois fios condutores, usando comunicao digital serial em rede padro AS-I ........ 107Figura 123 - Sensor analgico .................................................................................................................................. 108Figura 124 - Sensor eletrnico de temperatura ................................................................................................. 109Figura 125 - Princpio fsico ....................................................................................................................................... 110Figura 126 - Chaves mecnicas ............................................................................................................................... 111Figura 127 - Sensor ptico de reflexo, e suas partes emissora/receptora ............................................. 112Figura 128 - Sensor ptico por retrorreflexo com espelho refletor especial, usado como barreira ptica para a deteo de objetos ........................................................................................................................... 114Figura 129 - Sensor ptico por reflexo difusa ................................................................................................. 114Figura 130 - Sensores pticos por transmisso ................................................................................................. 115Figura 131 - Sistema de sensor ptico por transmisso usando fibra ptica ......................................... 115Figura 132 - Sensor de barreira ptica ................................................................................................................. 116

Figura 133 - Scanner a laser ...................................................................................................................................... 117Figura 134 - Sensor infravermelho .......................................................................................................................... 118Figura 135 - Rels fotoeltricos e um resistor dependente de luz .............................................................. 119Figura 136 - Sensor de viso ..................................................................................................................................... 119Figura 137 - Sensor com ultrasom .......................................................................................................................... 120Figura 138 - Equipamento aplicado anlise por ultrassom, permitindo identificar fissuras internas no material atravs da anlise da propagao do som atravs do material ............................................. 120Figura 139 - Sensores indutivos ............................................................................................................................... 121Figura 140 - Aplicao de sensores indutivos .................................................................................................. 122Figura 141 - Sensores capacitivos ........................................................................................................................... 123Figura 142 - Sensores magnticos .......................................................................................................................... 124Figura 143 - Cilindro pneumtico com mbolo magntico .......................................................................... 124Figura 144 - Circuito integrado sensor de efeito HALL A1101, da Allegro MicroSystems Inc. ......... 124Figura 145 - Sensor de presso microcontrolado, de seu componente interno (sensor de presso) e do piezorresistor utilizado nesta ltima como elemento detector de presso ....................................... 126Figura 146 - Sensor de presso do tipo pressostato de membrana ........................................................... 126Figura 147 - Circuitos integrados acelermetros ............................................................................................... 127Figura 148 - Sensor industrial ................................................................................................................................... 127Figura 149 - Equipamentos que utilizam acelermetros ................................................................................ 127Figura 150 - Sensor strain-gage acoplado clula de carga ......................................................................... 127Figura 151 - Modelo de posicionamento ............................................................................................................. 127Figura 152 - Strain-gage ............................................................................................................................................. 127Figura 153 - Sensores de turbinas ........................................................................................................................... 128Figura 154 - Tubulao com ponto de estrangulamento ............................................................................... 129Figura 155 - Representao de um sensor tipo pitot ....................................................................................... 129Figura 156 - Rotmetro ............................................................................................................................................... 129Figura 157 - Grfico da curva de sensores NTC e PTC genricos ................................................................. 131Figura 158 - Voltmetro ............................................................................................................................................... 132Figura 159 - Sonda com termopar .......................................................................................................................... 134Figura 160 - Grfico das curvas de termopares, entre temperatura e tenso gerada em milivolts 134Figura 161 - Imagem trmica de um motor eltrico em funcionamento................................................. 135Figura 162 - Sensor infravermelho para a medio de temperaturas ....................................................... 135Figura 163 - Brao robtico ....................................................................................................................................... 137Figura 164 - Encoders pticos usados em suas articulaes e seu princpio de funcionamento .... 137Figura 165 - Sensor de posio linear .................................................................................................................... 138Figura 166 - Encoders analgico potenciomtrico ........................................................................................... 138Figura 167 - Encoders absolutos ptico................................................................................................................ 139Figura 168 - Encoders incrementais ou relativos ptico ................................................................................. 140Figura 169 - Encoders incrementais ....................................................................................................................... 140Figura 170 - Diagrama de funcionamento de um transdutor ....................................................................... 142Figura 171 - Transdutor de corrente, usado para medir a corrente atravs do campo eltrico gerado pelo condutor .................................................................................................................................................................. 144Figura 172 - Esquema de um transdutor industrial de corrente ............................................................... 144Figura 173 - Transdutores de posio tipo LVDT ............................................................................................... 144Figura 174 - Transdutores de presso .................................................................................................................... 144Figura 175 - Transdutor de fora clula de carga ........................................................................................... 145Figura 176 - Conversor de 4 a 20mA para sinal de radiofrequncia ........................................................... 145Figura 177 - Comparao analgica e digital ..................................................................................................... 149Figura 178 - Manmetro analgico (ponteiro) ................................................................................................... 150

