Correção de FP com 8051

CENTRO UNIVERSITÁRIO AUGUSTO MOTTA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CORREÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA DE BAIXO CUSTO UTILIZANDO BANCO
AUTOMÁTICO DE CAPACITORES CONTROLADO PELO MICROCONTROLADOR
8051
Thiago Ladeira da Silva
Rio de Janeiro
DEZEMBRO/2018

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
8051
Trabalho acadêmico apresentado ao Curso de
Engenharia Elétrica do Centro Universitário
Augusto Motta (UNISUAM), como requisito
parcial à obtenção do título de Bacharel em
Engenharia Elétrica.
Orientador: André Luís da Silva Pinheiro
Rio de Janeiro
DEZEMBRO/2018

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
8051
APROVADO EM: _________________________
BANCA EXAMINADORA:
_______________________________________
André Luís da Silva Pinheiro, D.Sc. - Orientador
_______________________________________
Cláudio Márcio do Nascimento Abreu Pereira, D.Sc.
_______________________________________
Antônio José Dias da Silva, M.Sc.
Rio de Janeiro
DEZEMBRO/2018

DEDICATÓRIA
Dedico esse trabalho a minha mãe e a minha irmã que estiveram juntas comigo sempre
me apoiando, me ajudando no que eu mais precisei e sempre acreditando em mim.
É uma grande honra para mim poder dedicar esse trabalho em especial a ela, minha mãe,
que sempre motivou os meus estudos, mesmo quando os momentos eram os mais difíceis, e
que continua me motivando até hoje.

AGRADECIMENTOS
À minha mãe, Nelma Izabel, por todo suporte na minha formação, sempre apoiando
minhas principais escolhas, acreditando no meu sucesso e por ser o meu maior exemplo de foco,
força e fé.
À minha irmã, Camila Ladeira, por ter me dado todo suporte na elaboração desse
trabalho desde a escolha do tema até a conclusão, e por ser um grande exemplo de perseverança,
crescimento profissional e dedicação.
Ao meu pai, José Carlos, no qual sempre foi um grande exemplo de esforço, fé e
dedicação, por mais difícil que fosse a batalha nunca cogitou a hipótese de desistir e junto com
à minha mãe foi o responsável por toda minha base estudantil.
À minha namorada, Bruna Fernandes, por toda paciência em meus momentos de
estresse, me motivando nos momentos que eu mais precisei e sempre somando comigo.
Ao meu orientador André Pinheiro, o qual é o grande responsável pela minha escolha
desse projeto e sempre me auxiliando quando as grandes dúvidas vieram surgindo no decorrer
do trabalho.
Ao Engenheiro Eletrônico e Mestre em Processamento de Sinal Acústico Carlos
Augusto Uchoa, o qual me orientou e me deu suporte durante todo o projeto, o qual também
tenho grande honra de trabalhar ao lado e poder adquirir um pouco de seu vasto conhecimento.

EPÍGRAFE
“Se A é o sucesso, então A é igual a X mais Y mais Z. O trabalho é X; Y é o lazer; e Z
é manter a boca fechada. ”
(Albert Einstein)

SILVA, Thiago Ladeira. Correção de Fator de Potência de Baixo Custo Utilizando Banco
Automático de Capacitores Controlado pelo Microcontrolador 8051. 2018. 107 p. Trabalho
de conclusão de curso (Graduação em Engenharia Elétrica) – Centro Universitário Augusto
Motta, Rio de Janeiro, 2018.
RESUMO
Reduzir os efeitos causados pelo baixo fator de potência a partir de um circuito que utiliza um
microcontrolador da família 8051 é a finalidade geral do presente projeto atrelada ao fato de
poder-se corrigir um fator de potência utilizando um projeto de baixo custo. A utilização do
microcontrolador destina-se a corrigir o fator de potência para uma faixa de limites aceitáveis
a partir do chaveamento automático de um banco capacitivo. Para tal fim, o protótipo necessita:
ler os sinais de tensão e corrente, digitalizar esses mesmos sinais, contar a diferença de tempo
de um sinal para outro, e a partir disso, alimentar os pinos de interrupção do microcontrolador,
esse intervalo de tempo entre a tensão e a corrente é exibido em um display LCD, em seguida
o sistema chaveia um banco capacitivo com a quantidade de relés necessários para tal correção.
O projeto faz também uma abordagem sobre os métodos de correção de fator de potência, bem
como, alerta para os problemas de se ter um baixo fator de potência, tanto em indústrias como
em residências.
Palavras-chave: fator de potência, baixo custo, microcontrolador, 8051, correção de
fator de potência

SILVA, Thiago Ladeira. Low Cost Power Factor Correction Using Automatic Capacitor
Bank Controlled By 8051 Microcontroller. 2018. 107 p Monograph (Graduation in Electrical
Engineering) – Centro Universitário Augusto Motta, Rio de Janeiro, 2018.
ABSTRACT
Reducing the effects caused by low power using an 8051 family microcontroller is the overall
purpose of this project coupled with the fact that a power factor can be corrected using a low
cost design. The use of the microcontroller is intended to correct the power factor for a range
of acceptable limits from the automatic switching of a capacitive bank. To this end, the
prototype needs to read the voltage and current signals, digitize the same signals, count the time
difference from one signal to another, and from that, feed the microcontroller interrupt pins,
this time interval between the voltage and current is displayed on an LCD display, then the
system switches a capacitive bank with the amount of relays required for such a correction. The
project also takes an approach on power factor correction methods as well as alerts you to the
problems of having a low power factor in both industries and homes.
Keywords: power factor, low cost, microcontroller, 8051, power factor correction

LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Carga Resistiva......................................................................................... 10
Figura 2 - Carga Indutiva.......................................................................................... 11
Figura 3 - Carga Capacitiva ...................................................................................... 12
Figura 4 - FP em atraso e FP em avanço ................................................................... 13
Figura 5 - Triângulo de Potências ............................................................................. 14
Figura 6 - Ângulo do FP e as potências envolvidas ................................................... 16
Figura 7 - Triângulo de potências – Exemplificação.................................................. 21
Figura 8 - Triângulo de Potências ............................................................................. 26
Figura 9 - Gráfico para determinação do Fator de Potência ....................................... 27
Figura 10 - Transformador........................................................................................ 30
Figura 11 - Circuito LM7805.................................................................................... 32
Figura 12 - Diagrama de Blocos interno.................................................................... 33
Figura 13 - Retificador Ponte.................................................................................... 34
Figura 14 - Filtro Capacitivo..................................................................................... 35
Figura 15 - Diagrama de Blocos funcional do MC8051 E 8052................................. 37
Figura 16 - Esquema elétrico do chip externamente .................................................. 39
Figura 17 - Ilustração do comprometimento do Port P3............................................. 41
Figura 18 - Ilustração da utilização do PSEN............................................................ 43
Figura 19 - Organização da ROM interna/externa em função do pino EA ................. 44
Figura 20 - Diagrama do Relé................................................................................... 45
Figura 21 - Funcionamento do Relé .......................................................................... 46
Figura 22 - Driver de Relé ULN2003........................................................................ 48
Figura 23 - Diagrama da Pinagem............................................................................. 49
Figura 24 - Esquema do par de Darlington................................................................ 50
Figura 25 - Par de Darlington ................................................................................... 50
Figura 26 - Display LCD 16x2.................................................................................. 51
Figura 27 - Display LCD e suas respetivas portas ..................................................... 52
Figura 28 - Pinagem LM339..................................................................................... 55
Figura 29 - Transformador de Corrente..................................................................... 56
Figura 30 - Exemplos de Indutores ........................................................................... 57
Figura 31 - LED Típico ............................................................................................ 58
Figura 32 - Simbologia do LED no circuito .............................................................. 58

Figura 33 - Resistor .................................................................................................. 60
Figura 34 - Diagrama de blocos do circuito............................................................... 65
Figura 35 - Circuito de alimentação montado............................................................ 66
Figura 36 - Driver de relé aberto............................................................................... 69
Figura 37 - Driver de relé fechado ............................................................................ 69
Figura 38 - Driver de relé ULN2003 e relés montados na placa ................................ 70
Figura 39 - Amplificador Operacional ...................................................................... 71
Figura 40 - Diagrama esquemático do circuito.......................................................... 73
Figura 41 - Pulsos de cruzamento de zero ................................................................. 74
Figura 42 - Circuito ZCS 1 ....................................................................................... 75
Figura 43 - Circuito ZCS 2 ....................................................................................... 75
Figura 44 - Circuito ZVS.......................................................................................... 76
Figura 45 - Protótipo Montado.................................................................................. 77
Figura 46 - Banco capacitivo, carga resistiva e carga indutiva................................... 78
Figura 47 - Fluxograma de funcionamento................................................................ 82
Figura 48 - Layout do uVision 3, inicio do programa. Configuração dos ports, declaração
de variáveis e funções............................................................................................... 83
Figura 49 - Circuito de gravação do microcontrolador .............................................. 84
Figura 50 - Layout do programa de gravação............................................................ 84
Figura 51 - Diferença de tempo para carga resistiva.................................................. 86
Figura 52 - Senóides em fase .................................................................................... 87
Figura 53 - Ponto de medição ................................................................................... 87
Figura 54 - Atraso com indutor no circuito ............................................................... 88
Figura 55 - Senóides defasadas................................................................................. 89
Figura 56 - Compensação de FP ............................................................................... 89
Figura 57 - Protótipo em funcionamento................................................................... 90

LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Grupos das unidades consumidoras............................................................2
Tabela 2 - Absolute Maximum Ratings..................................................................... 33
Tabela 3 - Recursos do port P3 ................................................................................. 42
Tabela 4 - Características ULN2003 ......................................................................... 48
Tabela 5 - Características LM339 ............................................................................. 54
Tabela 6 - Características 1N4148 ............................................................................ 59
Tabela 7 - Tabela para definição do FP a partir do tempo de atraso........................... 79

LISTA DE EQUAÇÕES
(1) Potência Elétrica ...................................................................................................8
(2) Potência Real ........................................................................................................ 9
(3) Potência Reativa....................................................................................................9
(4) Potência Aparente ................................................................................................. 9
(5) Potência Ativa Em Circuito Trifásico.................................................................. 14
(6) Potência Reativa Em Circuito Trifásico............................................................... 14
(7) Fator de Potência................................................................................................. 14
(8) Potência em KW ................................................................................................. 14
(9) Potência em KVA ............................................................................................... 14
(10) Potência em KVA ............................................................................................. 15
(11) Potência em KW ............................................................................................... 15
(12) Potência em KVAR........................................................................................... 15
(13) Potência em KVA ............................................................................................. 15
(14) FP baseado nos consumos de energia em um determinado periodo de tempo..... 15
(15) FP baseado nos consumos de energia em um determinado periodo de tempo..... 15
(16) Fator de Potência............................................................................................... 15
(17) Fator de Potência............................................................................................... 16
(18) Cálculo do FP utilizada para avaliação mensal ou horária.................................. 17
(19) Faturamento de Energia Reativa Excedente....................................................... 18
(24) Fator de Potência Horário.................................................................................. 20
(25) Potência dos Capacitores................................................................................... 24
(26) Potência dos Capacitores................................................................................... 25
(27) Relação de Espiras ............................................................................................ 31
(28) Lei de Ohm ....................................................................................................... 60
(29) Ângulo de Defasagem ....................................................................................... 80

