saber eletronica

editorialEditora Saber Ltda.Diretor Hlio Fittipaldi

O Brasil em 2012O nosso Brasil, apesar de tudo o que acontece no mundo e da pesada conta que temos de pagar atravs de impostos para sustentar a retrgrada e ineficiente mquina pblica, ainda consegue mostrar sinais de resilincia crise. Deveremos crescer menos em 2012, mas iremos crescer. Nosso papel mostrar alguns caminhos e incentivar voc que nos l, a fazer a sua parte para Hlio Fittipaldi que este Brasil maior venha a acontecer. Na edio anterior mostramos alguns nmeros sobre nosso mercado, divulgado pelo setor de estatstica da ABINEE, e pudemos sentir os sinais da desindustrializao, bradados aos quatro ventos, pelo seu presidente Humberto Barbatto. Alguns setores sempre conseguem se sair melhor do que outros e podemos citar aqui o automobilstico, o de automao e o da rea mdica. Dados coletados pela ABIMO (Associao Brasileira da Indstria Mdica e Odontolgica, mostram que o setor fatura R$ 8.429.987.000 e responsvel por 103.840 empregos diretos e indiretos. O total de exportaes corresponde a US$ 633.056.620 e as importaes chegam a US$ 3.667.075.340. Este mercado para a rea eletrnica de equipamentos mdicos e odontolgicos marcou expressivo crescimento nos ltimos 10 anos, aqui no Brasil. O SENAI-SP, sentindo a necessidade, criou em 2006 o Ncleo Odonto- Mdico- Hospitalar na Escola SENAI Mariano Ferraz, instalada no bairro de Vila Leopoldina, na Capital. a nica unidade no pas, na rea de capacitao profissional para o segmento de manuteno de equipamentos biomdicos at hoje. Sua importncia vem crescendo e grandes empresas como a GE Healthcare vm firmando parcerias para dinamizar mais as atividades da escola e formar mais profissionais capacitados a prestar um bom trabalho. A eletrnica embutida (embedded) outra que cresce muito, e no setor industrial tem um amplo campo para se desenvolver gerando inmeros empregos. A automao no cho de fbrica ainda um terreno pouco explorado no mundo, e aqui tambm. Assim, o futuro para aqueles que se atualizam com a realidade tecnolgica promissor e esperamos que voc fique atento a isso.Submisses de Artigos Artigos de nossos leitores, parceiros e especialistas do setor sero bem-vindos em nossa revista. Vamos analisar cada apresentao e determinar a sua aptido para a publicao na Revista Saber Eletrnica. Iremos trabalhar com afinco em cada etapa do processo de submisso para assegurar um fluxo de trabalho flexvel e a melhor apresentao dos artigos aceitos em verso impressa e online.

www.sabereletronica.com.br twitter.com/editora_saber Editor e Diretor Responsvel Hlio Fittipaldi Conselho Editorial Joo Antonio Zuffo Redao Elizabete Rossi Reviso Tcnica Eutquio Lopez Colaboradores Augusto Einsfeld, Csar Manieri, Eutquio Lopez, Newton C. Braga, Thomas Grasshoff Designers Carlos C. Tartaglioni, Diego M. Gomes Publicidade Caroline Ferreira

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Associao Nacional das Editoras de Publicaes Tcnicas, Dirigidas e Especializadas

2011 I SABER ELETRNICA 458 I 3

ndice

06

Tecnologias12 Evoluo na tecnologia de encapsulamento 16 Radiofrequncia 21 Dissipadores de calor: Informaes para clculo e dimensionamento

Componentes24 Como elevar tenses contnuas

Sensores28 Sensoriamento de nvel de lquidos usando sensores de efeito Hall

Circuitos Prticos34 Conhea os comparadores de janela

Desenvolvimento44 Amplificadores operacionais: novos e velhos conceitos 50 Amplificadores Classe D 56 Seleo de amplificadores: Circuitos Classe D

12ndice de anunciantesCika ................................................ Samtec ...................................................... Metaltex ....................................................... Honneywell ............................................ 05 09 11 15

Editorial Acontece

03 0633 43 55 59 Texas .................................................. Capa 2 National ............................................... Capa 3 Infineon ................................................ Capa 4

Globtek ............................................................. PUI ........................................................... Tato ....................................................... Nova Saber .................................................

4 I SABER ELETRNICA 447 I Maio/Junho 2010

acontece

Cobertura da SPS/IPC/DrivesA revista Mecatrnica Atual fez a cobertura da feira SPS/IPC/Drives 2011. A convite da organizao do evento, Daniel Appel foi a Nuremberg (Alemanha) e destaca os principais aspectos da feira.

Keyence

Microscpio VHX-1000.

No estande da Keyence, a empresa deixou claro seu domnio da tecnologia ptica ao tornar o invisvel em algo impressionantemente visvel. Sua cmera de ultra alta velocidade, com capacidade de registrar 230 mil quadros por segundo, permite analisar, com facilidade, fenmenos e operaes de curtssima durao, como todo o ciclo de um motor de combusto, em cmera lenta (veja o vdeo em nosso canal em www.youtube.com/ EditoraSaber). Para aqueles cuja necessidade no a de enxergar pequenas escalas de tempo, mas sim pequenas dimenses, a empresa apresentou seus microscpios digitais 3D. Capaz de mapear o relevo de uma superfcie microscpica em trs dimenses, o VHX1000 ainda registra imagens de 54 megapixels! A Keyence especialista em sistemas pticos industriais, outras informaes sobre seus produtos podem ser encontradas no site www.keyence. com.

Omron

Rob SCARA para linha de produo.

A especialista em automao promoveu, dentre vrios itens, sua linha SCARA de robs industriais. Segundo a empresa os robs so robustos e no tm correias e partes eletrnicas mveis. Alm disso, podem ser programados facilmente utilizando uma biblioteca open source.

Motores lineares compactos

A CPC aproveitou a feira para lanar sua linha de motores lineares. Compactos e rpidos, tm bobinas sobrepostas para diminuir seu comprimento e corpo de resina Epoxi para diminuir o peso, aumentar a capacidade de acelerao e melhorar a preciso de posicionamento.

National Instruments

Motores Lineares: sem eixos, engrenagens e correias.

Com uma linha de produtos que se encaixa perfeitamente no perfil da feira, a National Instruments apresentou inmeras solues modulares de aquisio de dados, controle e monitoramento, cmeras para automao de linha de produo e componentes para redes wireless de sensores.

I SABER ELETRNICA 458 I 2011

acontece

2011 em Nuremberg, AlemanhaWeidmllerA alem Weidmller tem uma linha completa de solues para conectividade industrial, cabeamento, conectorizao, conexo, identificao e roteamento de sinais. Seus produtos vo desde alicates de crimpar at solues completas de infraestrutura de comunicao para parques de gerao de energia elica. Com um portflio to grande, o estande da Weidmller se destacava no pavilho 9. Em exibio estavam interfaces de conexo para sensores e atuadores, ferramentas para cabeamento da linha stripax, rels para sistemas de segurana e placas de interface DCS, alm do lanamento mais recente, os terminais de alta densidade do tipo PUSH IN. Esses terminais so compactos e tm grande quantidade de conexes. Para remover um fio, basta utilizar uma chave de fenda pequena, ou at mesmo uma caneta, para soltar a trava e simplesmente pux-lo. Inserir um fio ainda mais fcil: s inseri-lo no ponto desejado, que o terminal o travar no local automaticamente. Segundo Arnd Schepmann, gerente de processo global da empresa, os novos terminais reduzem o tempo de manuteno e tambm o espao requerido para a organizao dos cabos, e so uma das grandes apostas da empresa no momento.

Terminais de alta densidade da Weidmller.

O SmartBird da Festo.

Rockwell Automation

Um dos itens apresentados pela Rockwell foi a nova srie de controladores programveis de automao Allen-Bradley ControlLogix 5570, com mais memria, mais velocidade e mais capacidade de processamento. Alm disso, a empresa ainda anunciou a disponibilizao de informaes sobre mais de dez mil produtos no portal de dados EPLAN, para facilitar a vida dos clientes.

Festo

A tambm alem Festo estava em casa. Seu estande exibia suas inmeras solues de acionamentos eltricos e pneumticos, mdulos Ethernet, CAN e solues de I/O digital e analgico. claro que no seria um estande da Festo se no houvesse uma exibio de suas impressionantes tecnologias binicas: o SmartBird voava sobre o estande enquanto os engenheiros explicavam seu funcionamento. Segundo a empresa, o estudo desse tipo de tecnologia permite criar solues mais simples e eficientes para automao.

O estudo da natureza possibilita o desenvolvimento de solues mais simples e eficientes.

2011 I SABER ELETRNICA 458 I

acontece

Altus a nica brasileiraexpondo na AlemanhaEm meio a muitas multinacionais presentes na gigantesca SPS/IPC/Drives 2011, claro que encontraramos pelo menos uma empresa brasileira. A Altus de So Leopoldo no Rio Grande do Sul, com estande prprio, exibindo duas linhas de produtos: o CLP Duo e o novssimo Nexto. Com cerca de dois anos de mercado, os CLPs da srie DUO oferecem controle e superviso de processos em um nico produto. Equipado com um processador ARM7, conta com 42 portas de I/O digitais e analgicas (com resoluo de 12 bits), duas portas seriais que suportam tanto MODBUS RTU quanto qualquer protocolo desenvolvido para a aplicao. Um diferencial interessante que o software de desenvolvimento de download livre, no necessrio nenhum tipo de registro ou licena. Disponvel em Portugus, Espanhol e Ingls, ele conta com recursos de simulao e suporta seis linguagens de programao diferentes, sendo possvel at usar mais de uma na mesma aplicao: Ladder Diagrams; Structure Text; Instruction List; Function Block Diagram; Sequential Function Charts; Continuous Function Chart. J a linha Nexto a grande novidade. O mais recente lanamento da empresa, trata-se de uma avanada plataforma de automao destinada a sistemas industriais complexos, capaz de operar de forma distribuda e redundante. Baseada na arquitetura PowerPC (RISC 32 bits), a CPU Nexto veloz, capaz de executar 145 mil instrues booleanas por milissegundo. Ela d suporte para vrios nveis de redundncia: CPU, fonte, barramento e rede, tudo com capacidade de Hot Swap para minimizar o tempo de manuteno.

Um dos focos da linha Nexto na facilidade de manuteno. Os mdulos de I/O suportam Hot-Swap e tm bornes destacveis, o que torna desnecessrio fixar cada fio separadamente em caso de substituio. Basta desconectar o conjunto de bornes inteiro e conectlo ao novo mdulo. O sistema tambm capaz de armazenar em cartes SD documentao em vrios formatos, como PDF, Excel, Word e AutoCAD, tudo para facilitar na resoluo de problemas inesperados. Alm disso, cada mdulo tm uma tecla de diagnstico que auxilia na busca por problemas como curto-circuitos nas sadas, e tambm de comunicao. Mesmo com o pouco tempo de mercado, a linha Nexto j faz parte da vida dos brasileiros: ela que controlar os processos nas dez primeiras plataformas para explorao do pr-sal construdas pela Petrobras.