Figura 179 - Manmetro digital ............................................................................................................................... 150Figura 180 - Sistemas numricos ............................................................................................................................. 151Figura 181 - Exemplo tabela verdade .................................................................................................................... 157Figura 182 - Portas Lgicas ........................................................................................................................................ 160Figura 183 - Operadores da lgebra booleana ................................................................................................... 161Figura 184 - Mapas de Karnaugh para 5 e para 6 variveis ............................................................................ 168Figura 185 - Diagrama de um multiplexador ...................................................................................................... 169Figura 186 - Multiplexador de 2 canais ................................................................................................................ 170Figura 187 - Multiplexador de quatro entradas - a) Tabela verdade - b) Circuito implementado ... 170Figura 188 - Multiplexador de 8 entradas - a) Tabela verdade - b) Smbolo lgico - c) Diagrama lgico .. 171Figura 189 - Portas lgicas utilizadas como circuitos de habilitao ......................................................... 172Figura 190 - Multiplexador qudruplo de 2 entradas 74xx157 - a) Tabela verdade - b) Smbolo lgico - c) Diagrama lgico ......................................................................................................................................... 172Figura 191 - Diagrama de um demultiplexador ................................................................................................ 173Figura 192 - Demultiplexador de 2 canais ........................................................................................................... 174Figura 193 - Projeto de um demultiplexador 1:4 - a) Tabela verdade - b) Expresses para as sadas - c) Circuito implementado ........................................................................................................................................... 174Figura 194 - Demultiplexador 1:8 - a) Tabela verdade - b) Expresses para as sadas - c) Diagrama lgico .................................................................................................................................................................................. 175Figura 195 - Circuito 74xx138, Decodificador/Demultiplexador configurado como demultiplexador com a entrada de habilitao funcionando como entrada de dados ......................................................... 176Figura 196 - Circuito 74xx154 configurado como demultiplexador 1:16 - a) e b) Configuraes para funcionamento como demultiplexador 1:16 - c) Diagrama lgico .............................................................. 176Figura 197 - Decodificador/Demultiplexador 74xx155: a) Tabela verdade; b) Diagrama de conexes; c) Diagrama lgico ......................................................................................................................................................... 177Figura 198 - Conversores DA e AD .......................................................................................................................... 178Figura 199 - Converso de um sinal analgico para digital ........................................................................... 179Figura 200 - Conversor AD muito utilizado, o ADC0808 ................................................................................. 180Figura 201 - Conversor D/A de 4 bits ..................................................................................................................... 182Figura 202 - Diagrama esquemtico de uma calculadora.............................................................................. 183Figura 203 - Cdigo BCD (Binary Coded Decimal) ............................................................................................ 185Figura 204 - Display de 7 segmentos ..................................................................................................................... 186Figura 205 - Circuitos decodificadores .................................................................................................................. 186Figura 206 - Decodificador 74xx138, diagrama lgico e tabela verdade em relao s entradas de habilitao (enable) ....................................................................................................................................................... 187Figura 207 - Esquema de ligao de um decodificador de 2 bits para controlar at 4 sadas, usadas em um motor de passo de 4 bobinas ..................................................................................................................... 187Figura 208 - Diagrama geral de um codificador ................................................................................................ 188Figura 209 - Painel de equipamento com chave seletora de 8 posies .................................................. 188Figura 210 - CLP usando 3 entradas digitais para ler sinal de 8 diferentes combinaes possveis 188Figura 211 - Codificador de 8 para 3 linhas ......................................................................................................... 189Figura 212 - Flip-flop RS - a) implementao do circuito com portas NOR - b) smbolo lgico ....... 190Figura 213 - Flip-flop RS - a) implementao do circuito com portas NAND - b) smbolo lgico .... 191Figura 214 - Flip-flop RS sncrono - a) implementao do circuito com portas lgicas - b) smbolo lgico .................................................................................................................................................................................. 191Figura 215 - Implementao do circuito de um flip-flop JK com portas lgicas ................................... 192Figura 216 - Implementao do circuito de um flip-flop JK mestre-escravo .......................................... 193Figura 217 - Smbolo lgico de um flip-flop JK mestre-escravo .................................................................. 194Figura 218 - Flip-flop sensvel borda................................................................................................................... 194Figura 219 - Flip-flop JK mestre-escavo com entradas Preset e Clear - a) implementao do circuito com portas lgicas - b) smbolo lgico .................................................................................................................. 195

Figura 220 - Flip-flop tipo D - a) implementao do circuito a partir de um flip-flop JK - b) smbolo lgico ............................................................................................................................................................... 196Figura 221 - Flip-flop tipo T - a) implementao do circuito a partir de um flip-flop JK - b) sm-bolo lgico ...................................................................................................................................................................... 196Figura 222 - Circuito com Flip-Flop J-K aplicado configurao de Toggle. CI utilizado: 74xx73 ... 196Figura 223 - Grfico de Aplicaes de microcontroladores PIC por famlia ............................................. 207Figura 224 - Encapsulamentos do microcontrolador PIC16F877A ............................................................. 210Figura 225 - Microcontrolador PIC16F877A I/P e seus principais pinos de alimentao, conexo e I/O .. 210Figura 226 - Microcontrolador PIC16f877A e alguns dos terminais de funes especiais ................. 212Figura 227 - Diagrama que demonstra o caminho percorrido por um programa, desde sua criao at a gravao no microcontrolador de destino, e seu uso no equipamento ......................................... 214Figura 228 - Controlador multifuno ................................................................................................................... 214Figura 229 - DB25 femea porta paralela fsica .................................................................................................... 216Figura 230 - Fluxograma ............................................................................................................................................. 220Figura 231 - Janela de novo aquivo ........................................................................................................................ 226Figura 232 - Tela Salvar Como, que aparece ao se iniciar um novo programa ..................................... 226Figura 233 - Demonstrando a opo para compilao (pode ser obtida pela tecla de atalho F9) . 228Figura 234 - Demonstrando a compilao em processo ................................................................................ 228Figura 235 - Hardware criado em um simulador de circuitos eletrnicos ................................................ 230Figura 236 - Esquema Eltrico .................................................................................................................................. 232Figura 237 - Comandos para acionamento das sadas digitais .................................................................... 237Figura 238 - Controle de motor de passo unipolar ........................................................................................... 239Figura 239 - Comandos para leitura das sadas digitais 1 .............................................................................. 244Figura 240 - Tipos de dados complexos ................................................................................................................ 248Figura 241 - Mquina de clculo inadequada .................................................................................................... 256Figura 242 - Mquina de clculo inadequada 1 ................................................................................................. 256Figura 243 - Fluxograma ............................................................................................................................................. 258Figura 244 - Hardware ................................................................................................................................................. 263Figura 245 - Fluxo de execuo em um programa com estruturas de repetio while ...................... 265Figura 246 - Chamadas a funes/sub-rotinas ................................................................................................... 269Figura 247 - Esquema de ligao de um microcontrolador PIC16F877A ................................................. 272Figura 248 - Display alfanumrico .......................................................................................................................... 277Figura 249 - LCD ............................................................................................................................................................ 278Figura 250 - Uso com o LCD ...................................................................................................................................... 279Figura 251 - Uso com o LCD 1 ................................................................................................................................... 280Figura 252 - Uso com o LCD 2 ................................................................................................................................... 282Figura 253 - Comunicao serial ............................................................................................................................. 283Figura 254 - Esquema de ligao de um MAX232 a um microcontrolador e uma porta serial padro DB9 ..................................................................................................................................................................... 283Figura 255 - Pinos do PIC16F877A que podem ser configurados para converso analgica/digital .... 286Figura 256 - Potencimetro de 10K conectado a um microcontrolador. Para facilitar entendimento, demais ligaes de alimentao e clock do microcontrolador foram suprimidas ................................. 287Figura 257 - Sensor de temperatura LM35DZ, de caracterstica linear, conectado diretamente ao canal AN0 de um microcontrolador ........................................................................................................................ 288Figura 258 - Ligao de um LDR em um microcontrolador usando o canal AN1 .................................. 290Figura 259 - Ligao de um transistor a um motor ........................................................................................... 291

