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ELETRÔNICA BÁSICA. Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 2 ESSE CURSO TÉM POR OBJETIVO TRANSMITIR AOS PROFISSIONAIS DA ÁREA DE ELÉTRICA NOÇÕES.

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1 ELETRÔNICA BÁSICA

2 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 2 ESSE CURSO TÉM POR OBJETIVO TRANSMITIR AOS PROFISSIONAIS DA ÁREA DE ELÉTRICA NOÇÕES BÁSICAS DE CIRCUITOS DIGITAIS LARGAMENTE UTILIZADAS NA AUTOMAÇÃO DE SISTEMAS DE CONTROLE EM QUE SEJAM UTILIZADOS PLCs, INVERSORES DE FREQUÊNCIA E EQUIPAMENTOS AFINS. PORTANTO, AO FINAL DO CURSO, O(S) ALUNO(S) TERÁ O ENTENDIMENTO COMPLETO DO FUNCIONAMENTO DOS CIRCUITOS E SISTEMAS LÓGICOS UTILIZADOS NA AUTOMAÇÃO DOS MAIS DIVERSOS PROCESSOS INDUSTRIAIS DE CONTROLE. TODO O CONTEÚDO TRANSMITIDO AO LONGO DO CURSO BUSCA UMA ABORDAGEM SIMPLES E DIRETA DE SISTEMAS E EQUIPAMENTOS INSTALADOS NA DIGUINHO. O CURSO É FOCADO EM CONCEITOS E RECURSOS OFERECIDOS PELAS FERRAMENTAS E SISTEMAS ABORDADOS; PORTANTO NÃO SERÁ VISADO O ASPECTO DE PROGRAMAÇÃO DO MATERIAL EM ESTUDO. ELETRÔNICA BÁSICA

3 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 3 INTRODUÇÃO A Eletrônica é um ramo da Física onde se estudam os fenômenos das cargas elétricas elementares ( elétrons, fótons, ondas eletromagnéticas, etc ) através da abordagem de seu comportamento e propriedades. Seu objetivo é traduzir para as leis físicas e matemáticas tudo aquilo que acontece no universo dos átomos e moléculas, quando esses são submetidos a quaisquer fontes externas de energia. ELETRÔNICA BÁSICA CONCEITOS BÁSICOS RESISTÊNCIA ELÉTRICA RESISTOR LEI DE OHM POTÊNCIA ELÉTRICA EFEITO JOULE

4 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 4 RESISTÊNCIA ELÉTRICA Resistência elétrica é a capacidade de um corpo qualquer se opor à passagem de corrente elétrica pelo mesmo, quando existe uma ddp ( diferença de potencial ou tensão ) aplicada. Quando uma corrente elétrica é estabelecida em um condutor metálico, ocorre o deslocamento de um número elevado de elétrons livres. Nesse movimento, os elétrons colidem entre si e também contra os átomos que constituem o metal; encontrando uma certa dificuldade para se deslocar, isto é, existe uma resistência à passagem da corrente no condutor. Para medir essa resistência, os cientistas definiram uma grandeza que denominaram resistência elétrica. Fatores que influenciam no valor da resistência: A resistência de um condutor é tanto maior quanto maior for seu comprimento. A resistência de um condutor é tanto maior quanto menor for a área de sua seção reta, isto é, quanto mais fino for o condutor. A resistência de um condutor depende do material de que ele é feito. A 2ª Lei de OHM comprova as informações supracitadas.( R= *L/A ) Quando a corrente elétrica flui em um condutor, parte da energia potencial elétrica é convertida em energia térmica; assim, sua resistência está associada também ao desenvolvimento da energia térmica no condutor.

5 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 5 RESISTOR Um componente especificamente projetado para possuir resistência é chamado resistor. Dependendo do material utilizado, e de suas características físicas e construtivas, os resistores podem ser de carbono, de fio, de filme,etc. A maioria dos materiais apresenta um aumento da resistência com o aumento da temperatura e são ditos que possuem um coeficiente positivo de temperatura. Os tipos mais comuns são fio, para altas potências, e carbono ou filme, para baixas potências. Os resistores de fio são feitos normalmente de níquel-cromo ou níquel- cobre enrolados em tubo de cerâmica e protegidos contra choques mecânicos com uma capa de silicone ou esmalte. Os resistores de carbono são mistura de carbono e ligas aplicada como uma capa em um tubo de vidro ou moldada em uma estrutura densa. O valor de resistência dos resistores de carbono é especificado por um conjunto de código de cores que aparecem impressos em seu corpo. Cada cor representa um dígito de acordo com a Tabela ao lado.