Francine Smialowski e Tiago Meirelles, Coordenador de Marketing de Produtos da Altus Sistema de Informtica, nica empresa brasileira na SPS/IPC/Drives 2011.

Situada em So Leopoldo, no Rio Grande do Sul, a Altus conta com desenvolvimento e produo nacional, pr-requisitos importantes para a Petrobras, e j automatizou vrias das plataformas de petrleo. A empresa est com grandes expectativas para as prximas licitaes. A Altus tem forte presena no mercado brasileiro e latino-americano, mas tambm atende o restante do mundo. A empresa est procura de representantes e distribuidores em outros mercados, e est aberta a contatos de interessados.

I SABER ELETRNICA 458 I 2011

aconteceA TI lana Drivers MOSFET duplos de 4 A e 5 A para Fontes de Alimentao de Servidores e/ou TelecomA Texas Instruments Inc. acaba de aumentar seu portflio de drivers MOSFET com a introduo de trs novos componentes duplos, que vo melhorar o rendimento e a confiabilidade de fontes de alimentao de potncia. O 1 driver MOSFET, high side/low side, para 120 VEles aceitam mltiplas topologias de potncia de alta frequncia (pontes de meia onda e/ou onda completa) com um atraso de propagao extremamente pequeno, da ordem de 18 nanossegundos. Suas caractersticas combinadas aumentam o rendimento e melhoram a confiabilidade dos projetos de fontes de alimentao industriais para servidores e/ou telecom, que exijam requisitos com 100 V de surge. PDIP), o mais rpido da indstria, para retificadores sncronos com MOSFET e chaves de potncia com IGBT. O componente UCC27524 apresenta baixa distoro de pulsos e alta eficincia com um rpido atraso de propagao (12 ns), um tempo de subida de 6 ns, e com um atraso associado na sada de 1 ns (entre os dois canais). O driver, que funciona com tenses entre 4,5 e 18 V, flexvel o suficiente para combinar ambas sadas de modo a controlar aplicaes de at 10 A, por exemplo em sistemas de controle de motores. Para mais informaes, acesse www. ti.com/ucc27210-pr ou www. ti.com/ucc27524-pr.

Os componentes industriais UCC27210 e UCC27211 so os primeiros drivers MOSFET duplos para 120 V de boot, que so capazes de fornecer corrente de sada at 4 A (com verses de entrada TTL ou Pseudo CMOS) capaz de controlar ambos os lados (high e low) de FETs canal N e, ao mesmo tempo, manter uma imunidade DC de - 10 V sobre suas entradas. Seus resistores pull-up e pull-down com valores de 0,9 ohms tambm minimizam as perdas de chaveamento durante as transies do MOSFET (Plateau Miller).

Controlando rapidamente correntes mais elevadas

Foi lanado tambm o Duplo Driver, low side, de 5 A, com tamanho padro industrial SOIC de 8 pinos e encapsulamento

Accelerate Oil&Gas reunir no Rio investidores da cadeia de leo e gsCom o objetivo de potencializar as reais oportunidades de negcio no setor de leo e gs e sua vasta cadeia de empreendimentos, com as descobertas feitas na Bacia de Campos, ser realizado nos dias 15 e 16 de maio, no Sofitel Hotel, na Praia de Copacabana, no Rio de Janeiro, o Accelerate Oil&Gas Expo-Forum 2012. O evento promovido pela Faircount conta com o apoio da ABINEE, alm de entidades representativas como Abimaq, Sinaval, ABDIB, CE-EPC, ABCE, ONIP, Abitam, Instituto do Ao Brasil, ABTTC. O Governo do Estado do Rio de Janeiro um parceiro institucional chave do evento o qual realizar palestra de boas-vindas juntamente com os representantes das maiores empresas do mercado de leo e gs, a exemplo de Petrobras, GE Oil&Gas, Statoil, HRT alm de autoridades de rgos reguladores como ANP e IBP. Outras participaes exclusivas sero a do Ministrio da Energia, do MeioAmbiente e tambm do Conselho Mundial do Petrleo. O Accelerate Oil&Gas est sendo largamente promovido no exterior e a organizao do evento espera receber um nmero elevado de executivos estrangeiros. Aberdeen City Council, localizada na Esccia, confirmou a vinda de uma delegao de executivos do setor, assim como autoridades americanas. Para os organizadores e seus parceiros, o principal diferencial deste frum em termos de ferramentas ser o programa Meeting Manager, basicamente pautado nas reunies pr-agendadas que sero estabelecidas de forma pessoal e atravs do processo digital (software). A Accelerate Oil&Gas oferece s empresas associadas da ABINEE 15% de desconto no preo final ao realizar o registro online.


aconteceST Microelectronics obtm a certificao MoCA para CI de set- top boxesUtilizando o atual cabeamento coaxial padro, o decodificador de vdeo de alta definio STi7108M, compatvel com MoCA 1.1, suporta o compartilhamento de contedo e servios sem a necessidade de novos fiosA ST Microelectronics obteve a certificao MoCA 1.1 para seu decodificador STi7108M de alta performance, permitindo que os set-top boxes HD ou os gravadores de vdeo digital (DVR) compartilhem facilmente contedo e servios dentro das residncias. O padro MoCA (Multimedia over Coax Alliance) para redes domsticas de entretenimento usa os cabos coaxiais existentes para distribuir contedos que necessitam de banda larga, como streaming de vdeo HD, jogos, acesso a Internet e servios Over The Top (OTT) para todas as dependncias das residncias. Proporcionando alta velocidade e qualidade de servio (QoS) para streaming sem interrupes, o MoCA prov uma soluo conveniente para residncias, pequenos prdios e locais comerciais como hotis. Set-top boxes utilizando o STi7108M certificado pela MoCA podem ser includas em uma rede domstica simplesmente atravs de uma tomada de cabo coaxial. Como um chip high-end, o STi7108M oferece funes avanadas, tais como duplo processamento para aplicaes com capacidade de TV 3D, um processador grfico ARM de alta performance capaz de dar suporte a jogos em 3D e avanados guias de programao, alm de processamento de vdeo FaroudjaTM da ST, que maximiza a qualidade das imagens exibidas. Com esses recursos, o dispositivo faz o melhor uso da conectividade confivel e de alta largura de banda da MoCA para oferecer experincias arrebatadoras e estimulantes aos usurios. Principais recursos do Sti7108M: CPU Dual ST40-300 (desempenho de processamento total do host de 4000 DMIPS); Unidade de processamento grfico ARM Mali-400TM com certificao MoCA 1.1 banda D (certificada), E, F sob demanda; Cinco MoCA QoS queues (PQoS, high, medium, low, broadcast).


tecnologias

Evoluo na Tecnologia de EncapsulamentoNovo conceito em eletrnica de potnciaA eletrnica de potncia est tornando-se extremamente importante quando relacionada aos maiores problemas no mundo hoje, seja estes, energias regenerativas, e-mobilidade ou economia de energia. A fim de explorar estes mercados, inovaes so necessrias, uma vez que mercados diferenciados tm necessidades diferenciadas que pedem por solues que vo alm dos padres industriais aceitos nos anos 90 Thomas Grasshoff Chefe Internacional de Engenharia de Produto na Semikron

E

mpresas de inovao se esforam para detectar incio de tendncias e trazer respostas tecnolgicas apropriadas. A pasta trmica e soldagem de fios (wire bounding) so os moribundos restos de mdulos industriais e agora esto sendo substitudas por camadas sinterizadas altamente confiveis e placas flexveis para aplicaes especficas. O novo foco global sobre a Poltica Ambiental e a crescente conscincia ambiental no comportamento do consumidor tratando-se da escolha de fontes de energia, emprestou grande significncia aos componentes eletrnicos de potncia como possveis meios de converso e controle de energia. Produtos e aplicaes esto sendo otimizados, no que diz respeito eficincia, confiabilidade e tamanho. Componentes Eletrnicos de Potncia so matria-primas para a mobilidade futura baseada em tecnologias hbridas e veculos eltricos, alm de personagem principal na luta contra as crescentes emisses e escassez de recursos. Com o objetivo de atender as exigncias desses mercados e melhorar a aceitao geral, novos desenvolvimentos na rea de


tecnologiascomponentes eletrnicos de potncia so indispensveis. Particularmente importante neste contexto a implementao de densidade de potncia mais elevada, volume reduzido e tambm melhorias de confiabilidade. Fabricantes de componentes eletrnicos de potncia so confrontados com o desafio de atender essas exigncias conflitantes. Alm do mais, potncia elevada tambm acompanhada por problemas significativos, tais como, conexes paralelas e gerenciamento trmico. Tecnologia futura de Eletrnicos de potncia, mercados renovveis em crescimento, e tambm o mercado de veculos eltricos beneficiam duas reas. Em primeiro lugar, semicondutores de potncia so necessrios para converso em gerao de energia, por exemplo, em conversores de energia elica. Em segundo, semicondutores de potncia so elementos essenciais para conversores com velocidade varivel, o que significa que estes so a chave para a utilizao eficiente de energia.

Confivel e com baixo custo

Em veculos movidos a energia eltrica, os componentes eletrnicos de potncia tm que economizar espao, serem leves e confiveis mesmo em condies severas. Para atender estes requerimentos, as empresas tem investido tempo desde o ltimo mdulo tradicional e agora integra tanto quanto possvel mecanicamente todas as funes de sistemas eletrnicos de potncia. A figura1 mostra o ltimo sistema para empilhadeiras. O desafio no desenvolvimento est no fato do conflito entre quesitos eltricos, mecnicos e trmicos, que tem de ser atendidos ao mesmo tempo de forma mais confivel e com o menor custo possvel. O inversor de 5,7 litros tem um pico de corrente de 400 Aef , bateria com voltagem de 160 V e apropriado para conjuntos direcionados para o eixo de direo de veculos. Numa posio de montagem como esta, o sistema tem que ser capaz de trabalhar ileso a vibraes de 12 g e choque mecnico de 100 g para 20.000 horas de operao sobre o efeito temperaturas externas entre -40 e 85 C. Assim como h 20 anos atrs, a Semikron desenvolveu o primeiro mdulo IGBT para uso em turbinas elicas. Esses mdulos destacam a inovadora tecnologia de contato por presso, potncia integrada, acionador,

F1. Sistema SKAI para empilhadeiras: sistema de 5,7 litros com pico de corrente de 400 Aef para uma tenso de bateria de 160 V, apropriado para montagem direta no eixo de direo de veculos.

F2. SKiiP4 IPM 6 concavidades entrega 3600 A - 30% mais potncia em uma estrutura do mesmo tamanho.


tecnologiashomogneas, o que significa que a conexo trmica com o dissipador de calor no ser ideal. Ao invs de uma conexo metal-metal com o dissipador, a lacuna entre a placa e o dissipador tem que ser preenchida com uma pasta trmica de propriedades trmicas pobres. O resultado uma barreira no sistema trmico global. A pasta trmica tem uma resistncia trmica 400 vezes maior do que o cobre e esta camada responsvel por at 60% da resistncia trmica entre o chip e o refrigerador.