Tabela 1: Tcnico em Automao Industrial ............................................................................................................19Tabela 2: Diodos retificadores e suas principais caractersticas .......................................................................31Tabela 3: Principais modelos e valores comerciais ................................................................................................34

Tabela 4: Principais modelos de transistores NPN e PNP disponveis ............................................................54Tabela 5: Circuito A e B ................................................................................................................................................. 157Tabela 6: Circuito A e B ................................................................................................................................................. 158Tabela 7: Principais portas lgicas ............................................................................................................................ 159Tabela 8: Equivalencias das portas lgicas ............................................................................................................ 160Tabela 9: Verdade para as expresses equivalentes: a) XY e b) X + Y ...................................................... 164Tabela 10: Verdade para as expresses complementares a) XY e b) XY..................................................... 164Tabela 11: Universalidade das portas NAND e NOR .......................................................................................... 164Tabela 12: Verdade considerando condies irrelevantes .............................................................................. 168Tabela 13: Tabela verdade para o circuito ............................................................................................................. 174Tabela 14: Cdigo binrio natural de 4 bits .......................................................................................................... 184Tabela 15: Verdade de um codificador com entradas negadas ..................................................................... 189Tabela 16: Verdade para o flip-flop RS implementado com portas NOR.................................................... 190Tabela 17: Verdade para o flip-flop RS implementado com portas NAND ................................................ 191Tabela 18: Verdade para o flip-flop RS sncrono .................................................................................................. 192Tabela 19: Verdade para o flip-flop RS sncrono .................................................................................................. 193Tabela 20: Verdade para o flip-flop RS sncrono .................................................................................................. 194Tabela 21: Verdade para o flip-flop JK mestre-escravo com preset e clear .............................................. 195Tabela 22: Verdade para o flip-flop tipo D ............................................................................................................ 196Tabela 23: Verdade para o flip-flop tipo T ............................................................................................................. 197Tabela 24: Modelos comerciais de flip-flop ......................................................................................................... 197Tabela 25: Execuo de uma algoritmo ................................................................................................................ 218Tabela 26: Programa escrito em assembly, e a representao de instrues em linguagem binria. Cdigo binrio tem carter ilustrativo, podendo haver variaes ............................................................... 222Tabela 27: Comando executado em linguagem C, e a produo (em cdigo executvel) gerada pela instruo ............................................................................................................................................................................ 223Tabela 28: Tipos de dados para armazenar valores ............................................................................................ 244Tabela 29: Prefixo de declarao das variveis .................................................................................................... 245Tabela 30: Operadores .................................................................................................................................................. 251Tabela 31: Operadores avanados ........................................................................................................................... 253Tabela 32: Especificadores de formato ................................................................................................................... 281

1 Introduo ......................................................................................................................................................................19

2 Eletrnica Analgica ....................................................................................................................................................212.1 Diodos ............................................................................................................................................................24

2.1.1 Diodo retificador / diodo de sinal ......................................................................................302.1.2 Diodo zener .................................................................................................................................322.1.3 Diodo emissor de luz ...............................................................................................................352.1.4 Fotodiodo ....................................................................................................................................392.1.5 Varicap...........................................................................................................................................402.1.6 Diodo schottky ...........................................................................................................................412.1.7 Diodo tnel .................................................................................................................................412.1.8 Como testar um diodo ............................................................................................................412.1.9 Optoacopladores ......................................................................................................................42

2.2 Acionamentos a transistor .......................................................................................................................442.2.1 Caractersticas e aplicaes ...................................................................................................462.2.2 Transistor bipolar ......................................................................................................................472.2.3 Transistor darlington ................................................................................................................582.2.4 Transistores de efeito de campo ..........................................................................................582.2.5 Transistores CMOS ....................................................................................................................65

2.3 Tiristores .........................................................................................................................................................662.3.1 SCR .................................................................................................................................................682.3.2 DIAC ...............................................................................................................................................702.3.3 TRIAC ..............................................................................................................................................70

2.4 Condicionamento de sinal .......................................................................................................................712.4.1 Amplificador operacional .....................................................................................................742.4.2 Amplificador operacional como comparador ................................................................782.4.3 Amplificador operacional como somador .......................................................................812.4.4 Amplificador operacional como subtrator ......................................................................81

