Automação industrial

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Automação industrial

  1. 1. Formação Modular M.O.04 INSTITUTO DO EMPREGO E FORMAÇÃO PROFISSIONAL INSTITUTO DO EMPREGO E FORMAÇÃO PROFISSIONAL
  2. 2. M.T.02 GuiadoFormando Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial IEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Copyright, 1997 Todos os direitos reservados IEFP Nenhuma parte desta publicação pode ser reproduzida ou transmitida por qualquer forma ou processo sem o consentimento prévio, por escrito, do IEFP Colecção MODULFORM - Formação Modular Título Automação Industrial Suporte Didáctico Guia do Formando Coordenação Técnico-Pedagógica IEFP - Instituto do Emprego e Formação Profissional Departamento de Formação Profissional Direcção de Serviços de Recursos Formativos Apoio Técnico-Pedagógico CENFIM - Centro de Formação Profissional da Indústria Metalúrgica e Metalomecânica Coordenação do Projecto ISQ - Instituto de Soldadura e Qualidade Direcção de Formação Autor Severino Raposo Capa SAF - Sistemas Avançados de Formação, SA Maquetagem e Fotocomposição ISQ / José Artur Almeida Revisão OMNIBUS, LDA Montagem UNIPRINT, LDA Impressão e Acabamento UNIPRINT, LDA Propriedade Instituto do Emprego e Formação Profissional Av. José Malhoa, 11 1000 Lisboa Preço 4 500 esc. 1.ª Edição Portugal, Lisboa, Junho de 1997 Tiragem 1 000 Exemplares Depósito Legal ISBN
  3. 3. GuiadoFormando M.T.02 IEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial Recurso a diapositivos ou transparências Recurso a software Recurso a videograma Actividades / Avaliação Destaque Índice Objectivos Resumo Bibliografia Caso de estudo ou exemplo
  4. 4. GuiadoFormando M.T.02 ÍndiceIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ AAAAAutomação Industrialutomação Industrialutomação Industrialutomação Industrialutomação Industrial IG . 1IG . 1IG . 1IG . 1IG . 1 ÍNDICE GERAL I - INTRODUÇÃO À AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL • Conceito de automação I.2 • O que é a automação? I.2 • Componentes e níveis de um sistema automatizado I.2 • Dispositivos de automação I.5 • Resumo I.6 • Actividades / Avaliação I.7 II - CIRCUITOS LÓGICOS • Circuitos lógicos II.2 • Lógica booleana II.2 • Suficiência das operações II.7 • Diagramas lógicos II.8 • Formas padrão das funções lógicas II.8 • Síntese de circuitos lógicos combinatórios II.9 • Simplificação de funções através de mapas de Karnaugh II.10 • Funções booleanas incompletamente especificadas II.11 • Exemplos de circuitos combinatórios II.12 • Circuitos sequênciais II.19 • Elementos de memória II.19 • Tabela de transições II.20 • Diagrama de estados II.21 • Tabela de estados II.21
  5. 5. GuiadoFormando M.T.02 ÍndiceIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ AAAAAutomação Industrialutomação Industrialutomação Industrialutomação Industrialutomação Industrial IG . 2IG . 2IG . 2IG . 2IG . 2 • Tabela de excitação II.22 • Tipos de flip-flops II.22 • Circuitos sequênciais síncronos II.23 • Síntese de circuitos sequênciais II.25 • Resumo II.31 • Actividades / Avaliação II.32 III - DISPOSITIVOS DE COMANDO E POTÊNCIA • Introdução III.2 • Contactores III.2 • Símbolos de contactores III.4 • Contactores modulares III.5 • Contactores disjuntores III.5 • Contactores para aplicações específicas III.5 • Contactores inversores III.5 • Escolha de um contactores modulares III.6 • Características de contactores III.6 • Disjuntores III.7 • Características dos disjuntores III.10 • Programadores electrónicos e temporizadores III.11 • Características dos programadores III.13 • Características dos temporizadores III.14 • Deslastradores electrónicos III.14 • Relés III.15 • Relés electromagnéticos III.15 • Relés de indução III.16
  6. 6. GuiadoFormando M.T.02 ÍndiceIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ AAAAAutomação Industrialutomação Industrialutomação Industrialutomação Industrialutomação Industrial IG . 3IG . 3IG . 3IG . 3IG . 3 • Relés térmicos III.16 • Relés de estado sólido III.17 • Variadores de velocidade III.20 • Variadores de velocidade para motores AC III.21 • Variadores para motores DC III.22 • Arrancadores estrela-triângulo III.23 • Resumo III.25 • Actividades / Avaliação III.26 BIBLIOGRAFIA B.1
  7. 7. GuiadoFormando M.T.02Ut.01 IEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial Introdução à Automação Industrial
  8. 8. GuiadoFormando Ut.01M.T.02 Introdução à Automação IndustrialIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial I . 1I . 1I . 1I . 1I . 1 OBJECTIVOS No final desta unidade temática, o formando deverá estar apto a: • Definir o que é a automação; • Enumerar os níveis de automação; • Identificar os principais componentes da automação. TEMAS • Conceito de automação • Dispositivos de automação • Resumo • Actividades /Avaliação INTRODUÇÃO À AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
  9. 9. GuiadoFormando Ut.01M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Introdução à Automação IndustrialIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial I . 2I . 2I . 2I . 2I . 2 O que é a automação? Automação é uma forma de controlo de um dado processo. Ao longo de praticamente toda a história da humanidade, a actividade de produção foi efectuada manualmente ou com a ajuda de animais. Apenas há cerca de dois séculos foram criadas máquinas a vapor, para ajudar no fabrico debens.Ocontrolodestasmáquinaseramanualeooperador humanocontrolava todas as fases da operação das máquinas. Recentemente, com o desenvolvimento dos recursos computacionais e de controlo de sistemas, o controlo da produção passou a poder ser automatizado e controlado por computadores ou autómatos programáveis. É a este último tipo de controlo de produção que este módulo é dedicado. Podemos, portanto, entender automação como uma forma de controlo autónomo do processo de fabrico. Este controlo autónomo pode, no entanto, fazer intervir a decisão humana para, por exemplo, parar o processo de fabrico. Componentes e níveis de um sistema automatizado Em qualquer sistema automatizado podemos distinguir os seguintes componentes: • Distribuição • Máquinas ou instalação • Dispositivos de comando • Interface homem-máquina • Sistemas de aquisição de dados • Sistemas de tratamento de dados Entende-se por distribuição toda a rede eléctrica, pneumática, hidráulica, etc., de alimentação e fornecimento de energia Máquinas ou instalação são todas as máquinas ou dispositivos a controlar. Estes podem ser, por exemplo, motores eléctricos. Os dispositivos de comando asseguram as funções de comando dos dispositivos ou máquinas de um sistema automatizado. Como exemplo, apontam-se os contactores ou, ainda, os variadores de velocidade dos motores. Definição de automação CONCEITO DE AUTOMAÇÃO Componentes de um sistema automatizado
  10. 10. GuiadoFormando Ut.01M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Introdução à Automação IndustrialIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial I . 3I . 3I . 3I . 3I . 3 Fig. I.1 – Estrutura de um sistema automatizado. Actuadores ou accionadores são dispositivos que accionam um qualquer mecanismo, como, por exemplo, motores eléctricos. Por interfacehomem-máquina,entendem-se os dispositivos que são actuados pelo homem, por forma a comandar uma dada acção. Como exemplo destes componentes, temos os interruptores e teclados de computador. Para garantir o funcionamento correcto de qualquer sistema, é necessária a aquisição de dados, ou seja, a medição de grandezas físicas relevantes para o controlo do processo. Como exemplo destes sistemas, apontam-se os sensores de leitura de temperatura, pressão, força, etc. Nos sistemas automatizados, é necessário o tratamento de dados, isto é, mediante as leituras dos dispositivos de aquisição de dados, o sistema deverá tratar a informação e reagir de acordo com as condições exteriores. São exemplos deste tipo de dispositivos os computadores e os autómatos programáveis. A automação que descrevemos pode, contudo, ser feita a vários níveis. Estes níveis representam estados diferentes de aplicação de automação. Os níveis de automação são os seguintes: Nível 1 - Neste nível encontram-se as máquinas e dispositivos de comando, os quais podem ser todos controlados, ou não. Trata-se do nível mais baixo, aquele onde apenas se faz o controlo automático da fábrica (shop-floor) e dos seus equipamentos. Nível 2 -Controlo de dispositivos. Neste nível englobam-se os controladores, autómatos programáveis e computadores de controlo, para além dos dispositivos de comando. Nível 3 - Gestão da produção. Esta é feita através da informação da produção recolhida pelos dispositivos de tratamento de dados, tratamento esse efectuado por programas especializados existentes no computador de comando. Níveis de automação
