Jetson TX2 – Plaquinha da Nvidia voltada para inteligência artificial

Não é um drone, um robô pequeno ou uma câmera com reconhecimento facial. Mas pode ser: a Nvidia está lançando o Jetson TX2, um computadorzinho que lembra o Raspberry Pi, mas que oferece o grande diferencial de ser focado em inteligência artificial. O dispositivo pode ser empregado em diversos tipos de projetos que precisam de alguma sofisticação, portanto.

Para tanto, o Nvidia Jetson TX2 sai de fábrica uma combinação bastante respeitável de recursos que, por sinal, representa uma grande evolução em relação ao Jetson TX1 (anunciado no final de 2015): processador de 64 bits com dois núcleos Cortex-A57 e outros dois Nvidia Denver 2, GPU de 1,3 GHz com arquitetura Pascal de 256 núcleos, 8 GB de RAM e 32 GB para armazenamento interno.

No aspecto da conectividade, o dispositivo vem com Wi-Fi 802.11ac e Bluetooth 4.1, além de suportar portas USB 2.0, USB 3.0, HDMI 2.0, Gigabit Ethernet, entre outros padrões.

Segundo a Nvidia, o Jetson TX2 tem praticamente o dobro da potência do Jetson TX1. E isso tudo vem acompanhado de mais eficiência no consumo de energia: são 7,5 W contra 10 W da geração anterior.

Com tamanho poder de fogo, essa plaquinha de 50 x 87 mm pode ser empregada em projetos de automação industrial, câmeras inteligentes, drones para filmagens profissionais, sistemas de monitoramento auxiliados por sensores e por aí vai. A Nvidia destaca que o Jetson TX2 consegue, por exemplo, decodificar imagens de duas câmeras trabalhando com 4K e 60 frames por segundo.

Na apresentação do produto, a Nvidia ressaltou que o Jetson TX2 pode atingir a taxa de 1,5 teraflop. De modo geral, a ideia é permitir que o equipamento baseado na placa execute tarefas de inteligência artificial, redes neurais, reconhecimento de voz e afins in loco, ou seja, sem depender exclusivamente de servidores externos ou serviços nas nuvens.

Não é por acaso que a Nvidia também anunciou o JetPack 3.0, um SDK para desenvolvimento de aplicações de inteligência artificial que traz suporte aos drivers gráficos mais recentes e a APIs para redes neurais, como TensorRT 1.0 e cuDNN 5.1.

É lógico que tudo isso faz o Jetson TX2 ser bem mais caro que outras plaquinhas que encontramos por aí: o kit do dispositivo entrou em pré-venda nos Estados Unidos pelo preço de US$ 599. As entregas começam neste mês.

Sistemas Operacionais de Tempo Real – Timers

Introdução

Estava desenvolvendo algumas idéias para um novo artigo técnico, quando encontrei perdida, no fundo de uma gaveta virtual, uma biblioteca de rotinas em C que desenvolvi há algum tempo. É uma preciosidade!!! Eu mesmo já utilizei essas funções em vários projetos. Estou aqui disponibilizando esse material para você.

Vou contar um pouco a história dessa biblioteca. Houve uma época em que o meu trabalho era focado em projetos de desenvolvimento de sistemas dedicados baseados em processadores da família 8051. Desenvolvemos uma célula de carga digital, um sistema de monitoramento ambiental, um mini CLP, um sistema de monitoramento e controle de um processo químico, sistema de controle de elevadores etc. Daí surgiu a ideia de elaborar funções e rotinas padronizadas, pois quase todos esses sistemas tinham alguma coisa em comum, como por exemplo teclas, displays etc. e deveriam operar em tempo real. O objetivo foi diminuir o tempo gasto para o desenvolvimento de um novo projeto. Antes de prosseguir, recomendo a leitura do artigo Sistemas Operacionais de Tempo Real – Introdução, onde são abordados alguns conceitos que serão aplicados neste artigo.

É necessário apresentar aqui alguns esclarecimentos a respeito da filosofia usada na elaboração dessas rotinas. Eu parti do princípio de que os nossos sistemas são de tempo real e que realizam periodicamente algumas funções rotineiras, tais como verificar um teclado, atualizar displays, administrar LEDs de sinalização, realizar medidas, etc. Outras ações são tomadas por demanda, ou seja, apenas quando ocorrem. Essas demandas podem ser periódicas ou assíncronas (aleatórias). Daí já reconhecemos o primeiro elemento a ser implementado no nosso Sistema Operacional: um temporizador (Timer). Para quem não sabe, os processadores tradicionais da família 8051 têm apenas 2 temporizadores, enquanto outras versões oferecem pelo menos mais um. Antes de continuar, acho interessante recordarmos a arquitetura dos microcontroladores da família MCS-51 e os modos de operação dos seus temporizadores. Na parte final desse artigo será desenvolvido um pequeno exemplo prático, cujo código poderá ser compilado e simulado.

TIMERS da família MCS-51

Para ilustrar o que será abordado aqui, vamos nos referenciar aos microcontroladores de fabricação da ATMEL, com a arquitetura baseada no 8051, cujo documento completo você pode consultar aqui: ATMEL 8051 Microcontrollers Hardware Manual. Na Figura 1 podemos observar a arquitetura interna de um microcontrolador AT89S8253, que continua sendo produzido, mostrando em destaque o bloco dos temporizadores.

Timers - Diagrama em blocos da arquitetura interna de um microcontrolador
Figura 1: Diagrama em blocos da arquitetura interna de um microcontrolador AT89S8253

 

Sem entrar nos detalhes referentes aos contadores / temporizadores Timer 0 e Timer 1 dessa família de microcontroladores, basta dizer que eles podem ser programados para funcionarem em 4 modos distintos de operação:

  • Modo 0: O temporizador é configurado como um contador de 13 bits, que pode receber um valor inicial e conta para cima. Na transição do valor limite superior 0x1FFF para  0x0000, é acionado um flag de sinalização;
  • Modo 1: Similar ao modo 0, porém é configurado o contador para 16 bits;
  • Modo 2: O temporizador é configurado como um contador de 8 bits, com um registro de 8 bits associado para recarregar o valor inicial automaticamente. Na transição, é acionado um flag;
  • Modo 3: Nesse modo de operação, o Timer 0 opera como 2 contadores distintos de 8 bits, enquanto o Timer 1 nesse modo de operação permite que se congele a contagem.

Convenções para o uso dos Timers

Para o objetivo de projetar uma biblioteca com rotinas padronizadas, foi definido que o Timer 0 seria o temporizador padrão do sistema e o Timer 1 também poderia ser usado para isso, se acaso não fosse necessário usá-lo para gerar baud-rate da comunicação serial.

O período de interrupção do temporizador deve ser o maior possível e baixo o suficiente para atender às necessidades prioritárias do sistema. Para que se entenda o motivo disso, observe o seguinte exemplo:

Suponhamos que:

  • Um microcontrolador que, por restrições de sua arquitetura e do oscilador (clock) utilizado, possa executar no máximo 10.000 instruções por segundo;
  • Uma rotina de interrupção provocada pelo temporizador execute 20 instruções na média a cada interrupção.

Se numa hipótese absurda o temporizador for dimensionado para gerar 500 interrupções por segundo, a rotina de interrupção vai consumir todo o tempo disponível para executar as instruções do microcontrolador (500 x 20 = 10.000)! Se por exemplo esse número puder cair para 50 interrupções por segundo, sem prejudicar a operação do sistema, a rotina de interrupção vai consumir apenas 10% do total disponível (1.000), deixando os outros 90% para as demais atividades do microprocessador.

A compreensão do que foi ilustrado nesse exemplo é fundamental. As rotinas que são executadas com maior frequência devem ser otimizadas para serem executadas no menor tempo possível e na menor frequência possível também. Voltando ao exemplo das 500 interrupções, se acaso a rotina de interrupção executasse apenas 18 instruções ao invés das 20, já sobrariam 1.000 instruções por segundo que poderiam ser executadas por outras atividades. Em muitos casos isso é suficiente. Note que para esse exemplo em particular, só analisamos uma das soluções possíveis para viabilizar a operação do sistema. Poderia-se também lançar mão de outros recursos, como por exemplo aumentar a frequência do oscilador do microcontrolador.

Assim a frequência da interrupção do nosso timer deve ser dimensionada de modo que:

  • A função que deverá ser executada com maior frequência possa ser atendida pelas interrupções do timer no menor tempo necessário para isso (e maior possível), definindo assim as especificações do timer de referência do sistema;
  • Outras temporizações mais lentas sejam realizadas como múltiplos da interrupção do timer e implementadas por meio de temporizadores virtuais de software.

Um temporizador virtual de software é uma estrutura no programa em que a cada temporizador é associado um valor inicial, que se traduz num número inteiro de interrupções do Timer 0, e um flag de sinalização. A cada interrupção do Timer 0, o temporizador de software é decrementado e testado se zero. Se for zero, é ligado o flag para avisar que a contagem de software foi terminada e o temporizador é reinicializado para o seu valor inicial. O tratamento do final de contagem é realizado no programa principal, testando-se o flag e reinicializando-o depois.

