O desenvolvimento de um sensor de laço indutivo como ferramenta para estudo de dinâmica e estabilidade de sistemas realimentados.

Prof. Anisio R. Braga, COLTEC/UFMG

"O uso de uma plataforma integrada de simulação e experimentação, analógica e digital, com os paradigmas de vanguarda em termos de processamento de sinais e projetos de sistemas eletrônicos como os incorporados na plataforma NI ELVIS II+ tem se mostrado vantajosos em vários aspectos. "

- Prof. Anisio R. Braga, COLTEC/UFMG

The Challenge:

Ensinar o projeto de sistemas eletrônicos analógicos e digitais utilizando conceitos avançados de sistemas realimentados, estabilidade e robustez. Focar no uso de tecnologias de impacto que envolva sistemas de medição e sensores, processamento digital de sinais. Integrar tecnologias utilizando uma abordagem harmoniosa envolvendo teoria, modelagem e simulação, empacotamento de solução e aplicação.

The Solution:

Um sensor laço-indutivo é composto por circuito oscilador Colpits, conversor frequência-tensão e um comparador de sinais. Os conceitos de amplificação, realimentação, modulação, demodulação, filtragem e digitalização estão todos presentes. A plataforma NI ELVIS apresenta ferramentas de simulação e experimentação que permitem projetar, simular, experimentar e aplicar esses conceitos de forma integrada.

O ensino de Eletrônica no COLTEC-UFMG e os desafios de formar competências e habilidades técnicas relevantes.

O Colégio Técnico - COLTEC é uma escola de nível técnico integrada à Universidade Federal de Minas Gerais. Foi criado em um convênio com o conselho Britânico no final da década de 60 com o objetivo de formar profissionais com domínio tecnológico em áreas estratégicas para o desenvolvimento nacional. Os cursos técnicos criados, originalmente, foram: Eletrônica, Instrumentação, Química e Análises Clínicas. Posteriormente foi criado o curso técnico de Informática. O COLTEC tem aproximadamente 60 professores, 42 funcionários e 600 alunos. A infraestrutura do COLTEC é formada por Oficinas de Artes, Fotografia, Madeira, Mecânica e Hialotécnica, frequentadas por todos os alunos do 1º. ano. A ideia destas oficinas é formar técnicos com conhecimento de marcenaria para construir caixas de instrumentos, por exemplo, hialotécnica para construção de frascos de vidro, pipetas, laminas para estudo nos cursos de Análises Clínicas e Química, e displays para instrumentos nos cursos de Instrumentação e Eletrônica. A oficina mecânica oferece formação básica de construção de peças metálicas e operação de equipamentos como tornos e fresadoras. A oficina de fotografia (analógica) atendia aos cursos de eletrônica, para a confecção de placas de circuito impresso e no curso de Análises Clínicas para exames com registro fotográfico de imagens de microscópios. Hoje a fotografia é abordada apenas com processamento digital. O ensino de desenho técnico era ministrado junto com a prática nestas oficinas.  Complementado as experiências práticas das oficinas, os cursos técnicos concomitantes com o ensino médio objetivam formar técnicos com visão e habilidades técnicas versáteis que somadas a um ensino focado em áreas tecnológicas com uma especialização técnica, forma profissionais preparados para lidar com os desafios de uma sociedade cada vez mais sofisticada e com demandas de uso eficiente de insumos como energia e matérias primas. Atualmente leciono a disciplina Eletrônica Aplicada para o curso de Eletrônica. A Eletrônica Aplicada é ensinada com um enfoque de instrumentação, controle de processos e automação industrial. Os objetivos e desafios podem ser resumidos como: ensinar Eletrônica Analógica e Digital para jovens do século XXI compreendendo e cativando essas novas gerações conectadas e dotadas de vários aparelhinhos eletrônicos atraentes e que distraem, tais como Tablets, Smartphones, Notebooks, Vídeo games e “brinquedos” de controle remoto. Manter o foco em tecnologias impactantes para as oportunidades de emprego no país, tais como: sistemas de medição e Sensores, Conversão Analógico-Digital (Pequenos Sinais), Processamento Digital, Conversão Digital-Analógico e Sistemas de Atuação (Elet. Potência). Neste cenário, a atividade de ensino precisa integrar tecnologias modernas utilizando uma abordagem harmoniosa que envolva teoria (para estabelecer o saber), modelagem e  simulação (para permitir a análise de variados casos e planejamento de decisões  de projeto), empacotamento de solução (construção de protótipos com interface amigável ao usuário final. E finalmente experimentar em ambiente controlado, os desafios de aplicações relevantes.