Disposio do mduloPara mdulos maiores que 150 A, os chips devem ser conectados em paralelo com o DBC com o objetivo de possibilitar taxas maiores de corrente. Devido a restries mecnicas na disposio dos mdulos com placas-base tradicionais, a simetria ideal frequentemente no alcanvel. O resultado a no homogeneidade no comportamento do chaveamento e correntes diferentes nas posies do chip. Por esta razo, os manuais especificam apenas o menor chip. Projetos internos baseados em ligao de cabos ou conectores tm um impacto negativo nas resistncias conduzidas no mdulo e levam a uma maior indutncia.

F3. Uma nova abordagem aplicar o processo de sinterizao de prata na superfcie do chip e em conexes trmicas do dissipador de calor. O novo processo envolve sinterizar a superfcie do chip a uma placa flexvel e estruturada.

funes de sensor e encontra desafios impostos por esta nova rea de aplicao nos termos de longa confiabilidade e densidade de potncia. Hoje, a terceira gerao de SKiiP IPM est em uso. Mais de 80 GW onde, do total j instalado no mundo, aproximadamente metade encontra-se em aplicaes de energia elica. Agora a quarta gerao, SKiiP4, est no mercado em fase de lanamento. O mdulo integrado inteligente SKiiP4 (figura 2) um mdulo de 6 concavidades projetado para 3600 A (comparado ao SKiiP3 de 4 concavidades para 1800 A, ambos para Tenso de bloqueio de 1700 V). O prprio SKiiP4 uma auto conquista j que ele fornece 30% mais energia sem elevar o tamanho da cpsula. Esse novo mdulo de potncia possui a ltima gerao de IGBT e chips de diodo, que so sinterizados ao invs de soldados ao substrato. Links DC de at 1300 V so seguramente controlados graas ao renovado driver, e os requerimentos para a instalao do sistema em altitudes significantes acima do nvel do mar, bem como, aplicaes em alto mar so possveis. Para garantir a pequena probabilidade de falhas, cada sistema passa por um sistema de teste de cauterizao antes de ser enviado ao consumidor. Para aplicaes automotivas, maior compactao e confiabilidade, so necessrias em sistemas eletrnicos de potncia. O mesmo aplica-se a turbinas elicas,

j que manuteno e reparo em parques elicos em alto mar so muito caros.

Tecnologia de encapsulamento

A tecnologia de encapsulamento tradicional um assunto com certas limitaes tcnicas. A tarefa atual transpor estes limites.

Temperatura dos chipsMelhorias em tecnologia IGBT possibilitam uma melhor estrutura celular no IGBT e chips ainda menores. O desenvolvimento tambm direcionado pela presso para diminuir o custo de semicondutores de potncia. Chips menores andam junto com um aumento na densidade de corrente, com chips tornando-se em mdia 35% menores nos ltimos anos. Ao mesmo tempo, a temperatura mxima de juno foi elevada para 175 C. Isso significa que os mdulos podem ser ainda mais compactos. Entretanto, por outro lado, isso significa tambm um aumento na temperatura gradiente entre o IGBT e a temperatura ambiente, causando grande estresse nos materiais. Um aumento de temperatura de 25 K ir reduzir a confiabilidade em um fator de 5. Ainda mais, novos materiais tipo SiC e GaN permitem temperaturas ainda maiores.

SoldaEm um mdulo de potncia soldado convencionalmente com uma placa base de cobre, a solda frequentemente um ponto mecanicamente fraco em um sistema global. Devido s diferenas de coeficiente trmico dos materiais, mudanas de temperatura e mudanas de cargas eltricas durante a operao, podem resultar em efeitos de fadiga na camada de solda do mdulo. Esse processo de interao ir finalmente conduzir falha do componente como resultado de uma perda de ligao. Um futuro risco na confiabilidade em conexes PCB soldadas so as soldas frias.

Placa-basePlacas base para mdulo com dimenses largas e maior potncia, so tecnicamente e financeiramente inviveis devido ao desempenho mecnico e trmico. A solda de substratos de um nico lado resulta em um efeito bimetal que causa tores no

Densidades de correnteAs novas tecnologias de chip IGBT e MOSFET tm densidade de corrente maior


tecnologiasdo que as geraes anteriores. Com pequenos contatos com a superfcie superior, o espesso fio de alumnio convencional constitui-se em uma restrio a melhorias em picos de corrente e confiabilidade. Podero ser possveis adicionais otimizaes em ligaes wire bond e a utilizao de novos materiais; mais isso significaria a fabricao de chips mais complexos e tambm custos mais elevados para semicondutores. Os limites da tecnologia de encapsulamento citados acima so todos fatores independentes. E por isso que faz sentido olhar para uma soluo integral ao invs de solues isoladas para estes problemas. O processo de sinterizao com prata j est sendo utilizado em produo em massa hoje em dia, substituindo a solda entre o chip e o DBC. Devido ao fato de que a prata tem um ponto de fuso mais alto (962 C) do que a solda convencional, a confiabilidade da camada sinterizada muito superior e possibilita o uso de eletrnicos de potncia sob alta temperatura em aplicaes especficas, tais como em veculos. A temperatura mxima de juno de 175 C para apenas 18% do ponto de derretimento da camada sinterizada uma grande diferena das soldas convencionais, onde a temperatura mxima do ponto de derretimento da solda do chip 60% e leva as degradaes acima mencionadas. Ainda mantm-se uma barreira de confiabilidade: os fios na parte superior do chip. O uso de fios de ligao na superfcie superior do chip tem estado sob discusso em indstrias e entre acadmicos nos ltimos anos. A maioria das abordagens na busca de solues so baseadas em solda e tecnologias de conexo integrada. Uma nova abordagem utilizar a tecnologia de sinterizao com prata para o lado superior do chip e para o dissipador de calor tambm a conexo trmica. Aqui, a superfcie superior do chip conectada a uma placa estruturada e flexvel utilizando o processo de sinterizao. As trilhas so to espessas que podem transportar a carga de corrente. O DBC do lado inferior diretamente sinterizado ao dissipador de calor (veja figura 3). Os terminais eltricos principais tambm podem ser sinterizados ao DBC, substituindo a solda ou conexes por cabos existentes. O uso da camada sinterizada de prata ao invs da pasta trmica e a resistncia trmica inferior, significam que a densidade de potncia pode ser elevada em mais de 30%. A placa flexvel com mais contatos de chip ao invs da ligao por fios eleva a confiabilidade. A melhoria da compatibilidade dos coeficientes da expanso trmica entre a rea de contato do chip e o material da placa a razo para a melhoria na capacidade da carga de ciclagem. Isso possibilita o desenvolvimento da tecnologia de encapsulamento que no utiliza fios, solda ou pasta trmica. Essa tecnologia oferece grande potencial para melhorias adicionais. Sensores de corrente e Gate drivers podem ser mais e mais compactos. E a integrao 3D na superfcie da placa ser concebvel no futuro. O uso desta nova tecnologia ir possibilitar a produo de inversores onde o volume pode ser realisticamente reduzido, bem como, 30% dos sistemas modernos. Os benefcios desta tecnologia iro desdobrar-se melhor em sistemas integrados e compactos com uma integrao mecnica otimizada. E


tecnologias

RadiofrequnciaConhea a anlise espectral e as principais tecnologias de transmisso (AM, FM, SSB) Alexandre Capelli

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Feira Internacional da Mecnica, realizada em So Paulo, a empresa Parker demonstrou um timo exemplo de aplicao da tecnologia Bluetooth. Um CLP, que acionava algumas eletrovlvulas pneumticas, interagia com uma PALM via RF. Assim, sem qualquer conexo eltrica, foi possvel alterar seu programa e consultar os principais parmetros do sistema. E foi essa tecnologia de wireless estendida indstria que nos inspirou a contemplar, com maior nfase, os assuntos dirigidos Radiofrequncia. Neste artigo, abordaremos a anlise espectral e as principais tecnologias de modulao em RF (AM, FM, SSB).

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Anlise Espectral

Existem duas formas possveis de analisarmos um sinal eltrico: no domnio de tempo, e no domnio da frequncia. Notem que o exemplo de sinal da figura 1 no apresenta uma forma de onda definida quando o observamos no domnio do tempo (olhando da esquerda para a direita). Porm, observando esse mesmo sinal de outro ngulo (de

frente para trs), podemos perceber que ele composto por duas senoides de diferentes frequncias. Esse ngulo de viso o que chamamos de domnio da frequncia, e atravs dele, podemos determinar todos os sinais que compem o sinal fundamental, bem como suas amplitudes e frequncias. Os sinais componentes do sinal fundamental so as harmnicas. Na verdade, o que acabamos de discorrer a srie de Fourier. De acordo com o teorema de Fourier: qualquer sinal peridico no domnio do tempo pode ser derivado da soma de sinais senoidais e cossenoidais de diferentes frequncias e amplitudes. Ora, mas porque analisar um sinal no domnio da frequncia? Imaginem, ainda com base no exemplo da figura 1, que o sinal desejado fosse apenas uma senoide pura.Assim, a segunda senoide seria um rudo, que, alis, estaria causando a deformao do sinal fundamental. Para eliminar essa interferncia, ento, precisaramos de um filtro. Porm, sem saber qual a amplitude e frequncia do sinal interferente, no seria possvel projetar tal filtro.


tecnologiasDe posse dessas informaes, entretanto, fica muito fcil determin-lo. Esse foi apenas um exemplo da aplicao da anlise espectral, entre tantos outros que sero explorados. Conforme veremos mais adiante, o instrumento clssico para anlise de sinais no domnio do tempo o osciloscpio, e no da frequncia o analisador de espectro.

Tipos de Modulao

Um dos termos tcnicos mais utilizado em RF (radiofrequncia) modulao. Modulao o ato de misturar um sinal de baixa frequncia (voz, msica ou dados) a outro de alta frequncia. Por qu faz-lo? Porque somente em alta frequncia podemos transmitir as informaes acima pelo espao sem utilizar fios, e atravs de antenas. O sinal de alta frequncia denominado portadora, e pode ser descrito pela equao: e = A cos (wt + ) onde: A : tenso de pico da portadora; w : frequncia angular da portadora em radianos/segundo; t : tempo; : fase inicial da portadora no tempo zero (t = 0).

F1. Sinais analisados no domnio do tempo e da frequncia.

de modulao expresso em porcentagem, e pode ser calculado segundo a frmula dada abaixo: M = E mx Ec Ec Sendo a modulao simtrica, teremos: E mx - Ec = Ec E min e Ec = E mx + E min 2 A partir da expresso acima, temos: E mx E min E mx + E min Para a modulao senoidal, onde as trs componentes esto em fase, elas se somam linearmente e formam um sinal com mxima amplitude (E mx), vide figura 3. E mx = Ec + EUSB + ELSB M = E mx Ec = EUSB + ELSB Ec Ec e, desde que EUSB = ELSB = ESB, ento: M = 2 ESB Ec

Quando temos 100% de modulao (M = 1,0), a amplitude de cada banda lateral ser metade da portadora.Traduzindo isso em dB, cada banda ser 6 dB menor que a portadora, o que significa da sua potncia.