  11. 11. GuiadoFormando Ut.01M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Introdução à Automação IndustrialIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial I . 4I . 4I . 4I . 4I . 4 Nível 4 - Gestão global. Este nível já pouco tem a ver com os componentes de automação tal como foram definidos anteriormente. Engloba todas as componentes do processo de fabrico; armazéns, produção, embalagem, controlo, etc. Na figura I.2, podem ver-se os diferentes níveis da automação. Fig. I.2 – Níveis de automação. De realçar que nem sempre existem, num dado sistema automatizado, todos os níveis atrás referidos. O mais comum é existirem apenas os dois primeiros, que são os únicos absolutamente essenciais para se dizer que a produção é feita com recurso à automação. Com o avanço tecnológico, principalmente ao nível das comunicações e da informática, começam a aparecer vários sistemas com todos os níveis referidos. Neste módulo de Automação Industrial serão apenas tratados os dois primeiros níveis da automação (nível 1 – Máquinas a controlar, e nível 2 – Dispositivos de controlo), já que são os mais comuns. Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3 Nivel 4 Gestão Global Gestão da produção Dispositivos de controlo Controlo de uma ou mais máquinas Shop-Floor
  12. 12. GuiadoFormando Ut.01M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Introdução à Automação IndustrialIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial I . 5I . 5I . 5I . 5I . 5 Os dispositivos de automação e respectivos componentes podem ser divididos em diferentes grupos, representando famílias. Estes grupos são os seguintes: • Dispositivos de comando de potência • Actuadores • Sistemas de tratamento de dados • Interface homem-máquina • Aquisição de dados Os diferentes tipos de componentes contidos em cada um dos grupos indicados constam do esquema da fig. I.3. Este esquema não pretende ser extensivo e, portanto, enumerar todos os dispositivos existentes, apresentando-se apenas os principais. Estes dispositivos de automação serão tratados em várias unidades separadas. Dispositivos de automação DISPOSITIVOS DE AUTOMAÇÃO Fig. I.3 – Dispositivos da automação e respectivos componentes Pneumáticos e hidraulicos Actuadores Eléctricos Tratamento de dados Autómatos programáveis Redes de comunicação Interface Homem-Máquina Unidades de comando e sinalização Botoneiras Teclados e terminais Aquisição de dados Sensores de força, pressão e aceleração Sensores de posição Sensores de presença Sensores de visão etc. Dispositivos de comando e potência Contactores Relés Temporizadores Arrancadores e variadores de velocidade Programadores electrónicos
  13. 13. GuiadoFormando Ut.01M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Introdução à Automação IndustrialIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial I . 6I . 6I . 6I . 6I . 6 Automação é uma forma de controlo de um dado processo. A automação, na sua forma mais simples, implica o controlo de um processo (industrial, laboratorial ou outro) por um circuito desenvolvido para essa aplicação específica. Através do desenvolvimento recente de recursos computacionais e de controlo de sistemas, o controlo da produção passou a ser automatizado e controlado por computadores ou autómatos programáveis. A automação tem vários níveis, consoante os equipamentos ou áreas da fábrica que controla. A automação pode ser introduzida numa simples máquina até à fábrica, na sua globalidade. Os componentes ou dispositivos de automação dividem-se, por seu lado, em: • Componentes de distribuição • Máquinas ou instalações • Dispositivos de comando • Interface homem-máquina • Sistemas de aquisição de dados • Sistemas de tratamento de dados RESUMO
  14. 14. GuiadoFormando Ut.01M.T.02 Componente Prática IEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial I . 7I . 7I . 7I . 7I . 7 Introdução à Automação Industrial ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO 1 - O que é automação? 2 - Para cada dispositivo da automação, identifique os vários componentes que o constituem. 3 - Indique quais os dispositivos da automação mais comuns. 4 - Quais os níveis de automação que conhece?
  15. 15. GuiadoFormando M.T.02Ut.01 IEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial Circuitos Lógicos
  16. 16. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 1II . 1II . 1II . 1II . 1 OBJECTIVOS ESPECÍFICOS No final desta unidade temática, o formando deverá estar apto a: • Definir circuitos combinatórios; • Identificar circuitos sequenciais; • Projectar circuitos lógicos. TEMAS • Lógica boleana • Sintese de circuitos lógicos conbinatórios • Circuitos sequenciais • Sintese de circuitos sequenciais • Familia de circuitos sequenciais • Familia de circuitos digitais • Resumo • Actividades / Avaliação CIRCUITOS LÓGICOS
  17. 17. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 2II . 2II . 2II . 2II . 2 Lógica Booleana Esta lógica baseia-se no sistema de numeração binário, que tem apenas dois números, 0 e 1, ou, ainda, Verdadeiro e Falso. As variáveis lógicas têm, portanto, apenas dois níveis possíveis. Tal como no sistema de numeração decimal (ou em qualquer outro), é sempre possível definir funções. Vejamos um exemplo de uma função com três variáveis (tabela II.1a) e b)). S = f(A,B,C) S é a saída; A, B e C, as entradas. Tabela de verdade CIRCUITOS LÓGICOS Tabela II.1 – Exemplo de função booleana. Qualquer função booleana pode ser expressa em termos de uma tabela que se chama tabela de verdade. Consideremos o bloco lógico da figura II.1 a) b) A B C S A B C S F F V 0 0 0 1 F V F 0 0 1 0 V F F 0 1 0 0 V V V 0 1 1 1 F F V 1 0 0 1 F V V 1 0 1 1 V F F 1 1 0 0 F F F F V V V V V V V 1 1 1 1
  18. 18. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 3II . 3II . 3II . 3II . 3 O número de funções booleanas é dado pela fórmula seguinte: Número funções = 2 2P m [Equação II.1] P = Número de saídas m = Número de entradas Fig. II.1 – Função lógica com várias entradas e saídas. No caso da função anterior, tínhamos três variáveis de entrada e uma de saída, logo temos 21 23 × = 256. No caso de funções de duas variáveis, temos a tabela de verdade da página seguinte. As funções mais usuais da lógica de Boole têm símbolos para as representar. Na figura II.2 pode ver-se essa simbologia. É de notar que todas as funções apresentadas podem ter mais de 2 entradas (excepto a negação). Função lógica Função Entradas Saídas X1 X2 Xm Y1 Y2 Yp
  19. 19. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 4II . 4II . 4II . 4II . 4 Tabela II.2 - Funções possíveis para duas variáveis booleanas. A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 Função f0 0 0 0 0 f = 0 f1 0 0 0 1 f = AB (e - and) f2 0 0 1 0 f = A B⊃ f3 0 0 1 1 f = A f4 0 1 0 0 f = B A⊃ f5 0 1 0 1 f = B f6 0 1 1 0 f = A B⊕ (ou exclusivo - xor) f7 0 1 1 1 f = A+B (ou - or) f8 1 0 0 0 f = A B+ (não ou - nor) f9 1 0 0 1 f = A B⊕ (não ou exclusivo-exclusive nor) f10 1 0 1 0 f = B f11 1 0 1 1 f = B A⊃ (B implica A) f12 1 1 0 0 f = A f13 1 1 0 1 f = A B⊃ (A implica B) f14 1 1 1 0 f = AB (não e - nand) f15 1 1 1 1 f = 1
  20. 20. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 5II . 5II . 5II . 5II . 5 Na álgebra de Boole temos apenas 2 operadores: + simboliza a união; . simboliza a intersecção. Os axiomas fundamentais da álgebra booleana são: 1 - As operações + e . são fechadas em B (B representa o universo booleano). b b B1 2, ∈ ∀ (b1+b2)∈B b b B1 2, ∈ ∀ (b1.b2)∈B 2 - Comutatividade b b B1 2, ∈ ∀ b1+b2 = b2+b1, b1.b2 = b2.b1 Teoremas da álgebra booleana NOR - Ou negado OR - Ou Not - Negação AND - e NAND - e negado NOT XOR - Ou exclusivo negado XOR - Ou exclusivo Fig. II.2 – Símbolos das funções lógicas mais usuais.
  21. 21. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 6II . 6II . 6II . 6II . 6 3 - Elementos neutros b B0∈ ∃ b B∈ ∀ b+b0 = b b B1∈ ∃ b B∈ ∀ b1.b = b 4 - Distributividade b b B1 2, ∈ ∀ b1+(b2.b3) = (b1+b2).(b1+b3), b1.(b2+b3) = (b1.b2)+(b1.b3) 5 - Complementação b B∈ ∀ b B∈ ∃ b+b=b1, b.b = b0 Os teoremas fundamentais da álgebra de Boole são os seguintes: 1 - Unicidade dos elementos neutros Isto é: existe apenas um elemento neutro; representando o elemento neutro por b0 , temos: b B∈ ∀ b b b+ =0 2 - Idempotência b B∈ ∀ b b b+ = , b.b = b 3 - Elementos absorventes b B∈ ∀ b+1=1, b.0=0 4 - Absorção b b B1 2, ∈ ∀ b1+(b1.b2) = b1, b1.(b1+b2) = b1 5 - Dualidade Todo o teorema ou identidade algébrica dedutível dos axiomas e definições da álgebra de Boole permanece válido se: as operações + e . e os elementos b0 e b1 forem trocados. Teoremas da álgebra booleana
  22. 22. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 7II . 7II . 7II . 7II . 7 6 - Unicidade do complemento O complemento de um elemento é único: não podem existir dois ou mais complementos de um elemento. 7 - Involução ( )b b= 8 - Leis de Morgan a b a b+ = . a b a b. = + 9 - Associatividade (a+b)+c = a+(b+c) (a.b).c = a.(b.c) Para além destes, existem mais teoremas, alguns dos quais são mostrados em seguida. A+AB = A Equação [2.2] A(A+B)=A Equação [2.3] AB+AB = A Equação 2.4] (A+B)(A+B)=A Equação [2.5] A+ AB=A+B Equação [2.6] A( A+B)=AB Equação [2.7] A+BC=(A+B)(A+C) Equação [2.8] AB+ AC=(A+C)( A+B) Equação [2.9] (A+B)( A+C)=AC+ AC Equação [2.10] AB+ AC+BC=AB+ AC Equação [2.11] Estes teoremas podem ser provados de diversas formas: por diagramas de Venn ou pela construção das tabelas de verdade.