O timer de referência deverá funcionar no modo 2 de operação. Observe que a programação do Timer 0 depende da frequência de clock do microcontrolador, do fator de divisão do clock, que nas CPUs tradicionais do MCS-51 é de 12 vezes, e da frequência requerida de interrupção. Um último limitante é que o valor inicial do Timer nessa configuração é de no máximo 255 (8 bits). Na biblioteca também foi desenvolvido um padrão para a programação do Timer 1, especialmente se não for usado para gerar baud-rate.

Detalhes da Biblioteca em C

O código em C a seguir foi desenvolvido para o compilador KEIL C51 μVision, na versão de avaliação. Se você quiser testar o programa exemplo que desenvolveremos no final deste artigo, recomendo que você baixe e instale esse programa.  O arquivo de biblioteca com os trechos de código em C para a utilização dos timers de forma padronizada está dividido em segmentos. O primeiro segmento define uma série de constantes, que podem ser ajustadas conforme as especificações do projeto. Veja o trecho do código a seguir.

Nesse código há alguns parâmetros que precisam ser alterados, conforme o projeto:

  • #define   FREQUENCIA_DO_CLOCK_DA_CPU 12.0e+6 // Hz —->  12 MHz, por exemplo.

Inicializar essa constante com o valor do clock do seu microcontrolador.

  • #define   FATOR_DE_ESCALA_CLOCK_TIMER    12.0f     // Divide o clock por 12

Valor do pre-scaler.

  • #define   FREQUENCIA_DE_INTERRUPCAO_TIMER_0 5e+3  // Hz —- > 5 kHz, por exemplo.

Define a frequência da interrupção do timer.

São apenas esses três parâmetros que devem ser inicializados. Não é necessário alterar outras partes do código!

O segundo segmento da biblioteca refere-se às inicializações dos timers, conforme o modo de operação, e os comandos para iniciar a operação do temporizador. Observe que nesse segmento é mostrada a rotina principal (void main(void)) e indicado onde devem ser inseridos os trechos do código.

O terceiro segmento mostra como são definidas as rotinas de interrupção.

EXEMPLO

A seguir vamos desenvolver o nosso programa de exemplo. Nesse programa, será programado o Timer 0 no modo 2 de operação, com o microcontrolador operando com um clock de 4 MHz e uma frequência de interrupção de 1,5 kHz. Confira o código no quadro abaixo.

Se você quiser simular o programa exemplo acima e explorá-lo um pouco mais, siga os seguintes passos:

  • Instale o KEIL C51 μVision;
  • Baixe o arquivo Testa_Timer.zip;
  • Instale os arquivos de Testa_Timer.zip num diretório para testes;
  • Navegue até o diretório de testes e acione o arquivo Testa_Timer.uvproj (2 “clickes”)  (Figura 2).

Timers - Arquivos no diretório de teste
Figura 2: Arquivos no diretório de teste

Nesse instante deverá abrir o programa Keil e a tela deverá ser a retratada na Figura 3. Esse painel permite navegar no código em C, editá-lo e compilá-lo. Não é necessário fazer isso para realizar a simulação, mas você poderá posteriormente alterar alguns parâmetros do código e testar o programa com as novas alterações.

Timers - Programa Keil pronto com o programa exemplo carregado
Figura 3: Programa Keil pronto com o programa exemplo carregado

A seguir coloque o programa no modo de Debug (Figura 4, Figura 5 e Figura 6) para que se possa iniciar a simulação.

timers - Selecionando o modo Debug do programa
Figura 4: Selecionando o modo Debug do programa

Antes de entrar no modo de depuração, aparece na tela a mensagem da Figura 4. “Clicke” no  “OK” para continuar.

Timers - Aviso de que no modo de avaliação, o código fica limitado a 2K
Figura 5: Aviso de que no modo de avaliação, o código fica limitado a 2K

timers - Modo Debug de operação
Figura 6: Modo Debug de operação

 

Observe que já estão destacados os painéis de monitoramento do Timer 0 e do Port 3, cujo bit 1 deverá ser alternado a cada término de contagem do temporizador de software. As duas variáveis principais (bFlagTimerDeSoftware e nTimerDeSoftware) poderão ser monitoradas na janela Watch 1 durante a simulação.

É possível utilizar as teclas de função F11 para executar o programa passo a passo ou F5 entrar em execução. Recomendo que você inicie a simulação utilizando o passo  a passo para poder observar detalhadamente como que funciona o mecanismo de operação desse programa.

Resumo

Neste artigo técnico foram apresentados alguns conceitos relativos à utilização de temporizadores de hardware de um microcontrolador associados a temporizadores de software para a implementação de arquiteturas de software típicas de  sistemas operacionais de tempo real. Também foi apresentada e explicada uma biblioteca padronizada para a utilização dos timers de microcontroladores da família MCS-51, codificada em C, para ser compilada no programa da Keil. Depois foi desenvolvido um programa exemplo para que você possa simular o que foi apresentado e observar os detalhes dessa implementação.

Este artigo é o segundo da série de artigos que abordam algumas funções comuns em projetos de sistemas embarcados de tempo real. Confira os demais artigos (em breve).

Sistemas Operacionais de Tempo Real

Bibliotecas de funções e rotinas padronizadas em linguagem C para MCS-51

  • Timers (este artigo) – É apresentada uma biblioteca desenvolvida em linguagem C para a inicialização e o uso dos Timers do MCS-51;
  • Displays de 7 segmentos – É apresentada uma biblioteca desenvolvida em linguagem C para a inicialização e o uso em displays de 7 segmentos;
  • Teclados Matriciais – É apresentada uma biblioteca desenvolvida em linguagem C para varredura, leitura, debounce, identificação da tecla acionada e desvio para a rotina de tratamento. A forma como as rotinas foram escritas, permitem sua fácil reutilização em outros projetos;
  • Periféricos – É apresentada uma biblioteca desenvolvida em linguagem C para a inicialização e o uso de alguns periféricos, tais como conversores A/D, sensor de temperatura e memórias seriais.

Fonte: https://www.embarcados.com.br/rtos-timers/

Sistemas Operacionais de Tempo Real – Introdução

 

Introdução

Quando se fala em projetos para microcontroladores, especialmente os de 8 ou 16 bits, sempre surgem dúvidas com relação ao sistema operacional. É melhor comprar um sistema operacional ou desenvolver o seu próprio? Como tudo na nossa vida, a resposta a essa pergunta depende sempre da relação custo / benefício da solução. Muitos projetistas se sentem intimidados em projetar o seu próprio sistema, muitas vezes apenas por falta de experiência ou de conhecimento sobre esse assunto. Por outro lado, aprender a usar um sistema operacional de terceiros pode ser um tanto quanto trabalhoso e demorado. Se o sistema não for de uso gratuito, ainda será necessário pagar royalties para cada CPU que executar esse programa.

Neste artigo vou desenvolver alguns raciocínios que mostrarão o fato de que desenvolver um sistema operacional próprio para microcontroladores de 8 ou 16 bits é bem mais simples do que possa parecer. Será apresentada uma estrutura bastante intuitiva e simples de como organizar o seu software de forma que ele opere em tempo real com segurança. Antes disso, precisamos conceituar alguns tópicos. Observe que o assunto sobre Sistemas Operacionais é abordado neste artigo de uma forma muito superficial. Sistemas Operacionais e Sistemas de Tempo Real são temas bastante extensos e complexos e são ensinados em cursos de graduação e pós-graduação. Neste artigo vamos apresentar somente o necessário para compreender a filosofia e preparar o terreno para apresentar em artigos futuros algumas soluções padronizadas para se implementar sistemas de tempo real.

O que é um Sistema Operacional?

Segundo uma definição encontrada na Wikipedia, um Sistema Operacional  é um programa ou um conjunto de programas cuja função é gerenciar os recursos do sistema (definir qual programa recebe atenção do processador, gerenciar memória, criar um sistema de arquivos, etc.), fornecendo uma interface entre o computador e o usuário. Embora possa ser executado imediatamente após a máquina ser ligada, a maioria dos computadores pessoais de hoje o executa através de outro programa armazenado em uma memória não-volátil do tipo ROM (Read Only Memory) chamado BIOS (Basic Input Output System) num processo chamado bootstrapping, conceito em inglês usado para designar processos auto-sustentáveis, ou seja, capazes de prosseguirem sem ajuda externa. Após executar testes e iniciar os componentes da máquina (monitores, discos, etc), o BIOS procura pelo sistema operacional em alguma unidade de armazenamento, geralmente o Disco Rígido, e a partir daí, o sistema operacional toma o controle da máquina. O sistema operacional reveza sua execução com a de outros programas, como se estivesse vigiando, controlando e orquestrando todo o processo computacional.

Segundo alguns autores, existem dois modos distintos de conceituar um sistema operacional:

  • visão top-down pela perspectiva do usuário ou programador: é uma abstração do hardware, fazendo o papel de intermediário entre o software (programas) e os componentes físicos do computador, o (hardware); ou
  • numa visão bottom-up, de baixo para cima: é um gerenciador de recursos, i.e., que controla quais aplicações (processos) podem ser executadas, quando devem ser executadas e quais recursos (memória, disco, periféricos) podem ser utilizados.

 Alguns sistemas operacionais populares são: Windows, Linux, Mac OS, Android, etc.

O que é um Sistema Operacional de Tempo Real?

