( PDF ) Estação de testes e de geração de relatórios para uso em linha de produção de fontes chaveadas

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ESTAÇÃO DE TESTES E DE GERAÇÃO DE

RELATÓRIOS PARA USO EM LINHA DE

PRODUÇÃO DE FONTES CHAVEADAS

FAETE JACQUES TEIXEIRA FILHO

CAMPO GRANDE

2006

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PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO

EM ENGENHARIA ELÉTRICA

ESTAÇÃO DE TESTES E DE GERAÇÃO DE

RELATÓRIOS PARA USO EM LINHA DE

PRODUÇÃO DE FONTES CHAVEADAS

Dissertação submetida à

Universidade Federal de Mato Grosso do Sul

como parte dos requisitos para a obtenção

do grau de Mestre em Engenharia Elétrica.

FAETE JACQUES TEIXEIRA FILHO

Campo Grande, Dezembro de 2006.

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ESTAÇÃO DE TESTES E DE GERAÇÃO DE RELATÓRIOS

PARA USO EM LINHA DE PRODUÇÃO DE FONTES

CHAVEADAS

Faete Jacques Teixeira Filho

‘Esta Dissertação foi julgada adequada para obtenção do Título de Mestre em Engenharia

Elétrica, Área de Concentração em Energia Elétrica em que foi realizado o trabalho, e

aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da

Universidade Federal de Mato Grosso do Sul.’

______________________________________

João Onofre Pereira Pinto, PhD

Orientador

______________________________________

João Onofre Pereira Pinto, PhD

Coordenador do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

Banca Examinadora:

______________________________________

João Onofre Pereira Pinto, PhD

Presidente

______________________________________

Valmir Machado Pereira, Doutor

Banca

______________________________________

Fausto Donizeti Dantas, Doutor

Banca

Dedico este trabalho primeiramente a Deus, e aos meus familiares e amigos pelo amor e

dedicação em todos os momentos.

AGRADECIMENTOS

Agradeço ao professor João Onofre pela orientação na realização deste trabalho e

pelas oportunidades oferecidas que serviram para o meu crescimento pessoal e profissional.

Também ao professor Gilberto que em muito me auxiliou durante este trabalho e aos colegas

de laboratório em cujas discussões de idéias serviram para nosso desenvolvimento.

Aos meus avós, Suamy e Rubens, sou muito grato por todo o apoio durante os anos

de graduação. Aos meus parentes e amigos que, durante esta jornada, de alguma forma

estiveram presentes e muito me apoiaram.

Aos meus pais, Faete e Eleanora, e irmãos, Rafael Larissa e Ariadne, pelo amor e

dedicação que me deram forças nos momentos difíceis no qual passei.

Resumo da Dissertação apresentada à UFMS como parte dos requisitos necessários

para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica.

ESTAÇÃO DE TESTES E DE GERAÇÃO DE RELATÓRIOS

PARA USO EM LINHA DE PRODUÇÃO DE FONTES

CHAVEADAS

Faete Jacques Teixeira Filho

Dezembro/2006

Orientador: João Onofre Pereira Pinto, PhD.

Área de Concentração: Energia Elétrica.

Palavras-chave: Aquisição de Dados, Carga Eletrônica, Estação de Teste, Fonte Chaveada,

Geração de Relatórios.

Número de Páginas: 112.

RESUMO: Este trabalho mostra uma estação teste de fontes chaveadas de baixa potência,

controlado por um software que processa as informações coletadas através de placa de

aquisição de sinais, permitindo a geração de relatórios de teste e armazenamento de dados de

forma confiável. Esta estação permite aumentar o volume de equipamentos testados em uma

linha de produção, bem como proporcionar um controle eficiente dos resultados de teste pela

automatização do processo, aumentando a confiabilidade dos resultados e permitindo um

controle de qualidade mais efetivo. A estação é composta por dois blocos fundamentais: o

módulo de potência e o módulo de processamento de sinais. O módulo de potência é

composto por um circuito de variação de tensão de entrada e uma carga eletrônica. Por sua

vez o módulo de processamento de sinais é composto por uma placa de aquisição de dados,

um software de controle, uma interface gráfica e um software de geração de relatório. O

software foi desenvolvido no ambiente LabVIEW da National Instruments. Embora já

exista produto similar no mercado, este produto foi desenvolvido visando o objetivo

principal de baixo custo de implementação, conseguido pela adaptação do projeto à

aplicação, e com qualidade comparável aos sistemas já existentes.

iii

Abstract of Dissertation presented to UFMS as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Master in Electrical Engineering.

REPORT GENERATOR AND TEST STATION FOR

SWITCH-MODE POWER SUPPLY PRODUCTION LINE USE

Faete Jacques Teixeira Filho

December/2006

Advisor: João Onofre Pereira Pinto, PhD.

Area of Concentration: Electric Energy.

Keywords: Data Acquisition, Electronic Load, Report Generator, Switch-Mode Power

Supply, Test Station.

Number of Pages: 112.

ABSTRACT: This work shows a low power switch-mode power supply test station,

controlled by a software which process the collected information through the use of a data

acquisition board, allowing test report generation and data storage in a reliable way. One of

the objectives of this station is to increase the equipment tested volume in a production line,

as well as providing an efficient control of the test results by process automatization,

increasing results reliability and allowing a more effective quality control. The system is

composed by two fundamental blocks: the power module and the signal processing module.

The power module is composed by an input voltage variation circuit and an electronic load.

The signal processing module is composed by a data acquisition board, a control software, a

graphical interface and report generation software. The software was developed in a

LabVIEW environment from National Instruments. Although there is similar product in the

market, this product was developed with the main objective of low cost goal, achieved by

project customization, with the quality comparable to the existing systems.

LISTA DE FIGURAS

Número Página

Figura 1.1 – Fontes chaveadas quanto às características de formas de onda de entrada e saída.

......................................................................................................................................2

Figura 1.2 – Diagrama de blocos de uma fonte chaveada ca-cc. ............................................3

Figura 1.3 – Teste de sustentação da tensão de saída..............................................................5

Figura 1.4 – Gráfico mostrando a obtenção do tempo de sustentação da tensão de saída. ....5

Figura 1.5 – Teste de regulação de linha. ................................................................................6

Figura 1.6 – Teste de regulação de carga.................................................................................7

Figura 1.7 – Teste de resposta dinâmica à variação de carga..................................................7

Figura 1.8 – testes de isolação..................................................................................................8

Figura 2.1 - Fluxograma de teste de fontes chaveadas. .........................................................13

Figura 2.2 – Topologia da Giga de testes...............................................................................16

Figura 2.3 - Atributo de geração de executáveis da licença Professional.............................18

Figura 2.4 - Diagrama de blocos da estação de testes de fontes chaveadas..........................19

Figura 3.1 - Módulo de alimentação em corrente alternada..................................................22

Figura 3.2 - Diagrama simplificado da carga eletrônica. ......................................................23

Figura 3.3 – Carga eletrônica com comando realizado em software. ...................................24

Figura 3.4 – Implementação em software da carga eletrônica. .............................................25

Figura 3.5 – Código desenvolvido para controle da carga eletrônica...................................26

Figura 3.6 - Circuito térmico como equivalente elétrico.......................................................27

Figura 3.7 – Circuito auxiliar para teste de curto-circuito.....................................................30

Figura 3.8 – Diagrama de blocos do isolador amplificador ISO 124P. ................................31

Figura 4.1 – Placa de aquisição de dados NI-6229 da série M. ............................................33

Figura 4.2 – Bloco conector para comunicação com a placa NI-6229. ................................33

Figura 4.3 – Condicionamento do sinal de tensão de saída adquirido. .................................34

Figura 4.4 – Rotina de aquisição da tensão de saída da fonte. ..............................................35

Figura 4.5 - Interface de usuário. ...........................................................................................36

Figura 4.6 – Diagrama de blocos do programa da interface de usuário................................37

Figura 4.7 - Fluxograma do programa. ..................................................................................38

Figura 4.8 – Diagrama de blocos com a rotina de geração de relatório................................39

Figura 5.1 – Protótipo da Giga de testes desenvolvida..........................................................40

Figura 5.2 – Vista superior da Giga de teste..........................................................................41

Figura 5.3 – Manual de instalação e uso do produto. ............................................................42

Figura 5.4 – Módulo de carga eletrônica. ..............................................................................43

Figura 5.5 – Esquema de ligação para testes com carga eletrônica. .....................................44

Figura 5.6 – Resposta da carga eletrônica para corrente de 2Amperes. ...............................45

Figura 5.7 – Resposta da carga eletrônica para corrente de 4 Amperes. ..............................45

Figura 5.8 - Resposta da carga eletrônica para corrente de 6 Amperes. ...............................46

Figura 5.9 - Resposta da carga eletrônica para corrente de 8 Amperes. ...............................46

Figura 5.10 - Resposta da carga eletrônica para corrente de 10 Amperes............................47

Figura 5.11 – Módulo de alimentação em corrente alternada. ..............................................48

Figura 5.12 – Regulação da fonte sob alimentação de tensão de 90 V

. .............................49

Figura 5.13 – Chaveamento da tensão de entrada. ................................................................50

Figura 5.14 – Tensão de saída da fonte (canal 1 - 10V/div) e tensão de gatilho do interruptor

(canal 2 - 10V/div). ....................................................................................................50

Figura 5.15 – Tensão de saída da fonte (canal 1 – 10V/div) e corrente de curto-circuito (canal

2 – 10A/div)................................................................................................................51

Figura 5.16 – Tensão de saída da fonte (canal 1 – 10V/div) e tensão entre dreno e source do

interruptor chave de curto-circuito (Canal 2 – 5V/div).............................................51

Figura 5.17 – Fim dos testes da fonte chaveada. ...................................................................52

Figura 5.18 – Resultados mostrados na interface após os testes...........................................53

Figura 5.19 – Resultados mostrados na interface – erro no teste a vazio. ............................54

Figura 5.20 – Resultados mostrados na interface – erro no teste a plena carga. ..................55

Figura 5.21 – Resultados mostrados na interface – erro no teste de curto-circuito..............56

Figura 5.22 – Interface de usuário após testes de carga. .......................................................57

Figura 5.23 – Interface gráfica após testes a vazio e de curto-circuito. ................................58

Figura 5.24 – Simulação de erro na regulação.......................................................................59

Figura 5.25 – Simulação de erro durante teste de curto-circuito...........................................59

Figura 5.26 – Simulação de erro na regulação de tensão. .....................................................60

LISTA DE TABELAS

Tabela 4.1 - Especificação do hardware DAQ PCI – 6229M. .............................................32

Tabela 4.2 - Exemplo de relatório para uma fonte. ...............................................................39

Tabela 5.1 – Resultados arquivados em relatório de testes. ..................................................53

Tabela 5.2 – Resultados arquivados em relatório – erro durante teste a vazio.....................54

Tabela 5.3 – Resultados arquivados em relatório – erro no teste a plena carga. ..................55

Tabela 5.4 – Resultados arquivados em relatório – erro no teste de curto-circuito..............56

Tabela 5.5 – Resultado armazenado em relatório..................................................................57

Tabela 5.6 – Resultados de teste a vazio e de curto-circuito.................................................58

Tabela 5.7 – Resultado arquivado da fonte - erro de regulação. ...........................................59

Tabela 5.8 – Resultado arquivado em relatório – falha durante curto-circuito. ...................60

Tabela 5.9 - Resultado arquivado em relatório – falha durante regulação de tensão. ..........61

Tabela 5.10 - Configuração mínima dos sistemas.................................................................62

vii

SUMÁRIO

CAPÍTULO 1...........................................................................................................................1

INTRODUÇÃO.......................................................................................................................1

1.1. Apresentação.........................................................................................................1

1.2. Dispositivos Conversores CA-CC........................................................................1

1.3. Processo Produtivo de Fontes Chaveadas ............................................................4

1.4. Requisitos de Qualidade em Fontes Chaveadas...................................................4

1.4.1. Tempo de Sustentação da Tensão de Saída ...............................................4

1.4.2. Regulação de Linha ....................................................................................5

1.4.3. Regulação de Carga....................................................................................6

1.4.4. Resposta Dinâmica .....................................................................................7

1.4.5. Teste de Isolação ........................................................................................8

1.4.6. Teste de Interferência Eletromagnética .....................................................8

1.5. Procedimento Manual de Teste de Fontes Chaveadas.........................................9

1.6. Objetivo do Trabalho..........................................................................................10

1.7. Estrutura do Trabalho .........................................................................................10

CAPÍTULO 2.........................................................................................................................12