 

Para atender a estes desafios, optou-se pelo uso da plataforma NI ELVIS II+ que é um sistema integrado com soluções analógicas e digitais que permite ao instrutor não apenas trabalhar os vários aspectos envolvidos na formação técnica em eletrônica, mas sendo em si um exemplo de sistema eletrônico moderno integrado com ferramentas de hardware e software, permite a experimentação interativa, explorando conceitos teóricos, abstratos e complexos via simulação e aplicados com comparação em tempo real de resultados.

 

 

Estudo de caso: Ensinando conceitos fundamentais da eletrônica.

Um exemplo de aplicação que envolve os cinco conceitos fundamentais da eletrônica, i.e. Amplificação, Realimentação, Modulação-Demodulação, Filtragem e Digitalização é o desenvolvimento de um sensor de laço indutivo. O diagrama em blocos da figura 1 apresenta as partes típicas de um sistema de laço indutivo usado para detecção de veículos e controle de tráfego. A detecção de presença e velocidade de veículos é feita comumente com laços indutivos acoplados a circuitos osciladores Colpits conforme ilustrado na Figura 1. Este exemplo foi escolhido para ilustrar a análise de sistemas dinâmicos realimentados por vários motivos:

 

  • Aspectos teóricos
    • Exibe comportamento de amplificação não-linear mas linear por partes.
    • Apresenta os três comportamentos dinâmicos característicos de sistemas realimentados, i.e. Instável, Estável, e Oscilatório.
    • Opera exatamente na condição crítica de malha fechada, i.e. ().
    • Ilustra o conceito de modulação e demodulação em frequência.
    • Baseia-se no fenômeno físico da corrente de Foucault (Eddy Current), efeito a distância, sem contato mecânico, proporcionando “invisibilidade tecnológica”.
    • Ilustra o fato de que a análise de estabilidade de malha fechada pode ser feita de forma direta por meio da função de malha aberta usando os conceitos de amplitude e fase, i.e. aplicação de funções complexas.
  • Aspectos práticos
    • É um circuito largamente utilizado em sistemas eletrônicos (de sistemas de controle de tráfego a computadores digitais mas na forma digital conhecida como oscilador Pierce);
    • É simples de montar e testar;
    • Ilustra o que acontece com um veículo ao passar por um radar ou sistema de controle de tráfego (tecnologia relevante, amplamente presente na vida cotidiana).

 

O sensor primário é uma bobina que utiliza de 3 a 6 espiras conectadas em um circuito oscilador Colpits que oscila na faixa de 50kHz a 150kHz, tipicamente. A passagem de um veículo sobre a bobina enterrada na pista produz uma diminuição da indutância  do laço que por sua vez resulta em aumento da frequência crítica do oscilador Colpits. O formato do veículo bem como a massa metálica do mesmo produz uma modulação em frequência no oscilador.  Na figura 1 ilustra-se a variação no tempo típica de um veículo FIAT Mille usado num experimento em campo. Um circuito demodulador, baseado em Phase Locked Loop – PLL, é usado como conversor de frequência para tensão. Um circuito comparador digitaliza a saída demodulada do PLL produzindo um pulso proporcional ao comprimento e velocidade do veículo.

 

Para se estudar e projetar um sistema de laço indutivo é necessário o uso de ferramentas que permitam analisar sistemas eletrônicos dinâmicos realimentados, modulação-demodulação no domínio do tempo e da frequência. O uso de equipamentos com funções de osciloscópio e analisador de espectro bem como de medidores de impedância para caracterização de partes como laço indutivo, cuja construção e projeto são empíricas neste estudo de caso, são fundamentais.

 

 

O projeto do laço indutivo para detecção de veículos

O circuito de um oscilador Colpits é apresentado na figura 2. O oscilador Colpits usa uma malha de realimentação em π com dois capacitores e um indutor. O amplificador é um único transistor bipolar cujo ganho varia com a intensidade da corrente de base, Ib. Para entender o funcionamento deste oscilador é interessante analisar o diagrama equivalente mostrado na figura 3 usando os conceitos da teoria de controle realimentado. Para entender a importância da malha fechada e as implicações de variação de ganho e fase com a frequência, é interessante analisar um circuito que opere exatamente na condição crítica como o Oscilador Colpits, i.e.  e .

 

 

Na figura 3 apresenta-se o diagrama de uma malha realimentada negativamente e as respectivas formas de onda previstas teoricamente para as três possibilidades do módulo do sistema em malha aberta operando na frequência crítica, , i.e. a que produz deslocamento de fase igual a 180o. O amplificador possui ganho não-linear que diminui com o aumento da corrente de base. Assim, quando se energiza o circuito, o ganho de tensão do amplificador inicialmente é alto (-200), o que faz com as oscilações realimentadas positivamente (360o de defasagem) cresçam rapidamente conforme ilustrado na figura 3. Porém, o ganho diminui à medida que a corrente de base aumenta, causando uma redução no ganho que fica momentaneamente menor que 1 (Comportamento assintoticamente estável) e, finalmente, atracando na frequência que resulta em um ganho de malha unitário e com defasagem de 180o na malha de realimentação formada pela bobina do laço indutivo e dois capacitores C1 e C2. A frequência crítica do Oscilador Colpits é calculada conforme ilustrado na figura 2.