6 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 6 LEI DE OHM Nos materiais condutores a relação entre a tensão aplicada e a corrente que flui por ele, a uma dada temperatura, é constante. Neste caso dizemos que o condutor obedece a lei de Ohm, que pode ser formalizada pela equação que se segue: R = V/I ; onde: R é a resistência elétrica do condutor, V a ddp aplicada e I a corrente elétrica (intensidade) drenada pelo condutor. Trata – se de uma relação linear entre a tensão e a corrente. Entretanto, uma resistência cujo valor não permanece constante é definida como uma resistência não-linear (filamento da lâmpada incandescente, por exemplo). Então, a LEI de OHM pode ser expressa graficamente pela equação de uma reta, conforme ilustrado ao lado: V R I

7 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 7 POTÊNCIA ELÉTRICA Em geral, todo equipamento elétrico transforma energia elétrica em outras formas de energia. Por exemplo: em um motor elétrico, a energia é transformada em energia mecânica de rotação do motor; em um aquecedor, a energia elétrica é transformada em calor; em uma lâmpada incandescente, a energia elétrica é transformada em energia luminosa, etc. Uma corrente elétrica realiza trabalho fazendo funcionar um motor, aquecendo um fio e de outras maneiras. A potência de uma corrente, ou o trabalho que ela realiza por segundo, depende de sua intensidade e da tensão. Um watt é a potência de uma corrente de 1 ampère, quando a diferença de potencial é 1 volt. Para calcular a potência elétrica podemos usar a equação P = V*I. Conhecendo a diferença de potencial V e a corrente I que passa pela resistência, determina – se a potência dissipada nessa resistência (P = V*I). Outras formas da Potência Elétrica (vide LEI de OHM): P = V 2 /R e P = R*I 2. EFEITO JOULE oUm condutor metálico, ao ser percorrido por uma corrente elétrica, se aquece. O calor é produzido pela corrente que atravessa um fio metálico. Esse fenômeno, chamado efeito Joule, deve-se aos choques dos elétrons contra os átomos do condutor. Em decorrência desses choques dos elétrons contra os átomos do retículo cristalino, a energia cinética média de oscilação de todos os átomos aumenta. Isso se manifesta como um aumento da temperatura do condutor.efeito Jouleelétrons

8 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 8 ESTRUTURA ATÔMICA DA MATÉRIA Toda a matéria ( madeira, plástico, vidro, metais, etc ) é constituída de moléculas, às quais são formadas por átomos de diferentes elementos químicos ( Oxigênio, Hidrogênio, Fósforo, Ferro, Ouro, Carbono, Cobre, etc ). Os átomos são a parte elementar da matéria e sua estrutura se assemelha à de um planeta com seu(s) satélite(s) natural(is) movimentando – se em órbita ao seu redor ( p. ex: Terra – Lua ). O núcleo do átomo, a parte onde se concentra sua massa, constitui – se, basicamente, de prótons ( partículas com carga elétrica positiva ) e nêutrons ( partículas desprovidas de carga elétrica ). O papel de satélite(s) natural(is) é exercido pelos elétrons ( partículas com carga elétrica negativa ) que movimentam – se ao redor do núcleo. Todo átomo possui o mesmo nº de prótons e elétrons; ou seja: possui carga neutra em seu estado natural. As cargas elétricas das partículas elementares valem: Prótons: q p = +1,6* Coulombs, Nêutrons: q n = 0 Coulombs Elétrons: q e = - 1,6* Coulombs. À taxa de deslocamento temporal de cargas elétricas dá – se o nome de corrente elétrica; ou seja: I = dq / dt. Note que são os elétrons que se deslocam.

9 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 9 ESTRUTURA ATÔMICA DA MATÉRIA Os elétrons se encontram em níveis de energia ( camadas ), conforme o modelo de Bohr, mostrado abaixo. Cada camada pode ter um número máximo de elétrons. Os elétrons da última camada (camada de valência) tomam parte nas reações químicas e também na transmissão de energia. A estrutura é estável quando o átomo apresenta 8 elétrons na camada de valência. Para obter este número de elétrons, pode ocorrer uma eletrovalência (doação) ou uma covalência (compartilhamento de seus elétrons de valência). Simplificação da estrutura atômica da matéria

10 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 10 ESTRUTURA ATÔMICA DA MATÉRIA Os materiais podem ser classificados como: condutores, isolantes e semicondutores. CONDUTORES: Os elétrons de valência estão fracamente ligados ao núcleo. Os elétrons de valência ao serem submetidos a uma fonte de energia externa migram facilmente para a banda de condução. Ex: cobre (K=2, L=8, M=18, N=1). ISOLANTES: Os elétrons de valência se encontram fortemente ligados ao núcleo e mesmo com um potencial elevado, liberam poucos elétrons. Ex: borracha, mica, teflon. SEMICONDUTORES: Possuem características intermediárias entre os condutores e os isolantes; Principais representantes deste grupo são o Germânio (Ge) e o Silício (Si). Ge - (K=2, L=8, M=8, N=4) Si - (K=2, L=8, M=4) São átomos tetravalentes ( 4 elétrons na última camada ); OBS. Para adquirirem mais estabilidade, participam de ligações covalentes entre si. Esta estrutura é chamada de intrínseca ou pura.