Sistemas operacionais de tempo real ou RTOS (Real Time Operating Systems) são uma categoria especial de sistemas operacionais. Eles são voltados para aplicações onde é essencial a confiabilidade e a execução de tarefas em prazos compatíveis com a ocorrência de eventos externos.

Por exemplo, se num paciente de UTI ocorrer uma variação importante nos batimentos cardíacos, o monitor cardíaco desse paciente deve ativar um alarme em poucos segundos.

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Outro exemplo: se um avião em voo com o piloto automático desviar da rota, o controle do avião deve corrigir imediatamente essa rota retornando o avião à rota original.

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Tempo real é um termo que pode ter significados muito diferentes, dependendo da velocidade da ocorrência dos eventos de um sistema e dos tempos de resposta necessários para atender a esses eventos. Há sistemas que podem levar um tempo muito longo para modificar o seu estado. Em geral os processos térmicos de aquecimento são lentos. Pode levar dias ou até semanas para esses processos responderem a determinados estímulos. Nesse caso em particular, um sistema operacional comum serviria perfeitamente para realizar o controle do processo.

Particularidades de um Sistema Operacional de Tempo Real

Há muitos detalhes num Sistema Operacional de Tempo Real que merecem ser apresentados. O principal é que as rotinas de processamento em geral são bastante especializadas e curtas, pois devem executar a sua tarefa no menor tempo possível. Há um forte paralelismo na execução das atividades e um estabelecimento de prioridades, onde as atividades mais prioritárias interrompem as menos prioritárias e assumem o controle do processador. A divisão de tarefas em rotinas especializadas requer que haja alguma forma de sincronismo ou troca de informação entre elas, por exemplo, para que seja informado que tarefa já foi concluída ou não por outra rotina. Algumas estruturas comuns para a troca de informações:

  • Semáforos ou flags: são definidos bits ou palavras para a sinalização do tipo booleano ( binário 0 ou 1) para a troca de mensagens entre duas rotinas;
  • Áreas de troca de mensagens, filas  ou buffers: memórias temporárias que com auxílio dos semáforos permitem a transferência de estruturas de dados maiores entre as rotinas.

Exemplos

Para ilustrar as diversas arquiteturas de tempo real, serão apresentados dois exemplos bastante simplificados.

Exemplo 1

Suponhamos que um programa de computador deseje realizar a transmissão de uma mensagem pela USB. Num sistema comum, ilustrando de uma maneira simplificada, esse programa monta a mensagem e chama a rotina para a transmissão e só são retomadas as próximas atividades após o término da transmissão. Esse tipo de programação é conhecida como programação linear.

No caso de um sistema de tempo real (veja a Figura 1) a sequência de operações pode ser assim:

Transmissão-Serial_a

 Figura 1: Transmissão de caracteres em tempo real simplificada

     Para melhor entendimento ficará convencionado que:

  • flag buffer vazio” = 1,    significa que não há dados no buffer temporário;
  • flag buffer vazio” = 0,    significa que há dados novos no buffer temporário.

    Programa principal:

  • O programa principal inicialmente testa se o buffer temporário está disponível ou vazio (flag buffer vazio” = 1);
  • Se estiver vazio, monta a mensagem numa estrutura temporária (buffer);
  • Dispara a transmissão do conteúdo do buffer temporário alterando o flag “buffer vazio” para “não está vazio” (flag “buffer vazio” = 0);
  • Continua a execução das outras atividades enquanto é realizada a transmissão.

      Rotina de Transmissão:

  • Fica dormente ou então testa periodicamente o flag “buffer vazio”;
  • Se o flagbuffer vazio” indicar que há dados novos (flag “buffer vazio” = 0), transfere os dados do buffer temporário para o buffer de transmissão;
  • Altera o flag de “buffer vazio” sinalizando que o buffer está disponível para novos dados (flag “buffer vazio” = 1);
  • Transmite os caracteres, um de cada vez, até transmitir o último;
  • Sinaliza que “Terminou a transmissão” (flag).

Observe que em geral a rotina de transmissão é programada para ser ativada por interrupção, de forma que ela não gaste ciclos de máquina enquanto espera o término de transmissão de um caracter. Assim é aproveitado o hardware do microcontrolador para realizar tarefas em paralelo com o programa principal.

Exemplo 2

Esse exemplo é baseado num projeto real. Trata-se de uma placa mezanino cuja função é processar simultaneamente os dados referentes a 4 canais telefônicos em tempo real de forma a implementar as seguintes funções:

  • Cancelamento de resíduo de voz na linha de recepção resultante do eco da “fala” gerada pela placa mãe sem distorcer os sinais de origem externa;
  • Pré-processar os sinais de entrada identificando pulsos decádicos telefônicos através de filtragens e outros processamentos;
  • Implementação parcial de call-progress, focando na detecção do tom de “ocupado” e de “linha”.

O sistema operacional de tempo real para esse caso foi projetado em camadas, com prioridades atribuídas decrescentes nas camadas conforme vai crescendo o índice da camada. O fluxo de dados tem taxas decrescentes das camadas inferiores para as superiores. Veja na Figura 2. Observe que a comunicação entre as camadas é realizada através de filas ou buffers circulares, dimensionados de forma que num regime de atendimento simultâneo de quatro linhas telefônicas, o fluxo médio de dados nunca provoque o “estouro” dessas filas. A cada buffer estão associados ponteiros de início e final da fila (“primeira livre”) e uma variável indicando o número de dados que estão na fila. O mecanismo convencionado para a operação das filas circulares é o seguinte:

  • Quem transfere um dado para a fila, incrementa o número de elementos e o ponteiro para o final;
  • Quem retira da fila, decrementa o número de elementos e incrementa o ponteiro de início.

Mezanino_Original

Figura 2: Diagrama da arquitetura do programa em camadas

Uma descrição resumida do que ocorre em cada camada:

CAMADA 0

Trata basicamente dos eventos gerados externamente ao programa. Há eventos assíncronos gerados pela placa-mãe e outros síncronos gerados por temporizadores de hardware. Esses eventos são:

  • Chegada de mensagem enviada pela placa-mãe. Essa mensagem é inserida na fila de entrada de mensagens, que será tratada pela CAMADA 1;
  • Interrupção de hardware com frequência de 10 Hz para a atualização dos estados de cada linha telefônica;
  • Interrupção de hardware com frequência de 8 kHz onde são lidos os dados das 4 linhas telefônicas, e
    • é realizada a decodificação dos dados recebidos;
    • é aplicada uma rotina de cancelamento de eco com filtragem digital adaptativa;
    • o sinal filtrado segue por 3 caminhos:
      • é utilizado como sinal de erro para cálculo do ajuste dos coeficientes do filtro adaptativo;
      • é transferido para a fila que alimenta a CAMADA 1. (Taxa de 8.000 amostras/s);
      • é novamente codificado e retorna à placa-mãe.

CAMADA 1

Realiza o loop principal do programa com funções de pré-processamento dos sinais entregues pela CAMADA 0 na fila de dados e o tratamento das mensagens vindas e que são endereçadas à placa-mãe. A CAMADA 0 é composta pelo encadeamento das seguintes rotinas:

  •  Tratamento dos dados provenientes das linhas telefônicas:
    • Realiza o processamento e a análise de duas linhas por vez gerando uma saída para a CAMADA 2. A taxa máxima desses dados para a CAMADA 2 é de 170 amostras/s;
    • Realiza um pré-processamento de dados analisando simultaneamente as 4 linhas e gera para a CAMADA 2 um fluxo de dados de 400 amostras/s endereçada ao detetor de pulsos decádicos. Também repassa uma mensagem para a placa mãe quando a CAMADA 2 detectar um pulso;
    • Descarta dados das filas e atualiza os ponteiros.
  • Chamada das rotinas que compõem a CAMADA 2.

CAMADA 2

Realiza a análise dos dados gerados na CAMADA 1 e gera as saídas endereçadas à CAMADA 1 ou à placa-mãe. É composta pelas rotinas:

  • Realiza a análise dos dados para detecção de pulsos decádicos. Gera mensagens endereçadas à placa-mãe;
  • Realiza a identificação dos tons de “ocupado” e de linha e sinaliza por meio de mensagens à placa-mãe.

Nesse exemplo o software foi dividido em camadas com prioridades decrescentes para conseguir acomodar todas as funções previstas para o mezanino no curto tempo disponível para a sua execução. Esse projeto funcionou e ficou em operação por pelo menos 10 anos.

 O que é Firmware?

Para completar esse trabalho é interessante conceituar Firmware. Transcrevendo mais uma vez uma definição apresentada pela Wikipedia:

Em eletrônica e computação, firmware é o conjunto de instruções operacionais programadas diretamente no hardware de um equipamento eletrônico. É armazenado permanentemente num circuito integrado (chip) de memória de hardware, como uma ROM, PROM, EPROM ou ainda EEPROM e memória flash, no momento da fabricação do componente. Muitos aparelhos simples possuem firmware, entre eles: controles-remotos, calculadora de mão, algumas partes do computador, como disco rígido, teclado, cartão de memória, unidades USB’s muitos instrumentos científicos e robôs. Outros aparelhos mais complexos como celulares, câmeras digitais, sintetizadores, entre outros, também possuem um firmware para a execução de suas tarefas.