DSB - SC

Amplitude modulada

A modulao em amplitude pode ter natureza senoidal ou cossenoidal. De uma forma ou de outra, quando modulamos um sinal em amplitude, temos uma composio de frequncias. A figura 2 mostra um sinal AM sendo analisado no domnio da frequncia e do tempo. Notem que o sinal ocupa trs espaos no espectro das frequncias. Na verdade, ele composto por trs frequncias principais: fc (frequncia da portadora), LSB (Lower Side Band ou banda inferior, que igual a diferena entre a frequncia da portadora e a frequncia de sinal da informao), e USB (Upper Side Band ou banda superior que a soma da frequncia da portadora com a frequncia do sinal da informao). As bandas laterais (LSB e USB), normalmente, tem a mesma amplitude. Podemos fazer a modulao em amplitude em diferentes graus. O grau de modulao o que chamamos de parmetro M. O grau

(Double Side Band Suppressed Carrier - dupla banda lateral com portadora suprimida) Antes de tratarmos do sistema DSB - SC, faremos um breve resumo do que foi exposto at agora sobre AM: A modulao AM composta por dois sinais principais: a portadora (sinal de alta frequncia responsvel pela transmisso da informao atravs do espao), e o sinal modulado (informao propriamente dita; por exemplo: voz, msica, dados). A modulao em amplitude mantm a frequncia da portadora constante, porm, varia sua amplitude segundo um grau de modulao M (que nunca deve ser maior do que 100% para evitar-se distores). A composio do sinal da portadora e o sinal da informao gera trs espaos no espectro das frequncias: frequncia da portadora ao centro (fc); LSB (frequncia portadora menos a frequncia do sinal da informao); e USB (frequncia da portadora mais a frequncia do sinal da informao).


tecnologiasBem, sabemos, ento, que mudando o grau de modulao de uma portadora, no mudamos sua amplitude.Apenas as amplitudes das bandas laterais alteram-se. Como a amplitude da portadora permanece inalterada, toda a informao est contida nas bandas laterais. Isso significa que uma considervel potncia utilizada na transmisso desperdiada. Para otimizar a potncia transmitida podemos suprimir a portadora, portanto, a onda transmitida composta apenas pelas bandas laterais. Esse tipo de modulao o que chamamos de DSB - SC (dupla banda com portadora suprimida). O nico inconveniente desse mtodo que a portadora deve ser inserida no receptor atravs de osciladores, a fim de recuperar-se toda a modulao. A figura 4 ilustra a anlise do DSB - SC nos domnios da frequncia e do tempo.

F2. Sinal modulado em amplitude, nalise no domnio da frequncia (a) e do tempo (b).

F3. Grau de modulao.

SSB

(Single Side Band ou nica banda lateral, outra tcnica que otimiza ainda mais a potncia de transmisso) A tecnologia SSB, alm de suprimir a portadora,elimina tambm uma das bandas. Caso a banda transmitida seja a superior, ento, teremos SSB - USB. Caso seja a inferior, teremos SSB - LSB (figura 5). Essa tcnica possvel porque, como ambas as bandas possuem a mesma amplitude, a informao est presente em cada uma delas. Eliminando, portanto, uma das bandas, a informao continua preservada.A vantagem desse sistema que diminumos a potncia do transmissor pela metade e, mais importante, ocupa-se menor espao no espectro das frequncias (menor largura). O SSB muito utilizado nos sistemas de comunicao via telefone, onde vrias mensagens podem ser mixadas. Esse mtodo permite que milhares de canais de largura 4 kHz sejam transmitidos facilmente. Essas informaes podem ser transmitidas via cabo ou link de microondas. Mas, fisicamente falando, como funciona o sistema de transmisso AM, seja ele SSB ou no? Para responder a essa questo vamos analisar um pouco a estrutura (simplificada) de um transmissor elementar. Notem pela figura 6 que o circuito possui duas entradas: uma para o sinal da portadora, e outra para o sinal da informao. O circuito transmissor combina, ento, os dois sinais em sua

F4. Modulao DSB - SC.


tecnologiasHeterodinagemComo j foi dito, o analisador de espectro capaz de analisar um sinal no domnio da frequncia. Veremos que existem duas modalidades de funcionamento do analisador: FFT (Transformada Rpida de Fourier) e Heterdino. Heterodinagem a tcnica de, atravs da diferena de dois sinais, obterse um terceiro sinal de frequncia fixa.Vamos a um exemplo clssico: o rdio-receptor. O leitor j deve ter ouvido falar nos receptores heterdinos (ou superheterdinos). A figura A mostra o esquema simplificado de um receptor de ondas mdias. A primeira etapa do receptor o conversor. O conversor possui um circuito oscilador, chamado oscilador local. Quando sintonizamos uma estao de rdio, 100 kHz por exemplo, o oscilador local , ao mesmo tempo, gera um sinal de 455 kHz acima do sinal sintonizado. Portanto, para um sinal de 1000 kHz, o oscilador gera um sinal de 1455 kHz. Isso somente possvel porque o capacitor varivel, responsvel pela seletividade do sinal, tem uma seo dupla. Sendo assim, quando mudamos a sintonia de uma estao, sua segunda seo muda, na mesma proporo e 455 kHz acima, o sinal do oscilador local. Ainda dentro do circuito conversor, temos a mistura de ambos os sinais (sinal sintonizado e de oscilador local). Atravs de um filtro, o circuito conversor envia para a prxima etapa apenas a frequncia correspondente a diferena entre eles, ou seja 455 kHz. Agora, porm, esse novo sinal contm a informao (no caso do rdio, o som). Como o capacitor tem seo dupla, no importa a frequncia de sinal sintonizado, na sada desse circuito teremos sempre um sinal de 455 kHz. Essa tcnica chama-se batimento, e a frequncia de 455 kHz de frequncia intermediria. O sinal, ento, levado primeira etapa amplificadora (ainda em alta frequncia): o circuito de frequncia intermediria. Esse circuito um amplificador sintonizado para amplificar sinais de apenas 455 kHz, rejeitando os demais. A sintonia feita atravs do transformador de FI. Nessa fase, o sinal ainda est em alta frequncia e, portanto, inaudvel. A etapa seguinte, chamada detectora, separa (elimina) o sinal de alta frequncia (portadora) do sinal de udio, que levado ao amplificador de udio e ao alto-falante. A tcnica de heterodinagem aumenta a seletividade e a sensibilidade do receptor.

FA. Receptor de Ondas Mdias.

F5. Modulao SSB.

F6. Modulao AM.


tecnologiassada. Nela, temos a informao somada portadora. A funo de receptor, portanto, separ-las novamente, e recuperar apenas a informao.

Modulao em ngulo

No incio desta matria descrevemos a portadora como: e = A cos (wt + ) Tambm vimos que a modulao em amplitude mantm constantes a frequncia e fase da portadora. Agora vamos analisar outros dois tipos de modulao, dessa vez ao contrrio, isto , mantendo a amplitude constante e variando a frequncia ou fase da portadora.

Frequncia Modulada (FM)

F7. Modulao em ngulo: FM e FASE

Na frequncia modulada, a variao da amplitude de sinal de informao (som, por exemplo) resulta na variao da frequncia da portadora. Outra variante dessa tcnica a modulao em fase, onde a variao da amplitude da informao resulta numa variao proporcional da fase da portadora.Ambas as tcnicas, FM e Fase, configuram o que chamamos de modulao em ngulo. Na modulao em ngulo no temos um grau limite de modulao. No h o equivalente a M = 100% de AM.

A expresso da modulao dada por: B=fp/fm

Onde: B : ndice de modulao; fp : pico da variao da frequncia; fm : frequncia do sinal da informao; A expresso acima nos diz que o ndice de modulao , na realidade, funo da variao da fase, mesmo para FM.

A modulao em fase pode ser convertida para modulao em frequncia e vice-versa. A figura7 mostra um comparativo entre o sinal da informao e suas modulaes (em fase e frequncia). Notem que somente possvel distinguir uma da outra quando mostradas juntas, atravs de uma comparao. Caso visualizssemos o sinal isoladamente, no seria possvel afirmar se a modulao FM ou fase. E

Por que o sinal AM mais susceptvel a rudos do que o FM?

Uma das vantagens da transmisso de ondas de rdio em FM sua maior imunidade a rudos eletromagnticos (interferncia). Isso ocorre porque, na modulao (AM), grande parte do sinal apresenta-se com pequeno nvel de amplitude. Nesses instantes, o nvel do rudo pode ser maior do que a do prprio sinal (figuraB). Isso no ocorre em FM porque sua amplitude constante, e sempre relativamente alta em relao ao rudo.

FB. Sinal modulado AM com interferncia de rudo.


tecnologias

Dissipadores de calor:Informaes para clculo e dimensionamentoOs dissipadores de calor no so olhados frequentemente com o devido cuidado nos projetos que envolvem dispositivos de potncia ou mesmo naqueles que, aparentemente, no geram uma quantidade preocupante de calor. No entanto, os problemas derivados da dissipao de calor so muito mais importantes do que muitos pensam, e por no estarem relacionados com o circuito em si, no so devidamente tratados pelos desenvolvedores. Neste artigo, trataremos desse assunto focalizando alguns pontos importantes que envolvem o modo de operao dos dissipadores de calor, que a forma mais comum de se manter a temperatura de um componente sob controle.

T

odo dispositivo eletrnico que no apresente uma resistncia nula, gera uma certa quantidade de calor ao ser percorrido por uma corrente eltrica. Como um dispositivo de resistncia nula ideal, no existindo na prtica, podemos dizer que todos os dispositivos percorridos por corrente em um circuito real geram calor. Para os casos em que o calor gerado maior, precisando ser transferido para o meio ambiente de modo que o componente no tenha sua temperatura elevada acima dos limites que ele tolera, devem ser usados meios auxiliares. Assim, alm de recursos que permitem espalhar o calor pela prpria placa de circuito impresso atravs dos materiais, como a ventilao forada, o principal meio, sem dvida, o que emprega os radiadores ou dissipadores de calor. Esses dispositivos so presos aos componentes que geram calor e, por conduo, transferem esse calor para os elementos que devem passar o calor para o meio ambiente, conforme mostra a figura 1. Essa transferncia pode ser feita de duas formas basicamente: irradiao e conveco. Parte do calor irradiada na forma de ondas eletromagnticas, concentrando-se principalmente na faixa do infravermelho. Parte-se das propriedades dos corpos

negros, que so irradiadores ideais, para se escolher materiais que possam ser usados de modo eficiente nesta forma de livrar o calor gerado pelos componentes. A outra parte do calor gerado transferida para o ar em contato com as aletas que os radiadores possuem, o qual aquecido torna-se mais leve tendendo a subir e se afastar do local, levando o calor absorvido. Neste caso, muito importante que o dissipador tenha a maior rea possvel de contato para o ar e que exista um caminho livre para sua circulao. Na figura 2 mostramos os dois modos, segundo os quais, o calor transferido para o ambiente atravs dos radiadores ou dissipadores de calor. Veja que poderamos acrescentar uma terceira forma de se transferir o calor gerado, acoplando o prprio dissipador a uma superfcie slida que pudesse absorver o calor, mas nesse caso, essa superfcie que deveria ser considerada o dissipador. Devemos lembrar tambm dos casos onde a quantidade de ar em contato com as aletas que devem transferir o calor pode ser sensivelmente aumentada com o uso de ventilao forada, como ocorre quando do uso dos fans, muito comuns em dispositivos que exigem uma grande taxa de transferncia de calor, caso dos microprocessadores.