11 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 11 ESTRUTURA ATÔMICA DA MATÉRIA Átomo de Cobre Cristal de Silício Átomo de Silício

12 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 12 SEMICONDUTORES TIPO P e TIPO N Semicondutor tipo P: Adiciona-se um elemento de impureza que tenha três elétrons de valência (elemento trivalente), como o boro, gálio ou o índio. Observa-se que existe um número insuficiente de elétrons para completar as ligações covalentes da estrutura atômica e, portanto tem-se ligações covalentes incompletas chamada de lacunas. Esta nova estrutura resultante é eletricamente neutra e forma um material semicondutor do tipo P. Semicondutor tipo N: Adiciona-se, a uma base de germânio ou silício um elemento que tenha cinco elétrons de valência (pentavalente) como o fósforo, arsênio ou antimônio. Quatro elétrons do fósforo formarão uma ligação covalente e o quinto ficará fracamente ligado ao núcleo. A estrutura como um todo continua eletricamente neutra. Com a dopagem é necessário menos energia externa para desencadear um fluxo de elétrons livres. Tem-se desta forma um material semicondutor tipo N

13 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 13 DIODO – POLARIZAÇÃO e CIRCUITOS Unindo um material tipo P a um material tipo N, de maneira a constituir um único cristal, esta junção é denominada de junção P-N ou diodo semicondutor de junção. Num estágio seguinte a junção, ocorre um processo de difusão de elétrons do lado N para o lado P. Nesse processo, os elétrons que estão mais próximos à junção irão se combinar com as lacunas, formando novamente uma ligação completa ou mais estável e por conseqüência deixaram próximas à junção íons positivos e negativos. Estrutura básica do diodo

14 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 14 DIODO – POLARIZAÇÃO e CIRCUITOS POLARIZAÇÃO DIRETA: Nesse tipo de polarização aplica – se tensão positiva ao material tipo P do diodo ( anodo ), fazendo com que a barreira de potencial ( ou de depleção ) seja diminuída. Então, os elétrons da fonte são injetados na região N, fazendo com que os elétrons desta transpassam essa barreira para se recombinar com as lacunas da região P. Após a recombinação, estabelece – se um fluxo constante de elétrons pelo diodo. ( Chave Fechada ) SIMBOLOGIA do DIODO

15 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 15 DIODO – POLARIZAÇÃO e CIRCUITOS POLARIZAÇÃO REVERSA: Nesse tipo de polarização aplica – se tensão positiva ao material tipo N do diodo ( catodo ), fazendo com que a barreira de potencial aumente. Então, os elétrons dessa região são atraídos pelo polo positivo da fonte e parte dos elétrons se recombinam com a região P do diodo. Com o aumento substancial da região de depleção praticamente não há fluxo de elétrons através do diodo. ( Chave Aberta )

16 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 16 DIODO – POLARIZAÇÃO e CIRCUITOS RETIFICADOR DE MEIA ONDA V pico V med V pico = V ef *2 // V med = V pico / V med

17 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 17 DIODO – POLARIZAÇÃO e CIRCUITOS RETIFICADOR ONDA COMPLETA SINAL de SAÍDA V O V pico = V ef *2 // V med = 2*V pico /

18 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 18 DIODO – POLARIZAÇÃO e CIRCUITOS CIRCUITOS CEIFADORES

19 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 19 DIODO – POLARIZAÇÃO e CIRCUITOS CIRCUITOS LÓGICOS DIGITAIS

20 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 20 TRANSISTOR BIPOLAR de JUNÇÃO ( BJT ) O transistor bipolar é um dispositivo semicondutor de 3 terminais, no qual uma pequena corrente em um terminal (BASE) pode controlar uma corrente muito maior que flui entre o segundo (COLETOR) e o terceiro terminal (EMISSOR). Isto significa que o transistor bipolar pode funcionar tanto como amplificador (de corrente) quanto como interruptor (chave). Os transistores bipolares podem ser classificados em NPN ou PNP, de acordo com a concentração de impurezas (dopagem) contida nas suas três regiões. A dimensão do semicondutor na região da Base é muito menor do que a região de semicondutor nas regiões do Emissor e do Coletor. Transistor NPN Transistor PNP

21 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 21 TRANSISTOR BIPOLAR de JUNÇÃO ( BJT ) SIMBOLOGIAASPECTO FÍSICO C – COLETOR: coleta cargas elétricas – dopagem intermediária; E – EMISSOR: emite cargas elétricas – alto nível de dopagem; B – BASE: controla o fluxo de cargas – baixo nível de dopagem. oEm eletrônica analógica o BJT comporta-se como uma fonte controlada ( amplificadores ); oEm eletrônica digital comporta-se como um interruptor controlado – comutadores ON/OFF ( chaves ). ESTRUTURA INTERNA em CORTE

22 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 22 TRANSISTOR BIPOLAR de JUNÇÃO ( BJT ) Operação do transistor como chave Considere o circuito da figura. Uma tensão positiva, denominada Vcc, é aplicada aos terminais do coletor e do emissor do transistor NPN através de um resistor R. O circuito recebe energia elétrica de uma fonte de alimentação que pode ser uma bateria. Ao se aplicar à base do transistor um sinal pulsado (onda quadrada), o transistor irá operar como uma chave eletrônica. Quando a tensão aplicada na base do transistor for nível baixo (zero volts) o transistor não conduzirá corrente, não havendo, portanto corrente em R e a tensão de saída é igual a tensão da bateria (Vcc) – chave aberta (CORTE). Quando a tensão aplicada na base do transistor for nível alto ( 12 volts, p.ex. ) o transistor conduz e a tensão de saída será igual a tensão de referência (terra), ou seja, 0 volts – chave fechada (SATURAÇÃO). Transistor NPN como chave digital