Não há fronteiras rígidas entre firmware e software, pois ambos são termos descritivos bastante livres. Contudo, o termo firmware foi originalmente inventado para contrastar com software de alto nível que poderia ser alterado sem a troca de um componente de hardware, e o firmware está normalmente envolvido com operações muito básicas de baixo nível das quais sem um dispositivo seria completamente não-funcional.

Nos próximos artigos serão apresentadas rotinas padronizadas para utilização em sistemas de tempo real. Nesses artigos serão utilizados diversos conceitos expostos aqui.

Resumo

Sistemas Operacionais de Tempo Real têm uma filosofia muito peculiar na sua arquitetura. Os programas são organizados de forma a poder responder a estímulos externos ou internos num tempo curto o suficiente e compatível com a importância ou urgência do evento que gerou esses estímulos. Frequentemente esses sistemas operacionais estão intimamente ligados ao hardware de um sistema.

Se você quiser se aprofundar um pouco mais sobre esse assunto:

Artigos relacionados

Sistemas Operacionais de Tempo Real

  • Sistemas Operacionais de Tempo Real – Introdução (este artigo) –  Apresentação introdutória do que é um sistema operacional e as características que o tornam um sistema de tempo real. Também são apresentadas algumas estruturas que facilitam o seu projeto.

Bibliotecas de funções e rotinas padronizadas em linguagem C para MCS-51

  • Timers  – É apresentada uma biblioteca desenvolvida em linguagem C para a inicialização e o uso dos Timers do MCS-51;
  • Displays de 7 segmentos – É apresentada uma biblioteca desenvolvida em linguagem C para a inicialização e o uso em displays de 7 segmentos;
  • Teclados Matriciais – É apresentada uma biblioteca desenvolvida em linguagem C para varredura, leitura, debounce, identificação da tecla acionada e desvio para a rotina de tratamento. A forma como as rotinas foram escritas, permitem sua fácil reutilização em outros projetos;
  • Periféricos – É apresentada uma biblioteca desenvolvida em linguagem C para a inicialização e o uso de alguns periféricos, tais como conversores A/D, sensor de temperatura e memórias seriais.
Fonte: https://www.embarcados.com.br/sistemas-operacionais-de-tempo-real-rtos/

Simples Farejador de RF – Sniffer – Medidor de Campo

Um farejador de RF ou Sniffer é um tipo de medidor de campo, mais simples porém também mais útil, já que ele detecta os sinais de RF em geral e não somente em uma faixa de frequência fixa. Mas isso tem seus inconvenientes, já que sua sensibilidade cai na proporção que sua frequência de abrangência sobe. O farejador de RF tem muitos usos, ele pode detectar defeitos em circuitos receptores e transmissores além de encontrar transmissores escondidos.

O circuito tem uma faixa de operação bem larga, entre 1,5 MHz e 200 MHz, ele tem um funcionamento simples, os sinais de RF são recebidos na antena, detectado (retificada) pelo diodo D1 (germânio), amplificado pelo FET e depois é enviado ao galvanômetro. A antena tem cerca de 30 cm, que pode ser feita de arame rígido ou uma antena de alumínio de rádio FM sucateado.

[Fonte]

 

 

 

Como uma Célula de Combustível e o Hidrogênio Funcionam?

“E eu que pensava que química era difícil, me enganei, pois cálculos estequiométricos são mais fáceis de resolver do que as divisões do coração. A afinidade refere-se a criações improváveis formando um laço através de uma reação química, mas até os laços mais fortes tem seus limites. Nossa química era tão forte, que se tornou inflamável. Quando eu vi a gente já tinha explodido e tudo tinha ido pro alto, pros lados, tava tudo esparramado e queimado, eu, você e o nosso amor.”  (Débora Comis – montagem de pensamentos)

Célula de Combustível:

Célula de Combustível (as vezes também denominada Célula a Combustível) é um dispositivo eletroquímico que combina hidrogênio (H) e oxigênio (O) para produzir eletricidade (corrente elétrica), que é o movimento ordenado de elétrons (e), tendo água e calor como subprodutos.

Não obstante o fato de que, na prática das aplicações, para que se obtenha os níveis de Potência desejados, é preciso que várias Células de Combustível sejam agrupadas, formando aquilo que denominamos uma Pilha de Células de Combustível, na sua forma elementar, uma única Célula de Combustível é constituída três seguimentos: dois elétrodos – um ânodo e um cátodo – com um eletrólito entre eles, separando-os.

Todavia, é de fundamental importância, também, que se tenha um agente Catalizador, para provocar as reações químicas de ionização do combustível (no caso o hidrogênio) por Catalização(1), diminuindo a energia de ativação, aumentando assim a velocidade da reação. As células de combustível dependem de catalisadores para ambas as reações anódica e catódica.

Duas reações químicas diferentes (primeiro oxidação e depois redução(2)) ocorrem, em sequência, nas duas regiões de intermédios onde se encontram a substância catalizadora, que existem nas camadas alojadas entre os três segmentos da célula de combustível e, o resultado final dessas duas reações é que o combustível é consumido, a água e calor são criadas, e uma corrente elétrica considerável, também é criada.

A corrente elétrica produzida é o produto principal a ser aproveitado a qual pode ser usada para alimentar dispositivos elétricos, normalmente referidos como a carga ou consumidores elétricos mas, o calor produzido também costuma ser aproveitado.

O hidrogênio é injetado no anodo, para ali ser difundido e em seguida ocorrer a oxidação do hidrogênio(3), quando ele reage com o catalisador, criando se, assim, de um íon H+ com carga positiva, e liberando um elétron de carga negativa. O eletrólito é um composto especificamente projetado para que os íons H+ possam passar, fluindo através dele, mas os elétrons que foram liberados não podem.
Assim, os elétrons liberados só podem sair do anodo por meio de um fio condutor conectado ao terminal do anodo, para criar a corrente elétrica. Já, os íons viajam através do eletrólito, indo em direção ao cátodo.
Ao chegar ao intermédio cátodo, os íons H+ são novamente reunidos com os elétrons (redução) e agora reagem, também, quimicamente com oxigênio que ali é injetado, para criar água e, também, calor, devido energia da reação. Para que os elétrons possam novamente se reunir com o íons, obviamente que o circuito da alimentação elétrica, que é o meio por onde se está aproveitando a energia elétrica gerada, deve estar fechado, ou seja, é necessário que haja caminho de fio condutor por onde a corrente elétrica de carga esteja efetivamente circulando, com elétrons fluindo do anodo para o consumidor e do consumidor para o catodo.

Em geral, esta corrente elétrica gerada não alimenta diretamente um consumidor do tipo atuador (motores, lâmpadas, etc) mas, sim, antes, ela é usada para carregar elementos armazenadores de energia (tais como: supercapacitores, baterias recarregáveis, etc), de modo que ela é pré-armazenada para uso posterior.

Esta única célula elementar gera cerca de 0,7 volts mas, assim como ocorre com as células de baterias, as Célula de Combustível também podem ser empilhadas em série, ou associadas em paralelo, o que aumenta a tensão e a potência de saída, resultando, conforme a necessidade da aplicação, em Célula de Combustível desde algumas dezenas de Watts, até vários Megawatts. A eficiência do processo gira em torno de 60% e pode ser aumentada quando busca-se aproveitar, também, o calor que é gerado.

Com o volume de hidrogênio que é oferecido, injetado pelas vias do Campo de Canais de Fluxo, para ser difundido e aproveitado é maior do que a demanda do processo, a parte do hidrogênio que sobra, é reciclada pelo sistema para ser reaproveitado em seguida.

As mais importantes características de projeto em uma Célula de Combustível são:
  • A composto do eletrólito. O material do electrólito normalmente define o tipo de Célula de Combustível;
  • O combustível que é utilizado. O combustível mais comum e adequado é o hidrogênio;
  • O catalisador do ânodo decompõe o combustível em elétrons e íons. O catalisador do ânodo é geralmente composta de pó muito fino de platina. O ânodo tem uma carga negativa;
  • O catalisador catódico descarrega os íons e transforma para os resíduos químicos, como água. O catalisador de cátodo é frequentemente feito de níquel, mas também pode ser um catalisador à base de nanomateriais. O cátodo tem uma carga positiva;
  • A membrana (quando possui membrana). Os materiais da membrana devem provê-la de isolação elétrica, concomitantemente elevada admitância à passagem do íons H+. A resistência da membrana ao fluxo de prótons é a principal fonte de perda de desempenho para as células de combustível que as possuem;
  • O desenho do campo de canais de fluxo que transporta a massa dos gases reagentes para difusão nos eletrodos até a camada do catalisador.
A área da superfície dos elementos da célula também podem ser aumentados para permitir uma maior corrente a partir de cada célula. Nas pilhas, os gases reagentes devem ser distribuídos uniformemente ao longo de todas as células associadas para maximizar a produção de energia.
Há muitos tipos diferentes de células de combustível, cada um com suas próprias características operacionais específicas mas a maioria das células de combustível são alimentados com gás de hidrogênio, que não produz dióxido de carbono indesejável.
Neste caso, o sistema de células de combustível pode ser alimentada diretamente com hidrogênio puro ou ele pode obtido derivado a partir de outras fontes. Um sistema de células de combustível que inclui um Reformador de Combustível de hidrogênio pode utiliza-lo a partir de qualquer combustível de hidrocarbonetos, tais como o gás natural, metanol, ou de gasolina.
Até a data desta publicação, os VEs movidos a Células de Combustível usam uma Pilha de Células de Combustível do tipo que é dotada de uma membrana central denominada Membrana de Permuta de Prótons (PEM, do inglês Proton Exchange Membrane), uma membrana polimérica isolante elétrica, mas condutora de prótons (ou íons), em torno da qual os demais elementos da célula são montados.

