Post on 08-Aug-2015
Introdução à Engenharia Elétrica
Prof. Robercy Alves
Universidade Federal de Ouro Preto
Campus João Monlevade
Instituto de Ciências Exatas e AplicadasMaterial cedido por : Glauco Yared
Sumário – Plano de Ensino
1 – Apresentação do Curso 1.1 – Introdução 1.2 - Grade curricular 1.3 – Ênfase 1.4 – Laboratórios planejados
2 – Áreas da Engenharia Elétrica 2.1 – Eletrônica 2.2 – Controle de processos 2.3 – Biomédica 2.4 – Telecomunicações 2.5 – Computação 2.6 – Sistemas elétricos de potência
3 – A Ênfase na Área de Telecomunicações 3.1 – Teoria e Aplicações
4 – A Ênfase na Área de Controle de Processos 4.1 - Teoria e Aplicações
5 – A Ênfase na Área de Sistemas Elétricos de Potência 5.1 - Teoria e Aplicações
6 – Seminários em Engenharia Elétrica
Áreas da Engenharia Elétrica
Eletrônica Estuda os dispositivos eletrônicos e a aplicação dos
mesmos em circuitos elétricos Divide-se em duas sub-áreas:
Eletrônica digital Os sinais elétricos utilizado em circuitos digitais assumem
dois níveis de tensão (0 e +5V). Baseado na lógica Booleana (operações com números
binários) Eletrônica analógica
Os sinais elétricos assumem valores reais contínuos
Introdução à Eletrônica Digital
Vantagens Permite a utilização de algoritmos para correção de erro Menos sensível ao ruído Permite a implementação de circuitos que apresentam
menor consumo de energia (tecnologia CMOS)
Porta inversoraTransição de níveis
Introdução à Eletrônica Digital
Sistemas de numeração – notação posicional Números decimais
Representados por dígitos de 0 à 9 Exemplo: 15410 = 1x102 + 5x101 + 4x100
Números binários Representados pelos dígitos 0 e 1 Exemplo: 100110102 = 1x27 + 0x26 + 0x25 + 1x24 + 1x23 +
0x22 + 1x21 + 0x20 = 15410
Números octais Representados por dígitos de 0 à 7 Exemplo: 2328 = 2x82 + 3x81 + 2x80 = 15410
Números hexadecimais Representados por dígitos de 0 à 9, A, B, C, D, E, F Exemplo: 9A16 = 9x161 + 10x160 = 15410
Introdução à Eletrônica Digital
Conversão de número binário para octal Deve-se agrupar o número binário em grupos de 3 bits,
começando da direita para a esquerda Conversão de número binário para hexadecimal
Deve-se agrupar o número binário em grupos de 4 bits, começando da direita para a esquerda
Introdução à Eletrônica Digital
Conversão de número decimal para binário, octal e hexadecimal Método das divisões sucessivas
Consiste na realização de divisões sucessivas do número representado na base 10 pelo valor da nova base desejada, até que o dividendo obtido seja igual a 0
Introdução à Eletrônica Digital
Adição e subtração de números binários
Lembrando que 102 – 1 = 1
Introdução à Eletrônica Digital
Exercícios: 1 – Converta os números abaixo para base 10:
11011002, FFA16, 100016
2 – Converta os números decimais abaixo para base desejada: 53 para base 2 127 para base 8 4000 para base 16
3 – Converta os números representados em um sistema de numeração quaternário para a base desejada
320214 para base 10 322104 para base 8 12303224 para a base 16
4 – Realize as seguintes operações com números binários 1001102 + 1112
1101112 + 1012
1001102 - 1112
Introdução à Eletrônica Digital
Álgebra Booleana Lei comutativa
A + B = B + A A • B = B • A
Lei associativa (A + B) + C = A + (B + C) (A • B) • C = A • (B • C) = A • B • C
Identidade A + 0 = A A • 1 = A
Lei distributiva A + (B • C) = (A + B) • (A + C) → A • A + A •C + A •B + B •C A • (B + C) = (A • B) + (A • C)
Complemento A + A’ = 1 A • A’ = 0