DESCRIÇÃO DOS TESTES E CARACTERIZAÇÃO DA ESTAÇÃO...........................12

2.1. Testes Adaptados à Estação................................................................................12

2.1.1. Limites de Tensão de Entrada..................................................................13

2.1.2. Regulação de Carga..................................................................................14

2.1.3. Teste de Curto-Circuito............................................................................14

2.2. Caracterização da Estação de Testes de Fontes Chaveadas...............................15

2.2.1. Hardware...................................................................................................16

2.2.2. Software....................................................................................................17

2.3. Sistema Implementado........................................................................................18

CAPÍTULO 3.........................................................................................................................21

MÓDULO DE POTÊNCIA ..................................................................................................21

3.1. Circuito de Potência............................................................................................21

3.2. Módulo de Alimentação em Corrente Alternada. ..............................................21

viii

3.3. Carga Eletrônica..................................................................................................22

3.4. Módulo de Dissipação ........................................................................................27

3.5. Curto-Circuito .....................................................................................................29

3.6. Isolação dos Sinais..............................................................................................30

CAPÍTULO 4.........................................................................................................................32

PROCESSAMENTO DE SINAIS E CONTROLE .............................................................32

4.1. Placa de Aquisição de Dados..............................................................................32

4.2. Condicionamento de Sinais ................................................................................34

4.3. Software...............................................................................................................35

CAPÍTULO 5.........................................................................................................................40

PROTÓTIPO E RESULTADOS EXPERIMENTAIS ........................................................40

5.1. Protótipo Desenvolvido ......................................................................................40

5.2. Manual de Instalação e Uso do Produto.............................................................41

5.3. Carga Eletrônica..................................................................................................42

5.4. Módulo de Alimentação em Corrente Alternada ...............................................47

5.5. Estudo de Caso....................................................................................................48

5.5.1. Teste da Giga com Fonte Chaveada de 9 Volts e 2 Amperes .................48

5.5.2. Teste da Giga com Fonte Chaveada de 24 Volts e 2 Amperes...............56

5.6. Análise Comparativa...........................................................................................61

CAPÍTULO 6.........................................................................................................................63

CONCLUSÃO.......................................................................................................................63

6.1. Conclusão............................................................................................................63

6.2. Trabalhos Futuros ...............................................................................................64

6.3. Publicações Relacionadas ao Tema....................................................................65

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA......................................................................................66

Apêndice – A: Manual de instalação e uso do produto........................................................68

Anexo – A: Folha de dados do relé G2RL-1A-E .................................................................76

Anexo – B: Folha de dados do semicondutor IXFX 50N50 ................................................78

Anexo – C: Folha de dados do dissipador de calor ..............................................................81

Anexo – D: Folha de dados do ventilador 8500 N ...............................................................83

Anexo – E: Folha de dados do semicondutor IRF1607........................................................85

Anexo – F: Folha de dados do opto transistor SFH618A-4 .................................................88

Anexo – G: Folha de dados do isolador amplificador ISO124P..........................................91

Anexo – H: Folha de dados placa de aquisição de dados NI-6229 série M.........................95

Anexo – I: Exemplo de relatório de testes gerado pelo software.........................................98

1. CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

Neste capítulo é apresentada uma introdução à estação automática de testes e geração

de relatórios para fontes chaveadas de baixa potência. São inicialmente discutidos os testes

utilizados para avaliar o desempenho de fontes chaveadas. O modo manual de testes de um

fabricante é apresentado, para em seguida definir as características da estação de teste

proposta.

1.1. Apresentação

A energia elétrica disponível hoje, seja ao usuário doméstico como para os demais

setores da indústria e comércio, não é necessariamente uma conseqüência da necessidade

real dos equipamentos, os quais usam interna ou externamente de conversores de potência

para alimentação de seus circuitos. Cita-se como exemplo os usuários domésticos, nos quais

a maioria dos equipamentos faz uso de conversores de energia. A grande parte dos

dispositivos em uma residência, que usufruem desta energia, inicialmente passa por um

estágio de conversão como é o caso, por exemplo, dos equipamentos eletrônicos. Os

circuitos eletrônicos operam com tensões contínuas de alimentação, havendo então a

necessidade de uso dos conversores de energia.

No Brasil, dependendo da região, o fornecimento de energia elétrica se dá nos níveis

de 127 V

ou 220 V

(tensão alternada), sendo que em ambos os casos a freqüência é de 60

Hz. No entanto, em outros países pode-se encontrar os mesmos níveis de tensão, porém com

uma freqüência fundamental de 50 Hz. A competitividade e a necessidade de se manter no

mercado força as empresas a atenderem tais requisitos de tensão e freqüência em seus

equipamentos conversores.

Tais dispositivos responsáveis por transformação da energia são conhecidos como

conversores de potência, fontes ou também popularmente como adaptadores de corrente

alternada (CA).

1.2. Dispositivos Conversores CA-CC

Na Figura 1.1 pode ser observada a classificação dos conversores em relação as

característica das formas de onda de entrada e saída. Conforme pode ser visto na figura, tais

dispositivos podem retificar uma forma de onda alternada, inverter uma forma de onda

contínua, converter uma forma de onda contínua de um nível para um outro nível desejável

ou mudar a freqüência de uma forma de onda alternada, como no processo de ciclo-

conversão.

Retificação

Conversão

Inversão

Ciclo

conversão

)

Nível 1

Nível 2

Figura 1.1 – Fontes chaveadas quanto às características de formas de onda de entrada e saída.

Neste trabalho será dada maior ênfase as fontes chaveadas cuja saída esteja

fornecendo uma tensão contínua de alimentação sob tensão de entrada alternada. Tal fonte

chaveada é apresentada na forma de diagrama de blocos na Figura 1.2. Inicialmente um

estágio de retificação da tensão entrada é feito com posterior filtragem. Em seguida ocorre

um estágio de inversão, o qual passa por um transformador. Tal transformador pode ou não

promover um ganho através de sua relação de transformação. A saída do transformador é

então retificada e filtrada para fornecer a tensão de saída desejada. Tal tensão de saída é

então realimentada para comando do(s) interruptor(es) dentro do bloco de inversão.

Retificador

Filtro

Inversão

Transformador

Retificador

Filtro de

saída

Figura 1.2 – Diagrama de blocos de uma fonte chaveada CA-CC.

O avanço desde alguns anos da tecnologia de semicondutores, despertou interesse de

fabricantes para as fontes chaveadas de potência (switching-mode power supply - SMPS)

sobre as fontes lineares convencionais.

Fontes lineares fazem a conversão de energia, usando o princípio de dissipação da

energia o qual é necessária para se manter a regulação da saída. Isto é feito, por exemplo,

através de resistores e transistores. Isto torna o processo ineficiente devido ao seu princípio

que é dissipar a energia não necessária a custo de uma regulação da saída, o que afeta

diretamente a eficiência.

Uma fonte chaveada é um dispositivo eletrônico que possui em sua estrutura

reguladores baseados em interruptores, ou seja, um circuito de controle interno é responsável

por comandar um interruptor, tal como um MOSFET, nos estados de saturação e corte

rapidamente de forma a obter um valor médio da tensão ou corrente de saída estável.

Fontes chaveadas possuem maior eficiência, menor peso e tamanho reduzido se

comparado com as fontes lineares [1]. Isso se deve ao uso de componentes como capacitores,

indutores, transformadores e interruptores. Tais interruptores dissipam uma quantidade

pequena de potência em ambos os estados de condução e bloqueio, levando a uma conversão

de potência com perdas reduzidas e, consequentemente, maior eficiência no processo de

conversão. As perdas se devem basicamente as não idealidades dos componentes como a

resistência dos indutores, queda de tensão direta dos interruptores, perdas por comutação,

entre outras.

Tais fontes chaveadas, em aplicações domésticas, como por exemplo,

microcomputadores, normalmente possuem tensões de entrada alternada universais. Assim

estas podem aceitar tensões de alimentações alternadas ao redor do mundo com freqüências

de 50 ou 60Hz e níveis de 90V

a 240V

1.3. Processo Produtivo de Fontes Chaveadas

No processo produtivo que envolve a fabricação de fontes chaveadas em elevado

volume de produção, é de fundamental importância a adoção de um sistema de controle de

qualidade do produto, bem como a confiabilidade nos dados adquiridos durante a etapa de

testes. Assim, objetiva-se a manutenção de um padrão de qualidade ao usuário final, bem

como a rastreabilidade do produto em caso de necessidade, ou seja, permitir que, em caso de

defeito em algumas unidades, após certo período de operação, seja possível verificar a

conexão dos equipamentos defeituosos com algum lote específico. Nesse aspecto, a

adequada documentação e o acompanhamento do processo produtivo tornam-se

fundamentais para que, ao final da linha de produção, obtenha-se um equipamento de

qualidade [2 e 3], garantindo assim seu sucesso em um ambiente competitivo. Tais níveis de

qualidade e desempenho são discutidos em [4].

1.4. Requisitos de Qualidade em Fontes Chaveadas

Serão apresentados nos subitens que seguem os testes utilizados para caracterização

dos parâmetros de desempenho de fontes chaveadas. Normas do ieee (Institute of Electrical

and Electronics Engineers), principalmente a ieee std 446 [5] e a ieee std 399 [6], delimitam

condições na qualidade de energia suprida a sistemas elétricos. Tais sistemas elétricos podem

ser de emergência [5], comerciais ou industriais [6]. O desempenho exigido por cada sistema

faz-se pela adoção dos parâmetros de desempenho de alguns ou de todos os testes citados

nos itens de 1.4.1 a 1.4.6.

1.4.1. Tempo de Sustentação da Tensão de Saída

Este teste determina por quanto tempo a fonte é capaz de manter a sua corrente

nominal de saída frente a uma situação de interrupção da alimentação da tensão de entrada

do equipamento. Na Figura 1.3 é mostrado o diagrama de blocos para execução deste teste.

Para realização deste teste, uma interrupção da tensão de alimentação é simulada em uma

fonte operando com carga nominal. É analisado o tempo que a fonte permanece com sua

tensão acima de um valor mínimo V

omin

. Este parâmetro de tempo, também conhecido como

hold up time, é uma característica dos acumuladores de energia, tais como, os capacitores de

saída e de entrada e indutores.

Rede

Fonte

sob teste

CARGA

NOMINAL

Figura 1.3 – Teste de sustentação da tensão de saída.

Na Figura 1.4 pode ser observado como o tempo de sustentação de tensão de saída é

obtido. No instante t

indicado na figura, a tensão de alimentação é interrompida deixando a

cargo dos armazenadores de energia a manutenção da tensão de saída. No instante t

a tensão

de saída esta no valor mínimo V

omin

. A diferença entre t

e t

é o tempo de sustentação da

tensão de saída, ou seja, o tempo que fonte consegue manter sua tensão de saída em valores

admissíveis frente a uma interrupção da tensão de entrada.

Vonom

min

tf t

(t)

Figura 1.4 – Gráfico mostrando a obtenção do tempo de sustentação da tensão de saída.

1.4.2. Regulação de Linha

Este teste mede a resposta da tensão de saída da fonte sob teste frente a diferentes

condições de alimentação, ou seja, mediante as tensões de alimentação mínima, nominal e

máxima, com a fonte sob carga nominal. Na Figura 1.5 é apresentado o esquema de teste de

regulação de linha, onde a carga nominal é representada pela resistência R

. Verifica-se a

tensão de saída sob diferentes situações de alimentação da fonte. Nestas condições é

verificada a regulação da tensão, ou tensões no caso de mais de uma saída, conforme

Equação 1.1.

100*%

minmax

nom

−

(1.1)

Onde,

R% é a regulação de linha em percentagem do valor nominal.

omax

é a máxima tensão de saída em volts.

omin

é a mínima tensão de saída em volts.

nom

é o valor nominal da tensão de saída em volts.

Alimentação

Osciloscópio

Fonte

sob teste

Figura 1.5 – Teste de regulação de linha.

1.4.3. Regulação de Carga

Neste teste, uma mudança de carga é aplicada e a tensão de saída é verificada. O

diagrama de blocos deste teste é apresentado na Figura 1.6. Inicia-se com uma carga de 50%

da carga nominal da fonte e em seguida aumenta-se o nível para 100% do valor nominal de

carga. Os Parâmetros usados neste teste são a tensão máxima e mínima de saída, obtidas

respectivamente a 50% e 100% do valor de carga nominal conforme Equação 1.2.