  23. 23. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 8II . 8II . 8II . 8II . 8 Usando os teoremas anteriores, simplifique: K AB BAC= + • Pela propriedade comutativa, temos AB = BA, logo K AB ABC= + Se a variável D = AB, temos K D DC= + Usando a equação 2.6, temos K = D + C; então: K AB C= + Suficiência das operações Em álgebra de Boole, três funções são suficientes para expressar todas as outras: AND, OR e NOT No entanto, também as funções NOR e NAND são suficientes (a partir delas pode gerar-se todas as outras). Vamos, então, provar as afirmações anteriores. A expressão AND pode ser expressa em termos de OR e NOT. Assim, temos: AB = A B+ (aplicando as leis de Morgan). Do lado esquerdo temos AND e do lado direito só OR e NOT. Da mesma forma, temos que OR pode ser expresso em termos de AND e NOT. Temos: A+B = A B. . No caso da suficiência de NAND, temos: A↑A=A A A. = Neste caso, duas entradas iguais aplicadas a uma porta NAND levam a criar a negação (NOT). Exemplo II.1
  24. 24. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 9II . 9II . 9II . 9II . 9 (A↑A)↑(B↑B)=A A B B A B A B. . . .= = + Aqui, a repetição da operação NAND leva ao OR. A suficiência de NOR pode ser provada da mesma forma. Diagramas lógicos Para além da representação algébrica e por tabela de verdade das funções lógicas, existe ainda uma outra forma: por diagrama lógico. Vejamos um exemplo: A AB AC+ + , cujo diagrama lógico é mostrado na figura II.3. Fig. II.3 – Diagrama lógico de A AB AC+ + . Formas padrão das funções lógicas As formas padrão das funções lógicas são usadas para ajudar à simplificação de funções lógicas. Existem dois tipos de formas padrão: • Soma padrão de produtos. A função booleana é expressa em termos da soma de produtos de variáveis. Por exemplo, Z ABC ABC= + . Cada um destes termos simplificados é chamado um termo mínimo. • Produto padrão de somas. A função é expressa em termos de produto de somas. Como exemplo, temos Z A B A C B C= + + +( )( )( ). Estes termos chamam-se termos máximos. Estes termos podem ser numerados: por exemplo, se tivermos o termo mínimo ABC , a sua numeração será 100 (“1” para cada variável e “0” para a negação da variável), e temos, portanto, o termo mínimo m4 . Soma padrão de produtos A B AB A A+AB C AC AC A+AB+AC Produto padrão de somas
  25. 25. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 10II . 10II . 10II . 10II . 10 O mesmo tipo de numeração pode ser aplicado aos termos máximos. As funções booleanas podem, assim, ser representadas de duas formas: f Fi mii n = = − ∑ ( . )0 2 1 (com termos mínimos) [Equação II.12] n - número de variáveis f F mi ii n = += − ∏ ( )0 2 1 (com termos máximos) [Equação II.13] O objectivo normal em automação é, a partir da tabela de verdade de um sistema, procurar a síntese do circuito lógico. O método mais comum para esta síntese são os mapas de Karnaugh. Estes mapas servem-se dos conceitos anteriores de termos mínimos e máximos. A figura II.4 mostra as representações de mapas de Karnaugh para uma variável. Fig. II.4 – Mapas de Karnaugh de uma variável. A figura II.5 mostra mapas para 2, 3 e 4 variáveis. Fig.II.5 – Mapas de Karnaugh de duas, três e quatro variáveis. SÍNTESE DE CIRCUITOS LÓGICOS COMBINATÓRIOS Termos mínimos e máximos Mapas de Karnaugh
  26. 26. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 11II . 11II . 11II . 11II . 11 A forma de construir estes mapas para mais variáveis é usar um espelho para as variáveis já existentes e acrescentar, de um lado, 0 e, do outro, 1 (ver figura II.6, que representa essa construção para um mapa de Karnaugh de 5 variáveis). Fig. II.6 – Construção de mapa de Karnaugh de 5 variáveis. Simplificação de funções lógicas através de mapas de Karnaugh Para simplificar funções através dos mapas de Karnaugh, fazem-se ajuntamentos de “1” (termos mínimos) ou de “0” (termos máximos). Os ajuntamentos devem sempre ter um número de “1” ou “0” de 2n (n pode ser 1, 2, 3, ...). Podem juntar-se dois, desde que a diferença entre eles seja de apenas 1 dígito. Por exemplo, podem juntar-se “1” (ou “0”) no caso de eles estarem em 010 e 110, mas não em 010 e 100, pois neste caso a diferença são dois dígitos. Vejamos alguns exemplos desta simplificação na figura II.7. O mesmo pode ser aplicado aos termos máximos. No caso do primeiro exemplo, temos que, na coluna de CD, D mantém-se constante a “1” e, em cima, podemos ver que A mantém-se constante a “0”. Todas as outras variáveis variam no ajuntamento. O resultado do 1.º exemplo é, portanto, AD. Simplificação
  27. 27. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 12II . 12II . 12II . 12II . 12 Fig. II.7 – Exemplos de simplificação por mapas de Karnaugh. Funções booleanas incompletamente especificadas Pode acontecer que a função pretendida não esteja completamente especificada, ou seja, apenas nos interessa que o circuito tenha um determinado tipo de saída para algumas entradas; as outras não interessam. Nesse caso, teremos uma função incompletamente especificada. A tabela II.3 mostra um exemplo: Tabela II.3 – Exemplo de função incompletamente especificada. A figura II.8 mostra a simplificação através de mapas de Karnaugh. A simplificação é, neste caso, feita de forma a conseguir-se as melhores minimizações possíveis. Para tal, toma-se a saída “X” como “1” ou “0”, dependendo de qual deles proporciona uma maior simplificação. 1A 2A 0A S 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 x 1 0 0 x 1 0 1 x 1 1 0 x 1 1 1 1
  28. 28. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 13II . 13II . 13II . 13II . 13 Codificadores Na figura pode ver-se que a forma de simplificar o máximo possível é tomar todos os “X” por “1”, mas outras situações podem existir, designadamente aquelas em que os “X” podem ser, alguns, “0” e, outros, “1”. Exemplos de circuitos combinatórios Existem muitos tipos de circuitos combinatórios; nas páginas seguintes vão ser mostrados alguns destes circuitos. Fig. II.8 – Simplificação de função incompletamente especificada. Codificadores Estes circuitos são circuitos com várias entradas (n entradas) que são codificadas binariamente. A figura II.9 mostra um exemplo de codificador. Fig. II.9 – Exemplo de codificador. CodificadorI0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 A0 A1 A2 A2 A1 A0 1 0 0 X X X X 1 S S=A2+A1A0+A1A0
  29. 29. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 14II . 14II . 14II . 14II . 14 O codificador funciona da seguinte forma: se uma das entradas for “1”, a saída binária será a correspondente ao número da saída. A tabela II.4 mostra as saídas e sua dependência das entradas. Facilmente se pode ver que: A2 = I4 + I5 + I6 + I7 A1 = I2 + I3 + I6 + I7 A0 = I1 + I3 + I5 + I7 Esta implementação tem um problema: como I0 nem sequer aparece nas equações, as saídas são as mesmas, quer I0 seja “1” ou “0”. Uma forma de resolver o problema é colocar uma saída suplementar, a qual será dada por: S = I0 + I1 + I2 + I3 + I4 + I5 + I6 + I7. Os codificadores podem ter prioridades diferentes para cada uma das entradas. Esta situação é útil no caso de duas entradas serem simultâneas; neste caso, apenas uma das entradas pode ser codificada. Tabela II.4 - Exemplo de codificador. Fig. II.10 – Descodificador de 3 bits. 2A 1A 0A 0I 0 0 0 1I 0 0 1 2I 0 1 0 3I 0 1 1 4I 1 0 0 5I 1 0 1 6I 1 1 0 7I 1 1 1
  30. 30. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 15II . 15II . 15II . 15II . 15 Descodificadores Os descodificadores fazem o inverso dos codificadores, isto é: dada uma entrada codificada em binário, temos activada a saída correspondente (normalmente a “1”). Na figura II.10 podemos ver um descodificador. Os descodificadores (tal como uma boa parte dos circuitos binários existentes) podem ter uma entrada que os “liga” ou “desliga”, isto é, activa ou desactiva o circuito; esta entrada é a entrada de ENABLE. Pode activar os circuitos estando a “1” ou a “0”. No caso de activar a “0”, uma pequena bola aparece nesta entrada. A figura anterior mostra este aspecto. A tabela II.5 mostra a tabela de verdade de um descodificador de 3 bits. Tabela II.5 – Tabela de verdade de um descodificador de 3 bits. Multiplexers Um multiplexer serve para encaminhar o sinal, vindo de uma de várias entradas, para a saída. A entrada é escolhida mediante o sinal binário de outras entradas. A figura 2.3 mostra um multiplexer de 4 entradas. O número das entradas de controlo é o log de base 2 das entradas. Fig. II.11 – Multiplexer com 4 entradas. Multiplexers Descodificadores 0A 0 1 0 1 0 1 0 1 1A 0 0 1 1 0 0 1 1 2A 0 0 0 0 1 1 1 1 0I 1 0 0 0 0 0 0 0 1I 0 1 0 0 0 0 0 0 2I 0 0 1 0 0 0 0 0 3I 0 0 0 1 0 0 0 0 4I 0 0 0 0 1 0 0 0 5I 0 0 0 0 0 1 0 0 6I 0 0 0 0 0 0 1 0 7I 0 0 0 0 0 0 0 1
  31. 31. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 16II . 16II . 16II . 16II . 16 Vejamos o caso de um multiplexer de 2:1 (duas entradas e uma saída). As entradas do circuito são A e B, o controlo é efectuado através de C, e a saída é S. O circuito final é um pouco diferente do dado pelo mapa de Karnaugh, pois tem ainda uma entrada de Enable. Este multiplexer, o seu mapa de Karnaugh e o circuito dele, aparecem na figura II.12. Fig. II.12 - Multiplexer, mapa de karnaugh e circuito lógico É de notar que se podem fazer multiplexers de, por exemplo,4 entradas, à custa de vários multiplexers de 2 entradas. A figura II.13 mostra este exemplo. Fig II.13 – Multiplexer de 4 entradas construído à custa de MUXs de 2 entradas. 2:1 MUX 2:1 MUX 2:1 MUX C0 C1 A B C D S