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AC - Alternating Current (Corrente Alternada)
AD – Adress
ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica
Arctg - Arco Tangente
AT – Alta Tensão
BT - Baixa Tensão
CA - Corrente Alternada
Cam - Consumo De Energia Ativa
Cat- Consumo De Energia Ativa
CC - Corrente Contínua
CI – Circuito Integrado
CLP – Controlador Lógico Programável
CMOS - Complementary Metal Oxide Semiconductor
Cos - Cosseno
Crm - Consumo De Energia Reativa Registrado No Mês
Dam - Demanda De Potência Ativa Máxima
Dat - Demanda De Potência Ativa Medida
DC – Direct Current (Corrente Contínua)
DEMUX – Demultiplexador
Df- Demanda De Potência Ativa Faturável
Dfp- Demanda De Potência Ativa Faturada
EA – External Acess
Eah - Energia Ativa Medida A Cada Intervalo De 1 Hora.
EN – Enable
Erh - Energia Reativa Indutiva Ou Capacitiva Medida A Cada Intervalo De 1 Hora
F – Faraday
F – Frequência
Fdr - Faturamento da Demanda de Energia reativa excedente
Fdrp - Faturamento Da Demanda De Potência Reativa Excedente Por Posto Tarifário
Fer - Faturamento Do Consumo De Energia Reativa Excedente
Ferp - Faturamento De Consumo De Energia Reativa Excedente Por Posto Tarifário
FP - Fator de Potência
FP - Fator de Potência

FR - Fator de Potência de Referência
Hz – Hertz
I - Corrente
I – Corrente
I – Input
K - Kilo
KVA – Kilo Volt Ampére
kvar - Kilo Volt Ampére Reativo
KW - Kilo Watt
KWh - Kilo Watt Hora faturamento da demanda de energia reativa excedente
LCD - Liquid Crystal Display
LED - Light Emitting Diode
MCU –Microcontrolador
MHz – Mega Hertz
MOS - Metal Oxide Semiconductor
NA – Normalmente Aberto
NC – Normally Closed
NF – Normalmente Fechado
NO – Normally Open
O – Output
P – Potência Elétrica Ativa (W)
Pap - Potência Aparente
Pat - Potência Ativa
PC – Personal Computer
PCI – Placa de Circuito Impresso
PSEN – Program Store Enable
Q - Potência Reativa
R - Resistência
RAM - Random Access Memory
RD – Read Strobe
ROM - Read-Only Memory
RS – Register Select
RST – Reset
RTC – Relação de Transformação de Corrente

RTP – Relação de Transformalçao de Potencial
RTS – Real Time System
RW – Read/Write
S - Potência Aparente
Sen - Seno
T – Tempo
TC – Transformador de Corrente
Tda - Tarifa De Demanda De Potência Ativa
Tdap - Tarifa De Demanda De Potência Ativa, Por Posto Tarifário
Tea - Tarifa De Energia Ativa
Teap - Tarifa De Energia Ativa, Por Posto Tarifário
Tg – Tangente
TP – Transformador de Potencial
TR – Transistor
TRAFO – Transformador
TTL - Transistor–transistor logic
UFDR - Unidade de Faturamento da Demanda Reativa
UFER - Unidade de Faturamento de Energia Reativa
V – Tensão em Volts (V
VA - Volta-Ampére
Vcc – Alimentação Positiva
Vss – Alimentação Negativa
W - Watts
WR – Write Strobe
X - Reatância
ZCS - Zero Current Sensing
ZVS - Zero Voltage Sensing

LISTA DE SÍMBOLOS
∆ – Diferencial
Π – 180º em rad
Ψ – Ângulo do fator de potência
𝜃 − Ângulo de fase
𝜑 – Ângulo em graus

SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO......................................................................................................1
1.1. APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA.............................................................. 1
1.2. DEFINIÇÃO DO PROBLEMA .......................................................................2
1.3. HIPÓTESE ......................................................................................................3
1.4. OBJETIVOS....................................................................................................4
1.5. MOTIVAÇÃO................................................................................................. 4
1.6. TRABALHOS RELACIONADOS E CONTEXTUALIZAÇÃO......................5
1.7. JUSTIFICATIVA E RELEVÂNCIA ............................................................... 5
1.8. METODOLOGIA............................................................................................6
1.9. ORGANIZAÇÃO DO TEXTO........................................................................ 7
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ..........................................................................8
2.1. POTÊNCIA ELÉTRICA.................................................................................. 8
2.1.1. Potência Ativa...........................................................................................8
2.1.2. Potência Reativa........................................................................................9
2.1.3. Potência Aparente .....................................................................................9
2.2. CARGAS EM UM SISTEMA ELÉTRICO.................................................... 10
2.2.1. Carga Resistiva ....................................................................................... 10
2.2.2. Carga Indutiva......................................................................................... 11
2.2.3. Carga Capacitiva..................................................................................... 12
2.3. FATOR DE POTÊNCIA................................................................................ 13
2.3.1. Legislação referente ao fator de potência................................................. 17
2.3.2. Faturamento do Excedente de Reativos ................................................... 18
2.4. CORRIGINDO O FATOR DE POTÊNCIA................................................... 21
2.4.1. Motivos do Baixo Fator de Potência........................................................ 22
2.5. BANCOS DE CAPACITORES ..................................................................... 24
2.5.1. Bancos de Capacitores Fixos ................................................................... 24
2.5.2. Bancos de Capacitores Automáticos........................................................ 28
3. REFERENCIAL TECNOLÓGICO....................................................................... 29
3.1. HARDWARES.............................................................................................. 29

3.1.1. Componentes Utilizados.......................................................................... 29
4. DESENVOLVIMENTO – HARDWARE E SOFTWARE.................................... 62
4.1. INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS EMBARCADOS..................................... 62
4.1.2. Características dos Sistemas Embarcados ................................................ 62
4.1.3. Aplicações dos Sistemas Embarcados...................................................... 63
4.1.4. Classificação........................................................................................... 64
4.2. DESENVOLVIMENTO DO HARDWARE................................................... 64
4.2.1. Fonte de alimentação............................................................................... 65
4.2.2. Ligações Padrões do Microcontrolador 8051 ........................................... 66
4.2.3. Reset ....................................................................................................... 67
4.2.4. Acesso Externo (EA)............................................................................... 68
4.2.5. ULN 2003 Driver de Relé ....................................................................... 68
4.2.6. Comparador ............................................................................................ 71
4.3. FUNCIONAMENTO DO CIRCUITO ........................................................... 72
4.3.1. Descrição das conexões principais........................................................... 72
4.3.2. Funcionamento do circuito ...................................................................... 74
4.4. DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE .................................................... 78
4.4.1. Compreendendo o software ..................................................................... 81
4.5. CUSTOS DO PROJETO................................................................................ 85
4.6. RESULTADOS ............................................................................................. 86
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS E TRABALHOS FUTUROS.................................. 91
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 92
ANEXOS ................................................................................................................. 96
ANEXO A – Tabela de multiplicadores para determinação dos kvar necessários para
a correção do fator de potência.............................................................................. 96
ANEXO B – Código Fonte do Programa .............................................................. 98

1
1. INTRODUÇÃO
1.1. APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA
Correção de FP (Fator de Potência) não é algo novo, no entanto, conscientizar o
consumidor, em especial da BT (Baixa Tensão), da importância da correção e dos benefícios
que podem ser gerados tanto para o sistema elétrico quando para o orçamento do consumidor
não é uma tarefa simples, afinal, os consumidores residenciais tem pouca informação sobre esse
assunto, e se quer sabem da possibilidade de ocorrer uma futura cobrança de energia reativa em
sua conta de energia. Para (MAMEDE F., 2017) uma forma de evitar a circulação de energia
reativa nos terminais distantes da carga, é instalando fontes de energia reativas próximo aos
terminais, como um banco de capacitores por exemplo, dessa maneira as perdas referentes a
esse bloco de energia são reduzidas, obtendo assim, um melhor rendimento do sistema elétrico.
De acordo com a resolução 456 da Agência Nacional de Energia Elétrica
(RESOLUÇÃO ANEEL Nº 456, 2000),“O fator de potência de referência “fr”, indutivo ou
capacitivo, terá como limite mínimo permitido, para as instalações elétricas das unidades
consumidoras, o valor de fr = 0,92.”. Os consumidores de pequeno porte, como condomínios,
comércios e pequenas indústrias não corrigem o fator de potência justamente porque não
conhecem o modo no qual vem cobrado na conta de energia (UFER - Unidade de Faturamento
de Energia Reativa, UFDR - Unidade de Faturamento da Demanda Reativa, Consumo Reativo
Excedente, Demanda Reativa Excedente, etc.), isso acaba disfarçando a cobrança desse tipo de
energia, prejudicando o consumidor e evitando os benefícios da correção para o sistema
elétrico. (AMORIM, 2008).
Diferente dos consumidores residenciais, os consumidores da Média Tensão em sua
grande maioria conhecem a Resolução 456 da ANEEL quanto a obrigação de correção do FP,
caso contrário implicaria em multas, em conjunto do esclarecimento da importância da correção
do FP para o sistema elétrico, pois as grandes empresas contam com um corpo de engenharia
para solução desse problema. (AMORIM, 2008)

2
1.2. DEFINIÇÃO DO PROBLEMA
Correção de Fator de Potência é primordial para qualquer tipo de instalação elétrica,
tanto industrial quanto residencial, um baixo FP pode acarretar em muitas perdas para o sistema
elétrico como: Quedas e flutuações de tensão, perdas na instalação por efeito Joule, sobrecarga
nos equipamentos de manobra e proteção (MACEDO, 2012). Atualmente a norma
regulamentadora da ANEEL exige apenas correção para consumidores do Grupo A. A Tabela
1 abaixo define os grupos e subgrupos dispostos na Resolução 456 da ANEEL:
Tabela 1 - Grupos das unidades consumidoras
Grupo “A” Grupo
“B”
Subgrupo A1 tensão de fornecimento igual ou
superior a 230 kV
Subgrupo
B1
residencial;
Subgrupo A2 tensão de fornecimento de 88 kV a
138 kV;
Subgrupo
B1
residencial baixa renda;
Subgrupo A3 tensão de fornecimento de 69 kV; Subgrupo
B2
rural;
Subgrupo
A3a
tensão de fornecimento de 30 kV a 44
kV;
Subgrupo
B2
cooperativa de
eletrificação rural;
Subgrupo A4 tensão de fornecimento de 2,3 kV a
25 kV;
Subgrupo
B2
serviço público de
irrigação;
Subgrupo AS tensão de fornecimento inferior a 2,3
kV, atendidas a partir de sistema
subterrâneo de distribuição e
faturadas neste Grupo em caráter
opcional.
Subgrupo
B3
demais classes;
Subgrupo
B4
iluminação pública.
Fonte: (RESOLUÇÃO ANEEL Nº 456, 2000)

3
De acordo com a Resolução 456 da ANEEL:
XXII - Grupo “A”: grupamento composto de unidades consumidoras com fornecimento
em tensão igual ou superior a 2,3 kV, ou, ainda, atendidas em tensão inferior a 2,3 kV a partir
de sistema subterrâneo de distribuição e faturadas neste Grupo nos termos definidos no art. 82,
caracterizado pela estruturação tarifária binômia e subdividido em subgrupos.
XXIII - Grupo “B”: grupamento composto de unidades consumidoras com fornecimento
em tensão inferior a 2,3 kV, ou, ainda, atendidas em tensão superior a 2,3 kV e faturadas neste
grupo nos termos definidos nos arts. 79 a 81, caracterizado pela estruturação tarifária monômia
e subdividido em subgrupos. (ANEEL, 2000, p. 4)
A futura possibilidade de cobrança do fator de potência para unidades consumidoras do
grupo B, como residências, é algo que pode vir a ocorrer. Atualmente o Fator de Potência
mínimo exigido pela ANEEL é de 0,92 (ANEEL, 2000). Segundo um estudo realizado por
(FERREIRA FINOCCHIO, CAGNON e GEROMEL, 2009) O fator de potência médio
encontrado nas residências é em torno de 0,78, Essa média é muito baixa para os padrões
exigidos pela ANEEL, fato esse que prejudica muito o sistema elétrico.
Segundo (FERREIRA FINOCCHIO, CAGNON e GEROMEL, 2009) os consumidores
residenciais não sabem o que é fator de potências e quais são as consequências acarretadas pelo
baixo valor do mesmo, no entanto, mesmo após a conscientização, os consumidores residenciais
não se sensibilizam, visto que, a multa cobrada por baixo FP ainda não é aplicada em unidades
consumidoras do grupo B.
1.3. HIPÓTESE
A importância de se manter o fator de potência o mais próximo possível do valor unitário
e com um baixo custo para o consumidor nos leva a propor um hardware simples, composto
por um transformador, retificador, display, relés, banco de capacitores e um microcontrolador,
funcionando a partir de um determinado código fonte, para fazer a correção do fator de potência
com custos mais baixos que os atuais. O projeto tem como base a elaboração e o
desenvolvimento de um sistema automatizado através de um microcontrolador que a partir de