100*%

minmax

arg

nom

−

(1.2)

Onde,

carga

é o valor de regulação de carga como variação percentual do valor nominal.

omax

é a tensão de saída em volts medida a 50% de carga.

omin

é a tensão de saída em volts medida a 100% de carga.

nom

é a tensão de saída nominal medida em volts.

Alimentação

(nominal )

Osciloscópio

Fonte

sob teste

50% carga

Figura 1.6 – Teste de regulação de carga.

1.4.4. Resposta Dinâmica

A resposta dinâmica frente a uma variação de carga é um parâmetro usado

principalmente, para se analisar o desempenho do circuito de controle. Este teste consiste em

aplicar um degrau de carga para se analisar o tempo de resposta na regulação da saída. Tal

teste pode ser observado na Figura 1.7.

100%

50%

Vo(t )

Figura 1.7 – Teste de resposta dinâmica à variação de carga.

Na Figura 1.7, após aplicação de uma variação em degrau de 50% a 100% de carga,

existe um tempo (t

) necessário ao sistema de controle para que a saída seja regulada em seu

valor nominal. A fonte, devido ao aumento de carga, sofre uma queda em sua tensão de saída

nominal que passa por um transitório até estabilizar-se por atuação do sistema de controle.

Igualmente para uma variação em degrau de 100% a 50% é necessário um tempo de resposta

) para que o circuito de controle volte a regular a saída em seu valor nominal. Esse tempo,

para ambos os casos também depende dos armazenadores de energia, como por exemplo, o

capacitor do filtro de saída o qual limita uma resposta rápida do sistema de controle durante a

mudança de carga.

1.4.5. Teste de Isolação

A isolação entre a entrada, a saída e a carcaça do equipamento é verificada neste teste.

Desta forma pretende-se verificar se tensões em níveis letais possam causar algum dano

maior ao usuário. Um nível de tensão alto, que pode ser contínua ou alternada, é aplicado a

fonte para verificar a isolação entre entrada saída e carcaça, e caso seja verificada alguma

corrente de fulga é acusado falha no teste. Na Figura 1.8 pode ser observado o esquema de

ligação para realização deste teste.

Fonte

Carcaça/

terra

Figura 1.8 – testes de isolação.

Duas situações são apresentadas na Figura 1.8, isolação entre a entrada e a saída e a

isolação entre a entrada e a carcaça da fonte.

1.4.6. Teste de Interferência Eletromagnética

Basicamente existem dois tipos de interferências eletromagnéticas (Electro-magnetic

Interference - EMI), irradiada e conduzida. Existem várias normas tais como as provenientes

da FCC (Federal Communications Commission) e as européias da VDE (Association for

Electrical, Electronic & Information Technologies) que determinam os limites admissíveis

para o ruído eletromagnético, bem como normas específicas para certos tipos de

equipamentos mais sensíveis a ruído e ambientes de uso como em [7].

Os testes de EMI irradiada são feitos tipicamente na faixa de 30MHz a 1GHz. A

captação dos campos elétrico e magnético emitidos pelo equipamento é feita por meio de

antenas localizadas em posições normalizadas. Normalmente as fontes são colocadas dentro

de caixas metálicas, onde os campos magnéticos produzidos permanecem confinados. A

blindagem deve envolver todo o circuito que produz interferência, formando uma “esfera

gaussiana”.

A EMI conduzida pela rede pode afetar o funcionamento de outros equipamentos

razão pela qual é imposto limites para esse tipo de interferência. A medição deste tipo de

interferência pode ser feita através de uma impedância de linha, colocada entre a rede e o

equipamento sob teste. Com auxílio de um analisador de espectro são feitas as medições.

1.5. Procedimento Manual de Teste de Fontes Chaveadas

A metodologia aplicada aos procedimentos de testes desenvolvido neste trabalho foi

proposta por um fabricante de fontes chaveadas, a empresa MCM Controles Eletrônicos,

sendo baseada nos testes realizados de forma manual por este fabricante, e recebendo

melhorias para adequação a uma estação automática de testes de fontes chaveadas. No modo

manual, a tensão de entrada é comutada nos seus limites, ou seja, submetidas a tensões de

entrada de 90V

e 240V

, através de tomadas especiais e os testes de carga efetuados com

banco de resistores configurados manualmente.

Tanto a execução dos testes quanto a leitura dos instrumentos e o preenchimento das

planilhas com os resultados são realizados de forma manual, sendo susceptível a erros por

falha humana nas diversas etapas. Erros de falha humana podem acontecer tanto na leitura

dos instrumentos, como no preenchimento das planilhas, entre outros erros. A partir da

análise do procedimento manual e, com auxilio dos responsáveis pelo setor de testes deste

fabricante, identificou-se as especificações que deveriam ser atendidas pelo sistema

automatizado. Isto permitiu compatibilidade entre a forma de testes anterior e a presente

proposta. Assim, com este sistema desenvolvido, obtém-se um ganho com relação ao

aumento da quantidade de fontes chaveadas testadas no mesmo intervalo de tempo, maior

confiabilidade e controle de qualidade do produto, eliminando erros gerados devido a

possíveis falhas humanas no processo. Além disso, o sistema proposto possui a importante

funcionalidade de gerar relatórios automaticamente com todos os resultados de testes de cada

fonte chaveada. Desta forma, é possível relacionar os dados de teste com o número de série e

o modelo em um lote específico.

1.6. Objetivo do Trabalho

Pretende-se com este trabalho, o desenvolvimento de uma estação de testes

automatizada para execução e controle de testes em fontes chaveadas de saída única. Tal

estação deve atender aos seguintes requisitos:

• Faixa de tensão de saída: 3V

a 60V

• Máxima corrente de teste: 10A.

• Potência mínima da fonte a ser testada: 5W.

• Potência máxima da fonte a ser testada: 300W.

• Tensão de alimentação universal: 90V

a 240V

em 60 Hz.

• Executar testes a vazio, de carga e de curto-circuito, sendo os

mesmos configuráveis pelo usuário.

• Geração de relatórios dos testes com situação da fonte

(aprovada ou reprovada).

• Software executável para instalação da estação de teste em

qualquer outra máquina, sem necessidade de aquisição de nova

licença.

A abordagem adotada no desenvolvimento deste trabalho visando a atender os

requisitos supracitados será apresentada nos capítulos que seguem.

1.7. Estrutura do Trabalho

Os capítulos que seguem estão estruturados da seguinte forma:

• Capítulo dois

: apresentação do diagrama geral da estação de testes proposta e

descrição dos testes a serem efetuados nas fontes chaveadas, bem como a

rotina elaborada para execução destes testes.

• Capítulo três

: o módulo de potência é discutido em mais detalhes mostrando

as suas partes constituintes.

• Capítulo quatro: o módulo de controle é detalhado, o software desenvolvido e

o módulo de comando e aquisição de dados é discutido detalhadamente.

• Capítulo cinco: resultados experimentais são apresentados com dois estudos

de caso. Uma análise comparativa do sistema implementado é então

desenvolvida.

• Capítulo seis: conclusões são apresentadas neste capítulo. Trabalhos futuros

são indicados na forma de melhorias que o sistema poderá receber.

2. CAPÍTULO 2

DESCRIÇÃO DOS TESTES E CARACTERIZAÇÃO DA

ESTAÇÃO

Neste Capítulo serão discutidos, com maiores detalhes, os testes objeto deste trabalho,

ou seja, limites de tensão de entrada, regulação de carga e teste de curto-circuito. Também

será apresentada a caracterização da estação de testes de fontes chaveadas detalhando o

hardware, o software e o sistema implementado.

2.1. Testes Adaptados à Estação

O procedimento de testes a ser implementado na estação desenvolvida, fundamental à

garantia do controle de qualidade, deverá seguir uma metodologia semelhante ao utilizado na

linha de produção de fontes chaveadas de baixa potência, no modo manual de avaliação, com

as devidas melhorias e adaptações necessárias à operação automatizada. A rotina de ensaios

foi obtida dos setores da empresa fabricante de fontes chaveadas de baixa potência

mencionada.

Existe uma infinidade de modelos de fontes chaveadas a serem submetidas aos testes.

Porém, uma característica comum a todos os modelos é a tensão de entrada universal, a qual

é admitida variar de 90V

a 240V

. Na saída, tais equipamentos fornecem tensões contínuas

com diferentes valores, os quais dependem do modelo da fonte. Na Figura 2.1 é mostrado

um fluxograma dos procedimentos de teste das fontes. O desenvolvimento do código fonte

do programa esta baseado no fluxograma da Figura 2.1. Inicialmente com as seleções do

usuário previamente preenchidas na interface, o programa inicia pelos testes de carga com

uma tensão de entrada de 90 V

ca.

Nesta etapa os níveis de carga selecionados são então

executados. Após os testes de carga aplica-se o curto-circuito. Em seguida a entrada é

chaveada para 240 V

e os testes de carga e de curto-circuito são executados novamente,

nesta ordem. Durante os testes, aquisição e processamento dos resultados são feitos tanto

para indicação visual ao usuário na interface como para armazenamento em relatório de

testes.

Relé 1 : Ligado

Tensão 90 Vca

INÍCIO

Fazer Teste

Incrementar

Seleção ?

Teste de carga

% Selecionada

Aquisição

Processamento

Aquisição

Processamento

FIM

Relatório

Relé 2: 240 Vac?

Curto Circuito?

Teste de Curto

Verificar Selecões

(0 10 50 90 100%)

Relé 2 : Ligado

Tensão 240 Vca

Sim

Não

Figura 2.1 - Fluxograma de teste de fontes chaveadas.

Nos itens 2.1.1 a 2.1.3 serão descritos os procedimentos de testes das fontes

chaveadas.

2.1.1. Limites de Tensão de Entrada

Nesta etapa pretende-se verificar o funcionamento do equipamento sob teste,

submetido aos valores limites de tensão ao qual o mesmo foi projetado. Desta forma,

aplicam-se à fonte os valores limites de tensão de entrada em operação. Inicialmente, uma

tensão de 90V

é comutada para a entrada do equipamento através de relés. Assim é

verificado se a saída do equipamento está regulada em seu valor nominal. Em seguida,

executam-se então os testes de carga e de curto-circuito requeridos pelo usuário. A tensão é

então comutada para 240V

através de relés e as avaliações são novamente executadas. Vale

ressaltar que, embora os testes sejam feitos somente nos limites da tensão de entrada, isto é

suficiente para garantir o funcionamento do equipamento por se tratar das condições limites

de operação.

2.1.2. Regulação de Carga

O teste de regulação de carga permite verificar a resposta da tensão de saída da fonte

chaveada sob teste frente a uma situação de variação de carga. Assim, com este teste

pretende-se verificar se a tensão de saída encontra-se dentro da faixa de tolerância admitida.

Embora os resultados analisados e arquivados para o relatório de testes sejam as tensões de

saída para as diversas condições de carga e a vazio inclusive, o índice de regulação de carga

calculado na equação 1.2 do item 1.4.3 pode ser facilmente calculado. No entanto, o que se

faz durante este teste é a verificação se a tensão de saída da fonte, nas diversas situações de

carga e a vazio, se encontra dentro dos limites impostos pelo usuário da estação de testes.

Faz-se assim concordância com os parâmetros de avaliação da empresa onde o sistema será

implantado.

Uma vez aplicado o limite inferior de tensão de entrada da fonte, são executados os

testes de carga. A escolha do nível de carga é selecionada pelo usuário, de acordo com o

modelo de fonte a ser testada, com as opções de 0% (vazio), 10%, 50%, 90% e 100% (plena

carga). Igualmente, a tolerância da tensão de saída para o limite inferior e superior também é

uma opção definida pelo usuário. Para cada valor limite de tensão de entrada, os testes são

executados e os valores de tensão de saída das fontes são armazenados em uma planilha,

informando em quais testes a tensão medida não permaneceu regulada, dentro da faixa de

tolerância. Assim, no relatório constarão os valores medidos de tensão de saída e se estes

valores estão dentro de sua tolerância para as condições de carga selecionadas.

2.1.3. Teste de Curto-Circuito

A reação do equipamento sob teste, frente a uma situação de curto-circuito é

necessária para se verificar a capacidade de proteção do dispositivo. Admiti-se desta forma

que após o curto-circuito o equipamento sob teste regule em sua tensão nominal ou

permaneça desligado.