Pilha de Células de Combustível do Honda FCX Clarity

Ela também gera eletricidade a partir da mesma sequência de duas reações químicas diferentes, primeiro oxidação por ação da camada do catalizador (platina), próxima ao anodo, e depois redução, na camada do catalizador próxima ao catodo, a partir de hidrogênio e de oxigênio, respectivamente.

Uma diferença é que, neste caso, os prótons (ou íons H+) têm que passar através da membrana central do eletrólito, enquanto que os elétrons liberados, tal qual ocorre nos demais tipos de células de combustível, são forçados a circular através do circuito elétrico, gerando a corrente elétrica, que é desejada para alimentar a carga. Estas células de combustível são cerca de 68% eficaz (rendimento sobre o combustível), em comparação com cerca de 19% de eficiência de Motores de Combustão Interna, típicos dos caros convencionais.

Uma vez que as células de combustível dependem de um processo eletroquímico, e não de combustão propriamente dita, as emissões a partir de células de combustível são significativamente menores do que as emissões de, até mesmo, os processos de combustão de combustíveis mais limpos utilizados, como o Etanol.

O calor que consequentemente é gerado nas reações, principalmente por causa da reação de redução realizada no segundo estágio, na camada de catalizador do catodo, também pode ser aproveitado e, com isso a emissão a partir de uma única célula de combustível acaba sendo apenas o vapor de água e ar. As células de combustível também são silenciosas, duráveis (ver nota 7, ao final) e altamente eficiente. Estas são apenas algumas dos muitas benefícios que as células de combustível proporcionam.

Tipos de Células de Combustível:

As células de combustível são uma família de tecnologias que geram eletricidade através de processos eletroquímicos, ao invés de combustão. Existem muitos tipos de células de combustível mas, as principais incluem as Células de Combustível Alcalinas (AFC), Células de Combustível de Membrana de Permuta de Prótons (PEM(4)), Células Combustível de Metanol Diretas (DMFC), Células de Combustível de Carbonato Fundido (MCFC), Células de Combustível de Ácido Fosfórico (PAFC) e Células de Combustível de Óxido Sólido (SOFC). Uma série destes tipos de células de combustível estão comercialmente disponíveis hoje em dia, cada qual mais adequada a um tipo específico de aplicação.
Cada tipo de célula de combustível tem a sua própria química única, com diferentes temperaturas de operação, química e forma dos catalisadores e eletrólitos. As características de funcionamento de uma célula de combustível ajudam a definir a sua aplicação – por exemplo, células de combustível de menores temperatura PEM e DMFC são usadas para energizar Veículos de Passageiros e empilhadeiras, enquanto que as células de combustível maiores e de maior temperatura MCFC e PAFC são utilizadas para Estações de Geração de Energia (Stationary Fuel Cells).

As diferenças ajudam, também, a definir o tipo de combustível que é o mais adequado a elas: se o hidrogênio (H2), o metanol (CH4O), ou etanol (C2H6O), por exemplo, garantindo o ótimo rendimento e maior vida útil da célula de combustível.(5)

Os investigadores continuam a melhorar as tecnologias de células de combustível, examinando diferentes catalisadores e eletrólitos, a fim de melhorar o desempenho e, principalmente, reduzir os seus custos. Novas tecnologias de células de combustível, como as células de combustível microbianas, também estão sendo examinados no laboratório. Veja um resumo das tecnologias atuais de Células de Combustível (CC) no diagrama a seguir:
Esquema representando as reações químicas específicas e temperaturas de operação para cada tipo de tecnologia de células de combustível

Assim, como se pode constatar, a maioria das células de combustível usa hidrogênio puro. No caso dos VEs, armazenado a partir de um tanque embarcado de alta pressão. No entanto combustíveis líquidos tais como gasolina e metanol, também têm sido utilizados, em alguns casos, com o emprego de um Processador de Combustível de Bordo (ou Reformador) e, no caso do metanol, existe a opção para se usa-lo diretamente (sem necessidade de reformador).

Portanto, nem todas as Células de Combustível são feitas para utilizar o hidrogênio como “combustível”, que garante “emissão zero” de carbono: a DMFC é uma opção para utilizar o metanol (de fórmula estrutural CH3OH), diretamente.

Na verdade, células a combustível de metanol diretas ou DMFCs são, do ponto de vista construtivo, uma subcategoria de células de combustível PEM em que o metanol (na verdade uma solução de metanol) é usado como combustível. Porém, sem querer entrar em muitos detalhes quanto seu funcionamento, os subprodutos com estes tipos de células de combustível não é apenas a água pura, mas também o indesejável dióxido de carbono (CO2).

A DMFC baseia-se na oxidação da solução de metanol em uma camada de catalisador (geralmente feito de partículas platina e de rutênio) adjacente do ânodo para formar os prótons (íons H+), liberar os elétrons livres e formar dióxido de carbono.

Para isso ocorrer, também água é consumida na reação do anodo pois, o metanol puro não pode ser difundido sem o abastecimento de água. A água é consumida no ânodo e é reproduzida no cátodo mas, a necessidade de água limita a densidade energética do combustível. Outros aspectos incluem a administração de dióxido de carbono criado no ânodo, o comportamento dinâmico lento, e a capacidade de manter a água da solução. As reações são as seguintes:

Equação
Anodo \mathrm{CH_3OH + H_2O \to 6\ H^+  + 6\ e^- + CO_2}
oxidação
Catodo \mathrm{\frac{3}{2} O_2 + 6\ H^+  + 6\ e^- \to 3\ H_2O}
redução
Reação Global \mathrm{CH_3OH + \frac{3}{2} O_2 \to 2\ H_2O + CO_2}
reação oxirredução

Construção de Célula de Combustível de Membrana de Permuta de Prótons (PEM Fuel Cell ou PEMFC) (4)

Eletrólito: Membrana de polímero sólido – cadeias de politetrafluoretileno (PTFE), vulgarmente conhecido como Teflon® (ou Nafion), formando a espinha dorsal da membrana, material que é isolante para elétrons livres (isolante elétrico).
Catalisador: Platina é o catalisador mais ativo para células a combustível de baixa temperatura
Temperatura de Operação: Cerca de 80 ~ 94 ⁰C
Eficiência Energética: 40 ~ 60%
O métodos de construção que é o mais empregado é o que prevê a construção de membrana-elétrodos integrados, também referido como MEA (Membrane Electrode Assemblies) ou, conjuntos de eletrodos e membrana, numa típica configuração de construção em multicamadas muito finas.
O material da membrana utilizado é formado por folhas finas, tipicamente, de 50 a 175 micrômetros de espessura (para minimizar a resistência à passagem dos prótons) e uma célula PEM é produzida, em geral, com folhas de área grande (para maximizar a eficiência da camada do catalizador), e a camada de catalisador de elétrodo é aplicada a ambos os lados. Associadas a cadeias de Teflon estão cadeias laterais terminando com grupos ácido sulfônico (HSO3). Uma vista bem ampliada do material da membrana, mostra cadeias de moléculas longas (em forma de espaguete) com grupos de cadeias laterais de sulfonato. Uma característica interessante deste material é que, enquanto as moléculas de cadeia longa são hidrofóbicos (repelem a água), as cadeias laterais de sulfonato são altamente hidrofílicas (atraem água).
Para a membrana poder conduzir íons de forma eficiente as cadeias laterais de sulfonato deve absorver grandes quantidades de água. Dentro destas regiões hidratadas, os íons de hidrogênio dos grupos de ácido sulfônico podem, então, mover-se livremente, permitindo que a membrana transfira os íons de hidrogênio, sob a forma de iões hidrônio (cátion formado a partir da molécula de água na presença de cátions hidrogênio H+), de um lado da membrana para o outro.
No contexto da engenharia de célula de combustível, vários catalisadores contendo metais são usados para melhorar as taxas das semi-reações que compreendem a célula de combustível. Um tipo comum de eletro-catalisador de célula de combustível é baseado em partículas de platina, que são suportadas sobre um substrato de partículas de carbono ligeiramente maiores.
Assim, de ambos os lados da membrana (lado do anodo e lado do catodo), temos as camadas do catalizador. Para maximizar o aproveitamento da platina e minimizar o custo, a platina é finamente dispersa sobre um suporte eletricamente condutor, quimicamente relativamente inerte, tal como um fino substrato (10 a 50 mícrons) de carbono negro com estruturas cristalográficas relacionadas com grafite. Desta maneira, a quantidade de platina ativa exposta aos reagentes é maximizada, aumentando a densidade de potência da célula, com um minimo de quantidade total de platina sendo necessária.
Em uma outra postagem titulada “Investigando as Reações Químicas em uma Célula de Combustível“, você poderá saber um pouco mais detalhadamente sobre os mecanismos das reações químicas que ocorrem n interior de uma Célula de Combustível.