2.5 Osciladores ...................................................................................................................................................832.5.1 Oscilador astvel .......................................................................................................................832.5.2 Oscilador monoestvel ...........................................................................................................85

2.6 Filtros ...............................................................................................................................................................862.6.1 Filtro passivo ...............................................................................................................................862.6.2 Filtro ativo ....................................................................................................................................89

2.7 Fontes de alimentao ..............................................................................................................................902.7.1 Fonte linear .................................................................................................................................922.7.2 Fonte simtrica ..........................................................................................................................932.7.3 Fonte chaveada .........................................................................................................................94

Sumrio

3 Sensores ...........................................................................................................................................................................993.1 Sensores digitais ....................................................................................................................................... 1033.2 Sensores analgicos ................................................................................................................................ 1073.3 Princpio fsico ........................................................................................................................................... 1103.4 Sensores eletromecnicos .................................................................................................................... 1113.5 Sensores pticos ...................................................................................................................................... 111

3.5.1 Sensor ptico por retrorreflexo ...................................................................................... 1143.5.2 Sensor ptico por reflexo difusa .................................................................................... 1143.5.3 Sensores pticos por transmisso ................................................................................... 1153.5.4 Sensores pticos atravs de cabos de fibra ptica .................................................... 1153.5.5 Sensor de barreira ptica de segurana ........................................................................ 1163.5.6 Sensores a laser....................................................................................................................... 1173.5.7 Sensor infravermelho ........................................................................................................... 1183.5.8 Rels fotoeltricos ................................................................................................................. 1183.5.9 Viso artificial ........................................................................................................................... 119

3.6 Sensor de ultrassom ................................................................................................................................ 1193.7 Sensores indutivos .................................................................................................................................. 1213.8 Sensores capacitivos ............................................................................................................................... 1223.9 Sensores magnticos .............................................................................................................................. 1243.10 Sensor de presso ................................................................................................................................. 1253.11 Sensores de acelerao ....................................................................................................................... 1263.12 Extensmetros e clulas de carga .................................................................................................. 1273.13 Sensores de vazo ................................................................................................................................. 1283.14 Sensores de temperatura ................................................................................................................... 130

3.14.1 Tipos de termopares ........................................................................................................... 1323.14.2 Sensor infravemelho aplicado medio de temperatura .................................. 1353.14.3 Termodinmica aplicada leitura de temperatura ................................................. 135

3.15 Sensores de posicionamento ............................................................................................................ 1363.15.1 Sensores de posio linear ............................................................................................... 1373.15.2 Encoders absolutos ............................................................................................................. 1383.15.3 Encoders incrementais ou relativos .............................................................................. 139

3.16 Transdutores / Conversores ............................................................................................................... 1423.16.1 Transdutores passivos ........................................................................................................ 1433.16.2 Transdutores ativos ............................................................................................................. 1433.16.3 Transdutores industriais .................................................................................................... 1443.16.4 Conversores de sinal ........................................................................................................... 145

4 Sistemas Digitais ........................................................................................................................................................ 1494.1 Vantagens das tcnicas digitais .......................................................................................................... 153

4.1.1 Limitaes das tcnicas digitais ........................................................................................ 1544.2 Circuitos combinacionais e sequenciais .......................................................................................... 1564.3 Circuitos lgicos ....................................................................................................................................... 156

4.3.1 Noes de lgebra booleana ............................................................................................. 156

4.3.2 Tabela verdade ........................................................................................................................ 1574.3.3 Portas lgicas........................................................................................................................... 1584.3.4 Operadores da lgebra booleana .................................................................................... 1604.3.5 Teoremas e leis da lgebra booleana .............................................................................. 1614.3.6 Expresses equivalentes e complementares ............................................................... 1634.3.7 Universalidade das portas NAND e NOR ....................................................................... 1644.3.8. Simplificao de circuitos lgicos ................................................................................... 165

4.4 Circuitos multiplexadores e demultiplexadores ........................................................................... 1694.4.1 Circuitos multiplexadores ................................................................................................... 1694.4.2 Circuitos demultiplexadores .............................................................................................. 173

4.5 Conversores D/A e A/D .......................................................................................................................... 1774.5.1 Conversor A/D ......................................................................................................................... 1804.5.2 Conversor D/A ......................................................................................................................... 181

4.6 Circuitos codificadores e decodificadores ...................................................................................... 1834.6.1 Cdigos numricos e alfanumricos............................................................................... 1834.6.2 Cdigo BCD (Binary Coded Decimal) .............................................................................. 1844.6.3 Circuitos decodificadores .................................................................................................... 1864.6.4 Circuitos codificadores ......................................................................................................... 188

4.7 Flip-flop (multivibrador biestvel) ..................................................................................................... 1894.7.1 Flip-flop RS (reset-set) ....................................................................................................... 1904.7.2 Flip-flop RS sncrono ............................................................................................................. 1914.7.3 Flip-flop JK ................................................................................................................................ 1924.7.4 Flip-flop JK mestre-escravo (master-slave) ................................................................... 1934.7.5 Flip-flop JK mestre-escravo com preset e clear .......................................................... 1954.7.6 Flip-flop D ................................................................................................................................. 1954.7.7 Flip-flop Tipo T......................................................................................................................... 1964.7.8 Modelos comerciais de flip-flop ....................................................................................... 197

5 Microcontroladores .................................................................................................................................................. 2015.1 Sistemas embarcados na automao industrial ........................................................................... 201

5.1.1 Microprocessadores na Automao Industrial ............................................................ 2025.2 Microcontrolador ..................................................................................................................................... 2045.3 Microcontrolador MICROCHIP PIC ..................................................................................................... 206