  32. 32. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 17II . 17II . 17II . 17II . 17 Desmultiplexers Estes circuitos fazem exactamente o inverso dos multiplexers, isto é, temos uma entrada única que é encaminhada para uma de várias saídas possíveis, dependendo dos bits de controlo. A figura II.14 mostra este circuito. Fig. II.14 – DeMUX 1:4. Comparadores Estes circuitos, como o seu próprio nome indica, comparam entradas, por forma a determinar qual é a maior, dando saídas diferentes consoante a entrada A é maior, igual ou inferior à saída B. Na figura II.15 aparece um comparador simples. Tem duas entradas, cada uma delas de apenas um bit, e duas saídas (pois existem três possibilidades de saídas A>B, A=B e A<B). Fig. II.15 – Comparador simples. O circuito comparador mais comum é um pouco diferente do apresentado anteriormente, pois tem duas entradas, a serem comparadas, e 3 saídas (para A<B, A=B e A>B); pode ainda ter três entradas, correspondendo ao resultado de uma anterior comparação. Na figura II.16 aparece este tipo de comparador. Com este segundo tipo de comparador pode-se, facilmente, fazer a comparação de n bits A e n bits B. Basta, para tal, ligar a saída de um módulo à entrada do seguinte. A figura mostra, também, um exemplo disso. Comparadores Somadores DeMUX 1:4 A S3 S2 S1 S0 C1 C0 Comparador A B X0 X1
  33. 33. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 18II . 18II . 18II . 18II . 18 Fig. II.16 – Comparador básico e aplicação à construção de comparador de 2 bits. Conversores de código Um conversor de código é um circuito que converte um código noutro código. Por exemplo, pode-se ter um conversor que converta código BCD para um outro código. Um outro exemplo é o dado pela tabela II.6. Tabela II.6 – Exemplo de tabela de verdade de um conversor de códigos. Comparador A B X0 X1 X0 X1 X2 X2 Comparador básico de 1 bit A1 B1 X0="0" X1="1" X2="0" A0 B0 X0 X1 X2 Comparador de dois bits Conversores de código 1ogidC 2ogidC 2A 1A 0A 2B 1B 0B 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0
  34. 34. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 19II . 19II . 19II . 19II . 19 Somadores Estes circuitos permitem construir, com eles, somadores de dois números binários. O circuito mais simples deste género é o semi-somador. O semi-somador tem duas entradas, A e B (cada uma delas de 1 bit), e duas saídas, a soma S e o carry C. A figura II.17 mostra um semi-somador. Fig. II.17 – Semi-somador. Um somador completo é um somador que tem, além das entradas A e B, uma entrada Cin (carry in). A sua tabela de verdade pode ser vista na tabela II.7 A figura II.18 mostra um somador completo e o seu mapa de Karnaugh. Com blocos de somadores podem fazer-se somas mais complexas; a figura II.19 mostra a construção de um somador de 4 bits, a partir de 4 somadores completos de um bit. Tabela II.7 - Tabela de verdade de somador com Cin (Carry in). Somadores Ai 0 1 0 1 0 1 0 1 Bi 0 0 1 1 0 0 1 1 Ci-1 0 0 0 0 1 1 1 1 Si 0 1 1 0 1 0 0 1 Ci 0 0 0 1 0 1 1 1
  35. 35. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 20II . 20II . 20II . 20II . 20 Fig. II.18 – Somador completo. Fig. II.19 – Mapa de Karnaugh da saída B2 do transcodificador. Os circuitos sequenciais são circuitos em que a saída depende das entradas e da memória anterior do circuito. Elementos de memória Como foi referido anteriormente, os circuitos sequenciais têm memória. Vejamos algumas formas de, através de circuitos lógicos, criar memórias. A forma mais simples de criar uma memória é o circuito da figura II.20. Este é constituído por duas portas inversoras, ligadas de forma a que a saída de uma seja a entrada de outra. A2 A1 A0 B2 0 0 0 0 1 1 1 1 CIRCUITOS SEQUENCIAIS
  36. 36. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 21II . 21II . 21II . 21II . 21 Fig.II.20 – Latch com portas inversoras. A forma como este circuito armazena um bit de memória é a seguinte: ao forçar Q a ser um determinado valor, a porta inversora 2 inverte este valor (passa a ser Q), que é de novo invertido à saída da porta 1, pelo que o seu valor inicial se mantém. A este circuito chama-se Latch ou, ainda, Flip-Flop. Com vários destes circuitos podem armazenar-se vários bits. Este tipo de circuito não é usado, em vez dele usam-se outros; um exemplo é o Flip-Flop tipo SR. A figura II.21 mostra este Flip-Flop. Fig. II.21 – Flip-Flops tipo RS e R S Pode ver-se que o Flip-Flop SR pode ser construído de várias formas diferentes. O funcionamento deste tipo de circuitos pode ser descrito por diferentes tabelas e diagramas. 2 1 1 2 Flip-Flop
  37. 37. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 22II . 22II . 22II . 22II . 22 Tabela de transições A tabela de transições do Flip-Flop S R é a seguinte: Tab. II.7 - Tabela de transição de FF SR Este tipo de tabelas tem as entradas (neste caso S R) e a saída Qt+1, que será função do estado anterior do circuito. O índice t+1 representa o estado futuro, e o índice t o estado actual. A combinação de entrada 00 não dá uma saída estável, razão pela qual, neste Flip-Flop, não se pode usar. Diagrama de estados Este diagrama para o Flip-Flop S R é mostrado na figura II.22. Existem apenas dois estados Q=0 e Q=1, representados por A e B. Este diagrama mostra como, a partir de uma dada entrada, o circuito muda de estado. Por exemplo, se o circuito estiver no estado A (Q=0), se a entrada for S = 0e R = 1, a saída Q passará para o estado B (Q=1). Fig. II.22 – Diagrama de estados do Flip-Flop S R. 01 10 10 11 11 01 A (Q=0) B (Q=1) Tabela de transições Diagrama de estados RS 1+tQ 00 - 10 1 01 0 11 tQ
  38. 38. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 23II . 23II . 23II . 23II . 23 Tabela de estados Esta tabela mostra as transições de estados, em função das entradas. A tabela II.8 ilustra este aspecto. Tabela II.8 - Tabela de estados de Flip-flop S R Tabela de excitação Esta tabela tem a informação da mudança de Qt , em função da entrada S R. A tabela II.9 mostra a tabela de excitação do Flip-Flop S R. Tab. II.9 - Tabela de excitações do FF S R Tipos de Flip-Flops Existem mais FF além dos já referenciados anteriormente. Vejamos mais alguns exemplos. Flip-flop tipo JK A tabela de transições de um Flip-Flop tipo JK é mostrada na tabela II.10. Tabela II.10 - Tabela de transições de FF tipo JK. Tabela de excitação Qt->Qt+1 SR 0->0 10 0->1 01 1->0 10 1->1 01 JK Qt+1 00 Qt 01 0 10 1 11 Qt Qt+1 Qt Tabela de estados 00 10 01 11 A - B A A B - B A B
  39. 39. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 24II . 24II . 24II . 24II . 24 Flip-Flop tipo D A tabela II.11 mostra a tabela de transições do Flip-Flop tipo D. Este tipo de Flip-Flop tem apenas uma entrada D. O Flip-Flop D pode, facilmente, ser construído a partir do Flip-Flop SR; a figura II.23 mostra esta construção. Tabela II.11 - Tabela de transição do FF tipo D. Fig. II.23 – Construção de Flip-Flop tipo D, a partir de FF SR. Flip-Flop tipo T Este tipo de Flip-Flop tem uma tabela de transições inversa do Flip-Flop D; a tabela II.12 mostra isso. O Flip-Flop T tem, tal como o D, apenas uma entrada. Tabela II.12 - Tabela de transições de FF tipo T. Circuitos sequenciais síncronos Todos os circuitos até agora discutidos são circuitos sem relógio. Os circuitos sequenciais podem, no entanto, ter um relógio. Por “relógio” entende-se uma entrada que tem uma onda quadrada. Esta onda sincroniza todas as operações dos circuitos. T Qt + 1 0 1 1 0 D Qt + 1 0 0 1 1 Circuitos sequenciais sonoros
  40. 40. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 25II . 25II . 25II . 25II . 25 Por exemplo, no caso de um Flip-Flop tipo D mostrado na figura II.24, uma alteração da entrada D apenas se reflecte na saída, na subida de “0” para “1” da onda de relógio (em inglês clock). O Flip-Flop D síncrono funciona da seguinte forma: quando a entrada D varia e depois a onda do relógio sobe, então a saída do Flip-Flop varia ao mesmo tempo que o clock sobe a “1”. Alguns circuitos sequenciais mudam o estado com a transição de clock de “1” para “0”. A representação do Flip-Flop síncrono aparece na figura II.25. Fig II.24 - Flip-Flop tipo D síncrono e forma de onda de clock Fig II.25 - Representação de um Flip-Flop tipo D síncrono. D Q QCLK Relógio
  41. 41. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 26II . 26II . 26II . 26II . 26 Os Flip-Flops podem ainda ter outras entradas, para além das entradas normais e do sinal de “clock”. Estas são as entradas de Clear. Esta entrada coloca a saída Q a “0” e a entrada Set. Esta coloca a saída Q a “1”. Estas entradas podem ser síncronas ou assíncronas (neste caso, ao serem actuadas, a saída reflecte imediatamente a sua acção). A figura II.26 mostra um Flip-Flop com set e clear. Neste caso particular pode ver-se que tanto o set como o clear são activos a “0” (pois a sua entrada tem uma bola). Estas entradas servem para se variar o valor da saída Q no estado inicial ou, ainda, quando for necessária uma mudança rápida (se clear e set forem assíncronos) do estado da saída. Fig. II.26 – Flip-Flop com set e clear. Neste ponto será explicada uma das formas de síntese de circuitos sequenciais. Muito desta síntese tem a ver com os mapas de Karnaugh e a já explicada síntese de circuitos combinatórios. A forma mais fácil de compreender como projectar um circuito sequencial é através de exemplos; vejamos, então, um deles. SÍNTESE DE CIRCUITOS SEQUENCIAIS D Q QCLK Relógio set clear