A + A • C + A • B → A • (1 + C + B) → A
Introdução à Eletrônica Digital
Portas lógicas mais utilizadas (CIs)
Introdução à Eletrônica Digital
Portas lógicas
Introdução à Eletrônica Digital
Portas lógicas
Introdução à Eletrônica Digital
Exemplo de implementação de uma função booleana ao nível de portas lógicas
Z = A’ • (B’ • (C + D)) = A’ • (B’ • C + B’ • D) = A’ • B’ • C + A’ • B’ • D
Introdução à Eletrônica Digital
Minimização lógica Redução do número de literais da função lógica
O número de literais está associado a quantidade de conexões (fios) existentes no circuito
Redução do número de portas lógicas O número de portas lógicas está associado à área necessária
para a implementação do circuito Redução do número de níveis em cascata
Quanto maior o número de níveis em cascata, maior o atraso na propagação do sinal elétrico
Introdução à Eletrônica Digital
Implementações de uma função booleana com diferentes números de portas, literais e extensão de caminhos
Função lógica:Z = A’ • B’ • C + A’ • B • C + A • B’ • C + A • B • C’
Pode ser simplificado por meiode Mapa de Karnaugh
Introdução à Eletrônica Digital
Leis e Teoremas da Álgebra Booleana
Introdução à Eletrônica Digital
Formas canônicas Utilizadas para representar funções booleanas na forma
algébrica Soma de produtos ou soma de mintermos
Mintermo Formado pelo produto dos literais para cada linha da tabela
verdade cuja saída for igual a 1, sendo que aqueles literais que assumirem valor igual a 1 permanecem inalterados e aqueles que assumirem valor 0 são empregados na forma complementar
Produto de somas ou produto de maxtermos Maxtermo
Formado pela soma dos literais para cada linha da tabela verdade cuja saída for igual a 0, sendo que aqueles literais que assumirem valor igual a 0 permanecem inalterados e aqueles que assumirem valor 1 são empregados na forma complementar
Introdução à Eletrônica Digital
Exercício: Determine a função booleana F representada na tabelaverdade da Figura 2.14
F = A’ • B • C + A • B’ • C’ + A • B’ • C + A • B • C’ + A • B • C
Introdução à Eletrônica Digital
Exercícios: 1 – Desenhe os esquemáticos dos circuitos digitais que implementam
as seguintes funções booleanas: X(Y + Z) X’ + Y’ Z’ [X(Y + Z)]’
2 – Prove os seguintes teoremas de simplificação, usando as oito primeiras leis da álgebra booleana
(X + Y)(X + Y’) = X X(X + Y) = X (X + Y’)Y = XY (X + Y)(X’ + Z) = XZ + X’Y
3 – Simplifique as seguintes funções lógicas através dos teoremas da álgebra booleana
XY + XY’ YZ’ + X’ YZ + XYZ (X + Y)(X’ + Y + Z)(X’ + Y + Z’) X + XYZ + X’ YZ + X’ Y + WX + W’ X
4 – Considere a função f(A,B,C,D) = Σ mintermos(0,1,2,7,8,9,10,15) Determine a expressão algébrica em termos da soma de mintermos determine a expressão algébrica em termos do produto de maxtermos
Introdução à Eletrônica Analógica
Tecnologia de semicondutores Dopagem Diodos
Introdução à Eletrônica Analógica
Transistores (componentes eletrônicos com 3 terminais utilizados para amplificação de sinais ou chaveamento) BJT (Bipolar Junction Transistor) JFET (Junction Field Effect Transistor) MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect
Transistor)PMOSNMOS
Introdução à Eletrônica Analógica
MOSFET – NMOS
Introdução à Eletrônica Analógica
Transistores PMOS e NMOS operando como chaves
Introdução à Eletrônica Analógica
Transistores PMOS e NMOS operando como chaves
????
Introdução à Eletrônica Analógica
Transistores PMOS e NMOS operando como chaves
????