23 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 23 TRANSISTOR BIPOLAR de JUNÇÃO ( BJT ) Polarizando – se reversamente as junções base-coletor e base-emissor, o transistor entra em CORTE. Polarizando – se diretamente as junções base-coletor e base-emissor, o transistor entra em SATURAÇÃO. Transistor em corte Transistor saturado

24 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 24 Parâmetros do Transistor ( BC548 – NPN ): VBEsat = 0,7 (V)VCEsat = 0,3 (V) =IC/IB = ( sat = 20 ) ICmax = 200 (mA)VCEmax = 80 (V) Parâmetros do LED: VD = 1,5 (V) ID = 25 (mA) TRANSISTOR BIPOLAR de JUNÇÃO ( BJT ) Simplificação do Circuito de Comutação Transistor NPN

25 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 25 TRANSISTOR BIPOLAR de JUNÇÃO ( BJT ) EXEMPLO1: CIRCUITO de COMUTAÇÃO ON / OFF Dimensionamento de RB e RC, dados: Vcc = 12V // IC = 10mA // VBEsat = 0,7V // VCEsat = 0,2V // sat = 20 // VDLED = 1,5V Calculando RC: VRC = VCC – ( VD + VCEsat ) ; RC = VRC / IC Logo, RC = ( VCC – VD - VCEsat ) / IC = ( 12,0 – 1,5 – 0,2 ) / 0,01 = 1030 ohms Portanto, adota – se RC = 1000 ohms ( 1k ) – valor comercial mais próximo. Calculando RB: VRB = VCC – VBEsat ; RB = VRB / IBsat ; IBsat = IC / sat Logo, RB = ( VCC – VBEsat ) * sat / IC = 12,0 – 0,7 ) * 20 / 0,01 = ohms Portanto, adota – se RB = ohms ( 22k ) – valor comercial mais próximo. TRANSISTOR em CORTE: IB=0TRANSISTOR SATURADO: IB=IBsat

26 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 26 TRANSISTOR BIPOLAR de JUNÇÃO ( BJT ) PORTA LÓGICA AND TABELA VERDADE AND PORTA LÓGICA OR TABELA VERDADE OR

27 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 27 SISTEMAS de NUMERAÇÃO INTRODUÇÃO: Os computadores utilizam um sistema com dois algarismos – 1 e 0 – para representar os programas e dados. Esse sistema é conhecido como Sistema Binário, onde cada algarismo é chamado de BIT, BInary Digit. Essa numeração usa a base dois (2) para representar qualquer número. Analogamente, utilizamos no nosso dia a dia a base dez (10), cujos símbolos ( ou algarismos representativos ) são: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. ELETRÔNICA DIGITAL SISTEMA DECIMAL Independente do Sistema de Numeração adotado, os algarismos encontram – se dispostos do Mais Significaticativo para o menos Significativo, sendo o seu valor representado pelos dígitos e sua posição. O sistema decimal é um Sistemas Posicional composto de dez (10) dígitos, de 0 a 9, cuja base é o n° 10, utilizando um conjunto de símbolos cujo significado depende fundamentalmente da sua posição relativa ao símbolo vírgula. O teorema fundamental da numeração corresponde à seguinte representação: X n *10 n + X n-1 *10 (n-1) +X n-2 *10 (n-2) +...+X 2 *10 2 +X 1 *10 1 +X 0 *10 0 ; onde Xn..X0 representam os diferentes dígitos atribuídos ao nº, sendo n o nº de dígitos aplicados. Exemplo2: Sejam n=5 / X 5 =2 / X 4 =1 / X 3 =0 / X 2 =7 / X 1 =2 / X 0 =3. Então: 2* * * * * *10 0 = 2* * * * *10 + 3*1 = =

28 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 28 ELETRÔNICA DIGITAL oSISTEMAS BINÁRIO oO sistema binário é um sistema de numeração formado por apenas dois algarismos: 0 (zero) e 1 (um). Ou seja, só admite duas possibilidades, sempre antagônicas, como: tudo / nada; ligado / desligado; presença / ausência, direito / esquerdo, alto / baixo, verdadeiro / falso, aceso / apagado... oOs microprocessadores percebem somente sinais elétricos, de corrente contínua, distinguindo-os em dois níveis de voltagem: - nível alto (1), "high", H, correspondente a tensão elétrica alta, e - nível baixo (0), "low", L, tensão elétrica baixa. oNo sistema binário são utilizados os dígitos 1 (alta tensão) ou 0 (baixa tensão) para a representação de quantidades. oO conjunto de de dígitos binários são classificados da seguinte forma: o Byte: 8 bits / Word: 16 bits o Kilobyte: 1024 bytes = 2 10 bytes o Megabyte: 1024 kilobytes = 2 10 * 2 10 bytes o Gigabyte: 1024 megabytes= 2 10 * 2 10 * 2 10 bytes o Terabyte: 1024 gigabytes = 2 10 * 2 10 * 2 10 * 2 10 bytes Exemplo3: 8 (10) = 1000 (2) = 1* * * *2 0. Representação por Byte: 8 (10) = (2). Representação por Word: 8 (10) = (2).