  42. 42. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 27II . 27II . 27II . 27II . 27 Pretende-se fazer um circuito que detecte sequenciais de bits. A sequência que deve ser detectada é x = 1001 (x é a entrada do sistema). Para esta sequência o circuito deve dar uma saída y = 1. Resolução: Para resolver este problema deve-se usar a sequência de operações seguintes: 1) Fazer o diagrama de estados do detector de sequências (mostrado na figura II.27). Fig. II.27 – Diagrama e estados do detector de sequências 1001. O diagrama de estados é feito da seguinte forma: Define-se primeiro um estado inicial, neste caso chamado A, e a partir daí, vamos ver o que acontece se a entrada x varia. Para x=0 não se detecta o princípio da sequência (1001), logo temos de regressar ao estado inicial A e com a saída y=0, pois não se detectou a sequência completa. Para x=1 detecta-se o primeiro dígito da sequência, pelo que temos de mudar de estrada, passando ao estado B com saída y=0 . Em B com x=0, detecta-se o segundo dígito da sequência, pelo que se passa para o estado C e, novamente, y=0. Se em B x=1 então volta-se ao estado B, pois é como se detectasse o primeiro “1” da sequência (e saída y=0). 0/0x/y-> 1/0 1/0 0/0 1/0 0/0 0/0 1/1 A B C Estado inicial D Exemplo II.2
  43. 43. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 28II . 28II . 28II . 28II . 28 Em C com x=0, passa-se para D, pois detecta-se o terceiro dígito da sequência (saída y=0). Se em C x=1 volta-se a B, pois é o mesmo que se detectasse o primeiro dígito da sequência. Finalmente, em D, se x=0, anula-se toda a sequência anterior (fica x=1 000) e volta-se ao estado A com saída y=0. No caso de x=1, então detectou-se a sequência e y=1; vai-se para o estado A, recomeçando a detectar-se 1 001. Pode ser introduzida uma pequena alteração a este diagrama de estados se, por exemplo, em vez de a detecção ser 1 001 e depois tudo recomeçar, o segundo “1” servir já para detectar o primeiro “1” da sequência. Neste caso, apareceria no diagrama de sequências uma seta entre D e B para x=0 e com saída y=1. 2) A partir do diagrama de estados podemos, agora, fazer a tabela de estados e saídas. Esta tabela representa o digrama de estados, em forma de tabela, e é a transcrição directa do diagrama de estados. Tab. II.13 - Tabela de estados e saídas do exemplo anterior. 3) Escolhe-se o tipo de Flip-Flops, por exemplo JK; como temos 4 estados, são necessários 2 Flip-Flops (poderíamos escolher qualquer outro tipo de Flip-Flop). 4) Atribuição de estados aos Flip-Flops. Temos 4 estados neste detector de sequências e vamos atribuir, a cada estado, um valor das saídas dos dois Flip-Flops. A partir desta tabela, substitui-se os valores da tabela de transições e saídas pelos valores atribuídos a cada um dos estados A, B, C e D. Tab. II.14 - Tabela de saídas com estados atribuído X = 0 X = 1 A A, 0 B, 0 B C, 0 B, 0 C D, 0 B, 0 D A, 0 B, 1 yt X = 0 X = 1 xt 01 0 0 10 0 0 11 0 0 00 0 1 (Q1Q0)t
  44. 44. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 29II . 29II . 29II . 29II . 29 Cria-se, assim, a tabela de transições e a tabela de saídas. Tab. II.15 - Atribuição de estados ao exemplo. 5) Acha-se a equação da saída. Através da tabela de saídas (de notar que esta foi construída da mesma forma que um mapa de Karnaugh) pode ver-se que: Tab. II.16 - Tabela de transições com estados atribuídos. 6) Acha-se as equações das entradas. Para fazer o circuito correspondente, temos ainda de saber como se relacionam as entradas dos dois Flip-Flops com x e com as saídas (Q1 Q0 )t. Para isso, temos de ter em atenção a tabela de excitações dos FF tipo JK. As barras na coluna JK significam que não importa ser “1” ou “0”. Tab. II.17 - Tabela de excitações FF JK. Qt->Qt+1 JK 0 -> 0 0/ 0 -> 1 1/ 1 -> 0 /1 1 -> 1 /0 Q1Q0 10 A 10 B 11 C 00 D (Q1Q0)t+1 0 1 xt 01 01 10 10 11 10 11 00 10 00 01 01 (Q1Q0)t y x Q Q= . .1 0
  45. 45. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 30II . 30II . 30II . 30II . 30 A figura II.28 mostra os mapas de Karnaugh necessários à construção das equações das entradas. Neste caso temos 3 variáveis como entradas (embora duas dessas entradas sejam saídas de FF). Estas entradas são Q1 , Q0 e x. A forma de construir estes mapas é a seguinte: Olhando para a tabela de transição, vê-se a variação de Q1 para Q1 t+1 ; com esta variação vê-se, na tabela de excitações do Flip-Flop JK, qual o valor que as entradas J1 e K1 para colocar Q1 t+1 no valor pretendido. O mesmo se faz para J0 e K0. Fig. II.28 – Mapas de Karnaugh para achar equações das entradas. Quando Q1 Q0 estão no estado 00 e a entrada x passa a “1”, vemos, pela tabela de transições, que Q1 Q0 passam ao estado 10 (B). Q1 passa de “0” para “1”; aplicando a tabela de excitações do FF JK, vê-se que, para o FF passar de “0” para “1”, necessita que a entrada J1 seja “0” e que K1 seja “/”. A figura II.29 mostra o circuito resultante. Fig. II.29 – Circuito do detector de sequências 1001. Exemplo II.3
  46. 46. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 31II . 31II . 31II . 31II . 31 As equações resultantes são: J x0 = K x Q0 1= + J xQ1 0= K xQ1 0= Qualquer circuito sequencial pode ser projectado desta forma. Famílias de circuitos digitais Para a construção de circuitos digitais, existem diversos componentes padrão. Estes componentes padrão (circuitos integrados de diversos tipos) podem ser construídos com diferentes tecnologias. As tecnologias mais comuns destes integrados são as seg TTL Esta tecnologia tem a vantagem de poder ter um clock de frequência elevada, mas tem um consumo de energia maior que outros tipos de tecnologia (CMOS). Tem, ainda, a vantagem de ter um fan-out (capacidade de fazer o drive de outros circuitos TTL) grande, permitindo, portanto, ligar a saída a bastantes circuitos TTL. São bastante baratos. CMOS Neste caso, a frequência de clock que se pode ter é um pouco mais lenta que em TTL, mas o consumo é bastante inferior. Existe uma variante chamada HCMOS, na qual a velocidade é comparável, se não mesmo superior, à mais rápida TTL, mas à custa de um consumo um pouco maior (mesmo assim inferior ao da TTL). O fan-out não é tão bom como o TTL. São também igualmente baratos. ECL Das três, esta é a tecnologia mais rápida. O consumo é, no entanto, muito superior ao das outras duas. Esta tecnologia é principalmente usada em supercomputadores. O fan-out é o mais baixo dos três e, além disso, a compatibilidade com circuitos existentes é a mais baixa dos três. A tabela seguinte resume as vantagens de cada uma das famílias de dispositivos lógicos. Tabela II.18 - Vantagens e desvantagens das principais famílias lógicas. Para automação, as mais usadas são TAL (e suas variantes) e CMOS (e suas variantes). Familia Consumo Compatibilidade Fan Out Velocidade Preço TTL > >> >> > > CMOS < > > < < ECL >> < < >> > RESUMO
  47. 47. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Prática Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 32II . 32II . 32II . 32II . 32 Qualquer circuito lógico pode ser construído a partir de 3 operações básicas: - . (e) - + (ou) - (negação) Existem dois tipos de circuitos lógicos: - Circuitos combinatórios - Circuitos sequenciais Os circuitos combinatórios têm uma saída que apenas depende do estado actual das entradas. Os circuitos sequenciais dão uma saída que, além de depender do estado actual das entradas, depende também do estado da memória do circuito. A integração de circuitos lógicos é feita a partir de mapas de Karnaugh. As famílias de circuitos lógicos mais comuns são as seguintes: -TTL - CMOS - ECL Todos estes circuitos lógicos, bem como a sua constituição e síntese, serão abordados nesta unidade de uma forma mais completa e detalha RESUMO
  48. 48. GuiadoFormando Ut.02M.T.02 Componente Prática Circuitos LógicosIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial II . 33II . 33II . 33II . 33II . 33 ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO 0 15 30 45 0 0 000 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 A B 000 001 001 011 010 010 011 111 100 101 101 110 110 100 111 000 1 - Prove, por lógica booleana, que A+AB = A usando, para isso, as tabelas de verdade. 2 - Prove, através de diagramas de Venn, que A+AB = A. 3 - Usando os teoremas anteriores, simplifique: K AB BAC= + 4 - Usando as equações da lógica booleana, simplifique a expressão A A B( )+ . 5 - Simplifique, através de termos máximos, o mapa de Karnaugh da figura II.30 Fig. II.30 – Exercício de simplificação. 6 - Desenhe o circuito lógico do exercício anterior com componentes existentes da família CMOS e monte o circuito, como trabalho prático. 7 - Projecte um conversor de códigos que passe do código A para o código B e monte-o como trabalho prático. 8 - Execute o projecto de um contador até 8, feito comFlip-Flops tipo D. Monte-o, como trabalho prático.
