Gerador de funções senoidais monofásicas e trifásicas

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA – CAMPUS FLORIANÓPOLIS CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

Leonardo Santana (Coordenador) Andreilton C. S. Lima Claudio Abílio da Silveira Matheus Santos da Silva

GERADOR DE FUNÇÕES SENOIDAIS MONOFÁSICAS E TRIFÁSICAS PROJETO INFORMACIONAL

Florianópolis, Dezembro de 2010

SUMÁRIO INTRODUÇÃO ............................................................................................ 7 1 PROJETO INFORMACIONAL ................................................................... 8 1.1 DESCRIÇÃO DO PRODUTO .......................................................................... 8 1.2 APLICAÇÕES DO PRODUTO ......................................................................... 9 1.3 FATORES DE INFLUÊNCIA NO PROJETO ......................................................10 1.3.1 PRODUTOS EXISTENTES NO MERCADO ....................................................10 1.3.2 NORMAS E LEIS QUE AFETAM O PRODUTO ...............................................12 1.3.3 ENSAIOS E INSPEÇÕES DO PRODUTO ......................................................15 1.3.4 NORMAS TÉCNICAS DE SEGURANÇA ........................................................16 1.4 CLIENTES ..................................................................................................16 1.4.1 ANÁLISE DO CICLO DE VIDA DO PRODUTO ...............................................17 1.4.2 DEFINIÇÃO DOS CLIENTES ......................................................................18 1.4.3 NECESSIDADES DOS CLIENTES................................................................19 1.5 REQUISITOS DOS CLIENTES .......................................................................20 1.6 REQUISITOS DE PROJETO ..........................................................................21 1.7 ESPECIFICAÇÕES DE PROJETO ...................................................................23 2 PROJETO CONCEITUAL ........................................................................ 24 2.1 ATUALIZAÇÃO DO PLANO DE PROJETO .......................................................25 2.2 ESTRUTURA FUNCIONAL ............................................................................27 2.2.1 FUNÇÃO GLOBAL ....................................................................................27 2.2.2 MODULARIZAÇÃO DO PRODUTO ..............................................................28 2.2.3 ESTRUTURAS FUNCIONAIS DO PRODUTO ................................................28 2.2.3.1 ESTRUTURA FUNCIONAL ELETROELETRÔNICA ......................................29 2.2.3.2 ESTRUTURA FUNCIONAL MECÂNICA .....................................................30 2.3 CONCEPÇÕES ............................................................................................31 2.3.1 CONCEPÇÕES ALTERNATIVAS DO PRODUTO ............................................32 2.3.1.1 CONCEPÇÕES ELETROELETRÔNICAS .....................................................32 2.3.1.2 CONCEPÇÕES MECÂNICAS ....................................................................34 2.3.2 SELEÇÃO E COMPARAÇÃO DAS CONCEPÇÕES ...........................................36 2.3.3 APRESENTAÇÃO CONCEPÇÃO ADOTADA ..................................................42

2.3.4 AVALIAÇÃO DA CONCEPÇÃO ADOTADA ....................................................45 3 PROJETO PRELIMINAR ........................................................................ 47 3.1 IDENTIFICAÇÃO DAS ESPECIFICAÇÕES DETERMINANTES ............................47 3.2 MÓDULO CONSTRUTIVO ELETROELETRÔNICO ............................................49 3.2.1 ESQUEMÁTICOS DO SISTEMA SUPRIR ENERGIA .......................................50 3.2.3 SISTEMA GERAR SINAL ...........................................................................57 3.2.3.1 SIMULAÇÕES EM SOFTWARE E TESTES EM PROTOBOARDS ....................57 3.2.3.2 ESQUEMÁTICOS DO SISTEMA GERAR SINAL ..........................................59 3.3 PROCESSOS DE MANUFATURA ELETROELETRÔNICOS ..................................72 3.3.1 PRODUÇÃO DE PCIS ................................................................................72 3.3.2 SOLDAGEM DE COMPONENTES ................................................................76 3.4 MÓDULO CONSTRUTIVO MECÂNICO ...........................................................77 3.4.1 ESCOLHA DOS MATERIAIS APLICADOS .....................................................78 3.4.2 PLANEJAMENTO DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO ..................................79 3.4.3 ESTRUTURAS DO GABINETE ....................................................................80 3.5 EXECUÇÃO DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO .............................................83 3.5.1 MÉTODO DE SIMULAÇÃO E VERIFICAÇÃO DO LAYOUT DE MONTAGEM .......83 3.5.2 ALTERAÇÕES TÉCNICAS ..........................................................................84 3.6 DESIGN FOR MANUFACTURE AND ASSEMBLY (DFMA) ..................................85 3.7 CONSIDERAÇÕES IMPORTANTES ................................................................87 3.7.1 UTILIZAÇÃO DE CAPACITORES CERÂMICOS .............................................87 3.7.2 LIMITAÇÕES DOS AMPLIFICADORES OPERACIONAIS ................................88 3.7.3 ANÁLISE FINAL DO PRODUTO ..................................................................89 REFERÊNCIAS .......................................................................................... 92 APÊNDICES .............................................................................................. 94 APÊNDICE A - DESENHOS TÉCNICOS ................................................................95 TRANSFORMADOR 110+110 / 18+18................................................................96 DISSIPADOR PARA ENCAPSULAMENTO TO-220 .................................................97 CHAPA BASE ...................................................................................................98 CHAPA DE RECOBRIMENTO .............................................................................99 PAINEL FRONTAL .......................................................................................... 100