29 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 29 ELETRÔNICA DIGITAL Conversão de base decimal p/ sistema binário Deve-se dividir o número, em decimal, sucessivamente pela base destino escolhida (2) até que não seja mais possível realizar a divisão (o dividendo seja menor que o divisor – resto menor que a base, 2 nesse caso). Então se toma o último quociente e todos os restos das divisões anteriores, no sentido da direita para esquerda e compõe-se o número na base destino. Exemplo4: 10 (10) = X (2) = 1010 (2) = 1010b. X (2) = 1* * * *2 0. Conversão de base decimal fracionário p/ sistema binário Para converter um numero fracionário de base decimal para binário, multiplica- se o numero fracionário por 2. A parte inteira será o primeiro digito do numero fracionário. Repete-se o processo até que a parte fracionária do ultimo produto seja zero. Exemplo5: 0,1875 (10) = 0,0011 (2) = 0* * * * *2 -4 = /8 + 1/16 = 3/16 = 0,1875. Conversão Decimal Inteiro p/ binário Conversão Decimal Fracionário p/ binário

30 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 30 FUNÇÕES LÓGICAS BOOLEANAS Função Identidade (Buffer): Y = f(A) Y = A Função Negação (NOT): Y = f(A) Y = A ( ou Y = Ã, onde lê – se A barrado ) Função Conjunção (AND ou E): Y = f(A,B) Y = A.B Função Disjunção (OR ou OU): Y = f(A,) Y = A+B Função Ou Exclusivo (XOR): Y = f(A,B) Função Coincidência (XNOR): Y = f(A) Função Conjunção Negada (NAND): Y = f(A,B) Função Disjunção Negada (NOR): Y = f(A,B) ELETRÔNICA DIGITAL Y = A + B Y = A. B Y = A + B TABELA VERDADE Método sistemático para apresentar as possíveis interpretações (possibilidades ou combinações) de uma fórmula (Equação Booleana). A tabela-verdade ainda terá um número de linhas correspondente ao número de atribuições de valor-verdade para os símbolos proposicionais (entradas) distintos que aparecem na fórmula. Para k símbolos proposicionais na fórmula haverá 2k possibilidades de valor-lógico para estes símbolos proposicionais. Se k=2 (2 entradas) 2 2 =4 // Se k=3 (3 entradas) 2 3 =8 possibilidades.

31 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 31 ELETRÔNICA DIGITAL Exemplo6: Qual a tabela verdade das seguinte fórmulas: a) C = A + B ( C = f(A,B); C = A OU B // C = A OR B ); b) D = A. B ( D = f(A,B); D = A E B // D = A AND B ); c) E = A. B + Ã. C ( E=f(A,B,C; E = A E B OU Ã E C // E = A AND B OR A BARRADO AND C ) CB A a) Resolução A OR B:b) Resolução A AND B: DB A c) Resolução A AND B OR Ã AND C: ABC A.BÃ.C AB+ÃC

32 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 32 ELETRÔNICA DIGITAL TEOREMAS de DE MORGAN: Uma função combinacional ( ou Booleana ) pode ser escrita de várias maneiras, sem ser alterada, fazendo-se uso dos Teoremas da Álgebra de Boole. Por exemplo, (A. B)' = A' + B' ( A E B BARRADOS = A OU B ) Os principais teoremas da Álgebra Booleana são:

33 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 33 ELETRÔNICA DIGITAL PORTAS LÓGICAS: NOT – É a porta inversora. Seu símbolo e tabela-verdade são: AND – A mais simples possui 2 entradas e 1 saÍda. OR – A porta OR mais simples possui, também, 2 entradas e 1 saÍda. NAND – É equivalente à 1 (uma) porta AND seguida de 1 (uma) porta NOT.

34 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 34 ELETRÔNICA DIGITAL NOR – É equivalente à 1 (uma) porta OR seguida de 1 (uma) porta NOT. XOR – É o OU exclusivo, onde o resultado é verdadeiro quando apenas uma das entradas é verdadeira. XNOR – Equivalente à porta XOR seguida da porta NOT. PORTAS LÓGICAS:

35 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 35 ELETRÔNICA DIGITAL MAPA de KARNAUGH: O Mapa de Karnaugh é uma ferramenta de auxílio à minimização de funções booleanas. O próprio nome mapa vem do fato dele ser um mapeamento biunívoco a partir de uma tabela-verdade. Mapa p/ 2 variáveis Mapa p/ 4 variáveis Mapa p/ 3 variáveis

36 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 36 ELETRÔNICA DIGITAL 7400 – 4 NAND 2 entradas7402 – 4 NOR 2 entradas 7404 – 6 INVERSORAS 7408 – 4 AND 2 entradas 7432 – 4 OR 2 entradas