  49. 49. GuiadoFormando M.T.02Ut.01 IEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial Dispositivos de Comando e Potência
  50. 50. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 1III . 1III . 1III . 1III . 1 OBJECTIVOS No final desta unidade temática, o formando deverá ser capaz de: • Identificar o que são dispositivos de comando e potência; • Enumerar e identificar os tipos mais comuns destes dispositivos; • Interpretar esquemas de aplicação desses dispositivos. TEMAS • Contactores • Disjuntores • Programadores electrónicos e temporizadores • Deslastradores electrónicos • Relés • Variadores de velocidades • Arrancadores estrela - triângulo • Resumo • Actividades / Avaliação DISPOSITIVOS DE COMANDO E POTÊNCIA
  51. 51. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 2III . 2III . 2III . 2III . 2 CONTACTORES Por dispositivos de comando e potência entende-se como sendo aqueles dispositivos de automação mais comuns, como por exemplo: contactores, relés, variadores de velocidade, etc. Estes dispositivos servem não só para realizar a protecção eléctrica mas, também, para o comando directo de motores e actuadores. Os dispositivos de comando e potência a serem estudados nesta unidade são os seguintes: • Contactores • Relés • Disjuntores • Programadores e temporizadores • Deslastradores electrónicos • Variadores de velocidade • Arrancadores Chama-se “contactor” a um interruptor comandado à distância por meio de um electroíman. A figura III.1 mostra exemplos de contactores. A figura III.2 mostra detalhes dos contactores. Um contactor tem dois tipos de contactos: • Contactos principais • Contactos auxiliares INTRODUÇÃO Contactores
  52. 52. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 3III . 3III . 3III . 3III . 3 Fig. III.1 – Exemplo de contactores Fig III.2 – Vista interior de um contactor
  53. 53. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 4III . 4III . 4III . 4III . 4 Os contactos principais servem para realizar o fecho ou abertura do circuito principal (circuito de potência). Os contactos auxiliares servem para o comando do contactor, isto através da bobina do contactor, ou para sinalização. O fecho (ou abertura, ou ambos) de um contactor pode ser temporizado. O circuito electromagnético de comando pode ser de corrente alternada ou de corrente contínua, sendo, no entanto, mais comuns os de corrente alternada. Existe, nos contactores, a chamada Espira de sombra, que tem a função de criar um contra-fluxo nos momentos em que a corrente da rede é nula, de forma a minimizar a vibração mecânica produzida pelos 50Hz da rede eléctrica. Os contactores podem ter um sistema de sopro. Este sistema destina-se a reduzir e extinguir o arco eléctrico que se forma no momento da separação mecânica dos contactos principais do contactor. O sistema de sopro pode ser dos seguintes tipos: • Sopro de ar comprimido • Sopro magnético Símbolos de contactores A figura III.3 mostra diversos tipos de contactores. Na figura, A1 e A2 são os pinos da bobina de comando. Os contactos do contactor podem ser NA (normalmente abertos, por ex: 1 e 2 do esquema da esquerda) ou NF (normalmente fechados, ex: R1 e R2 do 2º esquema). Fig III.3 – Simbologia de diferentes contactores Os contactores podem ser Bi, Tri ou ainda Tetrapolares. Existem vários tipos de contactores, cada qual com a sua gama específica de aplicações: Espira de sombra Tipos de sistema de sopro
  54. 54. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 5III . 5III . 5III . 5III . 5 • Contactores modulares • Contactores disjuntores • Contactores para aplicações específicas • Contactores inversores Contactores modulares São contactores simples, que têm apenas o circuito de comando e vários contactos principais (podem ainda ter contactos de sinalização). Não têm protecções. Contactores disjuntores Este tipo de contactores integra várias funções básicas, que normalmente existem em vários blocos. Estas funções são, para além do contactor em si, a protecção contra curto-circuitos e (ou) sobrecarga através de um relé térmico e de fusíveis. Contactores para aplicações específicas Os contactores deste tipo são utilizados para aplicações muito restritas, normalmente, quando a corrente a controlar (no circuito de potência) é da ordem das centenas de Amperes, ou quando o n.º de ciclos de manobras é muito elevado. Contactores inversores Estes podem ser uma subclasse de qualquer dos contactores citados anteriormente. Os contactores inversores são usados para inverter o sentido de rotação dos motores trifásicos. Para tal, trocam duas das fases. Estes tipos de contactores não são exclusivos entre si, isto é, pode existir num contactor uma mistura dos tipos acima referidos, como por exemplo Contactor disjuntor inversor. Na figura III.4, podem ver-se esquemas de contactores disjuntores. Qualquer dos contactores está protegido contra intensidade máxima e sobrecorrente (parte térmica). Tipos de contactores
  55. 55. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 6III . 6III . 6III . 6III . 6 Fig. III.4 – Esquemas de contactores disjuntores Escolha de um contactor para uma dada aplicação Existem diversas formas de escolher um contactor. Para se escolher um contactor deve-se ter em conta todas as características que se pretendem para esse mesmo contactor, numa óptica do circuito a comandar. Existem nos catálogos de fabricante diversos quadros que jogam com as características do circuito a controlar e recomendam um dado contactor. Estes quadros podem ser apresentados em função da potência e da tensão do circuito a controlar, ou em função da vida mecânica ou eléctrica, ou outro tipo de características, podendo ainda existir recomendações para diferentes tipos de emprego. Características de Contactores Os fabricantes deste tipo de equipamento fornecem, normalmente, catálogos (mais ou menos detalhados) que, sob a forma de tabela, apresentam uma série de características. Apresentam-se aqui algumas dessas características. Temperatura ambiente - É a gama de temperatura à qual o dispositivo pode funcionar devidamente. Inclinação máxima - Inclinação máxima, em relação à posição de montagem (posição vertical). Tensão de emprego (Ue) - Valor da tensão que, combinado com a corrente de emprego, determina o emprego do dispositivo. Nos circuitos trifásicos, esta é igual à tensão ente as fases. Esta tensão é, no máximo, igual à tensão de isolamento (Ui).
  56. 56. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 7III . 7III . 7III . 7III . 7 Tensão de isolamento (Ui) - É a tensão de isolamento entre os contactos. Corrente de emprego (Ie) - É definida segundo a tensão de emprego, a categoria de emprego e a temperatura do ambiente em redor do dispositivo. Corrente temporária admissível - Corrente que o contactor pode aguentar, com os contactos fechados (após ter estado em repouso), durante um tempo limitado, sem aquecer perigosamente. Corrente térmica máxima (It) - corrente que um contactor, em posição fechada, pode aguentar durante um tempo de 8 horas, sem que o seu aquecimento ultrapasse os limites prescritos pelas normas. Tensão nominal de comando - Tensão de comando do contactor. Potência nominal de emprego - Esta é a potência de um motor, que o contactor pode comandar à tensão nominal. Pode ser expressa em KW, CV ou Hp. Poder de corte - Valor eficaz da corrente que o contactor pode cortar. Poder de fecho - Valor eficaz da corrente que o contactor pode estabelecer. Impedância dos pólos - É a impedância resistiva e indutiva, desde os bornes de entrada aos de saída. Duração de vida eléctrica - Número médio de manobras, em carga, que os contactos são capazes de efectuar. Duração de vida mecânica - Número médio de manobras que os contactos conseguem efectuar em vazio. O disjuntor é um aparelho destinado a estabelecer e interromper um circuito, tanto em condições normais como em condições anormais (como, por exemplo, no caso de um curto-circuito). Tem, basicamente, duas posições de funcionamento, nas quais pode permanecer na ausência de acções externas. Estas posições correspondem a: Disjuntor aberto e Disjuntor fechado. Os disjuntores são, portanto, aparelhos de protecção dos circuitos de potência. Na figura III.5 é mostrado o interior de um disjuntor. DISJUNTORES
  57. 57. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 8III . 8III . 8III . 8III . 8 Fig. III.5 - Interior de um disjuntor 1 - Relés térmico e magnético 5 - Contactos móveis 2 - Eixo de soltura 6 - Contactos fixos 3 - Alavanca de comando 7 - Câmaras desionizantes 4 - Mecanismo de comando 8 - Caixa isolante A protecção pode ser de duas formas: • Magnética • Térmica A protecção magnética é utilizada para curto-circuitos e actua muito rapidamente. Funciona da seguinte forma: ao passar uma corrente muito intensa, por uma bobina inserida no circuito do disjuntor, esta abre um contacto móvel que, por sua vez, interrompe o circuito. O circuito terá, depois, de ser restabelecido manualmente ou por comando remoto do disjuntor. A protecção térmica é usada no caso de sobrecargas. Esta protecção é feita através de uma lâmina bimetálica, que tem a particularidade de, ao aquecer, se deformar. Esta deformação leva ao afastamento dos contactos, abrindo, assim, o circuito. Só depois de a lâmina arrefecer é que se pode restabelecer manualmente o circuito (ou, nalguns casos, por comando remoto). É normal encontrar as duas formas de protecção, simultaneamente, num disjuntor. A figura III.6 mostra um disjuntor com estas características.