5.3.1 Recursos de um microcontrolador PIC ........................................................................... 2085.4 Arquivos executveis para microcontrolador ................................................................................ 2135.5 Transferindo o programa ....................................................................................................................... 214

5.5.1 BOOTLOADER Tcnica para autoprogramao ........................................................ 2165.6 Algoritmos .................................................................................................................................................. 2175.7 Fluxograma ................................................................................................................................................ 2205.8 Compilador ................................................................................................................................................ 221

5.8.1 Erros de compilao .............................................................................................................. 2245.9 Linguagem C ............................................................................................................................................. 224

5.9.1 Criao de um programa .................................................................................................... 225

5.9.2 Como compilar ....................................................................................................................... 2275.9.3 Transferindo o programa HEX ........................................................................................... 2305.9.4 Lao infinito ............................................................................................................................. 2315.9.5 Cuidados com pontuao e alinhamento ..................................................................... 2335.9.6 Comandos para acionamento das sadas digitais ...................................................... 2365.9.7 Comandos para leitura das Entradas digitais .............................................................. 2395.9.8 Tipos de dados ........................................................................................................................ 2415.9.9 Nome das variveis................................................................................................................ 2465.9.10 Local da declarao de variveis .................................................................................... 2465.9.11 Tipos de dados complexos ............................................................................................... 2485.9.12 Operadores ............................................................................................................................ 2505.9.13 Paradigmas de programao .......................................................................................... 2575.9.14 Estruturas de controle de fluxo ...................................................................................... 2585.9.15 GOTO (v para...) .................................................................................................................. 2595.9.16 IF (condio se...) .................................................................................................................. 2605.9.17 SWITCH / CASE (escolha) ................................................................................................... 2625.9.18 WHILE Estrutura de repetio ...................................................................................... 2655.9.19 DO WHILE (faa/enquanto)........................................................................................... 2675.9.20 FOR (para) ............................................................................................................................... 2675.9.21 Chamadas a funes / sub-rotinas ................................................................................ 2695.9.22 Passagem de parmetros ................................................................................................. 2715.9.23 Passagem de parmetros por referncia .................................................................... 2755.9.24 Retorno de dados ................................................................................................................ 2765.9.25 Uso de display alfanumrico ........................................................................................... 2765.9.26 PRINTF ..................................................................................................................................... 2795.9.27 Comunicao serial ............................................................................................................. 2825.9.28 ADC Converso analgica/digital .............................................................................. 2855.9.29 PWM ......................................................................................................................................... 290

Referncias ........................................................................................................................................................................ 295

Minicurrculo do Autor ................................................................................................................................................. 298

ndice .................................................................................................................................................................................. 299

Nesta unidade curricular Processamento de Sinais comearemos na rea especfica de formao, familiarizando-o com o processamento de sinais eletrnicos em sistemas de controle e automao. Consideraremos conhecimentos relativos Eletrnica Analgica, Eletrnica Digital, Microcontroladores e Sensores(DCN-DN).

No primeiro captulo, que Eletrnica Analgica, identificaremos a aplicabilidade dos fundamentos de eletrnica analgica relativos aos sistemas de controle e automao. No segundo captulo, Sensores, analisaremos o funcionamento de dispositivos sensores aplicveis em sistemas de controle e automao. No terceiro captulo, Sistemas Digitais, identificaremos a aplicabilidade dos fundamentos de eletrnica digital relativos aos sistemas de controle e automao. No ltimo captulo, que o de Microcontroladores, identificaremos a aplicabilidade dos fundamentos de programao de microcontroladores relativos aos sistemas de controle e automao.

A seguir so descritos na matriz curricular dos mdulos as unidades curriculares previstas e as respectivas cargas horrias. (Tabela 1)

Tabela 1: Tcnico em Automao Industrial

MduloS denoMInAo unIdAdeS CurrICulAreS CArgAHorrIA

CArgA HorrIAMdulo

Mdulo Bsico Fundamentos tcnicos e

cientficos

Fundamentos da Comunicao

Fundamentos da Eletrotcnica

Fundamentos da Mecnica

100h

140h

100h

340h

Mdulo

Introdutrio

Fundamentos tcnicos e

cientficos

Acionamento de Dispositivos

Atuadores

160 h

180 h

340h

Processamento de Sinais

Especfico I Manuteno e Implemen-

tao de equipamentos e

dispositivos

Gesto da Manuteno

Implementao de Equipamentos

Dispositivos

Instrumentao e Controle

Manuteno de Equipamentos e

Dispositivos

34h

136h

102h

68h

340 h

Especfico II Desenvolvimento de

sistemas de controle e

Automao

Desenvolvimento de Sistemas de

Controle

Sistemas Lgicos Programveis

Tcnicas de Controle

100h

160h

80h

340h

Fonte: SENAI

Introduo

1

2Eletrnica Analgica

Eletricidade o fenmeno fsico que tem origem na movimentao dos eltrons. Estudar eletricidade significa estudar as grandezas relacionadas a esta movimentao, como corrente, tenso e resistncia eltrica.

Eletrnica, por sua vez, a cincia que estuda a forma de controlar a energia eltrica, ou seja, de que forma podemos condicionar a movimentao dos eltrons em um circuito para obter o efeito desejado.

Por vrias dcadas, o homem tem usado a energia eltrica com o objetivo de transform-la em outras formas de energia, a fim de produzir um efeito especfico, como, por exemplo, produzir luz, movimentar um motor eltrico, aquecer ou resfriar algo, gerar vibrao e transformaes fsicas e qumicas. A energia eltrica deve ser controlada para que sua transformao seja possvel.

Controlar esta energia o objetivo da cincia conhecida como ELETRNICA.