37 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 37 ELETRÔNICA DIGITAL PROJETOS de CIRCUITOS DIGITAIS: Exemplo7: Considere um Sistema de Controle de Nível de um Reservatório, constiuído dos seguintes componentes: S1 – Sensor de Nível Mínimo; S2 – Sensor de Nível Máximo; S3 – Sensor de Transbordamento; Y1 – Motor da Bomba dÁgua; Y2 – Solenóide da Válvula de Purga (Ladrão); e Y3 – Sinaleiro Defeito / Manutenção. Quando o Nível dÁgua for mínimo, o Motor Y1 é acionado p/ encher o Reservatório. Quando o Nível dÁgua for máximo, o Motor Y1 é desligado. Caso haja Transbordamento do Reservatório, deve – se acionar a Solenóide de Purga Y2 e o Sinaleiro de Defeito Y3. Caso haja 2 ou mais sensores acionados simultaneamente, o Sinaleiro de Defeito Y3 deve ser acionado. S3 S2 S1 Y1 Y2 Y3 Esquemático do Sistema de Controle de Nível do Reservatório

38 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 38 ELETRÔNICA DIGITAL PROJETOS de CIRCUITOS DIGITAIS: Exemplo8: Considere um Sistema de Sincronização do Farol de uma Avenida Principal P c/ o Farol de uma Rua Secundária R; sendo: P1 – Farol Verde Avenida Principal; P2 – Farol Amarelo Avenida Principal; P3 – Farol Vermelho Avenida Principal; R1 – Farol Verde Rua Secundária; R2 – Farol Amarelo Rua Secundária; R3 – Farol Vermelho Rua Secundária. P1 permanece aceso por 5 segundos. Após P1 apagar, P2 acende por 2 segundos. Após P2 apagar, P3 acende durante 5 segundos. Então reinicia – se o ciclo do Farol da Av. Principal. Quanto à Rua Secundária, R1 é acionado simultaneamente à P3, permanecendo 3 segundos aceso. R2 acende após R1 apagar, pemanecendo aceso por 2 segundos. Já R3 é acionado concomitantemente à P1 e apaga – se quando P2 apaga. Então, reinicia – se o ciclo. Como as Lâmpadas de Farol Vemelho ( tanto da Av. Principal P quanto da Rua Secundária R ) permanecem acesos enquanto as Lâmpadas Verde e Amarela do outro Farol estiverem acesas, serão consideradas quatro entradas e, obviamente, 6 saídas ( uma p/ cada Lâmpada dos Faróis ), sendo: S1 – Sensor P1 aceso // S2 – Sensor P2 aceso // S3 – Sensor R1 aceso // S4 – Sensor R2 aceso // Y1 – Saída Lâmpada P1 // Y2 – Saída Lâmpada P2 // Y3 – Saída Lâmpadas P3 // Y4 – Saída Lâmpada R1 // Y5 – Saída Lâmpada R2 // Y6 – Saída Lâmpada R3.

39 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 39 ELETRÔNICA DIGITAL Resolução Ex.7: S1S2S3Y1Y2Y º PASSO: Montando a Tabela Verdade S1S2 S3/ º PASSO: Montando o Mapa de Karnaugh p/ Y1 3º PASSO: Escrevendo a Função Booleana de Y1 Y1 = S1.S2.S3 Logo, Y1 = S1. ( S2 + S3 ) 4º PASSO: Montando o Circuito Lógico p/ Y1 S2 Y1 S3 S1

40 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 40 ELETRÔNICA DIGITAL S1S2 S3/ º PASSO: Montando o Mapa de Karnaugh p/ Y2 6º PASSO: Escrevendo a Função Booleana de Y2 7º PASSO: Montando o Circuito Lógico p/ Y2 Y2 = S1.S2.S3 + S1.S2.S3 Logo, Y2 = S1. ( S2.S3 + S2.S3 ) S2 Y2 S3 S1 S2 S1 S2.S3 + S2.S3 S3 S2.S3 S1S2 S3/ º PASSO: Montando o Mapa de Karnaugh p/ Y3 9º PASSO: Escrevendo a Função Booleana de Y3 10º PASSO: Montando o Circuito Lógico p/ Y2 Y3 = S3 + S1.S2 S2 Y3 S3 S1 S1.S2

41 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 41 ELETRÔNICA DIGITAL Resolução Ex.8: S1S2S3S4Y1Y2Y3Y4Y5Y º PASSO: Montando a Tabela Verdade º PASSO: Montando o Mapa de Karnaugh p/ Y1 S3S4 S1S2/ º PASSO: Montando o Mapa de Karnaugh p/ Y2 S3S4 S1S2/ º PASSO: Montando a Equação Booleana de Y1: Y1 = S1.S2.S3.S4 5º PASSO: Montando a Eq. Booleana de Y2: Y2 = S1.S2.S3.S4

42 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 42 ELETRÔNICA DIGITAL 6º PASSO: Montando o Mapa de Karnaugh p/ Y3 S3S4 S1S2/ º PASSO: Montando o Mapa de Karnaugh p/ Y4 S3S4 S1S2/ º PASSO: Montando a Equação Booleana de Y3: Y3 = S1.S2.S3.S4 + S1.S2.S3.S4 Y3 = S1.S2.(S3.S4+S3.S4) 9º PASSO: Montando a Eq. Booleana de Y4: Y4 = S1.S2.S3.S4 10º PASSO: Mapa de Karnaugh p/ Y5 S3S4 S1S2/ º PASSO: Montando o Mapa de Karnaugh p/ Y6 S3S4 S1S2/ º PASSO: Montando a Equação Booleana de Y5: Y5 = S1.S2.S3.S4 13º PASSO: Montando a Eq. Booleana de Y6: Y6 = S1.S2.S3.S4 + S1.S2.S3.S4 Y6 = S3.S4.(S1.S2+S1.S2)