4
uma pré-programação, calcule e corrija o FP da melhor forma possível e dentro de curtos
intervalos de tempo. (NOLL, FASSHEBER, et al., 2003)
Pressupõe-se que determinando a localização ótima para instalação do banco capacitivo
o tamanho do banco capacitivo e traduzindo para uma linguagem de baixo nível como
Assembler ou C, de forma implementar no microcontrolador, seja obtido uma redução das
perdas elétricas e como conseqüência uma economia maior para o consumidor ou até mesmo
um lucro oriundo da distribuição, em consequência da correção do fator de potência.
(MENDES, PISSARRA, et al., 2002)
1.4. OBJETIVOS
O presente projeto tem como objetivo corrigir o fator de potência tanto em residências
como em indústrias, utilizando um sistema de baixo custo e acessível para todas as classes de
consumidores, apresentando o funcionamento do banco capacitivo por meio de um protótipo
funcional, ou seja, reduzir a potência reativa indutiva que está sendo aplicada à rede da
concessionária através das cargas instaladas no sistema da residência ou indústria utilizando um
sistema de controle comandando por um microcontrolador da família 80C51 com a principal
função de ligar e desligar o banco capacitivo de maneira independente. Para (MAMEDE F.,
2017) a energia reativa indutiva é geralmente fruto de aparelhos dotados de bobinas como
motores, reatores, transformadores, etc., ou que operam com a formação de arco elétrico, como
fornos a arco. Os aparelhos presentes por exemplo em uma instalação industrial são em sua
maioria consumidores parciais de energia reativa indutiva e não produzem trabalho útil.
1.5. MOTIVAÇÃO
Reduzir, mesmo que em pequena escala o valor da conta de energia para os
consumidores residenciais e ter a possibilidade de diminuir os custos do circuito de controle
para os consumidores industriais é uma grande motivação deste projeto, atualmente os custos
de um banco capacitivo voltado para indústrias gira em torno de R$5.000,00 à R$100.000,00,
como a linha BCWP da WEG, para bancos entre 10KVar e 35Kvar (SCHWANZ, 2017), já para
o consumidor residencial ainda não se comercializam bancos capacitivos prontos como esses

5
da WEG, o mercado ainda não direcionou seus bancos capacitivos para os consumidores do
grupo B, e uma outra motivação deste projeto é propor esse sistema para esses consumidores
com o menor custo possível.
1.6. TRABALHOS RELACIONADOS E CONTEXTUALIZAÇÃO
Em sua Dissertação de Mestrado (BEÊ, 2007) aborda uma técnica de Algoritmos
Genéticos na busca da melhor escolha em bancos de capacitores, sendo eles, fixos ou
automáticos, bem como, o tamanho dos bancos e a localização dos mesmos em alimentadores
de distribuição.
(GODOI, 2009) Desenvolveu em seu Trabalho de Conclusão de Curso uma metodologia
relacionada a melhor forma de racionalização de reativo envolvendo a rede primária e
secundária da rede de distribuição de energia elétrica, avaliando técnicas de análise de fluxo de
potência e inteligência artificial (Algoritmos Genéticos).
(NORA, 2016) Em seu Relatório Final de Estágio, abordou o consumo de energia da
empresa Mendes e Cia Ltda., verificando uma possível melhoria do fator de potência para
unitário e compreendendo o sentido da multa aplicada pela concessionária, apesar do fator de
potência da empresa estar dentro dos parâmetros normais exigidos por lei.
1.7. JUSTIFICATIVA E RELEVÂNCIA
Gerar uma energia mais limpa para o sistema elétrico, visto que, se todos os
consumidores residenciais aderissem ao sistema, presuma-se que teríamos uma rede
eletricamente mais limpa, afinal, problemas como quedas de tensão, perdas, sobrecargas, etc.,
seriam reduzidos. Segundo (MAMEDE FILHO, 2017), para que a energia reativa não ocupe
“espaço” nos condutores, transformadores etc, do sistema de suprimento, basta que em um
ponto próximo ao da carga se conecte um banco de capacitor que passará a fornecer energia
capacitiva à carga, liberando o sistema de suprimento para transportar mais energia ativa.
Quando a carga não é solicitada a realizar nenhum trabalho, deixa-se de consumir energia ativa.
Se, no entanto, o banco de capacitores não for desligado, este passará a fornecer energia reativa
capacitiva ao sistema de suprimento.

6
Ou seja, dessa forma verifica-se também tamanha relevância na implementação de um
banco de capacitores automático, pois, um banco de capacitores manual por exemplo, não seria
capaz de identificar o momento no qual a carga não está sendo solicitada e assim, interromper
automaticamente o fornecimento de energia capacitiva ao sistema. Dessa maneira, um banco
de capacitores manual ou semi-automático em uma situação como esta, continuaria injetando
energia capacitiva ao sistema, mantendo um fator de potência capacitivo, possivelmente, longe
do valor desejado. As cargas aplicadas a um determinado sistema industrial por exemplo,
variam a todo instante, fazendo assim a necessidade de utilizar um banco automático de
capacitores (SILVA DOS REIS e TSURUJI KIKUCHI, 2015), agindo efetivamente em todas as
variações de carga no sistema para corrigir o fator de potência de forma eficiente.
1.8. METODOLOGIA
Serão estudadas referências bibliográficas acerca de como será montado o sistema
automático de banco de capacitores, desde os cálculos iniciais para dimensionamento do banco
capacitivo até a programação do microcontrolador responsável pela automação do sistema. Será
montado um protótipo de teste composto por: Transformador, Amplificadores Operacionais,
microcontrolador da família 8051, Display LCD e Relés.
O protótipo será alimentado através do Trafo abaixador, os amplificadores operacionais
comparadores serão responsáveis pela comparação entre o pulso zero da tensão e da corrente.
O intervalo de tempo entre tensão e corrente será exibido em um display LCD que será
conectado ao microcontrolador, dependendo do atraso de tempo calculado o microcontrolador
fechará o circuito acionador dos capacitores com a quantidade necessária para correção ótima
do FP do sistema, exibindo o valor já corrigido no display.

7
1.9. ORGANIZAÇÃO DO TEXTO
Esse projeto será dividido em 5 capítulos, sendo:
O capítulo 1 será a introdução, ao qual, dará ao leitor um panorama geral do que é o
fator de potência, da importância do mesmo tanto para os consumidores industriais quanto para
os residenciais, ou seja, irá situar o leitor acerca do projeto.
O capítulo 2 fará uma revisão da literatura, de todo o material pertinente à correção de
fator de potência e a qualidade da energia elétrica.
No capítulo 3 veremos um breve referencial tecnológico, onde falaremos da função de
cada componente adotado no circuito.
No capítulo 4 será o projeto físico, o qual consiste da montagem do hardware do sistema,
explicando detalhadamente o funcionamento do circuito, bem como a lógica de funcionamento
do programa e os resultados obtidos.
Por fim, no capítulo 5 será apresentada a conclusão, as considerações finais e as
sugestões para projetos futuros.

8
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1. POTÊNCIA ELÉTRICA
Para ser gerado calor, luz, radiação, etc., ou para qualquer tipo de movimento ser
executado, necessitamos de energia. A energia desprendida a cada segundo para execução
dessas atividades é chamada de Potência. (CREDER, 2008)
A potência é o produto da tensão pela corrente, logo, podemos definir a Potência Elétrica
a partir da Equação (1):
𝑃 = 𝑉. 𝐼
(1)
Onde:
P – Potência Elétrica em Watts (W)
V – Tensão em Volts (V)
I – Corrente em Ampéres (A)
No entanto, essa expressão é válida apenas para circuitos de Corrente Contínua
(CC) ou para circuitos de corrente alternada puramente resistivos, quando temos motores de
indução ou outros enrolamentos no circuito, temos no circuito a Potência Reativa (CREDER,
2008) que veremos a seguir.
2.1.1. Potência Ativa
A parte destinada a vencer a resistência efetiva do circuito é denominada POTÊNCIA
REAL (P) ou POTÊNCIA ATIVA do circuito. É expressa em WATTS. Esta potência
corresponde à energia elétrica que está realizando trabalho elétrico, ou sendo transformada em
calor, em cada segundo, e costuma ser chamada também de POTÊNCIA EFETIVA.
(PEREIRA, 2012)
A potência real é a energia gasta por segundo para vencer apenas a resistência efetiva.
No seu cálculo é considerada simplesmente a resistência efetiva (R) e a tensão Vr, como
descrito na Equação (2):

9
𝑃 = 𝑉𝑟 . 𝐼 = 𝐼² . 𝑅 = 𝑉𝑟²/𝑅 (𝑊)
(2)
2.1.2. Potência Reativa
A parcela gasta para sobrepujar a reatância do circuito é denominada POTÊNCIA
REATIVA (Q), sendo expressa em VOLTS-AMPÈRES REATIVOS (VAr). (PEREIRA, 2012)
a potência reativa é a energia gasta por segundo unicamente para vencer a reatância do
circuito. Para calculá-la, consideramos a reatância (X) e a parcela da tensão destinada a vencê-
la (Vx), como descrito na Equação (3):
𝑄 = 𝑉𝑥 . 𝐼 = 𝐼² . 𝑋 =
𝑉𝑥²
𝑋
(Var)
(3)
2.1.3. Potência Aparente
Em Corrente Alternada (CA), a Potência VxI, parece existir, no entanto não é
apresentada como potência ativa no consumidor. Em virtude disto, o valor de VxI em corrente
alternada é designado por Potência Aparente e é indicada em Volt-Ampére (VA) ao invés de
ser indicado em Watts. (ANZENHOFER, HEIM, et al., 1974)
A soma vetorial das potências ativa e reativa é igual ao produto da tensão aplicada ao
circuito pela intensidade da corrente no mesmo. Este produto é conhecido como Potência
Aparente (S) do circuito, e corresponde, como à energia aplicada por segundo ao circuito.
(PEREIRA, 2012)
A potência aparente é a energia gasta por segundo para vencer a dificuldade total do
circuito. A Potência Aparente é calculada através da Impedância e da tensão aplicada ao
circuito. Conforme a Equação (4):
𝑆 = 𝑉 . 𝐼 = 𝐼² . 𝑍 =
𝑉²
𝑍
(VA)
(4)

10
2.2. CARGAS EM UM SISTEMA ELÉTRICO
2.2.1. Carga Resistiva
São aquelas responsáveis pela Potência Real ou Ativa do equipamento, elas consomem
a energia fornecida em forma de trabalho ou calor. Como exemplo desse tipo de cargas temos,
ferros elétricos, chuveiros elétricos, torneiras elétricas, etc,.
Quando ligamos uma fonte de corrente alternada à um resistor, a tensão irá variar
senoidalmente, da mesma forma como ela se originou. Sendo o valor da tensão, em um
determinado instante igual a zero, logo, nesse mesmo instante também não haverá circulação
de corrente. Quando a tensão chega em seu valor máximo, o mesmo se reflete na corrente, com
isso é possível definir que a tensão e a corrente nas cargas resistivas estão em fase, ou seja, em
cargas ôhmicas, a corrente e a tensão crescem e decrescem simultaneamente 𝜑 = 0°.
(ANZENHOFER, HEIM, et al., 1974). Na Figura 1 podemos observar a forma de onda da
tensão e da corrente em uma carga resistiva.
Figura 1 - Carga Resistiva
Fonte: (ANZENHOFER, HEIM, et al., 1974)