Para realização deste procedimento, aplica-se o limite mínimo de tensão de entrada de

operação da fonte, 90V

. A seguir, aplica-se na saída um curto-circuito por um período pré-

determinado. Depois de retirado o curto-circuito, a fonte deve permanecer desligada ou

regular novamente em sua tensão de saída nominal, de acordo com as características de

operação do modelo. Permanecer desligada ou regular é um parâmetro da estação de testes

que deve ser selecionado, de acordo com a fonte chaveada a ser testada, antes do início dos

testes.

2.2. Caracterização da Estação de Testes de Fontes Chaveadas

A estação de testes desenvolvida deve atender ao maior número de modelos de fontes

chaveadas possíveis. Tais equipamentos são fabricados nas mais diversas potências,

fornecendo tensões de saída nos valores de 5V

, 9V

, 12V

, 19V

, 24V

e 30V

entre

outros. Dada as características das fontes existentes no mercado, a estação de teste foi

desenvolvida permitindo a verificação de fontes chaveadas no intervalo de 3V

a 60V

potências de 5W a 300W para uma tensão de alimentação universal, ou seja, os limites de

tensão atendem à faixa de 90V

a 240V

Dentre as aplicações a que se destinam, estão incluídos computadores tipo notebooks,

impressoras, PABX's, modems, terminais de processamento de dados e voz, dentre outras.

Visando garantir maior simplicidade de operação deste sistema, a implementação dos

blocos fundamentais será desenvolvida com circuitos de eletrônica de potência e comando

via PC (microcomputador) como mostrado na Figura 2.2. A bancada de testes será provida

com a devida isolação dos circuitos de potência e controle por acopladores ópticos e

amplificadores isolados. Em termos gerais, trata-se de uma Giga de testes onde as fontes

serão testadas através de uma rotina de procedimentos, utilizando o software LabVIEW e

uma placa de aquisição de dados.

Além do termo estação de testes, também é utilizado o termo Giga de testes no

decorrer deste trabalho o qual é comumente utilizado no ambiente industrial.

HARDWARE SOFTWARE

ISOLAÇÃO

Figura 2.2 – Topologia da Giga de testes.

2.2.1. Hardware

A função do hardware será prover para a fonte sob teste, os níveis de tensão de

entrada limites, simular diferentes condições de carga e aplicar o curto-circuito. Para

fornecer as tensões limites um módulo de alimentação em tensão alternada foi projetado, e

visando fornecer a variação de carga necessária optou-se por uma carga eletrônica. Um

circuito auxiliar foi desenvolvido para execução do curto-circuito.

Uma carga eletrônica é um dispositivo eletrônico capaz de prover valores de carga

dentro de um intervalo para a saída de uma fonte. Ela possui em sua estrutura, componentes

ativos, tais como MOSFETs de potência, possibilitando obtenção de níveis de carga que

podem ser controlados/programados por meio de um sistema de controle, sem necessidade

de chaveamentos ou ajustes, como seria em um banco com resistores.

A variação de carga requerida nos testes pode ser feita de diversas maneiras [8-10].

Adicionalmente, a mesma pode prover diversas funções tais como resistência constante,

potência constante, corrente constante ou tensão constante. No entanto, pretende-se

desenvolver um sistema que atenda à maior variedade de fontes, dentro de um intervalo de

tensão de entrada. Assim, uma boa opção para esta aplicação é a utilização de uma carga

eletrônica do tipo corrente constante, ou seja, o controle é feito através da corrente. Desta

forma têm-se um intervalo contínuo de cargas que podem ser simuladas, em comparação, por

exemplo, com banco de resistores. Uma característica desta carga com controle por corrente

reside no fato da simulação apenas de cargas para fontes CC. Assim, este sistema não simula

dinâmicas de cargas R-L e R-C, por exemplo, como é proposto em [11]. Adicionalmente um

módulo de dissipação será dimensionado para a carga eletrônica visando proteção contra a

excessiva elevação de temperatura da junção do componente [12].

2.2.2. Software

O LabVIEW é uma linguagem de programação gráfica onde a ordem de execução das

rotinas é determinada pelo fluxo dos dados, visualizado através de ícones, lembrando a idéia

de um fluxograma. O software, que pode ser utilizado somente como um programa de

simulação, em aplicações práticas como este trabalho, deve ser integrado a um sistema de

hardware composto por transdutores, bloco conector e placa de aquisição de dados,

transformando-se assim, em um sistema completo para aquisição e análise [13-15].

Este software possui a funcionalidade de criação de uma interface gráfica de usuário,

permitindo que o computador, em associação à placa de aquisição de dados (DAQ), se

transforme em um sistema de aquisição de dados completo e configurável, de acordo com as

especificações, limitado somente pela capacidade e tempo de resposta do sistema de

aquisição de dados [16-18].

De modo a permitir a implementação das funcionalidades, foi adquirida a licença do

LabVIEW Professional. Esta licença permite ao proprietário criar programas executáveis,

que não demandam a necessidade de instalação de uma nova licença do LabVIEW para cada

PC, ou seja, com a licença do LabVIEW Professional, é possível gerar um programa

executável (stand alone) o qual é instalado em qualquer outro microcomputador sem a

necessidade de aquisição de uma nova licença como é representado na Figura 2.3. O PC deve

atender aos requisitos mínimos, tais como o sistema operacional Windows XP e possuir

barramento PCI (Peripheral Component Interconnect) para a instalação da placa de

aquisição de dados. Assim, o usuário final poderá instalar o programa no computador e usá-

lo plenamente, sem a necessidade de adquirir novas licenças [19].

Computador de

Desenvolvimeto

HARDWARE SOFTWARE

APLICAÇÃO 1 APLICAÇÃO 2 APLICAÇÃO N

(Executável)

HARDWARE SOFTWARE

(Executável )

HARDWARE SOFTWARE

(Executável)

Licença

Profes sional

Figura 2.3 - Atributo de geração de executáveis da licença Professional.

2.3. Sistema Implementado

Um diagrama de blocos da estação de testes de fontes chaveadas de baixa potência é

mostrado na Figura 2.4. Como pode ser observado, a estação de testes é dividida em dois

módulos: potência e processamento de sinais. O módulo de potência é composto pela fonte

de tensão alternada de duas amplitudes, 90V

e 240V

; um circuito de chaveamento,

baseado em relés, entre os dois níveis de tensão; e uma carga eletrônica, a qual emula

diferentes valores de carga tipo corrente constante. Por sua vez, o módulo de processamento

de sinais é composto pela placa DAQ e pelo processador, o qual é um microcomputador

(PC) onde está instalado o software LabVIEW. A placa de aquisição é responsável pela

interface entre o módulo de potência e o processador. Através dela, tanto é feito o controle da

tensão de entrada quanto o da corrente de saída, ou seja, da carga eletrônica. O processador é

responsável pelo controle do sistema, armazenamento e processamento dos dados de teste,

interface gráfica com o usuário e emissão de relatórios.

O software utilizado no processador foi desenvolvido em ambiente LabVIEW da

National Instruments.

Do ponto de vista funcional, o diagrama de blocos mostrado na Figura 2.4 pode ser

descrito como segue. Uma vez que um tipo de teste é selecionado pelo usuário através da

interface gráfica mostrada no PC, tanto a tensão de entrada (90/240V

) quanto a carga

eletrônica são comandadas através de sinais enviados pela placa de aquisição de dados. Uma

vez comandados, inicia-se a aquisição dos valores de tensão e corrente para tratamento de

sinal, processamento, armazenamento e geração de relatório.

Na Figura 2.4 pode-se notar o sinal que é adquirido, ou seja, a tensão de saída da

fonte, e os três sinais que são enviados pela placa. Duas saídas digitais são utilizadas para

comando de cada um dos relés localizados após o estabilizador. Uma saída analógica é

utilizada para comando da carga eletrônica nos valores solicitados de corrente. Por fim, uma

saída digital é utilizada para comando do interruptor responsável pelo teste de curto-circuito.

Entre os módulos de potência e de controle é feita a isolação dos sinais, através de opto

acopladores, no caso das saídas digitais, e isoladores amplificadores, no caso de saídas

analógicas.

Fonte CA

Estabilizada

Fonte Chaveada

em teste

Carga

Eletrônica

Placa de

Aquisição de

Dados

Interface

Processamento

Teste

Curto-Circuito

Condicionamento/Isolação

Potência

Controle

Figura 2.4 - Diagrama de blocos da estação de testes de fontes chaveadas.

O diagrama de blocos mostrado na Figura 2.4 será então subdividido em duas partes,

potência e controle. No capítulo três será discutido o módulo de potência e no capítulo quatro

as partes constituintes do módulo de processamento de sinais.

3. CAPÍTULO 3

MÓDULO DE POTÊNCIA

Neste capítulo será proporcionada uma visão mais ampla do módulo de potência. Será

detalhado o funcionamento do módulo de alimentação em corrente alternada, o

desenvolvimento da carga eletrônica, bem como, o dimensionamento do dissipador, e

procedimentos para isolar os sinais entre os circuitos de controle e de potência.

3.1. Circuito de Potência

O módulo de potência foi projetado para ser compacto e apresentar padronização que

permita ao equipamento uma boa funcionalidade para a execução dos testes. Um grande

benefício obtido nesta alternativa é a simplificação do hardware. Comparado a um módulo

de carga eletrônica convencional, várias funções, tais como controle por corrente, potência

ou resistência constante e características de precisão das medidas e padrões de comunicação

(GPIB), estariam incrementando o seu preço. Desta forma, o projeto de uma carga eletrônica

otimizada, para a aplicação, se apresenta como uma solução robusta e com funções

direcionadas à aplicação exigida, além de reduzir o custo.

3.2. Módulo de Alimentação em Corrente Alternada.

O módulo de alimentação em corrente alternada projetado é mostrado na Figura 3.1.

O mesmo é responsável por fornecer na entrada do equipamento sob teste, as tensões limites

de operação. Basicamente, este módulo é composto por uma fonte estabilizada que fornece

uma tensão de 110V

em sua saída, desta forma, evitando que flutuações de tensão na rede

afetem os testes. Um transformador é conectado com o estabilizador, a fim de fornecer os

níveis de tensão necessários para os testes, ou seja, 90 V

e 240V

. Um determinado valor

de tensão alimentará a fonte chaveada para o teste de aplicação dos limites de tensões de

entrada e verificação de regulação da tensão na saída, para determinados valores de carga. O

circuito de chaveamento é feito utilizando relés eletromagnéticos. Tal relé é comandado pela

placa de aquisição de dados que posiciona o mesmo para que seja fornecida à fonte a tensão

requerida no presente teste. Saídas digitais são usadas para executar o comando dos relés.

Estas saídas são isoladas através de opto acopladores.

Estabilizador

110 Vac

Rede

Comando

Placa DAQ

240 Vac

90 Vac

0 Vac

Fonte

em teste

Figura 3.1 - Módulo de alimentação em corrente alternada.

Foram utilizados relés da Omron, modelo G2RL-1A-E, de 16A 250V. Estes relés são

capazes de suportar os níveis de tensão e corrente aos quais serão submetidos. No Anexo A

encontra-se a folha de dados deste componente.

3.3. Carga Eletrônica

Os valores de carga a serem aplicados durante os testes da estação serão definidos de

acordo com a potência e tensão de saída da fonte, ou seja, o modelo da fonte. No início do

procedimento, com o conhecimento do modelo de fonte chaveada, os valores de carga a

serem aplicados durante os testes (0% a 100%) são carregados pelo software para comando

da carga eletrônica.

Na Figura 3.2 o circuito da carga eletrônica é mostrado. É empregado neste módulo

um MOSFET de potência como meio de variar a carga. O controle é feito em malha fechada

através da alimentação da tensão da resistência shunt que é proporcional ao valor da corrente

de saída da fonte sob teste.

Shunt

ref

Dissipador

FONTE CHAVEADA SOB TESTE

1...4

(paralelo)

Figura 3.2 - Diagrama simplificado da carga eletrônica.

Inicialmente, com a carga desligada e com uma tensão de saída de uma fonte aplicada

na entrada da carga eletrônica (V

), não existe corrente fluindo através do resistor shunt R

a tensão aplicada em ambas as entradas do amplificador operacional IC

é nula. A saída do

amplificador operacional IC

também é igual a zero visto que, neste estado, a tensão de

referência (V

ref

) oriundo da placa de aquisição também é nula. Quando se dá o início de um

teste, um valor de tensão V

ref

é aplicado na entrada de IC

, fazendo com que a tensão de gate

aumente. Quando a tensão atinge o valor limite de saturação do componente, este começa o

processo de condução. Uma corrente I

começa a circular, passando pelo resistor R

que, por

sua vez, faz com que a tensão V

na entrada de IC

cresça, conforme Equação 3.1.

osh

IRV

(3.1)

Onde,

é a queda de tensão sobre a resistência R

é a resistência shunt

é a corrente da carga eletrônica.