43 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 43 ELETRÔNICA DIGITAL CIRCUITOS LÓGICOS – SINCRONIZAÇÃO DE FARÓIS: Y1 = S1.S2.S3.S4 Y2 = S1.S2.S3.S4 S1 S2 S3 S4 Y1 S1.S2 S3.S4 S1 S2 S3 S4 Y2 S1.S2 S3.S4 Y3 = S1.S2.(S3.S4 + S3.S4) Y4 = S1.S2.S3.S4 Y5 = S1.S2.S3.S4 Y6 = S3.S4.(S1.S2 + S1.S2) S1 S2 S3 S4 Y4 S1.S2 S3.S4 S1 S2 S3 S4 Y5 S1.S2 S3.S4 S1.S2 S3.S4 Y6 S1 S2 S3 S4 S1.S2 S3.S4 Y3 S1 S2 S3 S4

44 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 44 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL - CLP Visando a simplificação dos Sistemas de Controle à Relé, surgiu o CLP, proporcionando um controle flexível e interativo, aplicável em, praticamente, todos os ramos da Indústria Moderna. Sua estrutura básica permite Automatizar qualquer Sistema, vide Figura abaixo: Processo – Sistema que se deseja controlar; Etapas do Processo no PLC: CPU – Hardware onde são processadas todas as informações necessárias à execução do Software; Medição – Executada por Sensores e Dispositivos diversos acoplados às Entradas do PLC; Atuadores – Dispositivos, acoplados às Saídas do PLC, responsáveis pelas intervenções automáticas requeridas pelo Processo.

45 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 45 Funções Básicas da CPU: Coletar os dados dos cartões de entrada do CLP, efetuar o processamento conforme o programa armazenado na memória, e enviar aos cartões de saída como resposta ao processamento. Armazenar Parâmetros das Entradas e Programas em Memória Volátil ; Permitir ao Usuário Monitorar o Processo, Modificar e Descarregar o Programa, via Porta Serial, ao PC e vice-versa. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL - CLP Características Básicas do CLP: Alta tensão e alta corrente presente nos sinais de entrada e saída (I/O); Deve ser robusto para manuseio em Ambiente Industrial e flexível, permitindo expansão de suas I/Os; Deve possuir Hardware de Controle, de tamanho reduzido e baixo consumo de energia, simples para (Re)Programação do Software com mínima Interrupção da Produção; Compatibilidade com Diversos Tipos de Sinais de Entrada; Custo Competitivo em Relação aos Sistemas de Controle Convencionais.

46 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 46 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL - CLP LÓGICA de PROGRAMAÇÃO Uma linha vertical à esquerda representa um barramento energizado. Uma outra linha paralela à direita representa uma barra de terra. Os elementos constituídos por contatos N.A., N.F., Bobinas de relés, etc, são dispostos na horizontal formando as malhas dos circuitos lógicos. A corrente elétrica (ou de potência) sempre flui da esquerda para a direita. O diagrama final se parece com uma escada em que as laterais são as linhas de alimentação e os degraus representam a lógica. Essa lógica é denominada LADDER (escada) e as linhas horizontais (ou degraus) são as RUNGs. A Lógica Ladder é comumente conhecida como Lógica de Contatos. Circuito de Comando em Lógica Ladder

47 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 47 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL - CLP Cada contato está associado ao estado de uma variável lógica; P. ex., se a variável associada a um contato normalmente aberto (NA) está em TRUE então o contato estará ativo e se fechará deixando fluir a energia. Se a variável associada a um contato normalmente aberto (NA) está em FALSE, então o contato estará aberto e o circuito será interrompido; Quando todos os contatos de uma linha horizontal estão fechados, então a corrente fluirá até a bobina que é o último elemento da linha ou degrau. A bobina será energizada e os contatos a ela associados, passarão para os seus estados ativos, aberto ou fechado dependendo de sua natureza (NF ou NA); Este diagrama é equivalente ao seguinte trecho de programa em Texto estruturado: BombaDesligada := (DrenoFechado AND PortaFechada) OR Manual; Cada lógica associada a uma bobina é denominada ladder rung ou degrau. Chaves acionadas Bobina Energizada

48 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 48 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL - CLP REPRESENTAÇÃO dos ELEMENTOS em LADDER: CONTATOS BOBINAS

49 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 49 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL - CLP CLP OMRON (CJ1M) MQ4 – CPU & Módulos de I/Os CPU CLP MQ4 – Aspecto Físico

50 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 50 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL - CLP Módulo de Entrada Digital – CLP OMRON CJ1M Módulo de Saída Digital – CLP OMRON CJ1M