Introdução à Eletrônica Analógica
Transistores PMOS e NMOS operando como chaves
Introdução à Eletrônica Analógica
Transistores PMOS e NMOS operando como chaves
Introdução à Eletrônica Analógica
Transistores PMOS e NMOS operando como chaves
Introdução à Automação Industrial
Elementos básicos de um sistema de automação Energia
Elétrica Programa de instruções
Seqüência de operações que devem ser realizadas em um ciclo de trabalho
Exemplo: Carregamento de uma peça em uma máquina;
processamento da peça; descarregamento Ajuste e verificação dos parâmetros (entradas) e variáveis
(saídas observadas) de processo, respectivamente Tomada de decisões
Interação com o operador
Introdução à Automação Industrial
Sistema de controle Execução do programa de instruções Controle em malha aberta
Controle em malha fechada
Controlador Atuador ProcessoParâmetrosde entrada
Variáveisde saída
Controlador Atuador ProcessoParâmetrosde entrada
Variáveisde saída
Sensor derealimentação
Introdução à Automação Industrial
Funções de controle avançadas Monitoramento de segurança
Chaves limite Sensores fotoelétricos Sensores de temperatura Sensores de pressão Visão computacional
Diagnóstico de manutenção Monitoramento de status Diagnóstico de falhas
Detecção de erros e recuperação Erros aleatórios Erros sistemáticos Erros absurdos Recuperação através da realização de ajustes ao término do ciclo de
trabalho, ou durante o mesmo, dependendo da gravidade
Introdução à Automação Industrial
Níveis de automação Dispositivo
Sensores e atuadores Máquinas
Máquinas ferramentas Robôs industriais
Células Equipamentos de manipulação de materiais Máquinas de processamento
Planta MRP (Material Requirements Planning) Controle de chão de fábrica Controle de qualidade
Empresa Marketing Pesquisa Agendamento mestre da produção (Master Production Scheduling)
Sistemas de Controle Industriais
Controle contínuo Parâmetros e variáveis são contínuos
Exemplo: Controle de posição de uma peça em relação uma máquina de usinagem
Em geral, visa manter uma variável de saída em um valor desejado Controle discreto
Parâmetros e variáveis são discretos As ações são realizadas em instantes discretos, podendo ser:
Dirigidas por eventos Exemplo:
Início de processamento de uma peça, cuja presença é detectada por uma chave limite Dirigida por tempo
Exemplo: O tratamento térmico sobre uma peça metálica realizado durante um determinado intervalo de tempo
Abordagens de Controle de Processos por Computador
Monitoramento de processos Coleta de dados
Controle digital direto (Direct Digital Control – DDC) Controle de diversas variáveis de saída através de um
computador Multiplexadores Conversores AD e DA Computadores
Novas funções de controle (tratamento de não-linearidades) Edição dos programas de controle
Maior facilidade na atualização e modificação do sistema de controle
Abordagens de Controle de Processos por Computador
Controle numérico (Numerical Control – NC) Controle da seqüência de passos de processamento Inclui o controle da posição de uma ferramenta em relação a
um objeto (cálculo de trajetórias) Sistemas de controle distribuídos
Múltiplas estações de controle de processos Estações de operadores locais distribuídas pela planta Sala de controle central Estações de operadores e de controle de processos
interligadas por redes de comunicações
Abordagens de Controle de Processos por Computador
Processo
Material bruto Produto
Estação de controle de
processo
Estação de controle de
processo
Estação de controle de
processo
Estação de operador local
Estação de operador local
Sala de controlecentral
Componentes de Sistemas de Controle
Sensores Transdutores, que transformam diversas grandezas físicas
(temperatura, pressão etc.) em sinais elétricos São utilizados para a medição de variáveis de processo Devem ser calibrados antes da utilização Características desejáveis
Precisão Confiabilidade Baixo custo
Componentes de Sistemas de Controle
Sensores de temperatura Termopares (princípio físico do efeito de Seebeck)
Componentes de Sistemas de Controle
Termístores (semicondutores cuja resistência varia em função da temperatura)