A corrente I

continuará a aumentar, até que a tensão sobre a entrada inversora de IC

iguale a tensão de referência, conforme Equação 3.2.

GIRV

oref

⋅

(3.2)

Onde,

ref

é a tensão de comando vindo da placa de aquisição

é a resistência shunt

é a corrente que passa por R

G é o ganho proporcionado por IC

Assim, através do sinal de comando (V

ref

), oriundo da placa, é realizado o comando

da carga eletrônica para se alcançar o valor de corrente desejado.

Os interruptores M1 a M4, representada na Figura 3.2, é um conjunto de MOSFETs

de potência, em paralelo, dimensionados para suportar uma dissipação potência máxima de

300 watts, que é a potência entregue na saída da fonte de maior potência a ser testada. Os

interruptores utilizados são da

IXYS, modelo IXFX 50N50 e sua folha de dados é apresentada

no Anexo B.

Na Figura 3.3 é apresentada uma carga eletrônica usando o mesmo princípio

mostrado anteriormente. Neste caso todo o processamento que seria realizado pelos

componentes IC

e IC

agora é realizado em software.

Processamento em software

Shunt

ref

Dissipador

FONTE CHAVEADA SOB TESTE

1...4

(paralelo)

Figura 3.3 – Carga eletrônica com comando realizado em software.

A implementação do circuito da Figura 3.3 em software é mostrado na Figura 3.4

onde a queda de tensão V

na resistência shunt é adquirida e o erro em relação a tensão de

referência é calculada. Este erro é a entrada de um proporcional integral implementado com

uma discretização de 1 ms.

ref

gate

Figura 3.4 – Implementação em software da carga eletrônica.

A tensão aplicada no gate do interruptor é então uma função do erro conforme

equação 3.3

∑

+∗=

ipgate

nekneknV

)()()(

(3.3)

Onde,

gate

é a tensão aplicada no gate do interruptor

é o ganho proporcional

e é o erro em relação a tensão de referência

é o ganho do integrador

O erro da equação 3.3 é encontrado conforme equação 3.4

)()()( nVnVkne

refsh

−

∗

(3.4)

Onde,

k é o ganho aplicado a queda de tensão da resistência

shunt

é a queda de tensão através da resistência shunt

ref

é a tensão de referencia ou set point de corrente desejada

O código desenvolvido para o controle da carga eletrônica é mostrado na Figura 3.5.

Figura 3.5 – Código desenvolvido para controle da carga eletrônica.

Com esta modificação o valor de queda de tensão sobre R

passa a ser adquirido pela

placa que retorna o sinal de gatilho do interruptor. Com esta alteração obteve-se uma maior

precisão quando operando com valores de corrente abaixo de 1A, o qual era obtido como a

metodologia anterior com menos precisão podendo chegar a um erro de 50% com valores de

corrente inferiores a 300mA. A carga eletrônica desenvolvida utilizando a metodologia

apresentada na Figura 3.3 possui uma precisão de alguns milésimos de volts em todo o

intervalo desde 100mA até 10A, o que não era possível obter com a abordagem anterior.

Adicionalmente foi desenvolvida uma rotina para impedir que a tensão de gatilho do

interruptor chegue ao valor que resulte na plena condução do mesmo, evitando desta forma

danos ao interruptor. Isto pode acontecer, por exemplo, quando a fonte é desconectada,

fazendo com que a tensão de gatilho dos interruptores seja levado ao seu valor máximo, e

novamente conectada levando a uma corrente muito alta até que o sinal de gatilho, pela

atuação da malha fechada, chegue ao valor correspondente a corrente de carga desejada.

Devido a potência ser toda dissipada nos MOSFETs, uma desvantagem que surge é o

tamanho do módulo de dissipação necessário a garantir que o interruptor não seja danificado

pela alta temperatura de junção. Existe adicionalmente a necessidade de ventilação forçada

em conjunto com o módulo de dissipação como será mostrado no item 3.4.

3.4. Módulo de Dissipação

A função do módulo de dissipação é de diminuir a resistência térmica entre o

encapsulamento do componente e o ambiente. Desta forma, é possível trabalhar com o

interruptor na região de saturação, sem que haja danos para a mesma, evitando-se que a

temperatura ultrapasse o limite máximo do componente, causando danos ao mesmo.

A potência dissipada na pastilha semicondutora é transformada em calor, através de

efeito joule. Este calor produzido flui então para ambientes mais frios como o

encapsulamento e o ambiente. Se houver uma resistência muito grande entre encapsulamento

e ambiente, então haverá uma maior temperatura na junção do componente. Se a temperatura

for excessiva, ocorrerão danos a junção e consequentemente ao componente. O módulo de

dissipação trabalha de forma a reduzir a resistência térmica entre a cápsula e o ambiente,

reduzindo assim a temperatura da junção do componente.

Seja o circuito térmico mostrado na Figura 3.6 o qual é análogo a um circuito elétrico.

Neste equivalente elétrico a potência média é representada por uma fonte de corrente, as

temperaturas nos ambientes são representadas pelas tensões nos nós e as resistências

térmicas são análogas as resistências elétricas.

tjc

tc a

tcd

tda

dissipador

j T

Figura 3.6 - Circuito térmico como equivalente elétrico.

Neste circuito a temperatura do ambiente (T

) é conhecida e quer-se limitar a

temperatura da junção (T

) através do conjunto pasta térmica (R

tcd

) e dissipador (R

tda

). A

potência dissipada (P) no componente é conhecida, e a resistência térmica junção/cápsula

tjc

) é um dado que pode ser encontrado na folha de dados do componente. Pode-se então

proceder aos cálculos para se obter a temperatura da junção em regime permanente,

conforme Equação 3.5.

PRRTT

teqtjcaj

)(

(3.5)

Onde,

é a temperatura na junção do interruptor

é a temperatura ambiente

tjc

é a resistência térmica entre a junção do componente e a cápsula

teq

é a resistência térmica equivalente entre cápsula e o ambiente

P é a potência dissipada no interruptor

A resistência térmica equivalente entre cápsula e ambiente após inclusão do módulo

de dissipação é encontrada através da Equação 3.6.

tcdatca

teq

⋅

= (3.6)

Onde,

teq

é a resistência térmica equivalente entre a cápsula e o ambiente

tca

é a resistência térmica entre a cápsula e o ambiente sem o dissipador

tcda

é a resistência térmica do conjunto pasta térmica e dissipador

Considerando a ventilação do dissipador, a resistência térmica do mesmo é de

aproximadamente 0,08 ºC/W. Valores típicos para a resistência térmica da pasta

desconsiderando utilização de isolação entre cápsula e dissipador está em torno de 0,1 ºC/W.

A resistência térmica resultante do conjunto (R

cda

) é de 0,18 ºC/W. Nos Anexos C e D

podem ser consultados as folha de dados do dissipador e do ventilador utilizados,

respectivamente.

A resistência térmica entre a junção do componente e a cápsula é de 0,055 ºC/W e

para a resistência térmica entre cápsula e ambiente têm-se o valor típico de 30 ºC/W,

conforme dados do componente constante no Anexo B. Se considerarmos o interruptor sem

o módulo de dissipação tem-se então conforme Equação 3.5 somente com a resistência

térmica entre cápsula e ambiente. Então conforme Equação 3.7:

CPRRTT

teqtjcaj

º5,9056300*)30055,0(40)(

(3.7)

A equação 3.7 mostra a necessidade do dissipador. Agora, adicionando o dissipador

ao interruptor tem-se conforme Equação 3.8:

tcdatca

teq

/º179,0

18,30

18,0*30

⋅

= (3.8)

Isto nos leva segundo Equação 3.5 a uma temperatura na junção do componente de:

CPRRTT

teqtjcaj

º2,110300*)179,0055,0(40)(

(3.9)

Os cálculos feitos na Equação 3.9 levam em consideração uma temperatura ambiente

máxima de 40ºC com uma potência em regime permanente de 300W. O valor de temperatura

de junção do componente obtido neste calculo é inferior ao máximo valor suportável pelo

componente de 150 ºC, garantindo a integridade do mesmo diante a pior condição de teste de

uma fonte chaveada.

3.5. Curto-Circuito

O circuito auxiliar utilizado para simular o curto-circuito é mostrado na Figura 3.7. O

mesmo é constituído de um MOSFET de alta corrente em série com uma resistência, a fim

de limitar o valor de corrente ao seu valor nominal. Um pulso de largura pré-definida é

enviado ao interruptor e, em seguida, a tensão de saída é medida. Um MOSFET modelo

IRF1607 de 100A/75V foi utilizado neste circuito, o qual é acionado pelo sinal de controle

através do componente hclp-3180, um circuito integrado de gate driver. A folha de dados do

MOSFET utilizado pode ser consultada no Anexo E.

FONTE CHAVEADA SOB TESTE

CARGA

E LE TRÔ NI CA

GA TE

DRIV E R

Hcpl-3180

CONTROLE

Figura 3.7 – Circuito auxiliar para teste de curto-circuito.

Através de testes experimentais com fontes chaveadas disponíveis em laboratório, foi

constatado que mediante a uma situação de curto-circuito o sistema de controle atua em no

máximo 100ms, ou seja, sete ciclos da tensão de alimentação (60 Hz).

3.6. Isolação dos Sinais

Existem dois tipos de sinais para operação com circuitos de isolação: os sinais digitais

e os analógicos. Os comandos dos relés são sinais digitais que são isolados através de opto

acopladores de baixa corrente de entrada, sendo utilizados os modelos SFH618A-4 da

Vishay. Os dados deste componente encontram-se no Anexo F.

Para isolação dos sinais de comando da carga, aquisição da tensão de entrada e da

tensão da resistência shunt, foi utilizado o amplificador isolador de baixo custo ISO-124P, da

Texas instruments. A folha de dados deste componente pode ser consultada no Anexo G. O

diagrama de blocos deste componente é apresentado na Figura 3.8. Este componente usa

uma saída e uma entrada que são galvanicamente isoladas entre por meio de um capacitor

isolador de 1pF.

A entrada é modulada através de uma razão cíclica (duty-cycle) e transmitida através

da barreira. O amplificador A

mostrado na Figura 3.8 integra a diferença entre a corrente de

entrada e uma fonte de corrente que é comutada nos valores de 100uA ou -100uA. Para

entender o processo de modulação, assume-se que o sinal de entrada V

= 0V. Neste caso o

integrador irá produzir em sua saída uma rampa, visto que existe uma fonte de corrente de

100uA. Quando a saída deste integrador excede um limite, a corrente de comparação é

chaveada para -100uA fazendo com que a rampa de saída do integrador agora decresça.

Desta maneira, uma onda triangular com razão cíclica de 50% é gerada para ser transmitida

pela barreira.

Após transmissão pela barreira, do sinal modulado, o amplificador sensor detecta a

transição através da barreira capacitiva e comuta a fonte de corrente para o integrador A

com o processo similar mostrado anteriormente. No estágio de saída a corrente modulada é

proporcional a corrente pelo resistor de 200kΩ, desta forma é produzida a tensão V

out

que é

igual a tensão V

. Como pode ser visto na Figura 3.8, este componente necessita de duas

fontes simétricas e isoladas entre si para sua operação. Tal componente mostrou-se uma

alternativa rápida e de segurada operação.

Figura 3.8 – Diagrama de blocos do isolador amplificador ISO 124P.

4. CAPÍTULO 4

PROCESSAMENTO DE SINAIS E CONTROLE

Neste capítulo será apresentado o hardware utilizado para o sistema de aquisição de

dados, bem como o software empregado para desenvolver a interface gráfica e comunicação

do hardware. A interface gráfica do usuário será apresentada e as opções disponíveis ao

usuário serão mostradas.

4.1. Placa de Aquisição de Dados

Foi utilizada neste trabalho uma placa de aquisição de dados PCI multi-função,

pertencente à família 6229 da série M, conforme especificado na Tabela 4.1. Trata-se de uma

placa de aquisição de 16 bits de resolução tanto para a saída como para entrada, a qual é

encaixada no barramento PCI do computador. Uma listagem mais detalha desta placa é

apresentada no Anexo H.

Tabela 4.1 - Especificação do hardware DAQ PCI – 6229M.