11
2.2.2. Carga Indutiva
As cargas indutivas são as mais comuns nas indústrias, pois são encontradas em motores
de indução, transformadores, reatores ou aparelhos que operam com a formação de arcos
elétricos. Esse aparelhos consomem em sua maioria, potência reativa indutiva e não produzem
nenhuma trabalho útil. (MAMEDE F., 2017)
Quando ligamos uma fonte de corrente alternada à uma carga indutiva, ocorrerá uma
diferença de fase entre a tensão e a corrente, pelo fato da corrente sofrer um atraso em seu
deslocamento, devido a ação da auto-indução. Essa defasagem é indicada em ângulo. Quando
a carga é puramente indutiva, significa que o circuito de corrente não apresente nenhuma
resistência ôhmica, logo, a diferença de fase é igual a 90°, ou seja, nos casos de cagas puramente
indutivas, a corrente está atrasada 90° ou ¼ do período em relação à tensão. 𝜑 = +90°.
tensão e da corrente em uma carga indutiva.
Figura 2 - Carga Indutiva

12
2.2.3. Carga Capacitiva
As cargas capacitivas, são normalmente encontradas em motores síncronos
superexcitados (Compensadores Síncronos) ou por capacitores (MAMEDE F., 2017), como
bancos capacitivos, esses ainda com intuito de fazer a compensação de energia reativa no
sistema, como veremos mais à frente.
As cargas capacitivas geram no circuito uma defasagem entre tensão e corrente no
sentido contrário à defasagem das cargas indutivas. Somente quando a tensão alcança seu valor
nulo o capacitor atinge seu valor da tensão de crista, ou seja, nos casos de cargas capacitivas
puras, a corrente está adiantada em relação a tensão em 90° ou ¼ de período 𝜑 = −90°
tensão e da corrente em uma carga capacitiva.
Figura 3 - Carga Capacitiva

13
2.3. FATOR DE POTÊNCIA
Como já visto, existem dois tipos de potência em um sistema elétrico, a ativa e a reativa
e a soma vetorial dessas duas potências nos dá como resultado a potência aparente do sistema.
O fator de potência é o número que expressa, a cada instante, o cosseno do ângulo de defasagem
entre a corrente e a tensão. Caso o circuito seja indutivo, consumidor de energia reativa, o fator
de potência será dito em atraso, caso seja capacitivo, fornecedor de energia reativa, o fator de
potência será dito em avanço. (CREDER, 2008). Na Figura 4 podemos observar o Fator de
Potência em atraso e em avanço, respectivamente.
Figura 4 - FP em atraso e FP em avanço
Fonte: (CREDER, 2008)
Onde:
I.cos𝜃= Componente ativa ou em fase da corrente
I.sen𝜃= Componente reativa ou em quadratura da corrente

14
Em um circuito trifásico as potências ativa e reativa são descritas conforme Equações
(5) e (6):
Pat= √3. 𝑉𝐼 𝑐𝑜𝑠𝜃 (W)
(5)
Preat= √3. 𝑉𝐼 𝑠𝑒𝑛𝜃 (𝑣𝑎𝑟)
(6)
A Figura 5 indica o triângulo de potências:
Figura 5 - Triângulo de Potências
As Equações (7) a (13) demonstram as formas de encontrar o Fator de Potência, Potência
em kW, Potência em kVA e a Potência em kVar.:
FP= cos𝜃=
𝑘𝑊
𝑘𝑉𝐴
(7)
kW= kVA. Cos
(8)
kVA=
𝑘𝑊
cos𝜃
(9)

15
kVA=
𝑘𝑊
cos𝜃
(10)
kW= √3. 𝑉𝐼. (𝑐𝑜𝑠𝜃). 10−3
(11)
kvar= √3. 𝑉𝐼. (𝑠𝑒𝑛𝜃). 10−3
(12)
kVA= √𝑘𝑊2 + 𝑘𝑣𝑎𝑟2 𝑜𝑢 𝑆 = √𝑃2 + 𝑄²
(13)
Onde:
V= Tensão entre fases em volts;
I= Corrente de linha em ampéres.
O FP também pode ser calculado tendo como base os consumos de energia ativa e
reativa, referentes a um determinado período de tempo (CREDER, 2008), como demonstram
as Equações (14) e (15):
FP=
𝑘𝑊ℎ
√(𝑘𝑊ℎ)2+ (𝑘𝑣𝑎𝑟ℎ)2
(14)
FP= cos arctg
𝑘𝑣𝑎𝑟ℎ
𝑘𝑊ℎ
(15)
De maneira geral, o FP pode ser definido como a relação da Potência Ativa pela potência
parente. (MAMEDE F., 2017), conforme Equação (16):
𝐹𝑃 =
𝑃𝑎𝑡
𝑃𝑎𝑝
(16)

16
Onde:
Pat= Potência Ativa
Pap= Potência Aparente
FP= Fator de Potência
Ou ainda, pode ser definido também como o cosseno do ângulo formado pela
componente ativa e o seu componente total, como mostra a Figura 6, quando esse mesmo
sistema é composto apenas de cargas lineares (MAMEDE F., 2017), como demonstra a Equação
(17):
Logo:
𝐹𝑃 = 𝑐𝑜𝑠Ψ
(17)
Figura 6 - Ângulo do FP e as potências envolvidas
Fonte: (MAMEDE F., 2017)

17
2.3.1. Legislação referente ao fator de potência
A ANEEL estabelece em sua resolução 456/2000 as condições gerais de fornecimento
de energia elétrica, onde considera um fator de potência de referência mínimo de 0,92,
permitindo a medição e faturamento do reativo capacitivo a critério da concessionária.
(CREDER, 2008).
A energia reativa indutiva deve ser medida por um período de 24 horas, exceto nos casos
que a concessionária também opte por fazer a medição da energia reativa capacitiva, nesse caso,
deve ser feita a medição da energia reativa indutiva por um período de 18 horas e as 6 horas
restantes será feita a medição da energia reativa capacitiva.
Entre as 23h30min e as 6h30min, para os fatores de potência inferiores a 0,92 capacitivo,
verificados em cada intervalo de uma hora, e entre 06h30min e as 23h30min, para os fatores de
potência inferiores a 0,92 indutivo, verificados em cada intervalo de uma hora. (MAMEDE F.,
2017).
Os valores excedentes tanto de reativos indutivos quanto capacitivos quando o FP
indutivo ou capacitivo é inferior ao FP de referência (0,92), são cobrados com tarifa de energia
ativa e demanda ativa, introduzindo o conceito de energia ativa reprimida, isto é, a cobrança
efetuada pelo espaço ocupado em virtude do reativo excedente circulando pelo sistema elétrico.
O cálculo do FP se dá de duas maneiras:
1- Avaliação Mensal: Através dos valores medidos de energia ativa e reativa durante o
ciclo de faturamento
2- Avaliação horária: Através dos valores de energia ativa e reativa medidos durante o
intervalo de uma hora, seguindo-se os períodos anteriormente mencionados.
A fórmula para cálculo do FP utilizada pelo sistema para avaliação mensal ou horária
se dá conforme a Equação (18):
FP= cos arctg
𝑘𝑣𝑎𝑟ℎ
𝑘𝑊ℎ
(18)

18
2.3.2. Faturamento do Excedente de Reativos
De acordo com a (RESOLUÇÃO ANEEL Nº 456, 2000) o faturamento do FP se dará
por avaliação mensal e por avaliação horária do fator de potência.
2.3.2.1 Avaliação Mensal
O faturamento da energia reativa excedente pode ser feito a partir das Equações (19),
(20) e (21):
𝐹𝑑𝑟 = (𝐷𝑎𝑚 .
0,92
𝐹
𝑝
− 𝐷𝑓) . 𝑇𝑑𝑎
(19)
𝐹
𝑒𝑟 = 𝑐𝑎𝑚. (
0,92
𝐹𝑝
− 1) . 𝑇𝑒𝑎
(20)
𝐹
𝑝=
𝑐𝑎𝑚
√𝐶𝑎𝑚
2 + 𝐶𝑟𝑚
2
(21)
Onde:
Fdr: faturamento da demanda de energia reativa excedente, em R$;
Fer: faturamento do consumo de energia reativa excedente, em R$;
Dam: demanda de potência ativa máxima registrada no mês, em kW;
cam: consumo de energia ativa registrada no mês, em kWh;
Df: demanda de potência ativa faturável no mês, em kW;
Tda: tarifa de demanda de potência ativa, em R$/kW;
Tea: tarifa de energia ativa, em R$/kWh;
Fp: fator de potência médio mensal,
crm: consumo de energia reativa registrado no mês, em kVArh.

19
2.3.2.2. Avaliação Horária
O faturamento da energia reativa excedente pode ser feito a partir das Equações
(22) e (23):
𝐹𝑑𝑟𝑝 = [max
𝑡=1
𝑛 (𝐷𝑎𝑡.
0,92
𝐹
𝑝𝑝
)) − 𝐷𝑓𝑝] . 𝑇𝑑𝑎𝑝
(22)
𝐹
𝑒𝑟𝑝 = ∑ [𝐶𝑎𝑡 . (
0,92
𝐹
𝑝𝑝
− 1)]
𝑛
𝑡=1
. 𝑇𝑒𝑎𝑝
(23)
Onde:
Fdrp = faturamento da demanda de potência reativa excedente por posto tarifário, em
R$;
Ferp = faturamento de consumo de energia reativa excedente por posto tarifário, em R$;
Dat = Demanda de potência ativa medida em cada intervalo de 1 hora, em kW;
Dfp= demanda de potência ativa faturada em cada posto horário, em kW;
Tdap = tarifa de demanda de potência ativa, por posto tarifário em R$/kW;
Cat = consumo de energia ativa medido em cada intervalo de 1 hora, em kWh;
Teap = tarifa de energia ativa, por posto tarifário em R$/kWh;
máx = função que indica o maior valor da expressão entre parênteses, calculada a cada
intervalo de 1 hora;
t = cada intervalo de 1 hora;
n= número de intervalos de 1 hora por posto horário no período de faturamento;
p= posto tarifário, isto é, ponta e fora de ponta para as tarifas horossazonais, e únicas
para a tarifa convencional. O fator de potência horário será calculado com base na Equação
(24):

20
𝐹
𝑝𝑝 = 𝑐𝑜𝑠 𝑡𝑎𝑛−1 (
𝐸𝑟ℎ
𝐸𝑎ℎ
)
(24)
onde:
Erh = energia reativa indutiva ou capacitiva medida a cada intervalo de 1 hora;
Eah = energia ativa medida a cada intervalo de 1 hora.
Os valores negativos do faturamento de energia reativa excedente Ferp e de demanda de
potência reativa excedente, Fdrp, não devem ser considerados.