Aumento da temperatura
Componentes de Sistemas de Controle
Sensores de luz Fotodiodo
Diodo que conduz corrente elétrica na presença de luz Sensores de distância
Ultra-som Sensores de movimento
Fototacômetro (codificadores ópticos) Medição de velocidade
Exemplo: Feixe de laser que atravessa um disco com orifícios e é detectado por uma
célula fotoelétrica (geração de um trem de pulsos cuja freqüência é proporcional a velocidade de rotação do disco
Componentes de Sistemas de Controle
Sensores de pressão Piezoeletricidade (geração de corrente elétrica por
cristais em resposta ao aumento de pressão mecânica) Sensores de posição
potenciômetros
Componentes de Sistemas de Controle
Atuadores Realização de ações sobre o processo Tipos de atuadores
Elétricos (motor de passos, motor de corrente contínua etc.) Hidráulicos
São empregados para a aplicação de forças elevadas Pneumáticos
São baseados em ar comprimido Adequados para aplicações que demandam forças
relativamente menores (comparados aos atuadores hidráulicos)
Componentes de Sistemas de Controle
Motor de passos Atuador de posicionamento As bobinas do estator são polarizadas alternadamente Pode ser unipolar (apresenta uma derivação entre o
enrolamento de duas bobinas) ou bipolar
Componentes de Sistemas de Controle
Funcionamento do motor de passos de imã permanente unipolar
Componentes de Sistemas de Controle
Passo inteiro com polarização de apenas uma bobina Menor torque
Componentes de Sistemas de Controle
Passo inteiro com polarização de duas bobinas Maior torque
Componentes de Sistemas de Controle
Meio passo
Componentes de Sistemas de Controle
Exemplo: 25 dentes e 4 fases = 100 passos por volta 3,6º por passo
Componentes de Sistemas de Controle
Resumo sobre motor de passos de imã permanente unipolar
Conversores A/D e D/A Utilizados no caso de controle digital
Componentes de Sistemas de Controle
Conversão AD Número de níveis de quantização = 2n, sendo n o número de
bits do conversor Espaço de quantização ou resolução Erro de quantização
2 1AD n
faixaR
Processo
multiplexador
amplificador
sensor
outros sinais
ADentradadigital docomputador
condicionamento do sinal
2ADRErro
Componentes de Sistemas de Controle
Método da aproximação sucessiva (exemplo 5.1) O número de comparações é igual ao número de bits do
conversor A primeira tensão de comparação é igual metade do valor
máximo da faixa de operação do conversor A segunda tensão de comparação é metade da primeira, e
assim sucessivamente Se a diferença entre a tensão de entrada e a tensão de
comparação for positiva, tem-se bit 1. Caso contrário, tem-se bit 0
Finalmente, os valores das tensões de comparação são multiplicados pelos respectivos bits a fim de verificar qual o valor decimal aproximado
Componentes de Sistemas de Controle
Exercício: Um sinal contínuo deve ser digitalizado através de um conversor AD
de 12 bits. A faixa de tensão é de 30V. Determine o número de níveis de quantização, a resolução e o erro de quantização
Exercício: Um sinal de tensão compreendido em uma faixa de 0-115V deve ser
digitalizado por um conversor AD. Determine o número mínimo de bits necessários para a obtenção de erros de quantização de no máximo ±5V e ±1V
Exercício: Assumindo um sinal de entrada de 5.2V, utilize o método das
aproximações sucessivas para codificar tal entrada a partir de um conversor AD de 8 bits e faixa de operação de 10V
Componentes de Sistemas de Controle
Conversão DA
sendo Eref a tensão de referência do conversor, n o número de bits e E0 a saída analógica Exercício:
Um conversor DA possui tensão de referência de 120V e 8 bits de precisão. Em um dado instante, o registrador apresenta a seqüência 01010101. Qual a saída analógica correspondente ?
1
0 1 2 30.5 0.25 0.125 2nref nE E B B B B
Introdução aos Sistemas de Controle
Objetivos de análise e de projeto Determinar a resposta transitória Determinar a resposta de estado estacionário
Reduzir o erro de estado estacionário Garantir a estabilidade do sistema
Introdução aos Sistemas de Controle
Introdução aos Sistemas de ControleProcedimento de projeto