Na ELETRNICA ANALGICA estudamos as formas mais abrangentes de controle da energia eltrica. Dedicamo-nos ao estudo de comportamentos de campos eltricos, materiais condutores e semicondutores e sua aplicao no controle do fluxo de eltrons, para obter o resultado esperado da forma mais eficiente possvel. Embora o conceito de ELETRNICA ANALGICA seja bastante abrangente, neste material vamos utilizar uma viso mais voltada ao seu uso na Automao Industrial, estudando os principais componentes utilizados em circuitos eletrnicos bsicos presentes na rea. Tais componentes so utilizados em mquinas e equipamentos para realizar o controle dos eltrons e obter o efeito desejado, geralmente relacionado transformao da energia eltrica em outros tipos de energia (trmica, cintica, magntica etc.). Alm dos j estudados resistores e capacitores, existem indutores, transformadores, rels, e ainda diversos componentes semicondutores, como diodos, transistores e circuitos integrados, entre outros.

AUTOMAO INDUSTRIAL22

Capacitor

Rels

Resistores

Conectores

Chave

Transistor

Capacitor

Circuitos integrados

Chave tctil

Diodos emissores de luz (LED)

Figura 1 - CircuitoFonte: Autor

Durante este curso, vamos procurar estudar os principais componentes utilizados em circuitos eletrnicos (Figura 1) relacionados rea de Automao Industrial. Para isso precisamos rever os conceitos j estudados sobre ELETRICIDADE. Sendo assim, vamos fazer uma breve recapitulao destes contedos:

REVISANDO ELETRICIDADE

TENSO ELTRICA: Grandeza representada pelas letras E, U ou V, tem como unidade de medida o volt (V). Ela representa a diferena de potencial eltrico entre dois pontos. Por exemplo, para medir a tenso de uma bateria, precisamos medir a tenso entre os dois polos da mesma bateria. Tenso define a fora capaz de movimentar cargas eltricas de um ponto a outro. Para ficar mais claro, podemos imaginar a tenso como a presso que os eltrons exercem para ir de um ponto a outro. (Figura 2)

Em condies normais de temperatura e presso uma tenso de 1000V pode romper a rigidez dieltrica de 1 mm de ar, criando uma fasca entre dois pontos? Chamamos esta fasca de arco eltrico ou arco voltico.

VOC SABIA?

Figura 2 - Raio - TensoFonte: Autor

2 ElEtrnica analgica 23

RESISTNCIA ELTRICA: Grandeza representada pela letra R, tem como unidade de medida o ohm (). a capacidade dos materiais em se opor passagem de corrente eltrica. Quanto maior a resistncia, mais difcil para as cargas se deslocarem pelo corpo. Alm de oferecerem diferentes resistncias entre si, alguns materiais ainda variam a resistncia quando submetidos a variaes de temperatura e presso. A adio de alguns elementos em uma soluo ou na composio de um determinado material tambm pode alterar significativamente sua capacidade condutiva. Graas a esta diversidade de comportamentos que os materiais apresentam ao serem submetidos a uma tenso eltrica, a eletrnica evoluiu.

CORRENTE ELTRICA: Grandeza representada pela letra I, tem como unidade de medida o Ampre (A). Ela define o movimento ordenado de cargas eltricas em uma determinada direo em um determinado perodo de tempo. Quanto mais eltrons se deslocarem de um ponto a outro em um determinado perodo, maior a corrente. Segundo a lei de Ohm, existe uma relao diretamente proporcional entre corrente e tenso, e inversamente proporcional entre corrente e resistncia, que dada pela frmula: I = U / R. Quanto maior a tenso, maior a corrente, e quanto maior a resistncia por onde a eletricidade passa, menor a corrente.

FIQUE ALERTA

Uma das grandes variantes que determina a fatalidade de um choque eltrico no dada pela TENSO, mas pela CORRENTE. Como a corrente determinada pela resistncia do corpo em um choque eltrico, uma pessoa desprotegida, sem luvas isolantes e usando ferramentas inadequadas, pode ser submetida a uma corrente muito mais elevada do que um trabalhador usando EPIs adequados em uma linha de alta-tenso energizada.

CORRENTE CONTNUA: Refere-se a uma corrente que tem sempre o mesmo sentido. Nos acumuladores de energia (como baterias e capacitores) temos dois polos que sempre possuem a mesma polaridade (+ e -) e oferecem uma diferena de potencial especfica. Se ligarmos esta fonte de energia em uma carga, teremos a energia sempre fluindo em uma mesma direo.

Imagem de uma bateria e de um grfico mostrando que a corrente se mantm constante durante o tempo. (Figura 3)

Tempo

Corrente tem um nico sentido

Corr

ente

el

tric

a(A

)

Carg

a

+

-Figura 3 - Corrente contnua

Fonte: Autor

AUTOMAO INDUSTRIAL24

CORRENTE ALTERNADA: Como o nome j diz, neste tipo de corrente o sentido da carga varia, alternando vrias vezes por segundo. Esta quantidade de variaes (frequncia) medida em ciclos por segundo, usando-se a unidade de medida Hz (Hertz). No Brasil, a rede eltrica disponibilizada em 60Hz (proveniente de sistemas de gerao e transmisso), enquanto em alguns outros pases, como o Paraguai, a rede eltrica 50Hz. (Figura 4)

Carg

a

Corrente mude de sentido periodicamente

F +/-

NTempo

Corr

ente

el

tric

a (A

)

Figura 4 - Corrente alternadaFonte: Autor

O Paraguai vende ao Brasil a energia eltrica excedente gerada por sua parte da hidroeltrica de Itaip, onde a corrente alternada de 50Hz proveniente das turbinas geradoras paraguaias convertida para corrente contnua, e posteriormente volta a ser transformada em corrente alternada de 60Hz.

VOC SABIA?