21
2.4. CORRIGINDO O FATOR DE POTÊNCIA
Quando falamos de correção de fator de potência, temos como meta principal, manter o
cos 𝜑 o mais próximo possível do valor unitário, evitando assim a cobrança dos valores
excedentes de demanda e consumo reativos e obtendo os benefícios relacionados a redução de
perdas no sistema e da melhoria da tensão do sistema elétrico. (CREDER, 2008)
Uma forma de exemplificar a correção do fator de potência é por meio do triângulo de
potências, como exemplificado na Figura 7:
Figura 7 - Triângulo de potências – Exemplificação
No triângulo de potências da Figura 7, temos uma instalação de 80kW com FP de 0,8 e
desejamos corrigi-lo para 0,9 por exemplo, logo:
Para um cos 𝜑 = 0,8 :
kW = 80
kVA=
80
0,8
= 100
kVAr = √(100)2 − (80)2 = 60
Para um cos 𝜑 = 0,9 :
kW = 80
kVA=
80
0,9
= 88,9
kVAr = √(88,9)2 − (80)2 = 38,7
Logo:
kvar (necessários) = 60 – 38,7 = 21,3

22
Na prática existem maneiras mais simples de calcular a potência reativa necessária para
correção do fator de potência em uma instalação, ela se dá por meio da tabela de multiplicadores
para determinação dos kvar necessários para a correção do fator de potência que se encontra no
Anexo A deste documento. dessa forma, basta consultar a tabela e multiplicar o valor da
potência instalada pelo fator multiplicador encontrado na tabela para achar a potência reativa
necessária.
2.4.1. Motivos do Baixo Fator de Potência
Antes de aplicar dispositivos de correção do FP, é necessário fazer um estudo e
identificar as possíveis causas do baixo fator de potência, uma vez que, solucionando os
mesmos é possível que resulte na correção do mesmo, nem que seja de caráter parcial.
As causas do baixo FP na indústria são diversas, como, motores superdimensionados,
alto número de reatores de baixo FP suprindo lâmpadas fluorescentes, fornos a arco, fornos de
indução eletromagnética, máquinas de solda a transformador, equipamentos eletrônicos, grande
número de motores de baixa potência operando durante um período longo (MAMEDE F.,
2017). Abaixo serão especificadas três das causas mais comuns do baixo fator de potência nas
indústrias.
2.4.1.1. Nível de Tensão acima do nominal
Os motores são responsáveis por mais da metade do consumo das instalações industriais,
a potência real depende apenas da carga solicitada pelo motor, uma vez que a tensão aplicada
nos terminais do motor for excedente ao solicitado pela carga, a quantidade de reativos
absorvida será maior, logo, causará uma redução no fator de potência da instalação. (CREDER,
2008)

23
2.4.1.2. Operação de Motores em Vazio
Os motores de indução ao operarem em vazio ou a plena carga, consomem em média a
mesma quantidade de energia reativa. Normalmente, os motores ao operarem com cargas 50%
abaixo da sua carga nominal, apresentam um fator de potência muito baixo, logo, nesses casos
é recomendado substituir o motor, por um de menor potência a fim de evitar essa queda brusca
do FP. (CREDER, 2008)
2.4.1.3. Transformadores operando em vazio ou com pouca carga
Assim como nos motores de indução, também é comum encontrar transformadores
operando em vazio ou com poucas cargas no momento de menor fluxo da indústria, e dessa
forma, eles também podem consumir uma quantidade de reativos muito alto, causando assim,
uma queda do FP. (CREDER, 2008)
2.4.2. Métodos de correção do Fator de Potência
2.4.2.1. Modificando a rotina operacional
Uma forma de se corrigir o FP é alterando a rotina da indústria (MAMEDE F., 2017),
por meio de uma análise gráfica por exemplo, verificando os horários nos quais as máquinas
operam a vazio, verificando a viabilidade de implementação de um terceiro turno, ou mudança
de horários dos empregados, enfim, fazendo uma análise macro dos momentos em que o FP é
reduzido e analisando a viabilidade de alteração da rotina
2.4.2.2. Instalando motores síncronos superexcitados
Esse motores podem ser instalados com a finalidade única de corrigir o FP ou ainda,
sendo acopladas a alguma carga da produção, substituindo assim os motores de indução
(MAMEDE F., 2017), no entanto, essas alternativas acabam se tornando inviáveis em virtude
dos altos custos apresentados, a viabilidade de instalação dos motores síncronos em relação aos
motores de indução, só se faz presente nas tensões mais elevadas, porém, a exemplo desses,
também necessitam ser instalados na barra de carga, onde o FP também necessita ser
melhorado. (CREDER, 2008). A solução mais comum para correção do fator de potência é a

24
instalação de capacitores-derivação, como veremos no tópico a seguir, e esta sim, será a
alternativa estudada neste projeto.
2.4.2.3. Capacitores-derivação
Essa é a solução mais comumente empregada nas indústrias, comércios e no sistema de
distribuição de energia. Como visto anteriormente, diversas vezes se faz necessário manobrar
os capacitores no período de 0 as 6 horas permitindo um fator de potência capacitivo acima de
0,92 a fim de evitar a cobrança da energia reativa capacitiva. No período de 6 às 24 horas os
capacitores também devem ser manobrados afim de evitar o faturamento de energia reativa
indutiva excedente. A correção do FP nos terminais dos motores deve ser realizada
criteriosamente a fim de evitar a queima do mesmo. (MAMEDE F., 2017).
A concessionária se compromete a fornecer a energia reativa indutiva necessária para
manter ativo o campo elétrico dos equipamentos dotados de bobinas, até o limite do fator de
potência de 0,92.
2.5. BANCOS DE CAPACITORES
2.5.1. Bancos de Capacitores Fixos
Os bancos de capacitores fixos, em geral, são implantados quando não há variação de
carga diária no sistema (MAMEDE F., 2017), a potência capacitiva de base equivale a demanda
mínima da instalação. Para corrigir o fator de potência se faz necessário saber a potência
capacitiva necessária, e para isso, se faz uso de três métodos que serão listados a seguir.
2.5.1.1 Método Analítico
Como descrito no tópico 2.4, o método analítico é solucionado a partir da resolução do
triângulo de potências, logo, a determinação da potência necessária dos capacitores para corrigir
o fator de potência se dá a partir da Equação (25):
𝑃𝑐 = 𝑃𝑎𝑡 . (𝑡𝑔Ψ1
− 𝑡𝑔Ψ2
)
(25)

25
Onde:
𝑃𝑎𝑡: potência ativa, em kW;
Ψ1: ângulo do fator de potência original;
Ψ2: ângulo do fator de potência desejado;
𝑃
𝑐: potência dos capacitores, em kvar;
2.5.1.2 Método Tabular
Também descrito no tópico 2.4, com esse método, obtemos o valor da potência dos
capacitores através da tabela de multiplicadores para determinação dos kvar que consta no
Anexo A deste documento. O valor encontrado na tabela é aplicado em conformidade com a
Equação (26):
𝑃
𝑐 = 𝑃𝑎𝑡 . ∆𝑡𝑔
(26)
Onde:
∆𝑡𝑔 : Valor encontrado na tabela do Anexo A
2.5.1.3. Método Tabular
O método tabular é baseado na Figura 9 abaixo, as escalas de potência ou os consumos
de energia ativa e reativa podem ser multiplicados por qualquer valor arbitrário, normalmente
múltiplos de 10. A partir do momento que conhecemos o FP original 𝐹𝑝1 e conhecendo também
o FP para o qual desejamos corrigir 𝐹𝑝2, resta saber qual é a demanda ativa e obter no gráfico
a demanda reativa 𝑃𝑟𝑒1. Com o mesmo valor da demanda ativa, encontra-se para 𝐹𝑝2o valor da
demanda reativa 𝑃𝑟𝑒2. A diferença dos valores na escala das potências reativas corresponderá a
potência necessária do banco capacitivo (MAMEDE F., 2017).

26
Figura 8 - Triângulo de Potências

27
Figura 9 - Gráfico para determinação do Fator de Potência

28
2.5.2. Bancos de Capacitores Automáticos
Os métodos utilizados para correção do fator de potência em bancos automáticos sçao
os mesmos utilizados nos bancos fixos, contudo, existe uma diferença na análise da capacidade
do banco capacitivo em relação as frações inseridas no ciclo de carga da instalação. Os bancos
de capacitores automáticos são implementados em instalações as quais ocorrem uma variação
de carga diária considerável no sistema (MAMEDE F., 2017).
A instalação do banco de capacitores automático tem por objetivo também evitar que
durante a situação mínima de carga no sistema, no período de 0h30min e 6h30min, o FP acabe
se tornando capacitivo e inferior a 0,92 (CREDER, 2008).
Segundo (MAMEDE F., 2017) devem-se seguir as seguintes recomendações para
instalação de bancos de capacitores automáticos:
a) A potência máxima capacitiva recomendada a ser chaveada, por estágio do
controlador, deve ser de 15 kVAr para bancos trifásicos de 220 V e de 25 kVAr para bancos de
380/440 V.
b) Dimensionar um capacitor com a potência igual à metade da potência máxima a ser
manobrada para permitir o ajuste fino do fator de potência.
c) Utilizar controladores de fator de potência que realizem a varredura das unidades
chaveadas permitindo a melhor combinação de inserção.

29
3. REFERENCIAL TECNOLÓGICO
A bibliografia deste projeto será amplamente baseada na obra de Muhammad Ali Mazidi
e Janice Gillispie Mazidi, The 8051 Microcontroller and Embedded systems e na obra de Denys
E.C Nicolosi, Microcontrolador 8051 detalhado.
3.1. HARDWARES
Para conseguirmos imergir no projeto, é necessário obter-se conhecimentos prévios
acerca do comportamento dos componentes adotados, e é exatamente isso que iremos abordar
no capítulo 3. Faremos um breve conhecimento de todos os componentes que serão utilizados
no projeto, bem como, o funcionamento e função de cada um, para então, a partir disso,
seguirmos para o desenvolvimento que será abordado no Capítulo 4.
3.1.1. Componentes Utilizados
Neste tópico serão listados os hardwares que serão utilizados na execução deste projeto
e a função que cada um é responsável por executar. Abaixo estão listados os equipamentos que
serão utilizados:
1- Transformador (127 – 12 Vac)
2- Regulador de Tensão
3- Retificador
4- Filtro
5- Microcontrolador família 80C51
6- Relés
7- Driver de relé
8- Display LCD
9- Comparador de tensão quádruplo – LM339
10- Transformador de Corrente
11- Carga indutiva
12- Capacitores Shunt

30
13- LED
14- Diodo 1N4007/1N4148
15- Resistores
16- Capacitores
3.1.1.2. Transformador
Os transformadores são responsáveis por transmitir uma potência elétrica de um circuito
até outro com o mínimo de perdas. Os transformadores elevadores, como o próprio nome já diz,
elevam a tensão até o outro circuito, enquanto os transformadores abaixadores à reduzem. A
maioria das fontes de tensão utilizadas no dia-a-dia utilizam transformadores abaixadores para
reduzir a alta tensão, mais perigosa, numa tensão mais baixa, como um transformado 127/12V
por exemplo. Abaixo na Figura 10 observa-se o modelo de um transformador:
Figura 10 - Transformador
Fonte: Adaptado de http://www.universiaenem.com.br/sistema/faces/pagina/publica/conteudo/texto-
html.xhtml?redirect=59561508258959677996783065758, acessado em 14/11/2018
A bobina de entrada é chama de primário, e a bobina de saída é chamada de secundário.
Não existe qualquer conexão elétrica entre as duas bobinas, elas são interligadas através de um

31
campo magnético criado no núcleo de ferro do transformador. As duas linhas no meio do
símbolo do transformador, representam o núcleo do mesmo.
A proporção do número de voltar em cada bobina é chamada, razão de espirar, e é
responsável por determinar a razão das tensões de saída/entrada. Um transformador abaixador
possui um grande número de voltas em sua bobina primária, e um pequeno número de espiras
na sua bobina secundária.
A relação de espiras é dada pela Equação (27):
𝑅𝑒𝑙𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠 =
𝑉𝑝
𝑉𝑠
=
𝑁𝑝
𝑁𝑠
(27)
Onde:
Vp = Tensão no primário
Vs = Tensão no secundário
Np = Número de espiras no primário
Ns = Número de espiras no secundário
3.1.1.3. Regulador de Tensão LM7805
Características:
• Corrente de Saída até 1A.
• Tensões de saída de 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24V.
• Proteção contra sobrecarga térmica.
• Proteção contra curto-circuito.
• Proteção da Área de Operação Segura do Transistor de Saída.
Abaixo na Figura 11 observamos o circuito do LM7805:

32
Figura 11 - Circuito LM7805
Fonte: (FAIRCHILDSEMI, 2001)
A série LM78XX / LM78XXA de reguladores positivos de três terminais está disponível
no pacote TO-220 / D-PAK e com várias tensões de saída fixas, tornando-as úteis em uma
ampla gama de aplicações. Cada tipo emprega limitação de corrente interna, desligamento
térmico e proteção segura da área de operação, tornando-a essencialmente indestrutível. Se
houver dissipação de calor adequada, eles podem fornecer uma corrente de saída maior que 1A.
Embora projetados principalmente como reguladores de tensão fixos, esses dispositivos podem
ser usados com componentes externos para obter tensões e correntes ajustáveis. Abaixo na
Figura 12 observa-se o diagrama de bloco do LM7805 em seguida Tabela 2 observa-se os
parâmetros do mesmo:

33
Figura 12 - Diagrama de Blocos interno
Tabela 2 - Absolute Maximum Ratings
Parameter Symbol Value Unit
Input Voltage (for Vo= 5V to 18V)
(For Vo = 24V)
𝑉𝐼
𝑉𝐼
35
40
V
V
Thermal Resistance Junction-Cases (TO-220) 𝑅θJC 5 °C/W
Thermal Resistance Junction-Air (TO-220) 𝑅θJA 65 °C/W
Operating Temperature Range (KA78XX/A/R) 𝑇𝑂𝑃𝑅 0 ~ +125 °C
Storage Temperature Range 𝑇𝑆𝑇𝐺 -65 ~ +150 °C

34
3.1.1.4. Retificador
Um retificador é um dispositivo elétrico que converte corrente alternada (AC), para
corrente contínua (CC), corrente que flui em apenas uma direção. Os retificadores têm muitos
usos, inclusive como componentes de fontes de alimentação e como detectores de sinais de
rádio. Os retificadores podem ser feitos de diodos de estado sólido, diodos de tubo de vácuo,
válvulas de arco de mercúrio e outros componentes. A saída do transformador é alimentada ao
retificador.
O retificador converte tensão AC em DC pulsante e pode ser um retificador de meia
onda ou de onda completa. Neste projeto, um retificador de ponte é usado devido a seus méritos
como boa estabilidade e retificação de onda completa. No semi ciclo positivo, apenas dois
diodos (1 conjunto de diodos paralelos) conduzirão, no semi ciclo negativo restante, dois diodos
conduzirão, apenas em polarização direta. Na Figura 13 observamos o modelo de um
Retificador Ponte:
Figura 13 - Retificador Ponte
Fonte: (MAZIDI, MAZIDI e , 2014)

35
3.1.1.5. Filtro Capacitivo
O Filtro capacitivo remove os ripples da saída do retificador e suaviza a corrente DC, a
saída deste filtro é constante até que a tensão e a carga da rede sejam mantidas constantes. No
entanto, se qualquer um dos dois variar, a tensão DC recebida neste ponto muda, em virtude
desta variação, se faz necessária a utilização de um regulador de tensão na saída.
O filtro capacitivo simples é o tipo mais básico de filtro de fonte de alimentação. Esse
filtro também é usado em circuitos em que a frequência de ondulação da fonte de alimentação
não é crítica e pode ser relativamente alta. Abaixo na Figura 14 observa-se como o capacitor
carrega e descarrega:
Figura 14 - Filtro Capacitivo

36
3.1.1.6. Microcontrolador 8051 (AT89S52)
Este tópico propriamente dito, terá sua referência baseada amplamente na obra de Denys
E.C Nicolosi, Microcontrolador 8051 detalhado. (NICOLOSI, 2002)
Criada pela INTEL no início da década de 80 para então substituição do pioneiro 8048,
a família 8051 de 8 bits ganhou tanto espaço na área de sistemas embarcados que até nos dias
de hoje é utilizados em diversos projetos.
Internamente o 8051 é composto de:
- RAM interna de uso geral de 128 Bytes e 128 Bytes correspondente aos registradores
especiais
- ROM interna de 4Kbytes
- 4 ports I/O
- 2 Timers de 16 bits
- 1 Interface Serial
- Capacidade de 64Kbytes de endereçamento externo de ROM
- Capacidade de 64Kbytes de endereçamento externo de RAM
- Processador “Booleano” (operado com bits)
- Ciclos típicos de instrução de 1 e 2 uS a 12MHz
- Instrução direta de multiplicação e divisão
- Entrada de Interrupção externa

37
3.1.1.1. Arquitetura do 8051
Abaixo na Figura 15 observamos o Diagrama de Blocos do funcionamento do
8051 e 8052:
Figura 15 - Diagrama de Blocos funcional do MC8051 E 8052
Fonte: (NICOLOSI, 2002)
As portas P0, P1, P2 e P3, cada uma com oito linhas, são destinadas à comunicação
externa. P0 e P2 se destinam a gerenciar as vias de dados e endereços da comunicação do
microcontrolador com a ROM, RAM ou periféricos tipo “I/O mapeado”, que será visto no

38
futuro. P1 e P3 se destinam às vias de comunicação externa, sendo tipicamente usadas para
interface com o mundo externo.
Além disso, o P3 tem funções únicas as quais se comunicam periféricos internos, como:
Timers (2 no 8051), serial e A/D (8 Canais). O TXD e o RXD são os pinos P3.0 e P3.1, isso é,
os pino zero e 1 do port 3, de forma análoga acontece com o T2EX, T2, T1 e T0. Eles fazem
parte dos ports P3 e P1, ou seja, o P3 deve ser usado ou como port livre sem utilizar os
periféricos do chip, ou, utiliza-se os periféricos do chip e compromete-se alguns pinos do port
3. Em resumo, caso queiramos utilizar o port P3 integralmente como entradas/saídas normais
(8 vias), não é possível utilizar nenhum periférico interno, inclusive o gerenciamento de RAM
externa, pois esse gerenciamento implica na utilização de 2 ports do port P3 (P3.7, P3.6) além
de RD e WR, dessa forma já teremos apenas 6 ports livres do P3. O PORT3 é muito
comprometido com os periféricos internet do MCU, logo, ele não é um port muito disponível.
Já o PORT1 é plenamente utilizável como port de 8 vias nos chips da família 8051.
Podemos dizer que, o P3 só é totalmente livre, como port normal de 8 bits, se não
utilizarmos nenhum periférico do chip e também sem utilizar RAM exterta, no entanto, o P3
pode ser usado como “port normal”, bastando não acionar este periférico; o port P1 é totalmente
livre, como port normal na família 8051. Na Figura 16 observa-se o esquema elétrico do
microcontrolador:

39
Figura 16 - Esquema elétrico do chip externamente
Observa-se que o P0 se apresenta como AD0...AD7. A palavra “AD” quer dizer
Adress/Data. Isso significa que o port P0 é “multiplexado” entre as funções de enviar endereços
(Adress) e dados (Data) pela mesma via chamada P0.

40
Além dos quatro ports, P0, P1, P2 e P3, o chip tem dois pinos de alimentação, dois para
o cristal (oscilador) e mais quatro pinos intitulados PSEN (Controles da ROM/RAM), ALE
(Controle de comunicação de P0 como via de dados ou endereços), RST (reset da máquina) e
EA (que tem a função de “mapear” o ROM interna/ externa)
3.1.1.1. Pinagem do 8051
Port P0: Port de propósito geral, caso não se utilize memória externa de nenhuma
espécie. É port de utilização como via multiplexada no tempo, entre dados e endereços quando
usamos memória externa. Na mesma via, num determinado tempo, apresenta-se dados, e em
outro tempo, apresentam-se endereços.
Port P1: Port de propósito geral como “I/O”. São 8 vias de comunicação de propósito
geral. Via software, é possível ler ou escrever nesse port.
Port P2: Port de propósito geral, caso não se utilize nenhuma memória
RAM/ROM/EPROM externa. Isto se aplica apenas para as versões 8051/8052, pois, já possui
RAM e ROM internas.
Port P3: Port de propósito geral I/O, apenas se não for utilizado nenhum periférico
interno ao chip, nenhuma interrupção externa e nem RAM externa. Esse port é utilizável como
interface entre os periféricos internos do chip para fora do mesmo, além de possuir entradas
programáveis, como interrupção e dois pinos que gerenciam uma memória RAM externa (RD
e WR), portanto, esse port também, em geral é comprometido parcialmente com alguma
utilização que se deseja dos periféricos internos, interrupções, etc. Podemos observar uma
ilustração do comprometimento do Port P3 na Figura 17 e na Tabela 3 observamos os recursos
disponíveis no Port P3:

41
Figura 17 - Ilustração do comprometimento do Port P3

42
Tabela 3 - Recursos do port P3
Nome Número
do Pino
Função
Especial
Função
Normal
Função Especial Comentários da Função
Especial
P3.0 10 RXD I/O
RDX, Receive
Data
Usado como receptor de
dados serial
P3.1 11 TXD I/O
TXD, Transmit
Data
Usado como transmissor
de dados serial
P3.2 12 INT0 I/O
External
Interrupt, 0
Usado para algum evento
externo interromper o Mc
P3.3 13 INT1 I/O
External
Interrupt, 1
Usado para outro evento
externo interromper o Mc
P3.4 14 T0 I/O
Timer/Counter 0
External Intput
Usado quando se quer
que o timer 0 se torne um
contador de eventos
externos
P3.5 15 T1 I/O
Timer/Counter 1
External Input
Usado quando se quer
que o timer 1 se torne um
contador de eventos
externos
P3.6 16 WR I/O
External Data:
Memory Write
Strobe
Usado quando se conecta
RAM externa no chip.
Sinaliza que o Mp vai
“escrever” na RAM
P3.7 17 RD I/O
External Data:
Memory Read
Strobe
Usado quando se conecta
RAM externa no chip.
Sinaliza que o Mp vai
“ler” da RAM

43
PSEN: É um dos quatro pinos de controle do chip. Ele aciona a ROM/EPROM externa
(chamada de memória código) quando o MCU faz uma busca de instrução na ROM, para, em
seguida, executá-la. Também é acionado quando é feita alguma consulta a uma tabela fixa
gravada na ROM, por meio de instrução especial. A barra acima do PSEN, indica que ele é
ativo em nível lógico zero. Ele vai automaticamente para zero toda que o MCU está buscando
instrução (fetch), para, depois disto, decodifica-la e executá-la. Na Figura 18 observamos a
ilustração da utilização do PSEN:
Figura 18 - Ilustração da utilização do PSEN
Os pinos do Port P2 não são sempre todos ligados, dependerá do tamanho da EPROM.
Com uma ligação completa, tem-se o endereço:

44
216
= 65.535 = 64𝐾𝑏𝑦𝑡𝑒𝑠 de EPROM endereçável. Se a EPROM for menor, utiliza-
se menos pinos P2 para gerenciar o endereçamento dessa EPROM, por exemplo:
EPROM de 8Kbytes = 213
= 8K = liga-se os pinos A0 até o A12 dessa memória para
acessar todos os espaços de endereço disponível.
ALE (Adress Latch Enable): É o pino que comanda a demultiplexação das informações
de dados e endereços (menos significativos) do port P0. Ele é automaticamente gerado pelo
MCU.
EA: É um pino de comando externo, ele determina se usaremos a ROM/EPROM interna
do chip ou se iremos ler somente uma ROM/EPROM externa ao chip.
Se o pino EA estiver em nível lógico 1, o chip irá ler sua ROM/EPROM interna, e após
acabar todo o espaço de memória interna, irá trabalhar automaticamente com a memória
ROM/EPROM externa, caso ela exista. Com o pino EA em zero, ele apenas enxergará memória
ROM/EPROM externas. Abaixo na Figura 19 observa-se a organização da ROM em função do
pino EA:
Figura 19 - Organização da ROM interna/externa em função do pino EA