F1. Componente dotado de radiador de calor.

F2. Modos de transferncia do calor para o ambiente. 2011 I SABER ELETRNICA 458 I 21

tecnologiasQuando acoplamos um radiador de calor a um dispositivo que gera calor, a temperatura final do dispositivo depender da quantidade de calor que ele gera, da velocidade com que o dispositivo pode transferir o calor gerado, e da temperatura final do ambiente para o qual o calor transferido. Podemos comparar isso a um circuito trmico onde a diferena de temperatura a tenso responsvel pelo fluxo de calor da fonte (componente) para o meio ambiente. O fluxo de calor a corrente e a capacidade que os diversos elementos do circuito tm de transportar esse calor a resistncia trmica. Assim, conforme ilustra a figura 3, podemos elaborar um circuito trmico que segue uma lei muito semelhante Lei de Ohm, a tal ponto que podemos cham-la sem problemas de Lei de Ohm Trmica. Para que o desenvolvedor saiba, preciso projetar esse circuito de modo que, numa transferncia normal de calor (com os recursos usados), a temperatura do componente se mantenha sempre abaixo dos mximos permitidos. E isso deve levar em conta que a temperatura final, que a temperatura ambiente, pode variar entre determinados limites.

Dimensionando um dissipador de calor

F4. Queima de um dos diodos devido sobretemperatura.

F3. Circuito trmico equivalente para o chip radiador.

F5. Dispositivo semicondutor com radiador de calor.

Todos os componentes eletrnicos, capacitores, indutores, transformadores, dispositivos semicondutores, etc., possuem temperaturas mximas de operao que so especificadas pelos fabricantes. A confiabilidade e eficincia de um componente decresce numa taxa muito alta quando a temperatura se eleva. Para cada 10 ou 15 C de aumento de temperatura, acima dos 50 C a taxa de falhas de um componente dobra. Os componentes eletrnicos de comportam de maneira diferente quando a temperatura se eleva. Os capacitores, por exemplo, passam a ter uma taxa de evaporao do eletrlito muito mais significativa, o que reduz a vida til do componente. Componentes magnticos apresentam perdas muito maiores quando a temperatura passa dos 100 C e em muitos deles a degradao do isolamento pode ocorrer de forma acentuada.

Perigos da sobretemperatura

Para os semicondutores temos diversos problemas a serem considerados quando a temperatura se eleva. Um deles a diviso desigual das correntes e, portanto, da potncia em componentes que sejam ligados em srie ou em paralelo. Esse problema pode levar a um efeito de avalanche, veja a figura 4, em que um dos componentes pode ser levado a um aquecimento maior irreversvel at a queima. Em certos semicondutores, temos ainda a reduo das tenses de ruptura. A corrente de fuga aumenta e os tempos de comutao tambm. Se bem que o controle das tenses e correntes nos dispositivos e o uso de componentes que sejam bem projetados no sentido de garantir excelente fluxo de calor no seu interior ajudem a minimizar os problemas de dissipao de calor, o desenvolvedor que ter a responsabilidade de montar o componente em dissipadores eficientes quando isso se tornar necessrio. Nesse caso, temos de considerar dois fatores: A montagem do dissipador em si que exige o uso de parafusos e porcas apropriadas, isoladores e eventualmente graxa trmica. O projeto do radiador que deve no apenas ter a capacidade de dissipar o calor gerado, como tambm

estar devidamente posicionado num local em que possa fazer isso de modo eficiente.

Conforme vimos, o processo que vai da gerao do calor pelo componente, sua transmisso atravs de meios apropriados at a dissipao no meio ambiente envolve um circuito trmico. Assim, de acordo com a figura 5, no caso de um dispositivo semicondutor temos diversos elementos nesse circuito, que podem ser considerados como situados em camadas. O circuito trmico equivalente para a estrutura dada na figura 5 exibido na figura 6. Veja que os elementos se comportam como resistores, o que quer dizer que se existirem caminhos paralelos para o fluxo de calor, eles podem ser considerados como resistores trmicos ligados em paralelo.

Trabalhando com a resistncia trmica

Da mesma forma que num circuito eltrico, um transiente de temperatura, ou seja, a produo de um pico de calor pelo componente que o gere, poder causar danos ao dispositivo se no for rapidamente

Impedncia trmica transiente


tecnologias

F6. Circuito trmico equivalente da estrutura anterior.

F7.Pico de calor gerado pelo componente.

F8. Circuito trmico equivalente (CS = CV.V).

absorvida, impedindo que a temperatura se eleve na mesma velocidade, conforme mostra a figura 7. O componente trmico equivalente a um capacitor, que absorveria um pico eltrico, no caso do calor representado pela capacidade trmica do sistema. Podemos, ento, falar em capacidade trmica por unidade de volume: Cv = dQ/dT (Joules/C), que pode absorver o calor num circuito equivalente ilustrado na figura 8. Assim, o circuito trmico equivalente ser: Cs = Cv x V , onde V o volume do componente. Chegamos, portanto, Impedncia Trmica Transiente do circuito que dada pela frmula junto figura 9. Veja que podemos falar numa constante de tempo trmica para este circuito, a qual ser dada por:T = . R.Cs 4

10. o caso de um sistema formado por diversos tipos de materiais como o silcio, cobre, e o prprio dissipador.

A temperatura ambiente mxima (Tamax) A frmula a ser aplicada ser:Rsa = (Tjmax Tamax) . Pdis Rj

Se tivermos uma estrutura multicamadas, poderemos associar s diversas capacidades trmicas de seus elementos capacitncias trmicas no circuito apresentado na figura

O tipo mais comum de dissipador disponvel para uso em circuitos eletrnicos o fabricado em alumnio. Muitos possuem uma camada anodizada de xido escuro que tem por finalidade reduzir em at 25% a resistncia trmica. Os dissipadores comuns resfriados por conveco (sem ser forada) possuem uma constante de tempo trmica tpica que varia entre 5 e 15 minutos. As constantes de tempo dos dissipadores com ventilao forada so bem menores. So os seguintes os fatores que determinam a escolha de um radiador de calor para uma determinada aplicao: A potncia mxima que deve ser dissipada pelo componente montado no dissipador de calor, (Pdis) A temperatura interna mxima do componente temperatura de juno (Tjmax) A resistncia trmica da juno do componente para seu invlucro (Rj)

Os dissipadores na prtica: como escolher?

Pdis e Ta,mx so fixados para aplicao, enquanto que Tjmax e Rj so determinados pelo fabricante do componente. O dimensionamento correto de um dissipador de calor para uma aplicao fundamental para se garantir que o componente se mantenha dentro dos limites de temperatura especificados pelo fabricante. Uma operao em temperatura baixa no s garante a integridade do componente em termos de manuteno de suas caractersticas como reduz o nmero de falhas. Na prtica, o desenvolvedor pode contar com uma infinidade de tipos e formatos de dissipadores tendo as mais diversas resistncias trmicas, alm de recursos que permitem a ventilao forada. No entanto, trataremos desses dissipadores numa prxima oportunidade. E

Concluso

F9. Circuito trmico equivalente e impedncia trmica transiente.

F10. Estrutura multicamadas Si-Cu-Dissipador. 2011 I SABER ELETRNICA 458 I 23

Componentes

Como elevar tenses contnuasConversores DC/DC tipo bomba de cargaAs charge pumps ou bombas de carga so circuitos extremamente versteis para a converso de tenses contnuas de valores baixos em tenses contnuas de valores mais altos (conversores DC/DC), e por isso empregados em uma larga gama de aplicaes modernas, que vo desde leitores de smart cards at telefones celulares e instrumentos de medida. Neste artigo, discutiremos a srie de componentes TPS6010x/TPS6011x, da Texas Instruments, que possuem caractersticas que os tornam ideais para uma infinidade de aplicaes.Newton C. BragaAparece ento no indutor uma tenso induzida muito maior do que aquela inicialmente aplicada, conforme mostra a figura 1. Esta tcnica, entretanto, tem a desvantagem de que os indutores so componentes caros, ocupam espao e, alm disso, tm limitaes em relao s correntes e tenses que podem fornecer. Outra tcnica muito melhor, que usada atualmente, a que faz uso das bombas de carga ou charge pumps. Com ela possvel elaborar conversores DC/DC capazes de multiplicar tenses de entrada por fatores como 0,5, 2, 3, etc. com facilidade e sem componentes crticos e caros tais como os indutores, alm do fato de poder gerar tanto tenses positivas quanto negativas. A nica limitao para este tipo de circuito est na capacidade de corrente da sada, a qual depende fundamentalmente da capacidade de armazenamento dos capacitores usados. Isso faz com que este tipo de circuito seja mais indicado para aplicaes onde correntes no muito elevadas sejam necessrias.

E

xistem diversas tecnologias que possibilitam aumentar as tenses de fontes de corrente contnua como pilhas e baterias, e obter tenses contnuas mais elevadas. Essas tcnicas levam elaborao de circuitos conversores DC/DC com as mais diversas caractersticas, indicados para as mais diversas aplicaes. As tecnologias mais comuns empregam indutores para armazenar energia, a qual entregue depois ao circuito sob a forma de tenso mais alta, ou ainda transformadores excitados por um circuito oscilador. Na tecnologia usando-se indutor, ao se estabelecer a corrente por ele, as linhas de fora do campo magntico criado se expandem at um valor mximo, armazenando energia. Quando a corrente desligada, as linhas de fora criadas se contraem numa velocidade maior do que a de expanso, e o resultado disso a induo de uma tenso maior do que aquela que criou o campo.


F1. Induo de uma tenso maior.

F2. Multiplicao de uma tenso contnua por 2.

A Texas Instruments possui entre seus produtos duas linhas de circuitos integrados que incorporam recursos de regulao e capacidade de fornecimento de correntes at 300 mA com apenas 4 componentes externos. Antes de passarmos descrio desses componentes, vamos analisar o princpio de funcionamento das bombas de carga.

Como Funciona uma Charge Pump

F3. Triplicador de tenso contnua.