As Camadas de Difusão dos Gases Reagentes:

Também conhecida como a camada de suporte, a camada de difusão de gás (GDL, do inglês Gas Diffusion Layer), também existe de ambos os lados da célula (no anodo para difundir  hidrogênio e no catodo para difundir o oxigênio) é um componente crítico em uma MEA. A GDL tem normalmente uma estrutura de camada dupla. Olhando de fora para dentro da célula (a partir do Flow field ou Campo de Canais de Fluxo do Gás) , a primeira camada que aparece é um substrato de carbono macro-poroso que consiste, em geral, em papel de carbono. A função principal desta camada do GDL é facilitar a penetração, a dispersão e a distribuição dos gases reagentes, proporcionando, simultaneamente, boa condutividade eletrônica e  e permitindo a drenagem de água (GDL do lado do catodo).
A segunda camada, a que fica adjacente à camada de catalisador, consiste de uma camada microporosa e feita a partir de pó de carvão, combinada a um agente hidrofóbico (PTFE). Esta camada serve para para remover a água produzida para fora da camada de catalisador. Na verdade, as duas camadas juntas têm a função de minimizar alagamento de água e maximizar o contato eletrônico, na interface com a camada de catalisador. As camadas componentes da GDL se repetem dos dois lados de uma MEA.
Por fim, o Campo de Canais de Fluxo, que que possui os canais por onde são transportadas as massas dos gases para ser difundidos nos eletrodos e, as Placas Bipolares, alojados externamente de ambos os lados, completam a estrutura básica de um PEMFC.

Com materiais bem escolhidos, tais como catalisadores, placas bipolares, camadas de suporte GDL, a PEM, e outros componentes, incluindo campos de canais de fluxo, e coletores de corrente, uma MEA montada pode produzir mais de 0,5 A/cm2 de área, em 0,7 V, com uma espessura total muito fina.

Células de combustível PEM operam a temperaturas relativamente baixas (abaixo de 94 ⁰C), tem alta densidade de potência, e pode variar de saída rapidamente para atender às mudanças na demanda de energia. PEM são adequados para aplicações de energia que é necessária a inicialização rápida, como automóveis ou empilhadeiras. Uma único unidade PEM varia desde vários watts a algumas centenas de quilowatts, e pode ser redimensionada em sistemas de grande porte – o maior até agora é uma usina estacionária PEM de 1 megawatt.
Por causa das atuais baixas cargas do catalizador de platina e, também, por causa da sua mecânica de membrana, células PEM têm restrição quanto a pureza do hidrogênio, requerendo o com alto grau de pureza. Eventuais impurezas que aparecem no hidrogênio provocam envenenamento do catalisador, com redução da atividade e eficiência, assim, elevado grau de pureza de hidrogênio ou maiores densidades catalisadores são necessários.

Vestígios de impurezas, resultantes de diferentes processos de produção de hidrogênio incluem uma vasta gama e, o efeito das impurezas podem alterar a atividade catalítica do catalisador, a resistência óhmica, devido ao envenenamento do eletrólito sólido e mudanças na hidrofobicidade dos poros que afetam a gestão da água no sistema, o que por sua vez afeta o transporte de massa dos gases. Em todos os casos, perdas potenciais substanciais pode ser alcançadas e, que podem ou não ser reversíveis, dependendo da impureza presente, sob pena de contaminação permanente da PEM e redução, tanto da performance, quanto da sua vida útil.

Sistemas PEM estão disponíveis hoje para uma variedade de aplicações, com vendas focadas nos setores de telecomunicações, data centers e mercados residenciais de energia primária (ou backup), e empilhadeiras elétricas e outros veículos de movimentação de materiais. Células de combustível PEM também são usados em ônibus e veículos de demonstração de passageiros – os principais fabricantes de automóveis antecipam o início das vendas de veículos de célula de combustível comerciais em todo 2014-2016. PEM são abastecidos com gás hidrogênio, metanol ou combustíveis reformados.

Você pode aprender sobre os outros tipos de tecnologia de células de combustível no site da Fuel Cells 2000′s.

Planta de Equilíbrio do Sistema de uma Pilha de Célula de Combustível:

A operação de uma pilha de combustível requer agregar vários outros subsistemas essenciais e o equipamento auxiliar completo em torno da pilha de célula de combustível, usado para realizar e controlar o abastecimento do hidrogênio (combustível), do ar ou oxigênio (oxidante), a gestão da água, a gestão de calor, gerenciamento e aproveitamento de energia é chamado de Planta de Equilíbrio do Sistema de Pilha de Célula de Combustível.

A planta de equilíbrio do sistema de uma pilha de célula de combustível pode ser tão complexa e cara como a própria pilha de célula de combustível. Ela inclui diversos tipos de dispositivos mecânicos e eletromecânicos, como válvulas de controle e sensores, filtros, tubulações, juntas e vedantes, além de tanques (de hidrogênio líquido pressurizado e de água deionizada) e outros dispositivos como compressor de ar, bombas hidráulicas (para os umidificadores e para o arrefecimento da célula), radiador e ventilador (ou trocador de calor, para o arrefecimento da célula ), condensador (separador de água e ar), umidificador de fluxo e refrigeradores (ambos tanto para o ar quanto para o hidrogênio), como exemplificado na figura a seguir.

Esquema do sistema de célula de combustível PEM de hidrogênio

Um subsistema eletrônico é empregado para controlar a planta, por malhas de controle PID. A resposta de um sistema de energia a célula de combustível só é limitado, primariamente, pela alimentação de ambos, ar e de hidrogênio, realizado pela regulação da pressão e vazão dos fluxos, respectivamente mas, ela depende, também, da gestão de calor e de água.

Enquanto a corrente circula, instantaneamente, pela carga conectada à pilha de células de combustível, calor e água são gerados, enquanto que oxigênio é esgotado e, o sistema de controlo respiratório, da pilha de combustível requerido para manter a pressão dos reagentes através da membrana, a hidratação da membrana e a temperatura ótima, a fim de evitar a degradação prejudicial da tensão da pilha, e assim, a redução da eficiência.

Estes parâmetros críticos de célula de combustível são controlados por uma série de atuadores, tais como o solenoide de válvulas proporcionais, motores de bomba, do compressor e do ventilador, palhetas guia de expansores, umidificadores, e condensadores. O sistema atuador auxiliar precisa fornecer ajustes finos e rápido para satisfazer os padrões de desempenho, segurança e confiabilidade.

Uma pilha de células de combustível requer quatro sistemas de fluxo controlada, com as seguintes atribuições:

  1. Fornecimento de hidrogênio para a alimentação do ânodo (cor vermelha na figura);
  2. Fornecimento ar para o cátodo (cor azul escura na figura);
  3. Fornecimento de água deionizada que serve como líquido de arrefecimento no canal de arrefecimento da pilha (cor azul clara, na figura);
  4. Fornecimento de água deionizada, que é fornecida ao umidificador para umidificar, tanto fluxo de hidrogênio para  anodo, quanto o fluxos de ar para  catodo (também co azul clara na figura).

Estes quatro subsistemas são assinalados como pontos de controle U1 até U4 na Figura a seguir. A operação em alta pressão melhora significativamente a velocidade das reações e, portanto, a eficiência da célula de combustível e eleva a sua densidade de energia. O hidrogênio já se encontra pré-pressurizado no seu tanque e precisa apenas de uma válvula reguladora de pressão na suas saída, enquanto que um compressor eletro-motorizado é necessário para comprimir o ar a um nível de pressão adequado, controlado.

A temperatura do ar no colector de alimentação do compressor é tipicamente elevada e evitar qualquer dano para a membrana da célula de combustível, o ar tem de ser arrefecido para a temperatura de funcionamento da pilha. Para evitar desidratação da membrana, o fluxo de ar que sai do arrefecedor é em seguida umidificado antes de entrar na pilha, por micro pulverização de água diretamente na corrente de ar no interior do umidificador. Pelo mesmo motivo e da mesma forma, o hidrogênio também é umidificado. O volume do umidificador é pequeno e um modelo estático do umidificador é usado.

A produção de energia na célula depende muito de uma relação de excesso de oxigênio no cátodo. Como a falta de oxigênio é um problema o ar irrigado é feito em excesso. Quando este excesso de ar deixa a pilha,  ele carrega consigo água e vapor de água, produzido na célula de combustível. Para um sistema de célula de combustível para automóveis, um separador (condensador) de água é necessário a fim de recuperar o máximo de água. O suprimento de hidrogênio também é caracterizado por excesso mas, este é, simplesmente, realimentado para a entrada.

Uma vez que a temperatura da pilha deve ser mantida abaixo de 94 °C, o excesso de calor libertado na reação da célula de combustível é retirado pela circulação de um refrigerante de água desionizada, um circuito de fluxo de água refrigerada selado, que circula pelo entorno de cada célula da pilha, tal como mostrado na figura ao lado que ilustra o empilhamento de duas células. O líquido de arrefecimento após sair da pilha, passa através de um permutador de calor (ou de um radiador ventilado), a fim de remover o calor do sistema, e uma bomba hidráulica mantém a contínua circulação do refrigerante.

O subsistema abastecimento de fluxo dos reagentes consiste dos componentes auxiliares por onde fluem os reagentes, hidrogênio e oxigênio, controlados pelas malhas de controle de fluxo de fornecimento de ambos. A medida que o motor de tração do veículo consome corrente, o hidrogênio e o oxigênio se esgotam na pilha de célula de combustível, de modo que o fluxo de hidrogênio no ânodo e o fluxo de ar no cátodo, precisam ser, ambos continuamente regulados, ajustando-se à demanda de potência da pilha, por meio do controle da válvula proporcional e do velocidade motor do compressor, respectivamente.