Em um sistema de corrente alternada monofsico (maioria das tomadas eltricas residenciais) sempre h ao menos um condutor que possui tenso positiva e negativa (oscilando vrias vezes por segundo), e um sistema condutor de referncia, chamado de NEUTRO. Em alguns casos, deve haver ainda um terminal de equipotencializao, que conhecemos como terra.

2.1 DIoDoS

Os diodos so componentes geralmente usados com o intuito de definir a movimentao dos eltrons em um circuito. Em alguns casos tambm so usados com o objetivo de transformar energia eltrica em ondas eletromagnticas. So produzidos atravs de semicondutores, que so materiais que reagem de forma diferente e controlada passagem da corrente eltrica. (Figura 5 e Figura 6)

(K)(A)

Figura 5 - Smbolo do diodoFonte: Autor

Figura 6 - LED (diodo emissor de luz)Fonte: Autor

2 ElEtrnica analgica 25

Para que servem os diodos?

Em alguns circuitos, so usados para fazer com que a corrente tenha um sentido nico, funcionando como uma vlvula unidirecional, deixando os eltrons passarem somente em um sentido. Neste caso, imagine a vlvula de enchimento do pneu de um automvel, tambm conhecida como vlvula Schrader. Quando em perfeito funcionamento, ela permite que o ar entre no pneu, mas no permite que saia, seno o pneu perderia presso. Da mesma forma, o diodo pode ser utilizado para criar um caminho de mo nica aos eltrons, impedindo que voltem pelo circuito. Isso pode ser observado em circuitos retificadores, que so circuitos utilizados para converter a corrente alternada em corrente contnua. (Figura 7)

+

+

-

-

Figura 7 - Diodo retificadorFonte: Autor

O diodo tambm pode ser utilizado para proteger circuitos contra sobretenso ou, ainda, contra a polarizao invertida de circuitos e componentes. Na imagem abaixo, um circuito protegido por um diodo em srie com a alimentao, impedindo que haja corrente se o sistema for polarizado incorretamente. Isso muito til em equipamentos eletrnicos onde uma bateria ou o conector de alimentao DC possa ser instalado acidentalmente de forma invertida. Neste caso, sem a proteo oferecida por um diodo, o circuito energizado poderia fazer com que alguns componentes fossem incorretamente polarizados, o que leva o danos permanentes e inutilizao do circuito. (Figura 8)

CIRCUITO

+

-BATERIA

+- +- ??

Figura 8 - Diodo em srie na alimentao de um circuito eletrnicoFonte: Autor

Outra aplicao bastante comum de diodos em circuitos para proteger contra transientes de tenso (tambm conhecidos como picos de tenso ou surtos de tenso). Estes transientes ocorrem quando uma corrente eltrica bruscamente interrompida, causando grande elevao de tenso (em um curto espao de tempo). Diodos supressores de tenso so ligados em um circuito comumente conhecido pelos termos de FREEWHEELING ou, ainda, RODA-LIVRE, eliminando ou minimizando os efeitos deste pico de tenso. (Figura 9)

AUTOMAO INDUSTRIAL26

V+

DIODO

RESISTOR

GND

REL

TRANSISTOR

Figura 9 - Diodo de proteo contra transientes de tensoFonte: Autor

Na imagem acima, quando o TRANSISTOR (que ser estudado em breve) comutado para estado de conduo, a corrente eltrica passa por ele, energizando a bobina do rel. Quando o transistor desligado o fluxo de eltrons bruscamente interrompido. A bobina do rel, devido a suas caractersticas construtivas, possui uma acentuada propriedade de INDUTNCIA, que faz com que o componente tente manter o fluxo eletromagntico, elevando a tenso vrias vezes. Isso pode danificar componentes se no houver uma regio de escape para esta energia. A funo do DIODO neste circuito fazer com que estes eltrons fiquem circulando pelo componente, dissipando a energia de forma graduada e controlada, sem haver o surto de tenso no transistor, protegendo-o e aumentando sua vida til.

Outra aplicao dos diodos no controle de tenso, pois, devido a caractersticas relativas aos materiais e forma da construo, diodos podem ser utilizados para realizar uma queda controlada de tenso, e so teis em circuitos reguladores por apresentarem um comportamento bastante estvel e previsvel. Veremos mais sobre isso ao falar sobre DIFERENA DE POTENCIAL DE JUNO e sobre EFEITO ZENER.

Alguns tipos de diodos so construdos de forma a gerarem LUZ em suas junes, algumas vezes de forma bastante intensa, como nos DIODOS LASER, e em outros casos em luz visvel ou invisvel, com excelente eficincia. Este o caso dos diodos emissores de luz, tambm conhecidos por LEDs.

Em uma TV ou monitor de vdeo de tecnologia LED a luz tem origem em uma grande matriz de LEDs, dispostos em linhas e colunas, que iluminam o fundo de acordo com a imagem? Uma tela de cristal lquido posicionada entre o espectador e os LEDs determina, atravs de milhes de pequenos pontos, por onde a luz deve passar, compondo, assim, a imagem que vemos.

VOC SABIA?

Existem ainda aplicaes relacionadas velocidade de alguns tipos de diodos especiais, que faz com que o componente seja ideal para os ciclos bastante rpidos, tpico de circuitos utilizados em telecomunicaes, como nos aplicados em radiofrequncia.

2 ElEtrnica analgica 27

Podemos afirmar que os diodos so componentes constitudos de semicondutores bastante utilizados em circuitos eletrnicos, e que podem auxiliar no controle de tenso, no sentido da corrente, na proteo de circuitos, e at mesmo na gerao e deteco de luz.

Mas, como o diodo construdo? De que eles so feitos?