45
Reset (RST): É o disparador do chip quando se deseja inicia de forma adequada uma
função. Este pino deve estar no estado 1 por, ao menos, 2 ciclos de máquina. Ele organiza os
valores internos do chip para iniciar o trabalho adequadamente e sempre da mesma maneira.
XTAL1 e XTAL2: Este chip possui um sistema de oscilação interna que exige apenas o
cristal e dois capacitores para gerar oscilação, que se tornará o clock para o MCU trabalhar.
VCC e VSS: É a alimentação do chip +5Vcc em VCC, pino 40, e terra em VSS, pino
20.
3.1.1.7. Relé
Um relé é um interruptor operado eletricamente. Muitos relés usam um eletroímã para
operar um mecanismo de comutação mecanicamente, mas outros princípios operacionais
também são usados.
Os relés são usados onde é necessário controlar um circuito por um sinal de baixa
potência (com isolamento elétrico completo entre os circuitos de controle e os circuitos
controlados), ou onde vários circuitos devem ser controlados por um sinal.
A corrente que flui através da bobina do relé cria um campo magnético que atrai uma
alavanca e altera os contatos da chave. A corrente da bobina pode estar ligada ou desligada, de
modo que os relés têm duas posições de chave, NA (Normalmente Aberto) e NO (Normalmente
Fechado), e a maioria tem contatos de chave de dois acionamentos (comutação) como mostrado
na Figura 20:
Figura 20 - Diagrama do Relé

46
Os relés permitem que um circuito altere um segundo circuito, que pode ser
completamente separado do primeiro. Por exemplo, um circuito de bateria de baixa tensão pode
usar um relé para comutar um circuito de alimentação de 230VAC. Não há conexão elétrica
dentro do relé entre os dois circuitos, o link é magnético e mecânico.
A bobina de um relé passa uma corrente relativamente grande, normalmente 30mA para
um relé de 12V, mas pode ser de até 100mA para relés projetados para operar a partir de tensões
mais baixas. A maioria dos CIs não podem fornecer essa corrente, então um transistor é
normalmente usado para amplificar a baixa corrente do CI para o maior valor necessário para a
bobina do relé.
A Figura 21 mostra um relé com os contatos da bobina e do interruptor. Podemos ver
uma alavanca à esquerda sendo atraída pelo magnetismo quando a bobina é ligada. Esta
alavanca move os contatos da chave.
Figura 21 - Funcionamento do Relé
Os relés são normalmente SPDT e DPDT, que são siglas para definir a quantidade de
polos do relé e o tipo de acionamento, sendo:

47
- Definição do Polo:
SP = Um Polo
DP= Dois Polos
3P = Três Polos
4P = Quatro Polos
- Acionamento:
Acionamento Único ou Acionamento Duplo (DT)
Logo,
SPDT = Um polo / Acionamento duplo
Interruptor contém um circuito com um contato NAF
DPDT = Dois polos / Acionamento duplo
Interruptor contém dois circuitos com um contato NAF cada
Na Figura 21existe um conjunto de contatos (SPDT) em primeiro plano e outro atrás
deles, fazendo o relé DPDT.
As conexões do comutador do relé são geralmente rotuladas COM, NC e NO:
COM = Comum, sempre conectado, é a parte móvel do comutador.
• NC = Normalmente fechado (Normally Closed), COM é conectado a NC quando a
bobina do relé está desligada.
• NO = Normalmente Aberto (Normally Open), COM é conectado a NO quando a
bobina do relé está ligada.
3.1.1.6. Driver de Relé ULN2003
O ULN2003 é um conjunto de transistores Darlington de alta voltagem e alta corrente.
Ele consiste em sete pares NPN Darlington que apresentam saídas de alta voltagem com diodo
cátodo-comum para comutação de cargas indutivas. A corrente de coletor de um par Darlington
é de 500 mA. Os pares Darlington podem estar em paralelo para maior capacidade de corrente.
As aplicações incluem drivers de relé, drivers de lâmpadas, drivers de display (descarga de gás
de LED), drivers de linha e buffers lógicos.

48
O ULN2003 possui um resistor de base série 2.7kW para cada par Darlington para
operação diretamente com dispositivos TTL ou 5V CMOS. Na Figura 22 vemos um modelo CI
ULN2003:
Figura 22 - Driver de Relé ULN2003
Fonte: Adaptado de http://www.baudaeletronica.com.br/ci-uln2003 html, acessado em 10/11/2018
Abaixo na Tabela 4 podemos observar as características do ULN2003:
Tabela 4 - Características ULN2003
Características
 Número de pinos:16
 Temperatura, Faixa de operação:-20°C to +85°C
 Transistor Polarity: NPN
 Número Base:2003
 Canais:7
 Corrente de saída máxima:500mA
 Número genérico do CI:2003
 Tipo de Entrada: TTL, CMOS 5V
 Tipo de Saída: Coletor Aberto
 Tipo de Transistor: Power Darlington
 Tensão Máxima de Entrada:5V
 Tensão Máxima de Saída:50V
Fonte: (STMICROELECTRONICS, 1998)

49
Abaixo na Figura 23 vemos o diagrama da pinagem do ULN2003:
Figura 23 - Diagrama da Pinagem

50
Abaixo na Figura 24 observa-se o esquema do par de Darlington:
O Par de Darlington é o arranjo de dois transistores bipolares interligados. O
emissor do transitor 1 (TR1) é conectado na base do transistor 2 (TR2), dessa forma,
como resultado final, obtemos um único transistor muito mais sensível, com um ganho
de corrente extremamente maior, possibilitando uma maior amplificação. Como
mostrado na Figura 25.
Figura 25 - Par de Darlington
Figura 24 - Esquema do par de Darlington

51
3.1.1.7. Display LCD LM016L
Normalmente, um programa no microcontrolador 8051 deve interagir com o mundo
externo usando dispositivos de entrada e saída que se comunicam diretamente com usuário.
Um dos dispositivos mais comuns conectados a um 8051 é um monitor LCD, e alguns
dos LCDs mais comuns conectados são os displays 16x2 e 20x2, isso significa 16 caracteres
por linha em 2 linhas e 20 caracteres por linha em 2 linhas, respectivamente.
Existe um padrão muito popular que nos permite comunicar com a grande maioria dos
LCDs, independentemente do fabricante. O padrão é referido como HD44780U, que se refere
ao chip do controlador que recebe dados de uma fonte externa, neste caso o 8051, e se comunica
diretamente com o LCD. Abaixo na Figura 26 vemos um modelo de display LCD 16x2:
Figura 26 - Display LCD 16x2
Fonte: Adaptado de https://www.makerfabs.com/index.php?route=product/product&product_id=52, acessado
em 10/11/2018
3.1.1.7.1 Padrão 44780
O padrão 44780 requer 3 linhas de controle, bem como 4 ou 8 linhas de I/O
(Entrada/Saída) para o barramento de dados. O usuário pode selecionar se o LCD deve operar
com um barramento de dados de 4 bits ou um barramento de dados de 8 bits. Se um barramento
de dados de 4 bits for usado, o LCD exigirá um total de 7 linhas de dados (3 linhas de controle
mais as 4 linhas para o barramento de dados). Se um barramento de dados de 8 bits for usado,
o LCD exigirá um total de 11 linhas de dados (3 linhas de controle mais as 8 linhas para o

52
barramento de dados). Abaixo na Figura 27 vemos o esquemático de ligação das portas do
display LCD 16x2:
Figura 27 - Display LCD e suas respetivas portas
As três linhas de controle são referidas como EN, RS e RW.
A linha EN é chamada "Enable". Essa linha de controle é usada para informar ao LCD
que os dados estão sendo enviados. Para enviar dados para o LCD, o programa deve certificar-
se de que esta entrada está em nível lógico 0, e em seguida, definir as outras duas linhas de
controle e/ou colocar dados no barramento de dados. Quando as outras linhas estiverem
completamente prontas, EN é levado à nível lógico 1, em seguida é necessário aguardar o tempo
mínimo de resposta requerido pelo LCD (Como consta no DataSheet) e por fim, EM é levado
a nível lógico 0 novamente.
A linha RS é a linha "Register Select". Quando RS está em nível lógico 0, os dados
devem ser tratados como um comando ou uma instrução especial (como limpar a tela,
posicionar o cursor, etc.). Quando RS é levado a nível lógico 1, os dados enviados são dados
de texto que devem ser exibidos na tela. Por exemplo, para exibir a letra "F " na tela, é necessário
definir RS como nível lógico 1.

53
A linha RW é a linha de controle "Read / Write". Quando RW está em nível lógico 0,
as informações no barramento de dados estão sendo escritas no LCD. Quando RW é levado à
nível lógico 1, o programa está efetivamente consultando (ou lendo) o LCD. Apenas uma
instrução ("Get LCD status ", no português, “Obter Status do LCD”) é um comando de leitura.
Todos os outros são comandos de escrita - assim, o RW quase sempre será baixo. Por
fim, o barramento de dados consiste em 4 ou 8 linhas (dependendo do modo de operação
selecionado pelo usuário). No caso de um barramento de dados de 8 bits, as linhas são referidas
como DB0, DB1, DB2, DB3, DB4, DB5, DB6 e DB7.
3.1.1.8. Comparador Quádruplo de Tensão LM339
O LM339 consiste em quatro comparadores de tensão de precisão independentes, com
uma especificação de tensão de offset baixa, máximo de 20㎷ para cada comparador, o qual
foram projetados especificamente para operar a partir de uma única fonte de alimentação em
uma ampla faixa de tensões. A operação a partir de fontes divididas também é possível e o
baixo dreno da corrente de alimentação é independente da magnitude da tensão da fonte de
alimentação.
Esses comparadores também têm uma característica única em que a faixa de tensão de
modo comum de entrada inclui terra, mesmo que sejam operados a partir de uma única tensão
de alimentação. A série LM339 foi projetada para interagir diretamente com TTL e CMOS.
Quando operada a partir de fontes de alimentação mais e menos, a série LM339 irá interagir
diretamente com a lógica MOS, onde seu baixo consumo de energia é uma vantagem distinta
sobre os comparadores padrão. Abaixo na Tabela 5 observamos as características do LM339
em seguida na Figura 28 observamos o diagrama de pinagem do mesmo:

54
Tabela 5 - Características LM339
Características
● Ampla faixa de tensão de alimentação individual de 2.0VDC a 36VDC ou fontes
durais de ± 1.0VDC a ± 18VDC
● dreno de corrente de alimentação muito baixa (0,8㎃) independente de tensão de
alimentação (1,0㎽ / comparador a 5,0VDC)
● Corrente de polarização de entrada baixa 25㎁
● Corrente de offset de entrada baixa ± 5㎁ e tensão de offset
● A faixa de tensão de modo comum de entrada inclui terra
● Faixa de tensão diferencial de entrada igual à potência tensão de alimentação
● Baixa saída 250㎷ a 4㎃ tensão de saturação
● Voltagem de saída compatível com TTL, DTL, ECL, MOS e sistema lógico CMOS
● nível de sensibilidade à umidade: 3
Fonte: (ONSEMICONDUCTOR, 1998)

55
Figura 28 - Pinagem LM339
Fonte: (ONSEMICONDUCTOR, 1998)
Exemplos de Aplicação:
● Conversores A / D
● gerador de clock MOS
● porta lógica de alta tensão
● Multivibradores
3.1.1.9. Transformador de Corrente
O transformador de corrente (TC), como o próprio nome já diz, é usado para medição
de correntes elétricas. Quando a corrente em um circuito é muito alta para ser aplicada
diretamente aos instrumentos de medição, um transformador de corrente produz uma corrente
reduzida com precisão proporcional à corrente no circuito, que pode ser convenientemente

56
conectada a instrumentos de medição e registro, Os TCs transformam, através da conversão
eletromagnética, altas corrente, que circulam no seu primário, em pequenas correntes
secundárias, segundo uma relação de transformação (RTC). Um transformador de corrente
também isola os instrumentos de medição do que pode ser uma tensão muito alta no circuito
monitorado. Os transformadores de corrente são comumente usados em relés de proteção e
medição na indústria de energia elétrica. Abaixo na Figura 29 observamos uma ilustração de
um transformador de corrente:
Figura 29 - Transformador de Corrente
Fonte: Adaptado de https://www.citisystems.com.br/transformador-de-corrente/, acessado em 10/11/2018
3.1.1.10. Carga Indutiva
Uma carga que é predominantemente indutiva, faz com que a corrente da carga fique
atrasada em relação a tensão. Também conhecido como atraso de carga. Quaisquer dispositivos
que tenham bobinas de fio na fabricação podem ser classificados como cargas indutivas. Por
exemplo. motores, solenóides e bobinas de contatores são alguns exemplos. A Figura 30
apresenta exemplos de indutores:

57
Figura 30 - Exemplos de Indutores
Fonte: Adaptado de https://www.mundodaeletrica.com.br/o-que-e-um-indutor/, acessado em 10/11/2018
3.1.1.10. Capacitores em Derivação
Os bancos de capacitores em derivação são usados para melhorar a qualidade do sistema
elétrico e a operação eficiente do sistema de energia. Estudos mostram uma tensão estável no
sistema pode reduzir significativamente as perdas na linha. Os bancos de capacitores em
derivação são relativamente baratos e podem ser facilmente instalados em qualquer lugar da
rede.
3.1.1.11. LED
LEDs são dispositivos semicondutores. Como os transistores e outros diodos, os LEDs
são feitos de silício. O que faz um LED emitir luz são as pequenas quantidades de impurezas
químicas que são adicionadas ao silício, como gálio, arsenieto, índio e nitreto.
Quando a corrente passa pelo LED, ela emite fótons. Lâmpadas normais produzem luz
aquecendo um filamento de metal. LEDs produzem fótons diretamente e não via calor, eles são
muito mais eficientes do que lâmpadas incandescentes. Abaixo na Figura 31 observamos um
modelo típico de LED em seguida na Figura 32 vemos a simbologia do mesmo em circuitos:

58
Figura 31 - LED Típico
Fonte: Adaptado de https://www.taydaelectronics.com/led-5mm-red.html, acessado em 14/11/2018
Figura 32 - Simbologia do LED no circuito
Fonte: Adaptado de http://colecciondeemociones.com/diodo-led/excelente-diodo-led-simbolo-led/, acessado em
14/11/2018
A aplicação do LED no presente projeto será de caráter indicativo, ele irá apresentar se
o circuito está ligado ou não, e também irá informar qual/quais relés estarão atuando, no entanto,
nos últimos tempo os LEDS ganharam grande espaço no mercado, ao que antes os LEDS eram
utilizado apenas para caráter informativo, como no presente projeto, nos dias de hoje eles tem
luminosidade suficiente para competir com as lâmpadas incandescentes e com uma outra grande
vantagem, a economia.

59
3.1.1.12. Diodo
3.1.1.12.1. 1N4007
Os diodos são usados para converter CA em CC, sendo usados como retificadores de
meia onda ou retificadores de onda completa. Três pontos devem ser lembrados ao usar
qualquer tipo de diodo.
1. Capacidade máxima de corrente direta
2. Capacidade máxima de tensão reversa
3. Capacidade máxima de tensão direta
Essas informações são retiradas facilmente de qualquer DataSheet desses componentes.
3.1.1.12.2. 1N4148
O 1N4148 é um diodo de silício de sinal de comutação padrão usado no processamento
de sinal. O 1N4148 está geralmente disponível em um encapsulamento DO-35 e é muito útil
em altas frequências com um tempo de recuperação reversa inferior a 4ns. Isto permite a
retificação e a detecção de sinais de radiofrequência de forma muito eficaz, desde que sua
amplitude esteja acima do limiar de condução do silício, em torno de 0,7V. Na Tabela 6 vemos
as características do diodo 1N4148:
Tabela 6 - Características 1N4148
Especificações:
• VRRM = 100V (tensão reversa repetitiva máxima)
• IO = 200mA (Corrente direta retificada média)
• IF = 300mA (corrente contínua DC)
• IFSM = 1,0 A (Largura de Pulso = 1 s), 4,0 A (Largura de Pulso = 1 uSec) (Non-
Repetitive Peak Forward Surge Current)
• PD = 500 mW (dissipação de energia)
• TRR <4ns (tempo de recuperação reversa)
Fonte: Adaptado de, (PHILIPSELETRONICS, 1999)

60
3.1.1.13. Resistor
Um resistor é um componente eletrônico de dois terminais projetado para se opor a uma
corrente elétrica, produzindo uma queda de tensão entre seus terminais em proporção à corrente,
ou seja, de acordo com a lei de Ohm:
V=R.I
(28)
Resistores são usados como parte de redes elétricas e circuitos eletrônicos. Eles são
extremamente comuns na maioria dos equipamentos eletrônicos. Resistores podem ser feitos
de vários compostos e estão presentes em vários equipamentos do no nosso dia-a-dia como:
filamento de lâmpadas incandescentes, chuveiro elétrico, fornos elétricos, etc.
A principal característica dos resistores é o seu poder de converter energia elétrica em
energia térmica, dessa forma, são utilizados como aquecedores ou dissipadores de energia
elétrica. A Figura 33 ilustra um modelo de resistor de baixa potência utilizado em PCI (Placa
de Circuito Impresso):
Figura 33 - Resistor
Fonte: Fonte: Adaptado de http://www.baudaeletronica.com.br/resistor-150r-5-1-4w html, acessado em
14/11/2018

61
3.1.1.14. Capacitor
Um capacitor é um dispositivo para armazenar carga elétrica. Os tipos de capacitores
variam amplamente, mas todas contêm pelo menos dois condutores separados por um não
condutor. Os capacitores utilizados no sistemas elétricos, por exemplo, consistem em folhas de
metal separadas por uma camada de filme isolante.
Os capacitores são bastante utilizados em circuitos eletrônicos para bloquear a corrente
contínua e permitir a passagem de corrente alternada, em redes de filtros, para suavizar a saída
de fontes de alimentação, nos circuitos ressonantes que sintonizam rádios para frequências
específicas e para muitos outros propósitos.
Um capacitor é um componente eletrônico passivo que consiste de um par de condutores
separados por um dielétrico. Quando há uma diferença de potencial entre os condutores, um
campo elétrico estático se desenvolve no dielétrico que armazena energia e produz uma força
mecânica entre os condutores. Um capacitor ideal é caracterizado por um único valor constante,
capacitância, medido em Farads. Esta é a razão entre a carga elétrica de cada condutor e a
diferença de potencial entre eles.
A capacitância é maior quando existe uma separação estreita entre grandes áreas do
condutor, portanto, os condutores do capacitor são normalmente chamados de "placas",
referindo-se a um meio de construção inicial. Na prática, o dielétrico entre as placas passa uma
pequena quantidade de corrente de fuga e também tem um limite de intensidade de campo
elétrico, resultando em uma tensão de ruptura, enquanto os condutores introduzem uma
indutância e resistência indesejáveis.

62
4. DESENVOLVIMENTO – HARDWARE E SOFTWARE
4.1. INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS EMBARCADOS
Um Sistema embarcado é a combinação entre software e hardware destinados a executar
uma tarefa específica, podemos dizer que, um sistema embarcado seria um sistema completo e
inteligente, porém, destinado a executar uma única tarefa (CUNHA, 2007).
Um sistema embarcado é baseado em microcontroladores, orientados por um software
confiável, um sistema de controle em tempo real que pode ser autônomo, interativo com o
usuário fisicamente ou em rede. Para melhor entendimento, um sistema embarcado não é um
sistema de computador usado principalmente para processamento, nem um software de PC
(Personal Computer). Podemos separar os sistemas embarcados em duas vertentes, que são os
de alto nível e os de baixo nível.
Os sistemas de alto nível normalmente trabalham em 32 e 64 bits, são eles os
processadores utilizados nos PC domésticos, ou em nossos telefones celulares. Já os de baixo
nível trabalham em 8 ou 16 bits, com um sistema operacional mínimo e hardware designado a
um propósito específico, sendo esse o foco deste projeto.
4.1.2. Características dos Sistemas Embarcados
Um sistema embarcado é qualquer sistema computacional embutido dentro de qualquer
produto que não seja um computador, ao se projetar um sistema embarcado é necessário se
atentar as dificuldades que ele nos impõe, sendo essa, não apenas dificuldades comuns que
encontramos ao escrever o software que irá compor o sistema embarcado, mas sim dificuldades
de projeto, são elas:
- Taxa de transferência – O sistema poderá exigir um grande tráfego de dados em um
curto período de tempo
- Tempo de resposta – O sistema deverá reagir rapidamente aos eventos que surgirem
- Depuração – Sem um monitor ou teclado disponível, descobrir o que o software está
fazendo de errado (ou porque o mesmo não está funcionando) é um grande problema.

63
- Confiabilidade – Esse é um ponto chave de qualquer sistema embarcado. Os sistemas
embarcados devem ser capazes de lidar com qualquer tipo de situação sem a intervenção
humana. Sendo mais criterioso, alguns sistemas embarcados nem se quer podem se dar “ao
direito” de falhar, como por exemplo um controlador automático de voo.
- Espaço de memória – A memória é de certa forma limitada nos sistemas embarcados,
e é necessário fazer com que o software e os dados se encaixem adequadamente em qualquer
memória existente, não que isso seja um problema, pois os sistemas embarcados em sua grande
maioria não necessitam de uma grande capacidade de memória, e assim como a grande maioria,
o sistema deste projeto seguirá a mesma vertente.
- Consumo de energia – Muitas das vezes os sistemas embarcados irão funcionar com
energia a partir de uma bateria, portanto, o software nesses sistemas deve economizar energia,
o que não é o caso do projeto em questão.
Portanto é necessário se atentar a todos esses possíveis problemas e se antecipar para
preveni-los de acordo com o sistema embarcado a ser implementado.
Normalmente, os sistemas embarcados são baseados em microcontroladores, contudo,
alguns fazem o uso de microprocessadores (como no caso dos sistemas de alto nível, como dito
anteriormente) ou de chips para processamento, como chips DSP (Digital Signal Processing).
4.1.3. Aplicações dos Sistemas Embarcados
- Relógios digitais
- Controles industriais como CLP (Controladores lógicos programáveis)
- Aviônica
- Telefones celulares
- Eletrodomésticos (Microondas, máquinas de lavar)
- Computador de bordo automotivo
- Sensores
As aplicações de sistemas embarcados no dia a dia são inúmeras, pode-se dizer, que
atualmente, os sistemas embarcados são indispensáveis para a vida moderna.

64
4.1.4. Classificação
Quanto a classificação dos sistemas embarcados, podemos classifica-lo de acordo com
seu grau de criticidade, ou seja, o quão rápido aquele sistema irá responder a uma determinada
tarefa ao qual ele foi programado. Sendo assim, podemos classifica-lo a partir do RTS (Real
Time System), no português, Sistema em Tempo Real. RTS é aquele que deve responder a um
determinado evento dentro de um prazo estipulado, que chamaremos de “deadline”, uma
resposta correta, porém, após o prazo estipulado (deadline) é considerada uma resposta errada.
Podemos classificar os RTS como rígidos ou suaves. Os RTS rígidos têm um tempo de
resposta muito restrito e erros, mesmo que mínimos, não são aceitos. Como exemplo de um
RTS rígido temos um Sistemas de energia nuclear ou um marca-passo cardíaco.
Os RTS suaves têm suas restrições de “atraso” um pouco reduzidos, no entanto, ainda
sim precisa operar com bastante rapidez, como exemplo: Sistema de ferrovias, leva alguns
segundos extras e os dados continuam válidos.
4.2. DESENVOLVIMENTO DO HARDWARE
Abaixo na Figura 34 observamos o diagrama de blocos que representa o circuito, com
ele temos uma visão geral do que será o circuito, entendendo abaixo o funcionamento de cada
etapa do mesmo, cada etapa de explicação está acompanhada de uma foto do circuito já
montado no protótipo para melhor visualização, no final deste tópico será apresentado o
diagrama esquemático do circuito.
Desta forma, visualizando o diagrama de blocos, e entendendo o funcionamento do
circuito, posteriormente conseguiremos interpretar mais facilmente o diagrama esquemático.

Correção de FP com 8051

Recomendados

Recomendados

Mais conteúdo relacionado

Último

Último (6)

Destaque

Destaque (20)

Correção de FP com 8051