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Otimizando um projeto (ART624)

Eis um tema de grande importância para todos que montam circuitos eletrônicos, principalmente iniciantes e estudantes: fazer com que o projeto tenham o desempenho esperado. Neste artigo mostramos como levar o projeto ao seu ponto de máximo, analisando o que pode ser melhorado em cada caso e explicando porque os circuitos não funcionam sempre como esperamos.

Depois de montarmos um aparelho exatamente como indicado num esquema, numa publicação técnica ou como obtido após o nosso projeto, podemos ter a surpresa de não vê-lo funcionar da maneira esperada. Mesmo com os ajustes, se existirem, podemos não alcançar o ponto ideal de funcionamento ou mesmo a condição mínima para que possamos usá-lo. Transmissores têm pequeno alcance, receptores não captam bem as estações mais fracas, amplificadoras "tocam" baixo ou com distorção, motores não alcançam a máxima velocidade, controles não atuam da forma esperada, sensores não têm a sensibilidade desejada, temporizadores não alcançam o tempo desejado, circuitos de áudio apresentam ruídos e assim por diante. O que fazer num caso desses? É o que veremos neste artigo.

Evidentemente, partimos da idéia de que o projeto se encontra correto e que deve existir algum problema relacionado com a montagem. Tudo isso só deve ser concluído depois de fazer as verificações comuns (valores de componentes, soldas frias, ajustes, ganho de transistores, etc.).

O que ocorre é que os componentes eletrônicos possuem tolerâncias e elas são levadas em conta num projeto de uma maneira às vezes muito geral. Um resistor tem tolerâncias de 5 a 20% tipicamente, enquanto que um capacitor pode chegar a 40%. Para os ganhos dos transistores as variações são ainda maiores.

Se diferenças muito grandes de valores, entre o que o autor do projeto usou e o montador empregou ocorrerem, diferenças sensíveis de funcionamento serão inevitáveis. Mesmo quando desenvolvemos um projeto, o valor ideal de um componente para uma função precisa ser experimentado.

Tudo isso nos leva à necessidade de eventualmente fazermos uma "otimização" de um projeto. A otimização consiste em se alterar experimentalmente valores de componentes de modo a se obter o melhor comportamento.

É claro que essa otimização não deve ser feita de maneira aleatória, mas sim com um conhecimento da técnica que é justamente o que vamos ensinar como deve ser feito a partir de agora.

 

OTIMIZANDO

Para que o leitor tenha uma idéia do que ocorre, vamos dar como exemplo o simples acendimento de dois LEDs num projeto, conforme mostra a figura 1.

 

Acendimento de LED em um projeto.
Acendimento de LED em um projeto.

 

Um cálculo simples mostra que nas aplicações comuns com 6 V para que um LED funcione normalmente basta ligar em série um resistor de 470 ?. No entanto, quando compramos LEDs num fornecedor comum, esses LEDs têm suas tolerâncias e com isso características diferentes.

Isso significa que, mesmo ligados no mesmo circuito, em série com resistores de mesmo valor, eles vão brilhar com intensidades diferentes! Esse fato pode prejudicar a aparência da montagem!

Para otimizar o projeto o que fazemos então é reduzir um pouco o valor do resistor que está em série com o LED que brilha menos, ou se preferirmos aumentar um pouco o valor do resistor com o LED que brilha mais.

Podemos experimentar valores próximos de 470 ? como 390 ? e 510 ? ou ainda ligar em série com o de maior brilho um resistor de menor valor, como mostra a figura 2.

 

Ligando resistores próximos de 470 ?.
Ligando resistores próximos de 470 ?.

 

Partindo dessa idéia temos então as seguintes possibilidades:

 

a) LEDs com brilhos diferentes

É o caso tomado como exemplo: alteramos os resistores em série com o LED de modo a obter um casamento de brilhos. Para LEDs individuais que brilham pouco podemos reduzir um pouco o valor do resistor, mas devemos ter cuidado, pois uma corrente excessiva pode queimá-los.

 

b) Baixo Ganho de Circuitos

Transistores possuem ganhos que podem variar numa faixa muito ampla de valores. Um BC548, por exemplo, tem ganhos entre 125 e 800.