Todo DIODO constitudo de uma JUNO envolvendo dois tipos de MATERIAL SEMICONDUTOR. (Figura 10)

ANODO CATODO

P++

--N

Figura 10 - Interior de um diodo, a juno PN (anodo e catodo)Fonte: Autor

Material SEMICONDUTOR, como o nome j sugere, um material que possui propriedades de condutividade intermedirias, no sendo nem CONDUTOR e nem ISOLANTE. Um material semicondutor composto de estruturas cristalinas com adio de elementos especficos e devido a composies diferentes, pode apresentar reaes diferentes. O processo de adio de elementos para criar estes compostos envolvendo material semicondutor chamado de dopagem. Genericamente, os semicondutores podem ser divididos em TIPO P e TIPO N. Um DIODO justamente a juno de um condutor de tipo P e outro de tipo N, conhecida como JUNO PN. Devido a variaes realizadas no processo de dopagem, a juno pode apresentar variaes de comportamento.

O nome DIODO vem das palavras DI (duplo) com ELETRODO. VOC SABIA?

Portanto, um DIODO possui suas caractersticas definidas pelo tipo dos SEMICONDUTORES usados na JUNO PN e a forma com que so propositadamente contaminados com outros elementos no processo de dopagem. O nome JUNO PN se deve ao fato de a juno ser feita usando dois materiais, sendo um com lacunas eltricas (P - positivo) e outro com eltrons que sobram (N - negativo).

Explicando melhor, nos semicondutores tipo P e tipo N existem desequilbrios relativos quantidade de eltrons em suas ligaes qumicas. No caso do semicondutor tipo N existem eltrons sobrando, e no do semicondutor tipo P existem eltrons faltando. Nestas vagas para eltrons nas ligaes qumicas do semicondutor P chamamos de lacunas.

AUTOMAO INDUSTRIAL28

Quando submetemos o terminal de tipo P de um diodo (ANODO) a uma tenso POSITIVA, e ou terminal tipo N (CATODO) a uma tenso NEGATIVA, temos a chamada POLARIZAO DIRETA. Como cargas iguais se repelem e cargas opostas se atraem, a juno faz com que os eltrons fluam no circuito, havendo corrente eltrica.

J quando submetemos o terminal de tipo P de um diodo (ANODO) a uma tenso NEGATIVA, e o terminal do tipo N (CATODO) a uma tenso POSITIVA, temos a polarizao REVERSA, e neste caso, as cargas iguais criam uma rea de repulso na juno, o que faz com que o material se comporte como ISOLANTE, em decorrncia, no h corrente significativa no circuito.

Portanto, em um sentido da corrente o diodo convencional se comporta como condutor, e em outro, se comporta como isolante. (Figura 11 e Figura 12)

A

POWER PK HOLD B / L DC / AC

AUTO POWER OFF

CAT ll

20A mA COM VHz

+

-

DC

ANODOCATODOP

+

+

-

-

N

CARG

A

alca

lina

1,5V

- A

A

+

-

INVERSAMENTE POLARIZADO

,A

POWER PK HOLD B / L DC / AC

AUTO POWER OFF

CAT ll

20A mA COM VHz

+

-

DC

ANODO CATODOP++

--N

CARG

A

alca

lina

1,5V

- A

A

+

-

DIRETAMENTE POLARIZADO

,

Figura 11 - Inversamente PolarizadoFonte: Autor

Figura 12 - Diretamente PolarizadoFonte: Autor

Na figura acima observa-se um diodo DIRETAMENTE polarizado em um circuito alimentado por uma bateria. Neste caso, as cargas positivas (LACUNAS) no material P so repelidas para prximo do material N da juno, e os eltrons do material N tambm so repelidos pela tenso negativa proveniente da bateria para contra o material P. Com as lacunas e eltrons sendo repelidos uma de encontro a outra, os eltrons preenchem as lacunas, havendo passagem de corrente eltrica. (Figura 13)

ANODO CATODO

P++

--+ -N+ + + + + +++ +++

++ -- - - - - - - --- -

---

Figura 13 - Cargas iguais se repelindo, e as cargas opostas se atraindo, criando uma rea de fluxo de eltronsFonte: Autor

Neste caso, devido s caractersticas da juno, uma pequena queda de tenso observada, podendo variar conforme as caractersticas do semicondutor. Em diodos convencionais de silcio, a queda de tenso de aproximadamente 0,7V, e em diodos de germnio de 0,3V. Chamamos esta queda de tenso de DIFERENA DE POTENCIAL DE JUNO.

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Quando o diodo INVERSAMENTE POLARIZADO, os eltrons do polo negativo da bateria atraem as lacunas da juno, e o circuito proveniente do polo positivo da bateria atrai os eltrons da juno, criando uma zona de afastamento entre as cargas eltricas positivas e negativas (eltrons e lacunas). Isso faz com que a corrente eltrica encontre dificuldades em passar pela juno, assumindo um comportamento isolante. (Figura 14)

ANODO CATODO

P++

-- +- N + + + + + + + + ++++- - - - - - - ---

Figura 14 - Cargas iguais se repelindo, e as cargas opostas se atraindo, criando uma rea de repulso na juno, interrompendo o fluxo de eltrons

Fonte: Autor

Embora um diodo convencional se comporte como um material no condutor quando inversamente polarizado, propriedades da juno podem permitir uma pequena passagem de corrente eltrica. Dependendo da forma com que a juno foi construda, esta corrente pode ser proposital (caso do diodo zener, por exemplo) ou pode ser indesejada (corrente de fuga em um diodo retificador).

O diodo 1N4007 um diodo retificador bastante comum, utilizado em diversas aplicaes. Pesquise na internet pelo termo datasheet 1n4007 e tente encontrar o material de alguns fabricantes deste diodo, descobrindo qual corrente e tenso reversa mximas so suportadas.

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