APÊNDICE B – FOTOS DO PROTÓTIPO FINAL .................................................. 101 ANEXOS ................................................................................................. 103 ANEXO A – TABELA DE COMPARAÇÃO DOS CONCORRENTES ............................ 104 ANEXO B – CASA DA QUALIDADE .................................................................... 105 ANEXO C – CATALOGO TÉCNICO BORNES BR0 ................................................ 106 ANEXO D – DIMENSÕES E TOLERÂNCIAS PARA O ENCAPSULAMENTO TO220 .... 107 ANEXO E – CATALOGO TÉCNICO CONECTOR LATCH ........................................ 108

LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 – EXEMPLO DE ONDA SENOIDAL ................................................................10 FIGURA 2 – CICLO DE VIDA DO PRODUTO (ADAPTADO DE FONSECA, 2000) ......................18 FIGURA 3 – FUNÇÃO GLOBAL DO SISTEMA ................................................................27 FIGURA 4 – PRODUTO MODULARIZADO....................................................................28 FIGURA 5 – ESTRUTURA FUNCIONAL DO MÓDULO ELETROELETRÔNICO .............................29 FIGURA 6 – ESTRUTURA FUNCIONAL DO MÓDULO MECÂNICO .........................................31 FIGURA 7 – CONCEPÇÃO A ..................................................................................39 FIGURA 8 – CONCEPÇÃO B ..................................................................................39 FIGURA 9 – CONCEPÇÃO C ..................................................................................40 FIGURA 10 – CONCEPÇÃO REFERÊNCIA ...................................................................40 FIGURA 11 – FONTE DE ALIMENTAÇÃO SIMÉTRICA ......................................................42 FIGURA 12 – CIRCUITO OSCILADOR E ESTABILIZADOR DE SINAL .....................................43 FIGURA 13 – CIRCUITO AMPLIFICADOR E REGULADOR DE OFFSET ...................................44 FIGURA 14 – SISTEMA DE DEFASAMENTO .................................................................45 FIGURA 15 – SISTEMAS DO MÓDULO ELETROELETRÔNICO.............................................49 FIGURA 16 – LIGAÇÃO DO TRANSFORMADOR HFYONIK ..............................................52 FIGURA 17 – ESQUEMÁTICA DA FONTE DE ALIMENTAÇÃO .............................................53 FIGURA 18 – LAYOUT DA FONTE SIMÉTRICA (FORA DE ESCALA) ......................................55 FIGURA 19 – REPRESENTAÇÃO EM 3D DA FONTE SIMÉTRICA (FORA DE ESCALA) .................55 FIGURA 20 – EXEMPLO DE CIRCUITO PARA SIMULAÇÃO ................................................58 FIGURA 21 – RESULTADO GRÁFICO DE UMA SIMULAÇÃO ...............................................58 FIGURA 22 – CIRCUITO OSCILADOR E REGULADOR DE AMPLITUDE ..................................61 FIGURA 23 – CIRCUITO OFFSET E DE DEFASAMENTO ...................................................65 FIGURA 24 – LAYOUT DO SISTEMA GERAR SINAL ........................................................68 FIGURA 25 – REPRESENTAÇÃO EM 3D DO SISTEMA GERAR SINAL (FORA DE ESCALA) ............69 FIGURA 26 – ESQUEMÁTICO COMPLETO DO SISTEMA GERAR SINAL ..................................71 FIGURA 27 – REPRESENTAÇÃO DO GABINETE ............................................................82 FIGURA 28 – SIMULAÇÃO E VERIFICAÇÃO DO LAYOUT DE MONTAGEM ...............................83