A idia bsica para multiplicar uma tenso contnua empregando-se capacitores simples, e pode ser entendida pelo diagrama da figura 2. O que se faz carregar dois capacitores em paralelo com a tenso de entrada numa primeira fase do processo de converso. Na segunda fase os capacitores so chaveados e ligados em srie com o circuito de sada de modo que as tenses em seus terminais se somem. Assim, se a tenso de entrada V, ao chavearmos os capacitores para a conexo em srie a tenso aplicada na sada ser 2 V. Chaveando os capacitores em uma velocidade suficientemente rpida podemos manter a tenso na carga num valor constante, ou ainda podemos agregar ao circuito recursos de regulao dessa tenso. O que vimos aqui foi um dobrador de tenses, mas podemos aplicar a mesma tcnica ligando em srie mais de 2 capacitores e, com isso, triplicar, quadruplicar ou multiplicar por qualquer fator a tenso de entrada, conforme sugere a figura 3. Nas aplicaes prticas o chaveamento feito por um circuito controlado por um

oscilador cuja frequncia depender do tipo de aplicao. Velocidades de at 800 kHz, como nos circuitos da Texas Instruments, so comuns para este tipo de aplicao.

Famlias Tps6010x/ tps6011x, da Texas Instruments

Os componentes destas duas famlias operam como bombas de carga em uma configurao dobradora de tenso com sada regulada. A sada regulada importante para compensar as variaes da tenso de entrada. Os dispositivos da famlia TPS6010x fornecem uma tenso de sada de 3,3 V com variao mxima de 4% na faixa de tenses de entrada, enquanto que os da famlia TPS6011x possuem uma sada de 5 V com variao mxima de 4% na faixa de tenses de entrada. Na figura 4 temos os blocos funcionais destas famlias, a partir dos quais podemos dar uma breve descrio de seu funcionamento. Nesses componentes, duas bombas de cargas separadas so integradas de modo

a se obter o mnimo de ripple na sada. Os demais blocos so usados para controlar os diversos modos de operao e tambm para regular a tenso de sada. Esses modos de operao sero analisados mais adiante neste mesmo artigo. Quando o circuito ligado e todos os capacitores se encontram descarregados, o circuito de controle shut/down/start-up inicia a carga do capacitor de sada Cout at 80% da tenso de entrada. Isso feito com a finalidade de reduzir o tempo de partida e de evitar a necessidade de um diodo Schottky de proteo entre a entrada e a sada. O vantagem deste sistema com cargas de baixo consumo que, durante o shutdown, a entrada e a sada esto desligadas e com isso o capacitor de sada pode alimentar diretamente a carga e a corrente crescente de operao reduzida. Diversos so os modos de operao dos dispositivos desta famlia, a saber:

a) Modo Push-Pull (GND ligado no pino COM)Neste modo de operao as duas bombas de carga operam no modo push-pull de modo


Componentesa minimizar o ripple. Isso significa que em cada metade do ciclo do oscilador, uma das bombas estar carregando seu capacitor flutuante (Cfx), enquanto a outra estar carregando o capacitor de carga (Cout). Isso quer dizer que as bombas operam com defasagem de 180 graus.

b) Modo Single-Ended (GND ligado no pino SKIP)Se o ripple no for crtico na aplicao visada, as duas bombas de carga podem operar sem defasagem possibilitando uma reduo do nmero de componentes externos (apenas um capacitor flutuante Cfx).

c) Modo de Frequncia-Constante (GND ligado ao pino SKIP)Neste modo de operao o ripple da sada minimizado porque o capacitor de sada (Cout) carregado durante cada ciclo do oscilador. A sada de potncia indesejvel deve ser dissipada no dispositivo. Este fato diminui a eficincia para cargas pequenas em relao ao modo de funcionamento Pulse-Skip.

d) Modo de Funcionamento PulseSkip (Vin ligado ao pino SKIP)Para otimizar a eficincia do dispositivo, sua operao pode ser feita neste modo. Nele, a carga do capacitor de sada ocorre somente quando a tenso de sada cai para abaixo de um certo valor limiar definido no projeto. A eficincia para cargas pequenas aumenta, mas o ripple de sada maior do que no modo push-pull.

e) Modo de 3,3 V (GND ligado ao 3V3) e 3,8 V (Vin ao pino 3V8)Em comparao com o TPS6011x, o TPS6010x proporciona um modo adicional de operao, que o modo de 3,8 V. Apesar de ser possvel minimizar o ripple de sada com a combinao dos modos push-pull e frequncia constante, esta reduo pode no ser suficiente. Assim, a sada do TPS6010x pode estar longe do circuito externo de carga e isso pode causar problemas de EMI no pino de alimentao do dispositivo alimentado. Para melhorar o desempenho do dispositivo, um modo de operao adicional de 3,8 V foi implementado. Neste modo, a tenso regulada de sada aumentada para 3,8 V e um regulador linear de tenso pode ser adicionado entre esta sada e a carga para melhorar a qualidade da tenso de sada. A eficincia desta soluo praticamente a mesma da obtida pela bomba de carga sozinha, uma vez que o TPS6010x est dobrando a tenso de entrada e dissipando a potncia indesejvel.

F4. Blocos funcionais dos TPS6010x - TPS6011x.

f) Sincronizao (Vin ligado ao pino SYNC)Tambm possvel sincronizar o dispositivo externamente com uma frequncia abaixo de 800 kHz. O pino de entrada SYNC deve estar com um nvel de sinal alto e o sinal deve ser conectado ao pino 3V8 no TPS6010x (ou ao CLK no TPS6011x). As bombas

F5. Circuito com TPS6010x.


de carga vo operar agora com metade da freqncia externa. A nica exigncia para a fonte de sinal externo que ela tenha um ciclo ativo entre 20% e 80% e os nveis de sinal apropriados.

TPS60100/TPS60101/ TPS60110/TPS60111

Estes circuitos possuem sadas reguladas de 3,3 V e 5 V com correntes de at 300 mA (dependendo do tipo) com uma entrada de tenso na faixa de 1,8 V a 3,6 V para os TPS6010x e de 2,7 a 5,4 V para os TPS6011x. Em especial, estes componentes so otimizados para operao com duas baterias alcalinas, Nicad ou NiMH. So necessrios apenas 4 capacitores externos para se implementar um conversor DC/DC completo de baixo rudo e alto rendimento. Dentre as aplicaes sugeridas pela Texas Instruments, temos: Aplicaes alimentadas por bateria; Converso de tenso de 2 clulas de bateria para 3,3 V ou bateria Li-ion para 5 V; Instrumentos portteis; Sistemas com DSPs e microprocessadores; Equipamentos miniaturizados; PDAs; Laptops; Instrumentos mdicos; Telefones sem fio. As diferenas bsicas entre os quatro tipos desta famlia, so: TPS60100 - Tenso de sada de 3,3 V com corrente mxima de 300 mA; TPS60111 - Tenso de sada de 5 V com corrente mxima de 150 mA; TPS60110 - Tenso de sada de 5 V com corrente mxima de 200 mA; TPS60101 - Tenso de sada de 3,3 V com corrente mxima de 100 mA. Na figura 5 apresentado um circuito tpico de aplicao. Alguns destaques destes componentes, so: Elevada corrente de sada; Ripple menor que 5 mVpp para os de 3,3 V e 10 mVpp para os de 5 V; Apenas 4 componentes externos necessrios; Corrente quiescente de 50 A para os de 3,3 V e 60 A para os de 5 V;

F6. Circuito com TPS6030x.

Corrente de shutdown de 0,05 A; At 90% de eficincia na converso

de energia; Carga isolada no processo de shutdown.

TPS60300/TPS60301/ TPS60302/TPS60303

Estes circuitos geram tenses de 3 V ou 3,3 V a partir de tenses de entrada de 0,9 a 1,8 V. Apenas quatro pequenos capacitores externos de 1 F, cermicos, so necessrios para se obter um conversor DC/DC de alta eficincia. Para conseguir a maior eficincia, a bomba de cargas seleciona automaticamente o modo de converso x3 ou x4. Dentre as aplicaes sugeridas pela Texas Instruments para estes componentes, temos: Pagers; Brinquedos alimentados por bateria; Instrumentos portteis de medida; Instrumentos mdicos (por exemplo de audio); Produtos de automao residencial; Sistemas de medidas usando o microcontrolador MSP430; Leitores portteis de Smart Cards. Na figura 6 ilustramos um circuito de aplicao destes componentes. As diferenas bsicas entre os 4 dispositivos da srie so, alm do invlucro, a tenso de sada e o modo de ligao desta sada: TPS60300DGS - Sada de 3,3 V com sada power-good em dreno aberto;

com sada power good em dreno aberto; TPS60302DGS - Sada de 3,3 V com sada power-good em push-pull; TPS60303DGS - Sada de 3,0 V com sada power-good em push-pull. Os destaques destes componentes so: Sadas reguladas de 3 ou 3,3 V com correntes de at 20 mA e entradas de 0,9 a 1,8 V; Alta eficincia na converso de potncia (at 90%) numa ampla faixa de correntes de sada. Otimizado para operao com bateria de 1,2 V; Sadas adicionais com 2 vezes a tenso de entrada Vin; Corrente quiescente menor que 35 A; No necessita indutores; Supervisor includo: o dreno aberto ou push-pull power-good; Carga isolada da bateria durante o shutdown.

TPS60301DGS - Sada de 3,0 V

Concluso

Utilizando-se Charge Pumps, possvel desenvolver conversores DC/DC compactos, eficientes e capazes de fornecer uma ampla gama de tenses de sada com correntes de at algumas centenas de miliampres. A faixa de tenses geradas torna esses dispositivos atraentes para projetos que envolvam aplicaes de baixo consumo, alimentadas por bateria e que devam ser suficientemente compactas para uso porttil. E


Sensores

Sensoriamento de nvel de lquidos, usando sensores de efeito HallEste artigo dedicado tecnologia de medio de nvel de lquidos, usando a tecnologia de sensoriamento sem contato dos sensores magnticos. Primeiramente mostraremos, de uma forma geral, os requisitos de uma aplicao de medio de nvel de lquidos. Depois, faremos uma rpida introduo de algumas solues atualmente utilizadas e das pesquisas que esto sendo realizadas para futuros sistemas, incluindo-se tcnicas e mtodos de contato e sem contatoCsar Manieri

O

sensoriamento magntico est se tornando uma soluo comparativamente mais fcil e robusta para lidar com problemas de medio. Aqui, apresentaremos algumas das linhas de sensores magnticos de mercado que se confirmam como soluo eficaz para resolver tais problemas. Discutiremos os diferentes aspectos de um projeto de sensor de nvel de lquidos, incluindo-se o projeto de circuitos magnticos. Na ltima parte do texto, mostraremos alguns modelos de sensores de efeito Hall que se ajustam perfeitamente para sensoriamento de nvel de lquidos.