Quantidade Resolução Amostragem Intervalo (V)

Entradas

Analógicas

32 Simples

Diferenciais

16 Bits 200 kS/s [ -10 ... +10 ]

Saídas

Analógicas

4 16 Bits 10 kS/s [ -10 ... +10 ]

Portas

Digitais

48 - - -

Considerando-se o maior intervalo de aquisição de um sinal de tensão e com uma

resolução de 16 bits, obtêm-se uma resolução menor que 0,5mV na entrada da placa. Na

Figura 4.1 é apresentada a placa de aquisição utilizada neste trabalho.

Figura 4.1 – Placa de aquisição de dados NI-6229 da série M.

Um bloco conector é utilizado para disponibilizar as saídas disponíveis na placa ni-

6229 e pode ser examinado na Figura 4.2.

Figura 4.2 – Bloco conector para comunicação com a placa NI-6229.

4.2. Condicionamento de Sinais

Para a etapa de aquisição da tensão de saída da fonte deve-se ter o cuidado para não

exceder o limite de tensão de ±10V, evitando-se assim, a danificação das entradas analógicas

da placa. Visando esta proteção um divisor resistivo para a aquisição do sinal de tensão foi

implementado. Este divisor pode ser observado na Figura 4.3. Após a aquisição uma etapa de

filtragem, através da média, é feita no sinal visando eliminar ruído. Um ganho é aplicado ao

sinal com o objetivo de refletir o valor real da tensão de saída da fonte chaveada sob teste.

Com este procedimento os valores são então processados e armazenados pelo software.

FONTE CHAVEADA SOB TESTE

Filtro

(média)

Ganho

Taxa: 2kHz

Nº Amostras: 1000

R1: 24k

R2: 3,3k

Ganho : 8,3525

Software

Figura 4.3 – Condicionamento do sinal de tensão de saída adquirido.

O código fonte da rotina de aquisição, filtragem e ganho desenvolvido para esta tarefa

de aquisição é apresentado na Figura 4.4.

Figura 4.4 – Rotina de aquisição da tensão de saída da fonte.

4.3. Software

O software LabVIEW foi escolhido pela sua praticidade de uso e, por ser um produto

com diversos recursos na área de aquisição de dados. Possui uma interface gráfica amigável

e de fácil programação.

Na Figura 4.5 é apresentada a interface do programa implementado. O usuário tem

controle total sobre os testes a serem executados, além da opção de configurar uma nova

fonte desde que a mesma respeite os limites do hardware. Os resultados são mostrados ao

usuário na forma de cores, indicando se uma fonte foi aprovada (verde claro), não testada

(verde escuro) ou reprovada (vermelho) em um determinado teste.

Figura 4.5 - Interface de usuário.

O programa desenvolvido em linguagem LabVIEW responsável pelo funcionamento

da interface da Figura 4.5 é apresentado na Figura 4.6.

Figura 4.6 – Diagrama de blocos do programa da interface de usuário.

Na Figura 4.7 é mostrado um fluxograma de execução do algoritmo do programa

desenvolvido.

É possível notar os sinais que são enviados ao hardware e os sinais adquiridos para

armazenamento e processamento em software. Após o término de um teste, todos os

resultados armazenados no banco de dados são processados, tanto para emissão dos

relatórios como para visualização dos resultados pelo usuário, através da interface gráfica.

Retorna-se então ao início do procedimento, aguardando que um novo teste seja iniciado.

Relé 1 : Ligado

Tensão 90 Vca

Curto Circuito?

Teste de Curto

Primeira Selecão

Especificações da fonte

Seleção de testes

Armazenar

Selecão

Marcada?

Selecão?

Teste de carga

Armazenar

Ligar Relé 2?

Tensão 240 Vca

Gerar Relatório

Armazenar

Software Hardware

Figura 4.7 - Fluxograma do programa.

Para gerar os relatórios a partir do conjunto de dados coletados, foi utilizado o

LabVIEW Report Generation. Trata-se de um conjunto de bibliotecas bastante flexíveis,

com ferramentas para criar e editar relatórios no ambiente LabVIEW. Esta ferramenta possui

um conjunto de blocos que possibilitam gerar arquivos nos formatos Microsoft Word e

Excel, e várias opções para formatação destes documentos. Na Tabela 4.2 são mostrados os

resultados dos testes em uma fonte chaveada.

Tabela 4.2 - Exemplo de relatório para uma fonte.

Nº. Série: 99911000550016

Código: FON192

Vazio 10% 50% 90% 100% Curto

90 Vac

24,11 24,02 23,66 23,30 23,21 Aprovado

240 Vac

24,11 24,03 23,68 23,34 23,26 Aprovado

______________________________APROVADA_____________________________

O código desenvolvido gera a cada teste completado uma tabela similar a Tabela 4.2,

que é uma tabela padrão onde somente serão preenchidos os campos referentes aos testes

solicitados. Os campos referentes aos testes não solicitados são preenchidos com zeros. Na

parte superior da Tabela 4.2 é escrito o modelo e o código da fonte e na parte inferior a

situação final da fonte chaveada sob teste, ou seja, aprovada ou reprovada.

A rotina do programa responsável por gerar os relatórios é mostrada na Figura 4.8.

Figura 4.8 – Diagrama de blocos com a rotina de geração de relatório.

5. CAPÍTULO 5

PROTÓTIPO E RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Neste capítulo será apresentado o protótipo desenvolvido neste trabalho. Testes com a

carga eletrônica serão mostrados e posteriormente todos os testes serão executados com uma

fonte chaveada. Uma discussão será feita a respeito dos custos da estação desenvolvida.

5.1. Protótipo Desenvolvido

A estação de teste é mostrada na Figura 5.1. Nesta figura podemos notar o módulo de

ventilação bem como a maneira de se conectar uma fonte a ser testada. Também nesta figura

é possível notar o CD (compact disc) de instalação do software. Esta estação em conjunto

com a placa de aquisição de dados, que não está sendo mostrada nesta figura, está agora

pronta para ser instalada em qualquer computador para plena operação. Ressalva-se que o

computador onde a estação será instalada deve ter encaixe PCI e estar rodando o software

Windows.

Um manual de instalação e de uso do produto foi elaborado visando apresentar o

produto e mostrar a correta instalação e manuseio do mesmo, sendo apresentado no

Apêndice A. Neste manual também é utilizado o termo Giga de testes, o qual é um termo

comumente utilizado no ambiente industrial.

Figura 5.1 – Protótipo da Giga de testes desenvolvida.

Fonte

Instalador

Ventilação

Cabo de Força

Na Figura 5.2 uma vista superior da Giga de teste é mostrada, onde pode-se notar no

canto inferior esquerdo instruções básicas de operação ao usuário.

Figura 5.2 – Vista superior da Giga de teste.

5.2. Manual de Instalação e Uso do Produto

Um manual de instalação e de uso do produto foi elaborado visando apresentar o

produto e mostrar a correta descrição, instalação e manuseio do mesmo. Na Figura 5.3 é

apresentada uma página do manual. O manual completo pode ser consultado no Apêndice A.

O objetivo deste manual é prover ao usuário os passos necessários para completa

configuração do sistema. Inicialmente, no primeiro capítulo deste manual, é apresentada a

composição da estação de testes. Posteriormente no segundo capítulo são dadas instruções

para instalação da placa de aquisição de dados e do software, bem como, os requisitos

mínimos do computador onde a estação será instalada. Por último é apresentada a interface

de usuário e opções de configuração dos testes a serem executados.

Figura 5.3 – Amostra de uma página do manual de instalação e uso do produto.

5.3. Carga Eletrônica

A carga eletrônica desenvolvida é mostrada na Figura 5.4, onde pode-se notar os

interruptores devidamente fixados ao dissipador com o ventilador logo atrás.

Figura 5.4 – Módulo de carga eletrônica.

Visando verificar a resposta dinâmica da carga eletrônica desenvolvida, para diversos

valores de corrente de carga, bem como, avaliar quanto a precisão nos valores solicitados,

foram feitos testes simulando diversos níveis de carga. Na Figura 5.5 é apresentado o

esquema de ligação para realização dos testes com a carga eletrônica. O uso de uma

resistência shunt implica em valores de tensão da ordem de milésimos de volts, o qual se

torna susceptível a ruídos. Para as medidas de corrente em regime permanente foi utilizado

um amperímetro, com o intuito de se obter nesta situação um valor mais preciso de corrente.

Interruptores

Ventilação

Dissipador

Osciloscópio

Fonte

R47

CARGA

ELE TRÔNI CA

Figura 5.5 – Esquema de ligação para testes com carga eletrônica.

Na Figura 5.6 é mostrada a dinâmica da carga eletrônica para uma solicitação de 2

ampères. Para medida do valor de corrente foi usada a medida do maior valor dentro da

janela do osciloscópio. Esta medida não reflete o valor exato mas foi utilizada, visto que,

medidas de valores médios ou eficazes ocasionariam em utilizar toda a janela do

osciloscópio levando a um valor incorreto. O valor médio, caso utilizado, deveria ser

analisado após a carga ter entrado em regime permanente em uma janela completa do

osciloscópio. Para tanto um amperímetro foi colocado em série como auxílio na medida de

corrente em regime permanente.

Na forma de onda da Figura 5.6 foi detectado um valor de 19,2 mV que,

considerando a escala de 106mA/mV, nos leva a uma corrente de 2,04A. No entanto, a

precisão vista no multímetro em regime permanente, na mesma situação, foi de alguns

milésimos de volts (menor que 5mV).

Figura 5.6 – Resposta da carga eletrônica para corrente de 2 ampères.

Na Figura 5.7 uma solicitação de 4 ampères foi comandada. Nota-se que a carga leva

em torno de 500 ms para completa regulação do valor solicitado de corrente (4A).

Figura 5.7 – Resposta da carga eletrônica para corrente de 4 ampères.

2,12A/div

O comando da carga para um corrente de 6 amperes é mostrada na Figura 5.8 na qual

nota-se um tempo menor para se atingir o regime permanente em relação a Figura 5.7.

Figura 5.8 - Resposta da carga eletrônica para corrente de 6 ampères.

Correntes de 8 e 10 ampères são mostradas na Figura 5.9 e na Figura 5.10

respectivamente.

Figura 5.9 - Resposta da carga eletrônica para corrente de 8 ampères.

2,12A/div

Figura 5.10 - Resposta da carga eletrônica para corrente de 10 ampères.

Em todos os casos de corrente solicitada pela carga, a precisão manteve-se na ordem

de alguns milésimos de volts, validando assim o hardware desenvolvido. Também para

correntes com valores variando desde 100mA a 1000mA, a precisão manteve-se na mesma

ordem de grandeza.

Em decorrência da amostragem na aquisição da tensão da resistência shunt surgem

degraus, que podem ser observados na Figura 5.10 de forma mais acentuada. Da mesma

forma para cargas maiores leva-se menos tempo para atingir o regime permanente.

5.4. Módulo de Alimentação em Corrente Alternada

Na Figura 5.11 pode ser observado o módulo de alimentação CA, onde observa-se o

estabilizador CA, conectado ao transformador. Após o transformador é possível notar os dois

relés utilizados, à direita do transformador, bem como, os opto acopladores em uma placa

própria desenvolvida para este propósito.

2,12A/mV

Figura 5.11 – Módulo de alimentação em corrente alternada.

5.5. Estudo de Caso

Nos subitens 5.5.1 e 5.5.2 serão apresentados dois casos onde será utilizado o

protótipo desenvolvido para executar todos os testes disponíveis na interface de usuário.

Serão utilizadas duas fontes chaveadas disponíveis no mercado visando validar o sistema.

Algumas formas de onda serão apresentadas, bem como o relatório gerado após os testes.

5.5.1. Teste da Giga: Fonte Chaveada de 9 Volts e 2 Amperes

Os testes se iniciam com o limite inferior de tensão aplicado na entrada da fonte como

mostrado na Figura 5.12. No canal 1 é mostrado o momento em que a tensão de saída regula

em seu valor nominal, já sob uma tensão de alimentação conforme mostrado no canal 2.

Estabilizador

ransformador

Relés

Opto acopladores

Desta forma é mostrado na Figura 5.12 o momento em que a tensão de saída da fonte regula

em seu valor nominal decorrido alguns segundo do início da alimentação de uma tensão de

90V

. Nesta condição a saída leva alguns segundos até que se obtenha a regulação. Devido a

este detalhe, a programação em software foi melhorada no sentido de aguardar que a fonte

regule antes de se iniciar a aquisição da tensão de saída da fonte.