Se o projeto original exige um transistor de maior ganho, isso pode ser indicado no texto ou pelo sufixo BC548B, BC548C, por exemplo. O não uso do componente conveniente pode trazer problemas de falta de sensibilidade. Uma sugestão neste caso para otimizar o projeto consiste em:

* Trocar os transistores responsáveis pela amplificação dos sinais fracos (transistores de entrada)

* Alterar levemente os resistores que polarizam esses transistores

* Alterar o valor de capacitores de acoplamento de sinais se o ganho manifesta perda com sinais de determinadas freqüências.

* Se o projeto utiliza circuito integrado verificar a possibilidade de se trocar o CI

Uma outra possibilidade consiste no uso de componentes de acoplamento de sinais com características impróprias. Isso pode ocorrer com transformadores e bobinas.

Num transmissor, a alteração das espiras num acoplamento entre bobinas pode ajudar a resolver esse problema, otimizando o funcionamento do circuito.

 

c) Distorções

As distorções de sinais de áudio podem ocorrer por diversos motivos, sendo que em alguns casos a correção do problema pode ser conseguida por uma simples otimização do projeto. Transistores com ganhos diferentes numa etapa de saída simétrica, por exemplo, como mostra a figura 3, podem fazer com que os sinais tenham os semiciclos amplificados de forma diferente, causando distorções.

 

Distorção causada pelos diferentes ganhos dos transistores.
Distorção causada pelos diferentes ganhos dos transistores.

 

Se o montador puder medir o ganho dos transistores ficará mais fácil descobrir qual o que está muito diferente do especificado e fazer a troca. De outra forma, o problema pode ser corrigido pela troca experimental do componente.

Outra causa para distorções é uma alteração de valor de um componente de polarização ou carga, num circuito conforme mostra a figura 4.

 

Distorção causada pela alteração do valor de R2.
Distorção causada pela alteração do valor de R2.

 

Se, pela tolerância, os resistores dessa configuração estiverem muito fora dos valores previstos e ainda o transistor com um ganho anormalmente baixo, uma forte distorção do sinal pode ocorrer. A troca do transistor é o primeiro passo, e em segundo lugar podem ser experimentadas pequenas alterações dos valores dos resistores.

Temos ainda como causa para as distorções em circuitos de áudio a produzida pelas fugas em capacitores. Pequenas fugas em capacitores alteram os pontos de polarização dos transistores, conforme mostra a figura 5.

 

Distorção causada pela fuga no capacitor C1.
Distorção causada pela fuga no capacitor C1.

 

Essas fugas são responsáveis pela mudança do ponto de funcionamento do transistor e com isso uma alteração no sinal. O problema se manifesta com maior intensidade nos transistores que amplificam pequenos sinais.

A otimização do circuito, num caso como esse consiste em se trocar os capacitores suspeitos por tipos de mesmo valor com melhor qualidade.

 

d) Ruídos

Se após a montagem de circuito forem notados roncos da rede de energia ou mesmo ruídos captados de circuitos externos, uma otimização pode ajudar a resolver o problema ou pelo menos reduzi-lo a níveis que não afetem o desempenho do aparelho.

Nesse caso devemos tentar os seguintes procedimentos, depois de uma verificação da montagem, é claro.

 

* Diminuir ao máximo o comprimento de todos os fios de interligação no aparelho, principalmente os que conduzem sinais.

* Procurar reduzir ao máximo o comprimento dos fios de aterramento, se possível utilizando um barramento único de terra com fio grosso.

* Blindar os fios que conduzem sinais, se eles não puderem ter o seu comprimento reduzido.

* Colocar capacitores adicionais de filtragem nas etapas sensíveis aos ruídos.

* Melhorar a filtragem da fonte de alimentação

 

Na figura 6 mostramos um circuito simples que ajuda a reduzir o ronco numa etapa pré-amplificadora de áudio.

 

Circuito para redução de ronco.
Circuito para redução de ronco.

 

e) Ajustes

Devido à tolerância dos componentes é muito comum que, terminada a montagem, a faixa de ajustes obtida num controle externo fique deslocada.