Aplicaes AutomotivasCada carro, caminho ou motocicleta so equipados com um sensor de combustvel para medir a quantidade de gasolina, lcool ou diesel que resta dentro do tanque. Apesar destes sensores estarem h muito tempo sendo utilizados, algumas inovaes e evolues esto ocorrendo e esto fazendo com que os fabricantes de veculos considerem estas novas solues como ponto de partida para economia de espao, peso e custos, aumento da confiabilidade destes sensores e das medies feitas dentro do tanque de combustvel. Outros requisitos tambm esto sendo considerados: as atuais complexidades das geometrias dos recipientes, a reduo da abertura e a dificuldade de remoo do tanque, que diminui a chance de possveis vazamentos, o que garante de forma eficaz a estanqueidade do sistema. Um sensor de nvel de combustvel tem que operar sob severas condies ambientais. No somente ele exposto a pesadas variaes de temperarturas e vibraes,

Viso geral de um sensor de nvel de lquidos e seus requisitos

Os sensores de nvel de lquidos so usados em muitas diferentes aplicaes com diferentes requisitos. Discutiremos agora as aplicaes automotiva, industrial de consumo.


bem como tem que sobreviver aos ataques de componentes qumicos como: etanol, metanol, cido sulfurico ou aditivos de combustveis, etc. Estes componentes qumicos tm um impacto direto na confiabilidade do sensor. Os fabricantes de automveis esto constantemente aumentando os requisitos de confiabilidade, o que se explica pela qualidade exigida e demonstrada no ponto de venda dos carros e, por outro lado, se isso no for respeitado pode trazer para o consumidor um aumento do custo de reparos das peas defeituosas por conta da alta integrao dos sensores, tanque, mdulos e a complexa instalao de mangueiras e cabos. Existem, ainda, outros diferentes lquidos utilizados em um veculo moderno. Muitos deles, importantssimos para o correto funcionamento dos sistemas veiculares. Alguns exemplos so: leo do motor, fluido de freios e da direo hidrulica, gua do radiador, gua de limpeza do parabrisas e dependendo do veculo, lquidos especiais utilizados em alguns conversores catalticos. Os sensores que so utilizados para detectar estes lquidos normalmente tm que cumprir todos os requisitos de resistncia qumica que os sensores de nvel de combustvel seguem. Outro ponto importante o espao til que cada vez mais restrito, j que a maioria destes tanques so muito menores que um tanque de combustvel tradicional. Muitos destes lquidos no so continuamente monitorados pelo motorista, mas importante e suficiente que se tenha um indicador caso o nvel mnimo destes lquidos tenha sido ultrapassado. Apresentaremos mais adiante o emprego de um indicador de nvel baixo para este caso.

variadade de sensores baseados em inmeros princpios de medies. Mostraremos estes modelos no captulo seguinte. Na indstria de consumo e eletrodomsticos existem aplicaes onde necessrio controlar e mostrar informaes de nvel de lquidos como por exemplo: mquinas de caf automticas, dispenser de gua, espremedores de frutas, evaporadores de gua, vaporizadores, frigideiras e congeladores, caldeiras, sistemas de aquecimento, lavadoras de pratos, ferros de passar a vapor, etc. Neste texto vamos dar algumas ideias de como implementar as solues de sensoriamento para estas aplicaes usando sensores magnticos.

Prncipios de medio

Aplicaes Industriais e de ConsumoNo caso da indstria em geral, temos uma ampla variedade de lquidos presentes na mais diferentes aplicaes: na indstria de saneamento para monitorar tanques de tratamento, transporte e armazenamento de gua, na indstria petroqumica para monitorar petrleo e seus derivados lquidos, na agricultura e setor de nutrio humana e animal para monitorar dosagens e o nvel de fertilizantes lquidos. Os requisitos variam muito dependendo das condies ambientais, composio qumica dos lquidos, preciso da medida, espao til disponvel e faixa de medio a ser coberta. Certamente existem disponveis no mercado uma ampla

O nmero dos princpios de medio to amplo quanto os nmeros de aplicaes no mercado. Abaixo, damos alguns exemplos dos principais sensores e suas caractersticas de medio. Carto resistivo discreto: Este um tipo de resistor varivel que amplamente usado para medida de nvel. Um contato, conectado a um brao de uma alavanca com uma pequena boia na ponta percorre os terminais dos contatos que esto ligados a resistores individuais, mudando assim a resistncia vista entre os dois terminais. Somente dois fios so necessrios para ligar o carto resistivo e com apenas um elemento resistivo pode-se efetuar a leitura, e isso suficiente para acomodar as no linearidades do formato do tanque. Assim, temos uma sada discreta proporcional aos elementos resistivos usados. De certa forma, nesta soluo, pode-se perder um contato na transio entre dois pontos de contato. Outra desvantagem desta soluo que o princpio de sensoriamento de contato pode acarretar desgastes macnicos; Carto resistivo varivel: Neste caso, os resistores no so discretos, mas so formados por uma pista resistiva que usa um material resistivo depositado em uma placa de cermica e um brao de alavanca com um ponto para o contato. O projetista que escolhe esse princpio,

pode projetar seu sistema tanto para uma alavanca rotativa como para soluo vertical flutuante. Algumas das deficincias dos cartes de resistor discreto so resolvidas dessa maneira, mas a soluo ainda baseada em contatos que podem desgastar-se devido sobreposio de movimentos em torno de uma posio causada pela prpria movimentao e nvel do lquido; Contato Reed: Uma soluo sem contato mais simples usa o famoso contato Reed. O elemento Reed consiste, basicamente, de um contato de metal ferroso que montado em uma cavidade selada. Os contatos se conectam um com o outro assim que um campo magntico aplicado. As aplicas tpicas so: chaves de proximidades, indicadores de nvel baixo de lquidos, substitutos sem fio para sensores de nvel de lquidos discretos. Por serem simples e baratos, so mais frgeis e podem se quebrar devido a condies mais severas tipo vibraes; Sensores Hall: Por serem baratos e robustos e de comprovada soluo sem contato para vrias aplicaes de sensoriamento de posio, iremos abordar esse princpio de medio em detalhes mais a frente; Outros Princpios: Existem outras inmeras tcnicas que no vamos explicar aqui em detalhes: Capacitiva, ptica, ultrassnica, magneto- resistiva ou estimativa de nvel usando variveis intermedirias tais como presso e fora. O leitor interessado pode encontrar mais detalhes destes mtodos particulares em: www. sensorsmag.com/sensors/leak-level/a-dozen-ways-measure-fluidlevel-and-how-they-work-1067.

Sensores magnticos de nvel de combustvel

Este item mostra algumas solues de sensores de nvel de combustvel baseadas em sensores de efeito Hall. Consideramos aqui duas possibilidades: sistemas de flutuao vertical, bem como os sistemas de brao e alavanca. Por fim, mostraremos solues de chave nica para indicao de tanque cheio e tanque vazio.


SensoresNeste link o leitor pode ver um vdeo da representao do sistema: www.youtube. com/watch?v=-IBSAEGo4r8. rena que, neste caso, somente se substitui o carto resistivo por um sensor sem contato baseado em um princpio magntico. Os circuitos magnticos mostrados na figura 1 podem ser utilizados para uma simples implementao prtica. No primeiro exemplo, o sensor Hall linear posicionado no centro de um m em um anel magnetizado diametralmente, em volta do m temos um outro anel feito de uma liga leve de ferro que ser usado para orientar o fluxo magntico. Esta implementao tem a seguinte vantagem: o campo magntico dentro do anel bem homogneo, assim, mesmo pequenos problemas de variao macnicas, no significam grandes desvios no sinal de sada. Adicionalmente o sensor protegido pela liga leve de ferro, o que traz uma melhor segurana contra distrbios externos. Uma outra alternativa, no segundo exemplo visto na figura 1, um circuito magntico mais simples que usa apenas duas placas magnticas. Esta soluo oferece um razovel grau de preciso e que, ao mesmo tempo, reduz os custos dos materiais utilizados. Este circuito um pouco menos robusto contra desalinhamentos mecnicos, mas suficiente para diferentes aplicaes de medio de nvel de combustveis. Se usarmos um sensor programvel do tipo TLE4997 poderemos fazer uma rpida calibrao e assim usarmos o mesmo sensor para mltiplos e diferentes projetos. Um sensor Hall linear mede somente o componente vertical do campo magntico, assim, se ns girarmos o m em torno do mesmo, ns conseguiremos o sinal de sada abaixo:

Sensor de Alavanca Giratria a soluo sem contato mais moderna para um sensor de nvel de combustvel que mantm o uso das mesmas estruturas mecnicas usadas at agora. A unica dife-

F1. Duas possibilidades de projetos de simples circuitos magnticos que direcionam as linhas dos campos magnticos.

OUT~B = BmaxSen()Onde B o componente perpendicular do campo magntico medido e Bmax o campo magntico mximo. A relao entre o ngulo da alavanca e a distncia vertical h dada pela equao: h = Rsen(), onde R a distncia entre o ponto de articulao e a boia. Agora, combinando-se as duas frmulas podemos obter:

F2. Princpio do cancelamento senoidal em sensores de nvel, usando-se um sensor Hall linear.

OUT~Bmax(h/R)Isso nos mostra que o sinal de sada OUT proporcional ao nvel do lquido h. A figura 2 tambm nos mostra como este sensor pode ser usado para substituir um sensor de nvel que usa o tradicional carto resistivo. A fim de termos uma sensibilidade similar, no que diz respeito varivel medida atravs de uma determinada faixa de medio, a forma de onda senoidal da sada do sensor Hall nos permite seguir a forma de onda de sada da placa resistiva dentro de alguns de seus limites. A figura 3 ilustra a comparao do sinal de sada tpico de um sensor de nvel

F3. Comparao entre o carto resistivo e o sensor Hall para um indicador de combustvel.


F4. Flutuador vertical baseado em sensores de efeito Hall Lineares e interruptores Hall.

que usa o carto resistivo e de uma soluo similar que emprega o sensor Hall. O erro remanescente pode ser corrigido usando o microcontrolador e levando-se em conta a geometria no linear to tanque de combustvel.

F5. Possveis sinais de sada de uma fileira de sensores Hall Lineares.

Distncia Switch 1 Switch 2 Switch 3 Switch 4

0-5 0 0 0 0

5-10 1 0 0 0

10-15 1 1 0 0

15-20 0 1 0 0

20-25 0 1 1 0

25-30 0 0 1 0

30-35 0 0 1 1

35-40 0 0 0 1

40-45 0 0 0 0

Sistemas de flutuao verticalUma outra possvel implementao dos sensores de nvel de combustvel seria o uso de uma boia de movimento vertical. Dependendo da necessidade, sinal contnuo ou discreto, podemos utilizar neste projeto tanto sensores Hall linear ou chaves interruptoras Hall. A figura 4 exibe as duas possibilidades de implementao usando uma fileira de sensores Hall que se utiliza de dois pequenos ms, os quais esto magnetizados em direes opostas. Atrves da escolha certa da distncia e do tamanho dos ms, o componente horizontal do campo magntico acaba por ser linear em uma considervel faixa de operao como podemos ver na figura 5. As distncias entre os sensores Hall lineares devem ser escolhidas de tal forma que haja sempre um sensor em sua faixa linear. Dependendo do sinal de sada dos sensores, possivel ento escolher qual sada deve ser utilizada. Agora, se voc precisa saber apenas um sinal discreto do nvel do lquido, ento os sensores Hall Switches consistem numa opo mais barata e mais simples. Como vimos na figura 4, mostramos esta implementao onde usada uma fileira de sensores Hall Switches. Diferentemente dos sensores lineares, a soluo com interruptores Hall necessita apenas de um m. Uma forma de se obter uma boa resoluo na medio e na distncia coberta se certificar que durante as transies sempre haja dois sensores ativos. Na tabela 1 podemos ver uma matriz de decises possveis. Com este esquema possvel detectar nove posies distintas com 4 interruptores de efeito Hall.