LISTA DE QUADROS QUADRO 1 – CRONOGRAMA DE PLANEJAMENTO ATUALIZADO .........................................26 QUADRO 2 – MATRIZ MORFOLÓGICA DO MÓDULO ELETROELETRÔNICO ............................34 QUADRO 3 – MATRIZ MORFOLÓGICA DO MÓDULO MECÂNICO ........................................36 QUADRO 4 – CONCEPÇÕES DO MÓDULO ELETROELETRÔNICO ........................................37 QUADRO 5 – CONCEPÇÕES DO MÓDULO MECÂNICO ....................................................38 QUADRO 6 – MATRIZ DE DECISÃO (MÉTODO DE PUGH) ...............................................41 QUADRO 7 – BILL OF MATERIAL DA FONTE SIMÉTRICA ................................................56 QUADRO 8 – VALORES CAPACITIVOS DA PONTE DE WIEN .............................................60 QUADRO 9 – BILL OF MATERIAL DO SISTEMA GERAR SINAL ...........................................70 QUADRO 10 – ESPECIFICAÇÕES PARA CANETA DO PLOTTER ..........................................73 QUADRO 12 – DESCRIÇÃO DOS ELEMENTOS DO GABINETE ............................................82

INTRODUÇÃO O conceito de projeto é algo amplo, e pode ser descrito de muitas formas nas mais diversas fontes de conhecimento, porém o mais comum consiste no fato de que se tratar de um esforço temporário que visa criar um serviço ou produto, com base em objetivos definidos e datas de inicio e fim estabelecido, visando satisfazer as partes envolvidas no mesmo. A elaboração de utensílios é algo comum na historia da humanidade, participando fortemente na evolução do homem. Antes da revolução industrial os produtos eram fabricados diretamente por artesãos, com o surgimento das fabricas e consequentemente o aumento no volume de produção, passa a ser necessário coordenar as ações nos processos de desenvolvimento industrial, e assim surgem os primeiros termos relacionados ao projeto. A chave para o desenvolvimento de um bom projeto é que o mesmo seja desenvolvido com alta produtividade por parte da equipe de projeto, e para isso existem procedimentos pré determinados, ou seja, de maneira sistematizada que auxiliam nessa tarefa. O modelo de referência adotado para o desenvolvimento do projeto que será exposto ao longo deste documento respeita um padrão, muito referenciado na literatura, o PRODIP, que tem como objetivo expor conhecimentos sobre o processo de desenvolvimento de produtos e auxiliar no entendimento do mesmo. Tecnicamente o projeto é divido em fases, cada uma com suas atividades que se caracterizam por pesquisas, entrevistas com os clientes, análise de custos, fornecedores entre outras. O projeto tem inicio com a fase de planejamento de projeto seguida do Projeto Informacional, Conceitual, Preliminar e Detalhado, o ultimo não será desempenhado, pois o produto construído não visa à comercialização. Para cada projeto temos uma saída que serve de base para o desenvolvimento do outro e assim temos um processo dividido em etapas, que direciona – se para o fato de que todos os possíveis erros que poderiam acontecer no produto sejam revolvidos nas fases de planejamento. O resultado final do processo é a satisfação do cliente, e em reflexo a isso o êxito dos projetistas.

1 PROJETO INFORMACIONAL Os geradores de funções são utilizados para gerar sinais elétricos de formas de onda, frequências e amplitudes diversas. São muito usados em laboratórios de eletrônica como fonte de sinal para teste de diversos aparelhos e equipamentos eletrônicos. Devem poder gerar sinais triangulares, quadrados, dente-de-serra e senoidais, como o desenvolvido para este projeto, todos com diversas frequências e amplitudes. Desde sua concepção, na década de 1950, até hoje, os geradores de função sofreram diversas modificações. Essas mudanças provocaram grande impacto em termos de performance, precisão e facilidade no uso. Com o advento

dos

transistores

e

de

componentes

menores,

como

microprocessadores, nos anos 70, foi possível fabricar aparelhos cada vez mais baratos e compactos, seguindo as novas tendências de mercado. Ao longo deste documento, serão desenvolvidas atividades que visam buscar as necessidades dos clientes e assim, adaptando as mesmas a linguagem de engenharia e as demais tarefas proposta pelo projeto informacional, e atingindo o objetivo da fase que são as especificações do projeto. 1.1 DESCRIÇÃO DO PRODUTO Os geradores de funções são aparelhos eletrônicos utilizados para produzirem sinais elétricos com diversos formatos de onda. Os formatos de onda correspondem à variação da tensão de saída em um terminado período de tempo, estes valores de tensão e tempo quando aplicados em um gráfico formam uma trajetória cujo comportamento nomeia o tipo de onda. A geração dos sinais está baseada no funcionamento dos osciladores, que são circuitos eletrônicos capazes gerarem sinais alternados a partir de uma fonte de alimentação de corrente continua, ou seja, os osciladores não precisam de um sinal externo de referência para formação dos sinais de saída. Os osciladores são divididos em dois tipos: os harmônicos que produzem sinais