Por exemplo, num dimmer que deveria ajustar de 0 a 100% a potência aplicada a uma carga o valor pode ficar deslocado e ele só alcança 80% ou ainda não chega ao zero, como sugerem as curvas mostradas na figura 7.

 

Faixa de ajuste de potência deslocada.
Faixa de ajuste de potência deslocada.

 

Em casos como esses, devemos otimizar os valores dos componentes envolvidos. Dessa forma, tomando como exemplo um dimmer, vemos que o potenciômetro e o capacitor são os componentes que vão determinar a faixa de ajuste, juntamente com o resistor, todos mostrados no circuito da figura 8.

 

Componentes P1, R1 e C1 determinam a faixa de ajuste.
Componentes P1, R1 e C1 determinam a faixa de ajuste.

 

Se o ajuste não chega a zero quando fechamos todo o potenciômetro temos duas possibilidades:

* Aumentar o valor do capacitor

* Aumentar o valor do resistor R

 

Se o ajuste não chega ao máximo, temos a seguinte possibilidade:

* Diminuir o valor do capacitor

 

Veja que não é conveniente diminuir o valor do capacitor. Também é importante observar que mexendo no ponto de ajuste de uma extremidade da faixa podemos eventualmente alterar o outro.

Possibilidades interessantes de se tentar obter a curva ideal de ajuste consiste na ligação de resistores e capacitores conforme mostra a figura 9.

 

Ligação de resistor em paralelo com o potenciômetro e os capacitores estão em paralelo.
Ligação de resistor em paralelo com o potenciômetro e os capacitores estão em paralelo.

 

Esse mesmo raciocínio vale para outros tipos de controle onde a constante RC é que determina sua faixa de atuação, como, por exemplo, em PWM. Outro caso é mostrado na figura 10.

 

Ligação com os componentes alterados.
Ligação com os componentes alterados.

 

Trata-se de uma fonte linear em que o ajuste é feito por um potenciômetro.

 

f) Sobreaquecimento

Um outro problema que pode ocorrer numa montagem é o aquecimento excessivo de certos componentes. O mais comum é o caso de resistores, triacs, SCRs e transistores.

Para os resistores, o leitor deve estar atento à dissipação. Resistores de fio trabalham normalmente quentes. Se aquecerem demais é sinal de anormalidade do circuito ou então pode-se fazer uma correção com o aumento da dissipação. Troque um de 5 W por um de 10 W ou mesmo 15 W, se necessário.

Para semicondutores o aquecimento pode ocorrer se um dissipador de calor inadequado for usado. Um dissipador pequeno demais pode fazer com que o componente aqueça a ponto de poder sofrer danos. O dissipador deve ser de acordo com a potência que se espera que ele dissipe. Na figura 11 mostramos que para um 2N3055 deve ser usado um excelente dissipador se a potência estiver acima de 50 W.

 

Colocação de um dissipador adequado para o transistor de potência.
Colocação de um dissipador adequado para o transistor de potência.

 

g) Instabilidades

Instabilidades em circuitos podem ter diversas causas sendo a principal a que ocorre devido a maus contactos, fios longos ou componentes com defeitos.

O layout de uma placa de circuito impresso de uma montagem crítica é muito importante para que sejam evitadas instabilidades.

Trilhas longas em circuitos de altas freqüências podem ser responsáveis por indutâncias e capacitâncias parasitas capazes de instabilizar o circuito, conforme mostra a figura 12.

 

Indutâncias ou capacitâncias parasitas.
Indutâncias ou capacitâncias parasitas.

 

Num oscilador essas instabilidades se manifestam na forma de desvios de freqüências, interrupção das oscilações ou mesmo deformações das formas de onda geradas.

 

Conclusão

Não basta terminar a montagem e ligar o aparelho para que ele funcione exatamente da forma esperada. Isso não ocorre sempre.

Na maioria dos casos, as tolerâncias dos componentes, a forma como ele é montado, e mesmo fatores externos imprevisíveis podem fazer com que ocorram diferenças entre o desempenho esperado e o obtido.

Nesses casos, além da própria revisão do projeto pode ser necessário fazer ajustes que vão da troca de alguns componentes até a mudança do layout da placa ou encurtamento de fios.

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