T1. Detectando 9 nveis distintos, usando 4 sensores Hall Switches.

princpio Magneto- Resistivo Gigante (GMR). Como vimos antes, sensores Hall lineares e interruptores Hall so os mais adequados para aplicaes de sensoriamento de nvel de lquidos, e alguns dos componentes mais importantes sero mostrados neste tem.

Chave de indicao de nvel baixoEm alguns casos necessrio emitir um sinal de alerta para indicao de baixos nveis de lquidos. Para tanto, pode-se usar o sinal gerado por um sensor do nvel de combustvel, ou adicionar um interruptor indicador de baixo nvel colocado na parte inferior do tanque. A figura 6 mostra uma possvel implementao que usa um m permanente em um flutuador e um interruptor de efeito Hall. As aplicaes deste interruptor tambm incluem muitos eletrodomsticos, tais como mquinas de lavar roupa, mquinas de caf, ferros de passar a vapor ou dispensers de gua.

Sensores Hall LinearesA Infineon oferece uma ampla variedade de sensores Hall com diferentes interfaces, tipos de programao e encapsulamentos. Este item dar a voc uma viso geral de famlia de sensores para esta aplicao. Veja a tabela 2. Para mais informaes e detalhes acesse: www.infineon.com/sensors.

TLE4990

Sensores magnticos INFINEON para sensoriamento de nvel de lquidos

A Infineon oferece uma ampla variedade de sensores magnticos, incluindo-se dispositivos de efeito Hall e sensores baseados no

Apenas para exemplificar: o TLE4990 um sensor de efeito Hall linear mais bsico e antigo. Ele possui uma unidade de processamento de sinal analgico e programvel por queima de fusveis. Como o sensor totalmente programvel, isso significa que seu ganho e sua sensibilidade podem ser ajustados em dois pontos de calibrao diferentes. Devido ao encapsulamento PG-SSO4-1 ser mais fino, ele se encaixa perfeitamente em pequenos espaos, possibilitando um menor espao de ar entre o m e a medio do campo magntico. Este sensor foi muito


Sensoresutilizado em aplicaes automotivas pelo seu alto desempenho e confiabilidade por conta do alto grau de utilizao deste sensor em aplicaes tais como sensoriamento da posio do pedal do acelerador. A empresa Infineon no o recomenda para novos projetos. Os produtos indicados, a seguir, so as atualizaes do TLE4990.

TLE4997

O TLE4997 foi concebido no lugar do TLE4990 para melhorar algumas das deficincias intrnsecas destes sensores devido ao regime de compensao analgico como o utilizado na maioria dos produtos similares do mercado, incluindo-se a os desvios de offset e de sensibilidade em relao s altas temperaturas, aumento da preciso e da faixa dos parmetros programveis. O processamento de sinal do TLE4997 foi inteiramente deslocado para o domnio digital, fazendo com que a influncia dos parmetros programados seja completamente determinstica. Os efeitos das altas temperaturas no sensor Hall podem ser prontamente compensados atravs de um sistema de pr-calibrao na prpria linha de produo do componente na fbrica da Infineon. O TLE4997 tambm o primeiro sensor do mercado que oferece parmetros programveis e independentes para ambos os coeficientes de tempratura de primeira e segunda ordem e para o ajuste da sensibilidade da aplicao. O TLE4997 tem uma sada analgica raciomtrica e pode ser usada como um substituto mais robusto para potencimetros, por exemplo. Em sistemas eletrnicos ou eletromecnicos, raciomtrica refere-se razo entre a tenso de sada e a tenso de alimentao de entrada. Assim, se a tenso de entrada for duplicada, a tenso de sada ser dobrada. uma razo direta. Este sensor se apresenta com um pequeno encapsulamento de 3 pinos PG-SSO-3-10, e por isso muito adequado ao uso em espaos limitados dentro de circuitos magnticos do tipo o que apresentamos na figura 1.

F6. Exemplo de um interruptor Hall para um sensor de indicao de nvel baixo.

Product Type TLE4990 TLE4997 TLE4998P

Programming Fuses EEPROM EEPROM

Package PG-SSO-4-1 PG-SSO-3-10 PG-SSO-3-9 PG-SSO-3-10 PG-SSO-4-1

Interface Analog ratiometric Analog ratiometric PWM

T2. Esta tabela mostra os sensores Hall Infineon mais adequados para o sensoriamento de nvel de lquidos.

TLE4998

A famlia TLE4998 a sucessora do TLE4997, proporcionando novidades na interface e tambm grandes inovaes quanto a estabilidade durante toda vida til do componente. O conceito de processamento de sinal foi baseado no projeto do TLE4997,

o DSP oferece uma converso de sinal analgico para digital de alta preciso e um processamento de sinal determinstico digital. Uma inovao importante do TLE4998 um sensor de estresse que est integrado ao prprio sensor e que permite monitorar constantemente o estresse mecnico induzido no chip por apertos desnecessrios, ou por diferentes efeitos ambientais. As mudanas induzidas pelo estresse na sensibilidade do sensor so, ento, compensados no DSP. O TLE4998 o primeiro sensor desta classe que oferece esse recurso. Como o TLE4997, o TLE4998 est disponvel no encapsulamento de 3 pinos PG-SSO-3-10. Alm disso, o sensor pode ser encomendado em um encapsulamento slim de 4-pinos PG-SSO-4-1 com uma altura de um milmetro apenas. Outra opo o terceiro encapsulamento PG-SSO-3-9 de 3 pinos com dois capacitores integrados nos terminais entre Vdd e Gnd e entre Out e Gnd, o que aumenta a proteo contra surtos de EMC e microrrupturas, ajudando a reduzir ainda mais o custo total do sistema (figura 7). O TLE4998P possui uma interface PWM, que em apenas um ciclo pode carregar toda a informao do sinal do sensor Hall.

O sensor oferece uma resoluo de 12 bits na sada, e combinado com uma deteco precisa do lado microcontrolador, pode levar a uma resoluo muito maior do que o que alcanvel por uma interface analgica tradicional. Em nvel de sistema, a interface PWM oferece vantagens de reduo de custo em comparao com as solues analgicas porque evita-se as mltiplas converses de sinais de digital para analgico e vice-versa Alm de dispositivos com sada raciomtrica, os sensores podem ser conectados diretamente a uma fonte de 12V. A sada consiste no modo de dreno aberto, um resistor de pull-up simples pode ser usado para conectar a sada para qualquer nvel de tenso adequada e para o estgio de entrada do microcontrolador, conseguindo-se assim a independncia completa entre microcontrolador e alimentao do sensor. A empresa oferece Kits de programao e desenvolvimento.

Interruptores de efeito HallA Infineon oferece uma ampla gama de interruptores de efeito Hall, cobrindo toda a gama de sensores de comutao


F7. Acima, os trs diferentes tipos de encapsulamento dos sensores Hall lineares da Infineon: PG-SSO-3-10, PG-SSO-3-9, PG-SSO-4-1 (da esquerda para direita).

unipolar e bipolar, bem como dispositivos de travamento. A famlia TLE49x6 tem um alto ponto de comutao e grande estabilidade. Se for necessrio apenas informaes discretas de liga ou desliga, uma boa escolha seria o interruptor de efeito Hall unipolar TLE4906. Disponvel em dois encapsulamentos: o TLE4906H em SC59 SMD, bem como o TLE4906L em um encapsulamento PG-SSO-3-2 com chumbo (figura 8): Pequena propagao do ponto de comutao (Bop entre 6,5 e 13,5 mT, Brp entre -5,0 e 12 mT); Excelente compensao de temperatura (definido para -350 ppm / C tpico); Tempo de atraso pequeno (tipicamente 13 s); Baixo jitter (tipicamente 1 s). Alm disso, todos os requisitos bsicos para os sensores que trabalham em ambientes agressivos so preenchidos por esta parte, incluindo-se: Ampla faixa de operao de tenso de alimentao (2,7 V a 18 V); Alta faixa mxima de tenso de alimentao, incluindo a proteo contra inverso de polaridade (-18 V a 26 V); Faixa de alta temperatura (-40 a 150 C faixa de operao, max classificao at 195 C por curto perodo de tempo); Alta imunidade contra ESD (6 kV). Todas essas caractersticas tornam o TLE4906H e TLE4906L as escolhas ideais para aplicao em ambientes agressivos. Mais informaes sobre Hall Sensoring:

F8. Os interruptores Hall da Infineon esto disponveis em encapsulamentos PG-SSO-3-2, bem como em encapsulamento SC59 SMD.

www.infineon-designlink.com/LinearHall-Sensors-from-Infineon-%2B-NewApplication-Notes-Available.

Concluso

Apresentamos aqui algumas das implementaes possveis para sondas de nvel de lquido sem contato, usando sensores de efeito Hall. Com a utilizao e eficcia comprovadas em muitas aplicaes automotivas, como ABS com sensor de velocidade ou de deteco de posio do pedal do acelerador, os sensores Hall consistem em uma soluo robusta e durvel para a deteco sem contato de alta qualidade. As empresas do setor de Eletrnica podem oferecer um amplo portflio de Sensores de efeito Hall e Hall lineares, bem como interruptores de efeito Hall. Estes componentes so uma excelente opo para a medio de posio para uma ampla gama de aplicaes no mercado. Como foi mostrado, existem projetos fceis e rpidos de serem implementados para a deteco de nvel de lquidos e com certeza os sensores de efeito Hall podem ser efetivamente usados nestas aplicaes. E


Circuitos Prticos

Conhea os Comparadores de JanelaOs comparadores de janela ou window comparators consistem em circuitos de enorme utilidade. Essas configuraes, baseadas em amplificadores operacionais de alto ganho, podem ser encontradas em aplicaes industriais de controle e sensoriamento, em instrumentao eletrnica, robtica, mecatrnica, eletrnica embarcada, alm de muitas outras que no temos espao para citar aqui. Como funcionam os comparadores de janela e como us-los, algo que todo profissional de Eletrnica deve saber. Assim, neste artigo, analisaremos o princpio de funcionamento dessa til configurao e algumas das suas aplicaes prticas mais importantes.Newton C. Braga

A

tivar um circuito qualquer quando uma tenso em sua entrada atinge um determinado valor algo bastante simples, e a maioria dos nossos leitores pode desenhar de cabea um circuito para essa finalidade. No entanto, existem aplicaes que vo alm disso como, por exemplo, a que exige o disparo de um circuito som

saber eletronica

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