51 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 51 ENDEREÇAMENTO dos MÓDULOS de I/Os Para ilustração supõe – se estejam instaladas uma ID212 ( Input Digital 24Vcc saída a transistor ) no 1º RACK ( ou SLOT ) e uma OD212 ( Output Digital 24Vcc saída a transistor ) no 2º RACK. Então, as Entradas Digitais correspondem à WORD 1 e as Saídas Digitais correspondem à WORD 2. Portanto, as 10 chaves de entrada seriam assim endereçadas: 1.00 – Chave ligada à Entrada 0 (Borne 0) do 1º RACK; 1.01 – Chave ligada à Entrada 1 (Borne 1) do 1º RACK; e, sucessivamente –Chave ligada à Entrada 9 (Borne 9) do 1º RACK. Analogamente, os displays seriam assim endereçados: 2.00 – Bit D0 do 1º Display à Saída 0 (Borne 0) do 2º RACK; 2.01 – Bit D1 do 1º Display à Saída 1 (Borne 1) do 2º RACK; e, sucessivamente – Bit D3 do 2º Display à Saída 7 (Borne 7) do 2º RACK. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL - CLP É importante observar que o comum das Chaves de Entrada é positivo e que, portanto, ao acioná – las, a entrada Digital correspondente recebe um sinal de 24Vcc!

52 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 52 Exemplo9 – Projeto de Furadeira Automática, em PLC, que executada um rasgo descentralizado de 45° em peças de ferro, conforme condições e diagrama abaixo: S1 – Sensor de Presença da peça na Mesa Giratória 45º; S2 – Limitador de Curso Recuo Furadeira (Subida); S3 – Limitador de Curso Avanço Furadeira ( Descida); B0 – Botão START (N.A.) – Inicia o Ciclo Automático; B1 – Botão STOP/RESET (N.F.) – Pára o Sistema e retorna todos os Dispositivos ao Estado de Repouso; M1 – Motor de Giro da Furadeira (Broca); M2 – Motor Sobe/Desce Furadeira; Y1 – Solenóide de Giro Mesa Giratória 45º. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL - CLP M1M2 S1 S2 S3 Sistema Furadeira Automática Y1 Peça pronta c/ Rasgo 45° Vista Superior Peça pronta

53 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 53 Funcionamento do Sistema: O Sistema é iniciado ao pressionar – se o botão B0 (START). Inicialmente, coloca – se o Eixo Vertical da Furadeira (M2) em Repouso ( Eixo Recuado ). O Motor do Eixo Vertical é desligado ao ser atingida a Posição Inicial do mesmo (S2). Deve – se então posicionar corretamente a Peça (S1) a ser trabalhada na Mesa Giratória 45°. Em seguida é acionado o Motor da Broca (M1) e após 2 segundos, o Eixo Vertical (M2) é extendido ( Avanço do Eixo ) p/ iniciar a furação da peça. Chegando o Eixo Vertical no Limitador de Avanço (S3) desliga – se o Avanço do Eixo Vertical para que seja feito o rasgo na Peça. Para tal, a Mesa Giratória (Y1) inicia seu movimento, permanecendo acionada durante 5 segundos. Ao término desse tempo, a Mesa retorna automaticamente à Posição Inicial (Retorno por Mola) e inicia – se o Retorno do Eixo Vertical ( Recuo do Eixo ) para que se encerre o ciclo. Para a repetição do Ciclo Automático do Sistema deve – se retirar a Peça Acabada e Inserir na Mesa Giratória uma nova Peça. Para interromper o Funcionamento do Sistema deve – se acionar B1, sendo que todos os Dispositivos são levados ao Estado de Repouso. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL - CLP Considerações: Entradas: B0 – Botão Start (1.00) (N.A.) // B1 – Botão Stop/Reset (1.01) (N.F.) // S1 – Presença Peça Mesa giratória (1.02) // S2 – Limitador Recuo Eixo Vert. (1.03) // S3 – Limitador Avanço Eixo Vert. (1.04). Saídas: M1 – Broca Furadeira (2.00) // M2 Avanço – Avanço Eixo Vert. (2.01) // M2 Recuo – Recuo Eixo Vert. (2.02) // Y1 – Avanço Mesa Giratória (2.03).

54 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 54 Ligações Borneiras E/S Ex.9 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL - CLP Entradas Digitais – RACK1 COM Saídas Digitais – RACK2 COM Fonte 24Vcc B0B1 S1S2S3 A1 A2 M1 A1 A2 M2 AV A1 A2 M2 RC A1 A2 Y1

55 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 55 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL - CLP Exemplo10 – Projeto de Sincronização Automática Farol da Av. Principal P c/ Rua Secudária R (já abordado em circuitos lógicos): Considerações: Entrada: 1.00 – Botão START (B0) (N.A) // 1.01 – Botão Stop/Reset (B1) (N.F); Saídas: 2.00 – Verde Principal // 2.01 – Amarelo Principal // 2.02 – Vermelho Principal // 2.03 – Verde Secundária // 2.04 – Amarelo Secundária // 2.05 – Vermelho Secundária Entradas Digitais – RACK1 COM Fonte 24Vcc B0B1

56 Elaborado por Fernando Zemetek - Eng° Eletrônico 56 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL - CLP Saídas Digitais – RACK2 COM X1 X2 VD-P X1 X2 AM-P X1 X2 VM-P X1 X2 VD-R X1 X2 AM-R X1 X2 VM-R OBS: OS COMUNS DAS ENTRADAS e SAÍDAS DIGITAIS DO CLP DEVEM SEMPRE ESTAR INTERLIGADOS!


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