Figura 5.12 – Regulação da fonte sob alimentação de tensão de 90 V

Após execução dos testes na tensão de 90V

, a tensão é chaveada para 240V

conforme pode ser visualizado na Figura 5.13, canal 2. No instante t

indicado, um ocorre o

desligamento da tensão de alimentação de 90V

, enquanto que, no instante t

o chaveamento

dos relés aplica à entrada da fonte uma tensão de 240V

, iniciando-se desta forma os testes

neste nível de tensão de entrada. No canal 1 pode-se observar a tensão de 9 volts que ainda

se mantém após desligamento da tensão de alimentação da fonte.

Figura 5.13 – Chaveamento da tensão de entrada.

Com a tensão de alimentação de 90 V

o teste de curto-circuito implementado a e

forma de onda da tensão na saída da fonte, bem como, o pulso de tensão de gatilho é

mostrado na Figura 5.14. É possível notar no canal 2 o pulso enviado a o interruptor para o

curto-circuito com uma duração de 200ms. Durante aproximadamente 100ms ocorre uma

queda de tensão na saída até que o sistema de controle desligue a fonte por um tempo pouco

maior que 350ms, quando a fonte volta a regular sua tensão de saída para o valor nominal, ou

seja, para 9 volts.

Figura 5.14 – Tensão de saída da fonte (canal 1) e tensão de gatilho do interruptor (canal 2).

Canal 1

H – 100ms/div

V – 10V/div

Canal 2

H – 100ms/div

V – 10V/div

A Figura 5.15 apresenta a tensão de saída, bem como, a corrente de curto-circuito

(canal 2). Observa-se que a corrente de curto-circuito é de aproximadamente 10 A durante

100ms, o qual é interrompido por atuação do sistema de controle.

Figura 5.15 – Tensão de saída da fonte (canal 1) e corrente de curto-circuito (canal 2).

Na Figura 5.16 a tensão no interruptor é mostrada no canal 2 em comparação com a

tensão de saída da fonte no canal 1. Neste caso o desligamento do interruptor é comandado

sob tensão zero, visto que a fonte foi desligada pelo circuito de controle.

Figura 5.16 – Tensão de saída da fonte (canal 1) e tensão entre dreno e source do interruptor

de curto-circuito (Canal 2).

Canal 1

H – 100ms/div

V – 10V/div

Canal 2

H – 100ms/div

V – 10A/div

Canal 1

H – 100ms/div

V – 10V/div

Canal 2

H – 100ms/div

V – 15V/div

O fim dos testes de carga é indicado na Figura 5.17 quando a tensão de alimentação é

desligada.

Figura 5.17 – Tensão de saída (canal 2) e tensão de alimentação da fonte.

O tempo de duração para os testes de carga e de curto-circuito está em torno de 2

minutos. Ao final destes testes são disponibilizados ao usuário os resultados na interface

gráfica conforme Figura 5.18. É possível notar nesta interface, na aba de configuração, as

características da fonte testada. Na aba de resultados podem-se observar em verde claro os

testes que foram aprovados, com um indicador de andamento dos testes.

Figura 5.18 – Interface gráfica disponibilizada para o usuário após os testes.

Na Tabela 5.1 pode-se visualizar os resultados que foram armazenados no arquivo de

relatório gerado após finalização do procedimento. Pode ser observada a queda na tensão de

saída da fonte chaveada com o aumento da carga, e a aprovação nos testes de curto-circuito.

Tabela 5.1 – Resultados arquivados em relatório de testes.

Nº Série: 1

Código : 1

Vazio 10% 50% 90% 100% Curto

90 Vac

9,28 9,19 8,84 8,49 8,40 Aprovado

240 Vac

9,29 9,21 8,86 8,51 8,42 Aprovado

______________________________APROVADA_____________________________

Uma simulação de falha da fonte com uma tensão de saída abaixo da mínima

permitida é apresentada na Figura 5.19. Nesta situação a cor vermelha é o indicativo ao

usuário de falha neste teste, e a cor verde escuro é a cor indicativa de que o teste não foi

selecionado.

Figura 5.19 – Resultados mostrados na interface – erro no teste a vazio.

Os resultados arquivados para estes testes podem ser visualizados na Tabela 5.2.

Sendo somente o teste a vazio selecionado, enquanto que para as demais cargas são

preenchidos com zeros.

Tabela 5.2 – Resultados arquivados em relatório – erro durante teste a vazio.

Nº. Série: 999911000550002

Código: FON0099

Vazio 10% 50% 90% 100% Curto

90 Vac

0,13 0,00 0,00 0,00 0,00 XXXX

240 Vac

0,13 0,00 0,00 0,00 0,00 XXXX

______________________________REPROVADA_____________________________

Uma fonte com falha na regulação da tensão de saída, sob carga nominal, é

apresentada na Figura 5.20.

Figura 5.20 – Resultados mostrados na interface – erro no teste a plena carga.

Os resultados deste teste encontram-se na Tabela 5.3. Pode-se observar que a tensão

de saída foi de 7,31 V

, muito abaixo do mínimo estipulado de 10% em relação a tensão

nominal de 9 V

Tabela 5.3 – Resultados arquivados em relatório – erro no teste a plena carga.

Nº. Série: 999911000550002

Código: FON0099

Vazio 10% 50% 90% 100% Curto

90 Vac

9,27 0,00 0,00 0,00 7,31 XXXX

240 Vac

9,29 0,00 0,00 0,00 7,35 XXXX

______________________________REPROVADA_____________________________

Na situação da Figura 5.21 ocorre uma falha durante o teste de curto-circuito.

Figura 5.21 – Resultados mostrados na interface – erro no teste de curto-circuito.

A Tabela 5.4 mostra os resultados arquivados para esta falha. É possível notar nesta

tabela que a fonte é aprovada no teste a vazio, mas falha durante o teste de curto-circuito.

Tabela 5.4 – Resultados arquivados em relatório – erro no teste de curto-circuito.

Nº. Série: 999911000550002

Código: FON0099

Vazio 10% 50% 90% 100% Curto

90 Vac

9,28 0,00 0,00 0,00 0,00 Reprovado

240 Vac

9,29 0,00 0,00 0,00 0,00 Reprovado

______________________________REPROVADA_____________________________

5.5.2. Teste da Giga: Fonte Chaveada de 24 Volts e 2 Amperes

Embora tenha sido usado o mesmo procedimento de análise e validação dos testes

conforme mostrado no item 5.5.1, neste caso serão mostrados somente os resultados da

interface e do arquivo de saída gerado. Algumas situações de falha da fonte chaveada sob

teste serão apresentadas.

Na Figura 5.22 pode-se observar os resultados da interface após execução dos testes

em todos os níveis de carga. É possível notar na aba de configuração as características da

fonte sob teste, assim como o modelo e código da fonte.

Figura 5.22 – Interface de usuário após testes de carga.

Tais resultados são armazenados no relatório e estão apresentados na Tabela 5.5.

Tabela 5.5 – Resultado armazenado em relatório.

Nº. Série: 99911000550016

Código: FON192

Vazio 10% 50% 90% 100% Curto

90 Vac

24,11 24,03 23,68 23,28 23,21 XXXX

240 Vac

24,11 24,01 23,58 23,18 23,09 XXXX

______________________________APROVADA_____________________________

Resultados com execução dos testes a vazio e curto-circuito são mostrados na Figura

5.23 e na Tabela 5.6.

Figura 5.23 – Interface gráfica após testes a vazio e de curto-circuito.

Tabela 5.6 – Resultados de teste a vazio e de curto-circuito.

Nº. Série: 99911000550016

Código: FON192

Vazio 10% 50% 90% 100% Curto

90 Vac

24,11 0,00 0,00 0,00 0,00 Aprovado

240 Vac

24,11 0,00 0,00 0,00 0,00 Aprovado

______________________________APROVADA_____________________________

Foi simulada uma condição de regulação da tensão de saída fora do intervalo de

tolerância sob carga nominal, o qual é mostrado na Figura 5.24. Nesta figura pode se

observar a indicação em vermelho para o teste onde ocorreu falha. Na Tabela 5.7 é mostrado

o resultado arquivado no relatório.

Figura 5.24 – Simulação de erro na regulação.

Tabela 5.7 – Resultado arquivado da fonte - erro de regulação.

Nº Série: 99911000550016

Código : FON192

Vazio 10% 50% 90% 100% Curto

90 Vac

24,11 0,00 0,00 0,00 22,31 Aprovado

240 Vac

24,11 0,00 0,00 0,00 22,31 Aprovado

______________________________REPROVADA_____________________________

Uma condição de fonte com problema de regulação da tensão de saída após o teste de

curto-circuito é apresentada na Figura 5.25 e os resultados na Tabela 5.8.

Figura 5.25 – Simulação de erro durante teste de curto-circuito.

Tabela 5.8 – Resultado arquivado em relatório – falha durante curto-circuito.

Nº. Série: 99911000550016

Código: FON192

Vazio 10% 50% 90% 100% Curto

90 Vac

24,11 0,00 0,00 0,00 0,00 Reprovado

240 Vac

24,11 0,00 0,00 0,00 0,00 Reprovado

______________________________REPROVADA_____________________________

Por fim uma situação de regulação de tensão fora do limite de tolerância foi simulada.

Neste caso uma resistência série foi adicionada fazendo com que a tensão medida fosse

menor quanto maior a carga, causando falha durante os testes de 90% e 100% de carga.

Resultados da interface gráfica e do relatório são apresentados respectivamente na Figura

5.26 e na Tabela 5.9.

Figura 5.26 – Simulação de erro na regulação de tensão.

Tabela 5.9 - Resultado arquivado em relatório – falha durante regulação de tensão.

Nº. Série: 99911000550016

Código: FON192

Vazio 10% 50% 90% 100% Curto

90 Vac

24,11 23,93 23,21 22,50 22,32 XXXX

240 Vac

24,11 23,94 23,21 22,49 22,31 XXXX

______________________________REPROVADA_____________________________

5.6. Análise Comparativa

A Giga de testes desenvolvida apresenta algumas vantagens quando comparada a um

sistema configurado com instrumentos e equipamentos de mercado. Como exemplo, cita-se a

redução do custo de aquisição dos elementos necessários para compor um sistema que

desempenhe a mesma tarefa, tal como a redução na quantidade de elementos ativos no

sistema. Assim reduz-se a quantidade de conexões e simplifica-se a configuração e operação

do sistema.

Visando proporcionar uma comparação justa, foi escolhida a alternativa de mercado

que apresenta o menor custo de implementação e funcionalidades similares, dentre diversas

alternativas propostas por representantes dos fabricantes de instrumentos de medição e

equipamentos de teste.

A alternativa escolhida utiliza uma Fonte Geradora de Corrente Alternada, acrescida

de Mainframe para a Carga Eletrônica, Módulos de Carga Eletrônica e Placa GPIB para

conexão ao computador. Um software específico para esta aplicação foi desenvolvido.

Nesta alternativa, seriam necessárias duas placas GPIB para comunicação, sendo que

a primeira placa seria utilizada na comunicação com a carga eletrônica a ser adquirida. A

segunda placa seria responsável por comandar os relés de entrada, responsável por alternar a

tensão entre os limites inferior e superior das fontes CC. Na Tabela 5.10 é apresentado um

comparativo da configuração dos dois sistemas.

Na tabela comparativa, os itens indicados com "X" apresentam a necessidade de uso

em ambos os sistemas, podendo ser considerada a mesma configuração do equipamento.

Tabela 5.10 - Configuração mínima dos sistemas.

Convencional LabVIEW

CPU

X X

Placa GPIB

2 0

Placa NI

0 1

Carga Eletrônica

1 1

Licença Windows

X X

Toolkit for Office

0 1

Software

X X

O desenvolvimento deste projeto, o qual resultou em um equipamento que

desempenha a mesma função, será composto por uma Placa de Aquisição de Dados Multi-

função da National Instruments, Toolkit do Office e uma Carga Eletrônica totalmente

controlada e desenvolvida especificamente para o projeto. Tal sistema apresenta a vantagem

de utilizar uma carga eletrônica direcionada à aplicação, a qual tem custo reduzido se

comparado a uma carga eletrônica encontrada no mercado, a qual exige a aquisição do

Mainframe específico para garantir sua operabilidade. Além da eliminação do uso do

Mainframe, diversas funções presentes no módulo de Carga Eletrônica comercial não

apresentam aplicabilidade neste projeto e, portanto, não foram implementadas, o que justifica

a grande redução no custo deste componente.

