Inicialmente foi realizada uma simulação do espelho de corrente para verificar se a corrente de referência (iref) gerada seria espelhada na carga com precisão.
Na Figura 30 pode-se observar a resposta para uma carga de 1KΩ.
Figura 30- Varredura de corrente de referência e na carga do espelho.
Fonte: Elaboração do próprio autor.
Com se tratava de simulação, a resposta foi linear e com boa acurácia, como se esperava. Foram realizados testes para cargas de 800Ω e 1,2 kΩ. As respostas foram também lineares e com boa acurácia, é importante dizer que a faixa de impedância entre o eletrodo e a pele, utilizando-se gel condutor, pode variar de 800Ω a 1,2kΩ.
Nas simulações, pode-se escolher componentes com características idênticas, como o ganho de corrente do transistor (hFE), o valor de resistência, entre outros
A diferença em determinados parâmetros, como o ganho de corrente (hFE) pode
acarretar grandes erros entre a corrente de geração (iref) e a corrente de carga.
Foi utilizado neste trabalho o espelho de corrente de Wilson com resistores nos ramos do espelho para reduzir o problema causado por diferentes ganhos de corrente dos transistores.
Foram realizados testes práticos utilizando transistores com ganhos de corrente diferentes, mas resistores de precisão de valores muito próximos. Nas tabelas 1,2 e 3, podem ser verificados os dados de três diferentes testes.
Na Tabela 1 os valores do hFE dos transistores utilizados no teste 1, assim
como a corrente de referência, a corrente de carga e o erro. Observa-se que como os valores do hFE dos transistores são próximos, as correntes nos ramos (referência
e carga) são similares, com um erro médio de 0,4%.
Tabela 1– Variação nas correntes de Q3 e Q4 do espelho de Wilson. Teste 1
hFE dos transistores
Q1 396 Q2 392 Q3 35 Q4 70 I referência (mA) I carga (mA) Erro (%)
48,1 48,0 0,1
69,2 69,0 0,3
86,4 86,3 0,2
103,6 103,8 0,2
115,4 113,8 1,4
Fonte: Elaboração do próprio autor.
Na Tabela 2 os valores do hFE dos transistores utilizados no teste 2, assim
os valores do hFE dos transistores são próximos, as correntes nos ramos de
referência e na carga são similares, com um erro médio de 0,7%.
Tabela 2– Variação nas correntes de Q3 e Q4 do espelho de Wilson. Teste 2
hFE dos transistores
Q1 396 Q2 392 Q3 35 Q4 69 I referência (mA) I carga (mA) Erro (%)
48,1 48,3 0,4
69,2 68,8 0,7
86,4 86,3 0,2
103,6 103,7 0,1
115,4 113,1 2,0
Fonte: Elaboração do próprio autor.
Na Tabela 3 são mostrados os valores do hFE dos transistores utilizados no
teste 3, bem como a corrente de referência, a corrente de carga e o erro. Observa-se que como os valores dos hFE dos transistores não são próximos, houve um erro
Tabela 3– Variação nas correntes de Q3 e Q4 do espelho de Wilson. Teste 3
Ganho de corrente (hFE) dos transistores
Q1 550 Q2 320 Q3 23 Q4 74 I referência (mA) I carga (mA) Erro (%)
48,1 48,0 0,1
69,2 69,0 0,3
86,4 85,4 1,1
103,6 102,9 0,6
115,4 111,7 3,2
Fonte: Elaboração do próprio autor.
Na Figura 31, pode-se ver os gráficos de 7 testes realizados com o espelho de corrente de Wilson, utilizando-se transistores com diferentes ganhos de corrente.
Figura 31- Testes de corrente no espelho de Wilson com vários transistores.
Fonte: Elaboração do próprio autor.
0 20 40 60 80 100 120 48,07 69,23 86,39 103,55 115,38 Cor ren te na c arga (m A )
Corrente de Referência (mA)
Corrente de Referência e corrente na carga
Observa-se que os valores da corrente de referência e a corrente de carga são praticamente os mesmos, quando os transistores possuem hFE com valores
próximos.