O objetivo do controle é fornecer fluxos de reagentes suficientes (para manter a relação de excesso desejado) para garantir respostas transientes rápidas e minimizar o consumo de energia auxiliar.

Um condicionador de energia (conversor CC/CC), indicado como ponto de controle U5 na figura, é frequentemente necessário, uma vez que a tensão de uma pilha de células de combustível varia significativamente e não é adequado para componentes para alimentar diretamente consumidores elétricos típicos como o motor de tração. O poder condicionado é fornecido ao motor de tração ligado ao sistema de transmissão do veículo. O controle de entrada U6 na figura representa o controle de acionamento do motor de tração.

Você pode pode aprender mais sobre as plantas de equilíbrio do sistema de pilhas de células de combustível e suas estratégias de controle, estudando uma série de literaturas especializadas (em inglês):

e também pode conhecer conceitos modernos de designe e de montagem de pilhas de células combustíveis de alta performance do VE da Honda: New Fuel Cell Stack For HONDA FCX Clarity

Você pode prosseguir nesta postagem ou “saltar” para o próximo sub-tópico relacionado: Investigando as Reações Químicas em uma Célula de Combustível (que requer alguma dose de interesse por química).

Um VE Movido a Células de Combustível Precisa de Bateria de Íons de Lítio?

Todos os veículos de célula de combustível necessitam de um dispositivo de armazenamento de energia elétrica grande  bastante, para poder atender às necessidades da gerência da variação de carga e os picos de partidas freqüentes, porque as células de combustível são um tipo de gerador de energia elétrica que não convém alimentar diretamente o motor elétrico de um carro (e menos ainda podem substitui-lo por si próprias, como alguns chegam a imaginar).

As baterias Li-ion compactas usando construção por células laminadas, caracterizam tamanho menor, maior potência e maior capacidade do que as células cilíndricas convencionais podem ser uma boa opção como armazenadora de energia. Isso as torna ideal para uso em automóveis e uma escolha natural para VEs por células de combustível e veículos elétricos híbridos.

No entanto carros mais simples podem até mesmo utilizar apenas um banco de super-capacitores (ultra-capacitor) para isso, em vez da bateria de Li-ion. Os super-capacitores atuais têm um desempenho ótimo e confiabilidade, tendo uma vida útil muito longa e  livre de problemas.

Porém, os fabricantes de veículos de célula de combustível parecem estar olhando para o meio-termo, que é agora algo comum com a arquitetura dos veículos elétricos puros, onde o uso de um super-capacitor é combinado com a bateria de Li-íon, ajudando a estender a sua vida útil do conjunto, um pouco mais e melhorando o desempenho geral.

Aqui, o principal condutor da decisão é geralmente custo-sobre-vida.

Custos e Questões Ambientais:

As células de combustível foram construídos pela primeira vez em 1839 pelo cientista galês Sir William Grove, no entanto, não foram consideradas uma fonte de energia séria até NASA as escolheu, nos anos 1960, para fornecer energia para o programa espacial.

Mas as células de combustível também tem um lado negativo que podem ser vistos por dois ângulos. O primeiro diz respeito  a preocupações ambientais quanto a produção do hidrogênio e o segundo, quanto aos custos de produção das próprias células combustíveis. Elas funcionam com hidrogênio, o elemento mais abundante no universo. Mas, enquanto o hidrogênio é abundantemente disponível e pode ser extraído a partir de recursos renováveis e não renováveis, ele nunca está sozinho. Na natureza, todo hidrogênio está ligado a outros elementos e precisa ser separado.

Assim, por um lado, o hidrogênio que é necessário e que precisa ser bastante puro, atualmente vem, com maiores facilidades geo-políticas e tecnológicas, principalmente, de matérias-primas que são combustíveis fósseis, principalmente o gás natural. O problema aqui nem é tanto os custos dos processos mas, o fato de que eles tendem a continuar a agravando a problemática ambiental. Em outras palavras, enquanto que a operação das células de combustível, em si, não introduzem gases indesejáveis no meio ambiente, a produção de hidrogênio a partir do gás natural, e de algumas outras alternativas que ora se apresentam, infelizmente, o fazem.

Se quisermos tornar o combustível de hidrogênio empregado nas células de combustível a um custo menor e com emissão de baixo carbono, temos de continuar investindo, pesquisando e testando até encontrar matérias-primas alternativas e processos ótimos que produzam o hidrogênio na pureza adequada e com amplas possibilidades de escala de volume de produção.

Mas eu creio, por tudo que tenho observado com os resultados e as expectativas das experiências originadas das iniciativas correntes, principalmente aquela que se tem feito, de maneira pioneira e mais intensa no programa do estado norte-americano da Califórnia, que isso parece ser a parte mais fácil de ser resolvida. Como o hidrogênio tem também outras aplicações industriais, além de servir de combustível às células não somente visando automóveis mas, também, a produção de energia de uma maneira geral, já exite, atualmente, vindo de longa data, uma grande diversidade de processos de produção de hidrogênio em escala, os quais estão em contínuo aprimoramento e, também, novos processos de produção do hidrogênio vêm sendo investigados e testados, em substituição aos que não são ambientalmente amigáveis.

Por outro lado, a energia obtida por células de combustível para força de tração em mobilidade pessoal é bem mais cara do que a alternativa de VEs a bateria e do que VMC a gasolina ou diesel, por causa do custo de fabricação da célula de combustível, em si, principalmente devido aos custos dos catalisadores caros que ora sã empregados, e que são essencialmente necessários para produzir as reações químicas que devem ocorrem no processo de geração que ocorre no interior das células. A diferença de custos é tão significativamente grande que inviabiliza, no momento, a produção em escala de células de combustível para os automóveis.

Como sabemos, tanto a platina quanto o níquel são empregados como catalizadores nas principais células de combustível atuais, respectivamente no anodo e no catodo. A platina é um metal raro e caro e o níquel não fica muito atrás e é por causa da necessidade do emprego desses materiais é que, até o presente momento, as células de combustível não se tornaram custo-efetivo competitivas. A platina é, também, o catalisador mais eficiente encontrada ainda para a produção de hidrogênio a partir de biomassa e, mesmo que ela seja substituída por níquel, os parâmetros de eficiência e qualidade caem e o problema do custo ainda persiste considerável. A tecnologia dos catalisadores, permitindo empregar materiais menos caros, é essencial para reduzir o custo das Células a Combustível.

Principalmente entre o período de 1997 e 2006, os custos de produção das células de combustível foram diminuídos drasticamente porque as matérias-primas, como a grafite, metais, plásticos, produtos de base e de composto foram se tornando mais baratos, devido aos processos e a produção em escala em toda a cadeia associada. Isso aconteceu, principalmente, visando o mercado de aplicação das células combustíveis em Estações de Produção de Energia que, diferente dos VEs, utilizam  Célula de Combustível de Carbonato Fundido (MCFC) mas, isso refletiu, em grande parte e em tempo, nos custos de produção de células combustíveis do tipo PEM, tecnologia adequada para aplicação nos VEs .

Para se ter uma ideia, o custo de fabricação de células combustíveis caiu de cerca de US $ 20.000 por kW de potência em 1997 para cerca de uns US $ 4.500 por kW de potência em 2006. Isso estimulou alguns governos e algumas montadoras a dar inicio aos programas de testes de VEs movidos a células de combustível, já a um custo de cerca de US $ 3.500 em 2008. Todavia, o material que é catalisador, tipicamente a platina, se manteve caro e, mesmo que se tenha buscado contínuas melhorias que permitiram a redução da quantidade de platina, empregada a um mínimo, atualmente, os custos parecem ter encontrado uma barreira de estabilidade, em um patamar próximo a uns US $ 1.500 por kW, o que ainda não viabilizaria o produto para aplicação comercial nos VEs.

Custos de célula de combustível MCFC e redução de custos ($ / kW) de 1996-2006

Note que, embora seja interessante mostrar, também, um gráfico das cargas de platina, a indústria de células de combustível automotivas considera que os valores das cargas de platina não são uma informação para consumo público e, por isso, apesar de se ter a informação referente ao custo final do produto, não se tem a informação de quanto de platina, exatamente, é preciso por kW. Todavia, sabe-se que os esforços de inovação tenológica obtiveram êxito em reduzir a carga e platina em cerca de 5 vezes entre os anos de 2005 e 2010, porém, depois disso, parece ter chegado, também, a um limite.

Existem alegações de que as células de combustível PEM dos VEs atuais estejam sendo construídas com porcões de carga de platina de cerca de apenas 0,2 mg/cm2 de área da camada do catalizador, o que significa, sem considerar nenhum aumento extra da potência de saída, uma carga de platina de apenas 0,57 g/kW. Além disso, existem um ambiente especulativo atualmente, produzindo dados muito dispersos sobre o custo das células de combustível, que variam desde US $ 50,00 por kW até US $ 3000,00 por kW.