9 do tipo senoidal, e os de relaxação, que geram sinais não senoidais como o dente-de-serra, quadrado ou multivibrador. O produto em questão consiste de um gerador de função do tipo senoidal destinado especialmente para uso didático, mas com características e funcionalidades encontradas em produtos de uso laboratorial e profissional. As funções básicas deste aparelho permitem ao usuário escolher a frequência (tempo de um ciclo de oscilação), amplitude do sinal (tensão de saída), o DC offset (regulagem da componente média do sinal em relação a uma tensão de 0 V) e também a equalização (mesma amplitude) dos três sinais senoidais de saída, que são defasados entre si em 120°. 1.2 APLICAÇÕES DO PRODUTO Os circuitos geradores de ondas possuem uma gama muito ampla de utilização, estando presentes em qualquer equipamento cujo funcionamento esteja relacionado com fenômenos periódicos. São utilizados em geradores de funções e aparelhos de medição como frequencímetros, multímetros digitais e osciloscópios onde o sinal do circuito oscilador serve como valor de referência. Os geradores de funções são aplicados principalmente em laboratórios de eletrônica como fonte de sinal para testes em sistemas e aparelhos eletrônicos. Os sinais senoidais de um gerador de funções podem ser utilizados para testes em amplificadores de áudio, filtros de frequência e equalizadores com grande precisão (caso os sinais não possuam distorção). A figura a seguir representa uma onda senoidal que oscila a uma frequência de 60 Hz, note que o sinal da tensão varia com o decorrer do tempo indo do valor de pico positivo (1 V) ao valor de pico negativo atingido -1 V. Além dos valores de pico dos semiciclos, comumente denomina-se a amplitude de uma senoide pelo valor de tensão pico a pico, no caso 2 V .

10

FIGURA 1 – Exemplo de onda senoidal

1.3 FATORES DE INFLUÊNCIA NO PROJETO 1.3.1 PRODUTOS EXISTENTES NO MERCADO A pesquisa de mercado é um fator importante para a especificação dos valores meta do produto, pois é a ferramenta que possibilita a diferenciação do produto e as possíveis melhorias do mesmo, respeitando as características do que vem a ser o projeto reverso. Onde uma empresa vai produzir algo que pra ela é novo, mas que já existe no mercado (informações adicionais sobre a pesquisa dos produtos existentes podem ser encontradas no anexo A). Com a pesquisa, voltada principalmente para o mercado de produtos eletroeletrônicos

de

uso

laboratorial,

concorrentes os seguintes produtos:  Minipa: a) Modelo: MFG-4202

encontrou-se

entre

os

principais

11

- Distorção da Onda Senoidal: < 2% (10kHz, 5Vpp) - Amplitude de Saída: 2Vpp a 20Vpp em aberto; 1Vpp a 10Vpp com carga de 50 Ohms - Tolerância dos Limites da Amplitude de Saída: < 20% - Formas de Onda: Senóide, Quadrada e Triangular - Faixa de Freqüência: 0.2Hz a 2MHz em 7 faixas - Estabilidade em Freqüência: ±0.1% / min - Dimensões: 100(A) x 215(L) x 270(P)mm. - Peso: Aprox. 1.6kg. - Alimentação: 110V / 220V ± 10%, 50Hz / 60Hz ± 5%. - Consumo: Menos que 15W. b) Modelo:MFG-4221

- Consumo: Aprox. >>>

3

4

4

3

5

4

1

3

2,8

4 4

5 4

5 4

4 4

3 5

5 5

1

4

3,7

5 5

5 5

4 3

4 3

5 5

5 5

1,3 6,5

5 4

5 4

4 5

3 5

5 5

5 5

1,3 6,5

4 3

5 3

4 5

5 5

4 4

4 4

0,8 2,4 2,2

5 4

4 3

5 3

5 3

4 3

5 4

1.3 5,2 4,8

3

4

4

3

4

4

1

3

2,8

5

5

5

3

1

5

1

5

4,6

5

5

5

4

2

5

1

5

4,6

5

5

5

5

3

5

1

5

4,6

4

4

5

5

4

4

3

4

4

4

3

4

5

5

3

4

5

5

1,7 8,5 7,8

5

5

3

1

4

5

1,7 8,5 7,8

5

5

5

5

5

5

1

5

4,6

5 3

5 2

5 5

1 5

1 5

5 5

1

5

4,6

1

3

2,8

1,3 5,2 4,8 6

1,7 8,5 7,8 6

1

4

3,7

1

4

3,7

1

5

4,6

0.8 3,2 2,9 1

3

2,8

109 100

ANEXO C – CATALOGO TÉCNICO BORNES BR0

*modelo utilizado

ANEXO D – DIMENSÕES E TOLERÂNCIAS PARA O ENCAPSULAMENTO TO220

FONTE: KA78XX/KA78XXA - Positive Voltage Regulator – P. 25.

ANEXO E – CATALOGO TÉCNICO CONECTOR LATCH

*modelo utilizado