  58. 58. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 9III . 9III . 9III . 9III . 9 Fig. III.6 – Disjuntores magneto-térmicos Os disjuntores para tensões e potências elevadas têm, geralmente, alguma forma de extinção do arco eléctrico. Os disjuntores têm, normalmente, dois botões: I - Botão de accionamento do disjuntor O - Botão de disparo manual Relativamente à tensão, os disjuntores podem classificar-se em: • Disjuntores de baixa tensão (cerca de 500V AC e 250V DC) • Disjuntores de média tensão (até cerca de 30KV) • Disjuntores de alta tensão Os disjuntores de baixa tensão têm como meio de extinção do arco, normalmente, câmaras desionizantes, que são, geralmente, de um de três tipos: • Corrente nominal até cerca de 1 000A (de corte de 30KA) • Corrente de corte até 100KA (normalmente têm fusíveis associados) • DC para correntes > 1 000A (são, normalmente, unipolares, de desionização magnética) Os disjuntores de média tensão são, normalmente, do tipo de desionização magnética. Para alta tensão, usam-se os disjuntores de volume de óleo reduzido, de ar comprimido ou, ainda, de hexafluoreto de enxofre. Tipos de disjuntores
  59. 59. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 10III . 10III . 10III . 10III . 10 O que nos interessa neste caso é, particularmente, os disjuntores de baixa tensão. A figura III.7 mostra os esquemas de disjuntores Fig. III.7 – Esquemas de disjuntores Da esquerda para a direita, e para baixo, temos: • Dois disjuntores de protecção contra sobrecorrentes (parte térmica) e corrente máxima. • Dois disjuntores com protecção de tensão mínima. • Disjuntor com protecção contra sobrecorrente e corrente máxima, e com rearme. • Disjuntor de sobre-intensidade. Características dos disjuntores Para além das características já referidas anteriormente para os contactores, os disjuntores têm algumas mais. Corrente térmica convencional consignada it -Corrente à qual o contactor dispara, por efeito térmico. Tempo total de corte a Icc máximo - Tempo que o contactor leva a abrir a corrente com corrente máxima. Curva de disparo - Esta curva mostra o tempo de disparo, em função da corrente aplicada ao disjuntor (ver figura III.8).
  60. 60. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 11III . 11III . 11III . 11III . 11 Fig. III.8 – Curva de disparo de um disjuntor Um programador serve para programar uma dada acção; pode ter ligado a ele sensores, por exemplo, de temperatura, ou crepusculares. Os programadores podem também ser temporizados, mecânicos ou electrónicos. Quando são mais complicados, temos um programador electrónico. Este permite uma maior flexibilidade da programação. Os programadores podem ter associados a eles diversos tipos de sensores de temperatura, iluminação ou outros, permitindo, assim, alargar o âmbito das aplicações destes programadores. Por exemplo, podem ter interruptores crepusculares (que é um detector de luminosidade associado a um interruptor), podendo, assim, parar a iluminação, mal nasça o dia. Estes sensores são, normalmente, externos ao programador. Podem ter só uma via (possibilidade de controlar apenas um circuito) ou várias vias (1, 2 ou 4). A figura III.9 mostra programadores electrónicos e seus esquemas. O programador da esquerda tem duas vias (esquema de cima e da esquerda ) e o outro tem 4 vias (esquema da direita). O esquema de baixo, do lado esquerdo, representa um programador de uma via que permite a programação de temperaturas. O sensor de temperatura está ligado entre pinos 9 e 10. O esquema de baixo, da direita, é o de um programador com sensor crepuscular (de luz). PROGRAMADORES ELECTRÓNICOS E TEMPORIZADORES Programadores e temporizadores
  61. 61. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 12III . 12III . 12III . 12III . 12 Um temporizador é, como o seu próprio nome o indica, um dispositivo que permite a temporização de uma dada acção. Estes temporizadores permitem, normalmente, programar o número de horas de funcionamento de um dado circuito bem como as de não-funcionamento, podendo ter a possibilidade de ter em conta os diversos dias da semana, e mesmo feriados. A figura III.10 mostra temporizadores e os seus esquemas de utilização. a) b) Fig III.10 – Temporizadores e respectivos esquemas
  62. 62. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 13III . 13III . 13III . 13III . 13 Na figura III.10 pode ainda ver-se os esquemas de utilização dos dois temporizadores. Por sua vez, na figura III.11, podem ver-se os diagramas temporais para cada um destes temporizadores. Ao temporizador da esquerda, a), diz respeito o diagrama temporal de cima. O seu funcionamento é o seguinte: - Diagrama temporal de cima, Fig III.11 a), temporizador ao repouso - A rede R deve estar ligada. O fecho do interruptor K dá inicio à temporização, t, acendendo o LED V. Depois de decorrido o tempo t, a carga C é colocada sob tensão, até à abertura do interruptor K ou ao desaparecimento de tensão da rede R. - Diagrama temporal de baixo, Fig III.11 b), temporizador ao trabalho - A rede R deve estar ligada. O fecho prévio de K coloca sob tensão a carga C. A abertura de K dá início à temporização e acende o LED V. Após o tempo t, a carga é desligada da tensão e o LED V apaga-se. A carga fica desligada da tensão até um novo fecho de K. Fig III.11 – Diagramas temporais de temporizadores Características dos programadores Número de vias - Número de circuitos a controlar pelo programador. Tipo de sensor - Podem ser de vários tipos: temperatura, luminosidade, etc.. Distância máxima do sensor - Distância máxima à qual se pode colocar o sensor.
  63. 63. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 14III . 14III . 14III . 14III . 14 Temporização - Tipo de temporização, no caso de o programador ser temporizado. Precisão - Precisão temporal, no caso de o programador ser temporizado. Características dos temporizadores Gama de temporização - É a gama de tempos em que o temporizador pode ser programado. Precisão de regulação - É a precisão do temporizador, em relação ao final de escala. Estes dispositivos asseguram o controlo da intensidade total absorvida e cortam circuitos não-prioritários, no caso de essa intensidade ser ultrapassada. Os deslastradores têm um sensor de corrente que lhes permite saber se a corrente máxima é, ou não, ultrapassada. Existem vários tipos de deslastradores: - Hierarquizado (1, 2 ou 3 vias) Em caso de ultrapassada a corrente permitida, primeiro actua 1 via, depois 2 e, finalmente, as 3. - Prioridade rotativa (3 vias) Neste caso, a prioridade da deslastragem é alterada num dado período de tempo. As vias actuam alternadamente e cada receptor funciona 1/3 ou 2/3 do tempo. A figura III.12 mostra um exemplo de deslastradores mais sensor, e o esquema do deslastrador. Fig. III.12 – Deslastradores electrónicos Tipos de deslastradores DESLASTRADORES ELECTRÓNICOS
  64. 64. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 15III . 15III . 15III . 15III . 15 Este dispositivo serve para o controlo de um circuito por outro e funciona de uma forma idêntica aos contactores. Existem vários tipos de relés, podendo estes classificar-se com base em: • Princípio de funcionamento • Electromagnéticos • Indução • Térmicos • Estado sólido • Grandeza à qual são sensíveis • Amperimétricos • Voltimétricos • Watimétricos, etc. • Tipo de intervenção • Instantânea • Atraso • Função • Protecção • Medida • Controlo Relés electromagnéticos Estes tipos de relés são sensíveis a uma só grandeza, normalmente, a corrente que atravessa o circuito de comando. Funcionam da mesma forma que os contactores, isto é, têm uma bobina que está montada num electroíman. Se a corrente for excessiva, atrai uma peça que, por sua vez, actua sobre os contactos. RELÉS Tipos de relés
  65. 65. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 16III . 16III . 16III . 16III . 16 A figura III.13 mostra o funcionamento dos relés electromagnéticos. Fig III.13 – Princípio de funcionamento dos relés electromagnéticos Relés de indução Estes funcionam de forma parecida aos motores de indução e, tal como estes, fazem girar, neste caso, um disco, com uma força que é dada pela multiplicação das correntes dos dois enrolamentos (que estão desfasados de 90º espacialmente) e do seno do desfasamento entre essas correntes. A figura III.14 apresenta o funcionamento deste tipo de relés. Fig III.14 – Princípio de funcionamento dos relés de indução Relés térmicos São sensíveis a uma variação de temperatura. A sensibilidade é conseguida através de uma liga bimetálica, que se deforma com a temperatura. Esta peça tem dois metais de coeficientes de dilatação diferentes. Assim, a corrente atravessa a peça que, por efeito de Joule, aquece. Como um dos metais dilata
  66. 66. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 17III . 17III . 17III . 17III . 17 mais que o outro, a peça dobra e ao dobrar desliga (ou liga) alguns contactos. A figura III.15 mostra a lâmina que faz funcionar este tipo de relés. Fig III.15 – Princípio de funcionamento dos relés térmicos a - Lâmina bimetálica simples b - Lâmina bimetálica em espiral Relés de estado sólido Estes relés são os mais recentes e devem-se ao avanço da electrónica. São relés que não têm nenhuma peça móvel. Funcionam da seguinte forma: do lado do circuito de controlo existe um foto-diodo. Quando é dado ao relé o sinal de controlo, passa corrente pelo foto-diodo, que emite luz. Do outro lado existe um foto-transístor (ou foto-triac, no caso de AC), o qual fica num estado de condução. Este foto-transístor (ou triac) está ligado a um circuito que liga, por sua vez, a parte de potência do relé (por transístor, no caso de relé DC, e por Triac, no caso de AC). A figura III.16 mostra os esquemas possíveis para este tipo de relé. Fig. III.16 – Esquemas de relés de estado sólido
  67. 67. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 18III . 18III . 18III . 18III . 18 Os relés têm variadas aplicações. Podem ser usados como controlo de outros circuitos, como protecção (normalmente térmica) e, ainda, como relés de medida e controlo. A figura III.17 mostra o formato de diversos tipos de relés. Fig. III.17 – Esquemas de relés Do lado esquerdo da Fig. III.17 está o esquema de um relé de encravamento. Do lado direito da figura está um relé de circuito impresso. A forma deste relés pode ser bastante variada. A figura III.18 mostra algumas dessasformas,nomeadamente,adeumrelédeencravamento(relédaesquerda) e de um relé de circuito impresso. a) Relé de encravamento c) Relé de protecção b) Relé de circuito impresso d) Relé de medida e controlo Fig. III.18 – Vista de diversos tipos de relé da esquerda para a direita e de cima para baixo
  68. 68. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 19III . 19III . 19III . 19III . 19 Temos: • Relé de encravamento. • Relé de circuito impresso. • Relé de protecção. • Relé de medida e controlo. A figura III.19 mostra o esquema de um relé de protecção. Pode ver-se, neste esquema, um circuito especializado que monitoriza a corrente e faz actuar dois contactos (95-96 e 97-98), e um contacto auxiliar, no caso de a corrente ser demasiado elevada (ao mesmo tempo que acende um LED). Fig. III.19 – Esquemas de relé de protecção A figura III.20 mostra esquemas de relés de medida e controlo. Da esquerda para a direita: • Relé de detecção de assimetria de fases e do sentido de rotação das fases. • Relé de detecção de assimetria e de subtensão ou sobretensão. • Relé de medida de resistência de líquidos, através de sondas mergulháveis.