5.3 CÁLCULO DA POTÊNCIA DISSIPADA E PERDAS NOS SEMICONDUTORES
Fazendo uso da equação 17, obtém-se o valor da corrente eficaz para a forma de onda da Figura 31.
i = √ m∫5 μ mA dt+ √ m∫ μ − mA dt
5 μ
i = , mA
Fazendo uso das equações e é possível calcular a potência dissipada pelos semicondutores no tempo de eletroestimulação muscular no conversor tensão- corrente.
P = ∗ , × −
P = , mW
P = ∗ , × −
P = , W
A potência dissipada pelos semicondutores no espelho de corrente é calculada pelas equações 17 e 18.
P , = , ∗ , × − P , = , mW P = , ∗ , × − P = , mW P = , ∗ , × − P = , mW P = ∗ , × − P = , mW
A potência dissipada pelos semicondutores na ponte H é calculada por meio da equação 20.
P = , ∗ , × −
P = , mW
5.4 CIRCUITO DO ELETROESTIMULADOR IMPLEMENTADO
5.4.1 Circuito impresso do eletroestimulador
O circuito do estimulador elétrico funcional implementado foi aprimorado em relação ao desenvolvido por (SANCHES, 2013; JUNQUEIRA, 2011).
A principal modificação está na estrutura do formador de onda, bem como na alimentação necessária para o seu funcionamento. Nesta versão, o estimulador necessita apenas de tensões positivas, 5 V no conversor V-I, 12 V no drive do MOSFET e 130 V na ponte H, reduzindo assim pela metade a diferença de potencial elétrico na carga. Na Figura 32 mostra-se uma foto da placa de circuito impresso com o novo circuito implementado.
Figura 32- Circuito do eletroestimulador.
Na Figura 33 mostra-se o sinal de eletroestimulação muscular visualizado na tela do osciloscópio. Possui largura de 500 µs, interpulso de 10 µs e frequência de 50 Hz.
Figura 33- Sinal de eletroestimulação muscular para uma carga de 1kΩ.
Fonte: Elaboração do próprio autor.
Foram realizados diversos testes com o circuito do estimulador. Serão apresentados apenas alguns. Todos os testes feitos foram para uma carga resistiva de 1KΩ.
Nas Figuras 34 e 35 mostra-se sinais de corrente com amplitude de 100mA e larguras de pulso, respectivamente, de 100 µs e 500µs.
Figura 34- Sinal de estimulação com amplitude de 100mA e largura de pulso de 100μS.
Fonte: Elaboração do próprio autor.
Figura 35- Sinal de estimulação com amplitude de 100mA e largura de pulso
de 500μS.
Fonte: Elaboração do próprio autor.
Nas Figuras 36 e 37 mostra-se sinais de corrente com amplitude de 140mA e larguras de pulso, respectivamente, de 100µs e 500µs.
Figura 36- Sinal de estimulação com amplitude de 140mA e largura de pulso
de 100μS.
Fonte: Elaboração do próprio autor.
Figura 37- Sinal de estimulação com amplitude de 140mA e largura de pulso
de 500μS.
Nos sinais com largura de 500 µs pode se verificar uma inclinação na parte ativa do sinal (duty cycle). Isto ocorre devido existir um acoplamento capacitivo em série com a carga para bloquear possíveis níveis DC.
6
CONCLUSÕES
Um versátil estimulador elétrico funcional que utiliza ponte H e fonte de corrente no estágio de potência foi implementado e testado com êxito no laboratório.
O novo circuito foi capaz de gerar sinais bifásicos utilizando apenas alimentação positiva. Foi suprimida a alimentação simétrica, existente em diversos outros, reduzindo pela metade a diferença de potencial elétrico no circuito de potência e tornando menos complexo o circuito de alimentação para o sistema.
O espelho de corrente mostrou-se eficiente quando aplicado em diferentes cargas e também utilizando transistores com diferentes ganhos de corrente. Isto minimiza, ou praticamente elimina, os problemas mais comuns relacionados ao descasamento dos transistores utilizados.
Embora tenha sido usada uma placa Raspberry pi e uma interface do usuário desenvolvida em Python, pode-se utilizar diversas outras tecnologias digitais para gerar os sinais, bastando ter disponível 3 saídas digitais e/ou analógicas.
O equipamento foi capaz de gerar sinais de corrente com forma de onda retangular, bifásicos, balanceados, com amplitude de até 140mA, utilizando apenas alimentação positiva.
Poderá ser utilizado na reabilitação dos membros inferiores e superiores de pacientes.
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