6. CAPÍTULO 6

CONCLUSÃO

Neste capítulo conclusões serão apresentadas e indicações de futuros trabalhos,

acrescentando melhorias que podem ser incrementadas ao sistema, serão discutidas.

6.1. Conclusão

O presente trabalho mostrou uma estação para testes de fontes chaveadas e geração de

relatórios utilizando o ambiente LabVIEW. Tal ambiente de desenvolvimento possibilitou,

em conjunto com uma placa de aquisição de dados, a implementação de uma estação de

testes atendendo as necessidades de testes em fontes chaveadas. O módulo de potência foi

mostrado, e seu modo de funcionamento explicado. A eletrônica de potência relacionada ao

comando dos relés, da carga eletrônica e do circuito auxiliar de curto-circuito foi detalhada.

A carga eletrônica desenvolvida no decorrer deste trabalho foi desenvolvida de duas formas,

sendo que obteve-se maior precisão da mesma quando feito o controle por malha fechada em

software, conforme apresentado. Desta forma obteve-se um ganho em relação a precisão da

carga. Os principais componentes desta estação de teste, inclusive o manual do proprietário,

foram discutidos ao longo do trabalho e também nos anexos para consulta.

O módulo de controle foi desmembrado em suas partes constituintes e

detalhadamente explicado. A escolha da linguagem LabVIEW para desenvolvimento do

programa, possibilitou que para o usuário final não seja necessário a aquisição de uma nova

licença do software. Desta forma o computador onde será instalado o sistema, somente

necessita atender aos requisitos mínimos conforme consta no manual do proprietário que foi

elaborado.

Resultados experimentais foram apresentados visando validar o protótipo. Testes

completos foram feitos em dois modelos de fontes apresentando os resultados gráficos e o

resultado arquivado nos relatórios de testes. Algumas condições de falhas foram simuladas

para ambas as fontes e apresentadas na interface e no relatório. Resultados de testes com a

carga eletrônica até o valor de corrente nominal foram apresentados, e os mesmos mostraram

uma precisão satisfatória. Ao final uma análise comparativa com um sistema convencional

foi exemplificada, mostrando a viabilidade do sistema.

O protótipo desenvolvido apresenta um custo de implementação inferior, comparado

a um sistema desenvolvido com equipamentos de linha. Isso foi possível através da

eliminação de funcionalidades no protótipo apresentado, como por exemplo, a carga

eletrônica, em relação ao sistema convencional. Embora haja menos funcionalidades, elas

não prejudicam a qualidade dos testes.

Este protótipo pode receber melhorias para trabalhos futuros conforme será

mencionado no item 6.2.

6.2. Trabalhos Futuros

Algumas das funcionalidades que podem ser estudadas, para serem adicionadas em

futura versão deste protótipo, podem ou não requerer algumas alterações dentro do hardware

e/ou software. A seguir serão citadas algumas das alterações recomendadas para futuros

estudos e como estas modificações provavelmente seriam executadas:

•

Teste de Hold up time: Possivelmente não necessitaria de alterações no

circuito de potência já que se trata de uma aquisição de tensão que é iniciada a

partir do momento que cessa a alimentação da fonte. Uma alteração na

programação, e sincronismo do início da aquisição da tensão com o comando

da tensão de alimentação seria uma alternativa para inclusão deste teste.

•

Teste com múltiplas fontes: Necessitaria profunda alterações dependendo da

abordagem. Considerando o desenvolvimento de uma carga eletrônica para

cada fonte, o hardware deveria então ser projetado e a programação adaptada.

O caso de testes simultâneos seria então um desafio maior.

•

Resposta Dinâmica: A carga eletrônica desenvolvida não aplica degraus de

carga, como é usado no teste de dinâmica do item 1.4.4 devendo então ser

estudada uma outra abordagem para esse teste, possivelmente com inclusão de

um novo circuito de potência.

•

Teste de fontes com saída múltiplas: Neste caso um novo hardware deve ser

desenvolvido, tendo em vista que alguns testes devem ser feitos

simultaneamente em todas as saídas.

•

Teste de sobrecarga: Pode ser adicionado sem alterações em hardware,

devendo ser estudada antes a reação esperada da fonte diante a esta condição.

•

Interface de configuração de parâmetros: com alterações somente em

software pode-se permitir ao usuário configurar, por exemplo, o tempo de

curto-circuito, o tempo para inicio das aquisições de tensão e o tempo que se

espera que a fonte regule a saída depois de alimentada na entrada, entre outras

opções.

•

Teste de overshoot: Uma vez implementado o teste de resposta dinâmica este

teste poderia ser adicionado através de alterações somente em software.

6.3. Publicações Relacionadas ao Tema

No decorrer do desenvolvimento deste trabalho dois artigos foram aceitos para

publicação. Uma publicação foi apresentada na VII Conferência Internacional de Aplicações

Industriais (INDUSCON) e uma outra na revista da Associação Brasileira de Eletrônica de

Potência (SOBRAEP) e são listadas abaixo:

•

Teixeira Filho, F. J. ; Pereira Pinto, J. O. ; Tatibana, G. S.; LOW COST

AUTOMATIC TEST AND REPORT GENERATOR SYSTEM FOR SWITCH-

MODE POWER SUPPLY USING LABVIEW ENVIRONMENT. in: VII

INDUSCON, 2006, Recife.

•

Teixeira Filho, F. J. ; Pereira Pinto, J. O. ; Tatibana, G. S.; SISTEMA DE

TESTES E GERAÇÃO DE RELATÓRIOS PARA USO EM LINHA DE

PRODUÇÃO DE FONTES CHAVEADAS. Aprovado e em edição para

revista: Associação Brasileira de Eletrônica de Potência SOBRAEP, 2006.

7. REFERÊNCIA BIBLIOGRAFICA

[1] Abraham I., "Switching Power Supply Design", New York, McGraw-Hill, 1991.

[2] Krause, P.; Freimut, B.; Suryn, W., "New directions in measurement for software

quality control," Software Technology and Engineering Practice, 2002. STEP 2002.

Proceedings. 10th International Workshop on, pp. 129- 143, 6-8 Oct. 2002.

[3] Richard, C.; Helps, G.; Hawks, V.D., "Instrumentation technologies for improving

manufacturing quality," Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing

& Coil Winding Conference, 1999. Proceedings , pp.567-571, 1999.

[4] Junfeng Li; Yong Long; Qinping Liu, "Advanced manufacturing technology, quality of

product and level of performance: empirical evidence from Chongqing," Services

Systems and Services Management, 2005. Proceedings of ICSSSM '05. 2005

International Conference on , vol.1, pp. 486- 490 Vol. 1, 13-15 June 2005.

[5] Institute of Electrical and Electronics Engineers, Recommended Practice for

Emergency and Standby Power Systems for Industrial and Commercial Applications,

ieee std 446, 1995.

[6] Institute of Electrical and Electronics Engineers, Recommended Practice for Industrial

and Commercial Power Systems Analysis, ieee std 399, 1990.

[7] International Electrotechnical Comission, International Special Committee on Radio

Interference, Limits and methods of measurement of radio disturbance characteristics

of electrical motor-operated and thermal appliances for household and similar

purposes, electric tools and electrical apparatus, CISPR 14, third edition, 1993.

[8] Park Jong-Yeon; Jung Dong-Youl, "Electronic ballast with constant power output

controller for 250 W MHD lamp," Industrial Electronics, 2001. Proceedings. ISIE

2001. IEEE International Symposium on , vol.1, pp.46-51 vol.1, 2001

[9] Meng-Yueh Chang; Jiann-Yow Lin; Shih-Liang Jung; Ying-Yu Tzou, "Design and

implementation of a real-time lossless dynamic electronic load simulator," Power

Electronics Specialists Conference, 1997. PESC '97 Record., 28th Annual IEEE , vol.1,

pp.734-739 vol.1, 22-27 Jun 1997

[10] Butler, P.; Moya, L.; Reichman, D.; Ripple, R.; Peterkin, F., "High power battery tester

development," Power Modulator Symposium, 2002 and 2002 High-Voltage Workshop.

Conference Record of the Twenty-Fifth International , pp. 257- 261, 30 June-3 July

2002

[11] Guan-Chyun Hsieh; Jung-Chien Li, "Design and implementation of an AC active load

simulator circuit ," Aerospace and Electronic Systems, IEEE Transactions on , vol.29,

no.1 pp.157-165, Jan 1993.

[12] D.S.Steinberg, “Cooling Techniques for Electronic Equipment”, John Wiley & Sons,

Inc., 1980.

[13] J. Rahman, L. Wenzel “The Applicability of the Visual Programming Language

LabView to Large Real-Word Applications”, IEEE, pp. 99-106, 1995.

[14] Swain, N.K.; Anderson, J.A.; Ajit Singh; Swain, M.; Fulton, M.; Garrett, J.; Tucker,

O., "Remote data acquisition, control and analysis using LabVIEW front panel and real

time engine," SoutheastCon, 2003. Proceedings. IEEE , pp. 1- 6, 4-6 April 2003.

[15] Korrapati, R.; Anderson, J.A.; Swain, N.K.; Swain, M., "System modeling using virtual

instruments," SoutheastCon, 2002. Proceedings IEEE , pp.121-126, 20.

[16] Parish, D.J.; Reeves-Hardcastle, P., "Rapid prototyping using the LabVIEW

environment," AUTOTESTCON '96, 'Test Technology and Commercialization'.

Conference Record , pp.235-238, 16-19 Sep 1996.

[17] Kang Jitao; Gan Yadong; Quan Qingquan, "The method of developing Virtual

Instrument Platform," Autonomous Decentralized Systems, 2000. Proceedings. 2000

International Workshop on , pp.64-67, 2000

[18] G. Gilder, “Data Flow Visual Languages”, IEEE Potentials, vol. 01, pp. 30-33, 1992.

[19] LabVIEW user manual, National Instruments, 2003.

[20] N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins, Power Electronics: converters,

applications, and design, John Wiley & Sons, 2

Edition, New York, USA, 1995.

[21] R. W. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Second edition,

2001.

Apêndice – A:

Manual de instalação e uso do produto

Anexo – A:

Folha de dados do relé G2RL-1A-E

Anexo – B:

Folha de dados do semicondutor IXFX

50N50

Anexo – C: Folha de dados do dissipador de calor

Anexo – D:

Folha de dados do ventilador 8500 N

Anexo – E:

Folha de dados do semicondutor IRF1607

Anexo – F:

Folha de dados do opto transistor SFH618A-

Anexo – G:

Folha de dados do isolador amplificador

ISO124P

Anexo – H:

Folha de dados da placa de aquisição de

dados NI-6229 série M.

Anexo – I:

Exemplo de relatório de testes gerado pelo

software

Nº Série: 99911000550016

Código : FON192

Vazio 10% 50% 90% 100% Curto

90 Vac 24,11 23,93 23,21 22,50 22,32 XXXX

240 Vac 24,11 23,94 23,21 22,49 22,31 XXXX

______________________________REPROVADA_____________________________

Nº Série: 99911000550016

Código : FON192

Vazio 10% 50% 90% 100% Curto

90 Vac 24,11 24,02 23,66 23,30 23,21 Aprovado

240 Vac 24,11 24,03 23,68 23,34 23,26 Aprovado

______________________________APROVADA_____________________________

Nº Série: 99911000550016

Código : FON192

Vazio 10% 50% 90% 100% Curto

90 Vac 24,11 0,00 23,68 0,00 0,00 Aprovado

240 Vac 24,11 0,00 23,68 0,00 0,00 Aprovado

______________________________APROVADA_____________________________

Nº Série: 99911000550016

Código : FON192

Vazio 10% 50% 90% 100% Curto

90 Vac 24,11 0,00 23,68 0,00 0,00 Reprovado

240 Vac 24,11 0,00 23,68 0,00 0,00 Reprovado

______________________________REPROVADA_____________________________

Nº Série: 99911000550016

Código : FON192

Vazio 10% 50% 90% 100% Curto

90 Vac 24,11 0,00 0,00 0,00 0,00 Aprovado

240 Vac 24,11 0,00 0,00 0,00 0,00 Aprovado

______________________________APROVADA_____________________________

Nº Série: 99911000550016

Código : FON192

Vazio 10% 50% 90% 100% Curto

90 Vac 24,11 0,00 23,69 0,00 0,00 XXXX

240 Vac 24,12 0,00 23,69 0,00 0,00 XXXX

______________________________APROVADA_____________________________

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