 

A Figura 3 mostra um diagrama esquemático de um circuito com amplificador operacional conectado com uma malha fechada com realimentação negativa em que o sinal de entrada do circuito, que está aterrada, é o ruído térmico gerado internamente no amplificador operacional, cujo espectro de frequência é plano, i.e. ruído branco e contém todas as frequências com amplitudes na faixa de microvolts.

 

 

Projeto do laço com a plataforma NIELVIS II+

O projeto de um oscilador Colpits começa com a montagem da bobina do sensor primário do laço indutivo e a caracterização dos componentes a serem usados na montagem, i.e. transistor, capacitor e resistores conforme ilustrado na figura 4 para um protótipo didático em escala reduzida. Para isso o NIELVIS oferece os instrumentos virtuais (aplicativos LabVIEW) de traçador de curvas características e analisador de impedância. Com os valores medidos de indutância, simula-se o circuito do oscilador com os valores esperados para a variação da indutância e respectivo projeto dos capacitores do filtro  (vide figura 2) para verificar se o circuito realmente opera como esperado. Para isso se utiliza os instrumentos virtuais Analisador de espectro (DSA) e osciloscópio do NIELVIS II+ que permite comparar os resultados de simulação com o do experimento real montado num protoboard conforme ilustrado na figura 5.

 

 

Num processo iterativo, o estudante é motivado a fazer modificações nas partes como a bobina, na tensão de alimentação do circuito e na proximidade da bobina com o veículo (de brinquedo neste caso) para verificar as condições limites de operação do detetor de laço indutivo. Neste processo, verifica-se que tensões de alimentação maiores que 5V tendem a saturar o circuito e distorcer as oscilações até que as mesmas cessam. Aproximar o veículo demasiadamente do laço resulta numa redução considerável da indutância da bobina do laço provocando a extinção das oscilações também. Para fazer todas estas observações e comprovar o impacto de cada parte no conjunto do sistema, é importante ter integrado numa plataforma única como o NIELVIS II+ os vários instrumentos necessários para realizar todas as medições em tempo hábil previsto para a atividade de análise e projeto do sensor de laço indutivo.

 

A curva de aprendizado das ferramentas NI

Ferramentas computacionais gráficas com interfaces amigáveis e que apresentam semelhanças e paradigmas realistas de uma bancada de trabalho típica facilitam enormemente o aprendizado e domínio do uso das ferramentas, permitindo a utilização das potencialidades das mesmas sem a necessidade de treinamentos longos e complexos. O uso de uma plataforma integrada de simulação e experimentação, analógica e digital, com os paradigmas de vanguarda em termos de processamento de sinais e projetos de sistemas eletrônicos como os incorporados na plataforma NI ELVIS II+ tem se mostrado vantajosos em vários aspectos dentre os quais destaca-se:

  • Integração de instrumentos.
  • Integração de Simulação e Experimentação.
  • Simplificação de Treinamento com foco em conceitos e procedimentos explorando o poder de análise das ferramentas de simulação.
  • Análise de sistemas dinâmicos usando linguagem matemática com recursos de simulação.
  • Análise no domínio do tempo e da frequência
  • Projeto e prototipação baseado em resultados de simulação e experimentos.

 

Os resultados mais esperados já são notados ao se avaliar o diferencial na formação de vanguarda que os técnicos em Eletrônica do COLTEC estão recebendo. Embora o ensino técnico ainda não desfrute ao final do curso de toda uma bagagem de cálculo integral e diferencial, os egressos conseguem operar com sistemas eletrônicos sofisticados tanto no domínio do tempo quanto da frequência, o  que os capacitam a analisar e sintetizar circuitos e sistemas complexos como os que eles mesmos utilizam: telefones celulares, computadores, sistemas de automação e controle remoto, sensores e atuadores onipresentes em nosso dia a dia.

 

Author Information:

Prof. Anisio R. Braga
COLTEC/UFMG

Diagrama esquemático de detecção de veículos baseado em laço indutivo.
Circuito de um Oscilador Colpits e respectiva variação não-linear do ganho de corrente do transistor bipolar.
Diagrama esquemático de um circuito com amplificador operacional conectado com uma malha fechada com realimentação negativa.
Caracterização experimental dos componentes do circuito oscilador.
Avaliação do projeto por simulação e testes reais.