  69. 69. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 20III . 20III . 20III . 20III . 20 Fig. III.20 – Esquemas de relés de medida e controlo Este tipo de dispositivos serve para fazer variar a velocidade de motores. A figura III.21 mostra, do lado esquerdo, um variador AC e, do lado direito, um variador DC. Fig. III.21 – Variadores de velocidade AC (esquerda) e DC VARIADORES DE VELOCIDADE
  70. 70. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 21III . 21III . 21III . 21III . 21 Existem dois tipos principais de variadores de velocidade: • Para motores AC • Para motores DC Variadores de velocidade para motores AC Este equipamento funciona pelo princípio básico da alteração da frequência da rede com que os motores de corrente alternada (AC) são alimentados. Este principio de funcionamento é mostrado na figura III.22. Fig. III.22 – Princípio de funcionamento dos variadores de velocidade de corrente alternada Estes variadores de velocidade têm uma secção de rectificação da onda, seguida de uma filtragem, por forma a gerar uma tensão contínua. Depois vem uma secção que, a partir da tensão contínua, gera uma onda aproximadamente sinusoidal. A figura III.23 mostra as formas de onda geradas no ondulador. Este gera uma onda quadrada, com períodos variáveis proporcionais à amplitude da sinusóide a ser gerada. Com um pouco de filtragem (inclusivamente, do motor) esta onda fica, depois, sinusoidal. Fig. III.23 – Formas de onda produzidas pelos variadores de corrente alternada
  71. 71. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 22III . 22III . 22III . 22III . 22 Na figura III.24 pode ver-se o esquema aconselhado para a utilização de um variador particular. Fig. III.24 – Esquema de utilização de variador de velocidade AC Variadores para motores DC Estes variadores funcionam de forma diferente dos variadores para AC. Variam, em vez da frequência, a tensão de alimentação. São muitas vezes alimentados porcorrenteAC,aqualétransformadaemcorrentecontínua(DC),porrectificação e filtragem. Na figura III.25 podemos ver o esquema básico de funcionamento destes variadores de velocidade. Fig. III.25 – Princípio de um variador de velocidade de corrente contínua (DC) Neste caso particular, temos um circuito de rectificação que alimenta o indutor (fixo), e outro que tem uma tensão de saída variável ( podendo ser controlada em circuito fechado, usando um taquímetro como sensor de velocidade). Esta tensão variável alimenta o induzido. Na figura III.26 aparece o esquema de utilização de um variador de velocidade DC.
  72. 72. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 23III . 23III . 23III . 23III . 23 Fig. III.26 – Esquema de utilização de variador de velocidade DC Os motores trifásicos podem funcionar de duas formas: estrela e triângulo. É, no entanto, conveniente arrancarem em estrela e depois passarem para triângulo (ver actuadores eléctricos). Para efectuar esta comutação, existem dispositivos que se chamam Arrancadores Estrela-triãngulo. A figura III.27 mostra dois desses arrancadores. Fig.III.27-Exemplos de arrancadores estrela-triângulo ARRANCADORES ESTRELA-TRIÂNGULO
  73. 73. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 24III . 24III . 24III . 24III . 24 A figura III.28 mostra o esquema de um arrancador estrela-triângulo. Fig. III.28-Esquema de um arrancador estrela-triângulo
  74. 74. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Componente Científico-Tecnológica Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 25III . 25III . 25III . 25III . 25 Dispositivos de comando e potência são dispositivos (electromecânicos ou electrónicos) que permitem comandar circuitos de potência, como por exemplo motores eléctricos. O comando mais simples destes dispositivos é o ligar e o desligar do circuito de potência, podendo no entanto alguns destes dispositivos controlar a corrente ou o tempo de arranque e paragem do circuito de potência que controlam. Os principais dispositivos de controlo de potência são os seguintes: • Contactores. • Disjuntores. • Programadores electrónicos e temporizadores. • Deslastradores electrónicos. • Relés. • Variadores de velocidade. • Arrancadores Estrela-Triângulo. RESUMO
  75. 75. GuiadoFormando Ut.03M.T.02 Dispositivos de Comando e PotênciaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação IndustrialAutomação Industrial III . 26III . 26III . 26III . 26III . 26Componente Prática ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO 0 15 30 45 1 - Indique para que serve um deslastrador electrónico. 2 - Indique quais os tipos de contactos de um contador, 3 - Suponhamos que temos um sistema em que se pretende detectar o nível de líquido num reservatório (nível baixo e nível alto); qual o tipo de componente que utilizaria e porquê? Desenhe o esquema desse componente. 4 - Imagine que pretendia desligar um motor, automaticamente, em caso de sobreaquecimento deste. Indique qual o tipo de relé que utilizaria e identifique o seu princípio de funcionamento. 5 - Qual o tempo que um disjuntor, com a curva de disparo da figura III.8 do Manual do Formando (curva da esquerda), leva a disparar, se a corrente que o atravessa for de 10 Ir? 6 - Qual a razão para a existência de duas zonas completamente diferentes nas curvas dos disjuntores da figura 48, uma até cerca de 10 Ir, e a outra para valores superiores de corrente? 7 - Qual o dispositivo que escolheria, se tivesse de controlar, automaticamente, a iluminação numa fábrica, funcionando a iluminação apenas de noite e não funcionando aos fins de semana? Justifique.
  76. 76. GuiadoFormando An.01M.T.02 BibliografiaIEFPIEFPIEFPIEFPIEFP · ISQISQISQISQISQ Automação Industrial B . 1B . 1B . 1B . 1B . 1 BIBLIOGRAFIA BOSSI, António e Esio Sesto, Instalações eléctricas, Hemus livraria editora, 1978. FITZGERALD, Kingsley, Umans, Electric Machinery, McGraw-Hill, 1985. MILMAN - Halkias, Microelectronics, McGraw-Hill, 1990. OLDELFT - Sensor laser system, 1991. PAPENKORT, Diagramas eléctricos de comando e protecção, E.P.U., 1975. SANTOS, Oliveira e Quintino, Luísa, Automatização e Robotização em Soldadura, Edições Instituto de Soldadura e Qualidade, 1992. TAUB, Herbert, Circuitos Digitais e Microprocessadores, McGraw-Hill, 1984. TAUB, Herbert, Digital Integrated Electronic, McGraw-Hill, 1990. VASSALO, Francisco Ruiz, Manual de interpretação de esquemas eléctricos, Plátano Editora, 1977. Catálogo geral Omron, 1990. Folhetos de produtos da Telemecanique (detectores indutivos e capacitivos), 1991. “Harmonic-Drive, DC-Servo Systems”, Harmonic-Drive, 1992. Introduction to serial link, SAIA, 1991. Manual reference guide series PCD, SAIA, 1991. Manual User’s Guide, SAIA, 1991. Motion Control Product guide, Catálogo Aerotech, 1990. Positioning Control Systems and Drives, Catálogo Compumotor Digiplan, 1990. “Positioning Control Systems and Drives”, Catálogo Compumotor Digiplan,1991. Product guide 91, Atlas Copco, 1991.

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