Note-se ainda que, para atingir a atual formação de custos, já se está considerando os novos processos de reciclagem da platina, o que a torna menos dispendiosa. Também considera-se o baixíssimo custo de manutenção e a longa vida útil, características das células de combustível. É exatamente por isso, os VEs movidos a células combustíveis, que se encontram atualmente em testes, e que possuem uma pilha de células de combustível do tipo PEM, tipicamente de 100 kW, as quais eu creio não custarem menos de US $ 150.000 para cada unidade sendo fabricada, não podem, ainda, ser vendidos mas, somente alugados, e a preços simbólicos, para privilegiados usuários de teste, e em alguns poucos programas pioneiros existentes.

Para superar isto, os cientistas e pesquisadores industriais estão pesquisando catalisadores alternativos a partir de metais de base e, atualmente se está investigando, também, oportunidades oferecidas pelas mudanças no desempenho catalítico de um material, quando faz-se mudanças de seu tamanho da massa para dimensões nanométricas. Certos materiais em nanoescala exibem novos fenômenos que desempenham um papel insignificante, diferentes de quando eles se encontram em dimensões de escalas maiores. Porque as partículas são tão pequenas, o seu comportamento passa a ser regido, em grande parte, pelas regras da mecânica quântica em um fenômeno conhecido como Efeito Quântico de Tamanho(6).

Todavia, ao que parece, entender como o tamanho das partículas de um catalisador nanoestruturado pode afetar a atividade das reações químicas no interior de uma célula de combustível é um problema para pesquisa de longa duração e de resultados custo-efetivos ainda incertos, e “além disso, o papel de superfícies e interfaces torna-se predominante” explica a pesquisadora Amra Peles do United Technologies Research Center (UTRC): “Porque a platina é tão cara, deseja-se obter a melhor relação possível de quantidades locais de reação na superfície, maximizando a área de superfície. Queremos partículas menores, mas há um limite para o quão pequeno você pode chegar de maneira proveitosa, ao estudar partículas de diferentes tamanhos que são capazes de proporcionar uma compreensão dos limites de utilização de metais preciosos. ”

É preciso ocupar um grande computador para estudar partículas pequenas, desta forma, Peles voltou-se para o Jaguar, um  sistemas de computação de alto desempenho, da ORNL (Oak Ridge National Laboratory, um laboratório multidisciplinar de ciência e tecnologia gerenciado para o Departamento de Energia dos EUA) e um dos mais poderosos do mundo. Através do programa de parcerias industrial do ORNL, Peles e seus companheiros de pesquisa têm aproveitado o poder do Jaguar para expandir dramaticamente a compreensão de UTRC de processos catalíticos em escala nanométrica:

“Nossa capacidade de estudar os modelos maiores, mais realistas e complicados com Jaguar nos permitiu descobrir as alterações de propriedades e características de catalisadores com bases de platina e de níquel que eram desconhecidas para nós, anteriormente, e que são acessíveis apenas em nanoescala.”, Explicou Peles.

Como vimos, a platina é já conhecida como um catalisador eficaz, mas a platina é muito rara e muito cara para uso generalizado e isso tem levado alguns outros pesquisadores a virar-se para a natureza em busca de inspiração. Eles investigaram o hidrogênio produzido por catalisadores de enzimas naturais de certos organismos vivos. Isso foi noticiado em 2011 na revista Nature Materials pelo teórico Jens Nørskov do Departamento de da Energia SLAC do National Accelerator Laboratory e da Universidade de Stanford e uma equipe de colegas liderados por Ib Chorkendorff e Søren Dahl na Universidade Técnica da Dinamarca (DTU).

Esse e outros estudos correlacionados levaram a compostos relacionados, o que eventualmente levou para o sulfeto de molibdênio. “O molibdênio é uma solução barata” para catalisar a produção de hidrogênio, Chorkendorff disse. Os diversos experimentos levam a crer que filmes de sulfeto de molibdênio amorfos são eficientes catalisadores inovadores, para a produção de hidrogênio por eletrólise em água. As películas são preparadas através de procedimentos simples de eletro-polimerização.

Notas:

  1. Catálise é o aumento da velocidade de uma reação química devido à participação de uma substância denominada um catalisador. Ao contrário de outros tipos de reações em que os reagentes utilizados nas reações químicas são consumidos, um catalisador não é consumido. Um catalisador é uma substância que afeta a velocidade de uma reação química, alterando a energia de ativação necessária para a reação proceder e que pode participar em múltiplas reações de cada vez. A única diferença entre uma reação catalisada e uma reação não catalisada, é a energia de ativação que é diferente. Não há efeito sobre a energia dos reagentes ou os produtos. A ΔH (variação de entalpia de uma reação química, que corresponde diretamente ao calor envolvido nessa reação) para ambos os tipos das reações é a mesma.

    As reações catalíticas são reações químicas típicas, ou seja, a velocidade da reação depende da frequência de contato dos reagentes para a determinação da taxa de velocidade da reação. Geralmente, as taxas são limitadas pela quantidade de catalisador e pela sua “atividade”. No entanto, nas aplicações comerciais busca-se atingir aumento da atividade e diminuição a quantidade, simultaneamente, para aumentar a eficiência diminuir custos, respectivamente.

    As células de combustível dependem de catalisadores, em geral a base de platina, para ambas as reações, anódica e catódica. Quando em contato com um dos elétrodos numa célula de combustível, esta platina aumenta, tanto a taxa de oxidação do hidrogênio (do lado do anodo), quanto a taxa de redução do oxigênio (no catodo), quer para a água, ou para hidróxido ou peróxido de hidrogênio.

    Os efeitos catalíticos tal como eles ocorrem no interior das células de combustível, a difusão dos reagentes ao longo da superfície da camada de catalisador e a difusão de produtos provenientes da mesma é o mais importante na determinação da taxa de reação.

    No anodo, H2 absorve na superfície da Pt, em seguida, se dissocia em átomos de H que se ligam à superfície átomos de Pt, mas pode patinar em torno de um local para outro. Em solução, H2 borbulha sobre Pt finamente dividida que resulta no famoso “eletrodo de platina”, que catalisa equilíbrios redox envolvendo H2 e H+: ( 2H+(aq) + 2e → H2(g) )
  2. Antigamente, o termo oxidação significava combinar-se com o oxigênio pois, quando inicialmente adquiriu-se o conhecimento da estrutura dos átomos das moléculas verificou-se que, quando um elemento ou uma substância combinava-se com o oxigênio, esta espécie química perdia elétrons.
    Modernamente, o termo oxidação significa apenas perder elétrons, mas não necessariamente em presença de oxigênio. Quando um elemento perde elétrons o seu estado de oxidação aumenta. Exemplo: Al0 → Al+3 + 3 e-  neste caso, o alumínio (Al) perdeu 3 elétrons que, ou se tornaram livres (hábeis para formar corrente elétrica) ou foram transferidos para uma outra espécie química.
    Já, a redução, nada mais é que a reação de sentido contrário, ou seja, o elemento ganha elétrons. Assim, diz-se que, na oxidação, o número de oxidação (Nox) do elemento aumenta (pois ele perde elétrons). Na redução, o número de oxidação (Nox) se reduz (pois o elemento ganha elétrons).
    Quando um átomo possui em sua estrutura o mesmo número de elétrons e prótons, dizemos que ele se encontra eletricamente neutro ou, desprovido de carga elétrica. Quando um átomo ganha ou perde um ou mais elétrons, dizemos que ele se torna ionizado, ou que ele tornou-se um Íon.
    Se um átomo ganha elétrons, ele se torna um íons dotado de carga elétrica negativa (ou carregado negativamente), o qual chamamos de ânion. Se um átomo perde elétrons, ele se torna um íons dotado de carga elétrica positiva (ou carregado positivamente), o qual chamamos de ânion chamamos de cátion.
    Quando um átomo tornado em um íon, ele sofre um aumento da sua reatividade, que é a medida da tendência que ele apresenta para realizar ligações ou interações com outros átomos (reações químicas). Essa tendência é natural pela via de regra que partículas com cargas elétricas em oposição se atraem e partículas com cargas elétricas coincidentes se repelem e, com isso, os íons interagem entre si, podendo ganhar movimento.
    Em matéria em estado sólido as partículas componentes (átonos, íons e moléculas) estão fixas na estrutura e apenas os elétrons podem ter mobilidade, desde que consigam se desprender da eletrosfera dos átomos, se tornando elétrons livre. Todavia, nos demais estados na matéria, como o líquido, o  gasoso e  plasmático, também os íons e os átomos neutros, além dos elétrons, têm mobilidade.

    Utilizamos o termo oxirredução para designar a reação global que compreende as duas meia reações (oxidação e redução) quando elas são realizadas em sequência. Reações de oxirredução ocorrem com frequência na natureza, principalmente, onde existe mobilidade de íons.

    As aplicações industriais que empregam as reações de oxirredução são inúmeras, e foram sendo desenvolvidas ao longo do tempo e, já eram usadas até mesmo quando o ser humano ainda não entendia o mecanismo delas. Processos de purificação de metais, como o ferro, o cobre e o zinco empregando essas reações já eram usadas a séculos para a produção máquinas bélicas, como canhões e munição.

    Um polímero é uma molécula cadeia longa composta por várias subunidades, conhecidos como monômeros. Devido à sua ampla gama de propriedades, ambos os polímeros sintéticos e naturais desempenham um papel essencial e onipresente na vida cotidiana. Moléculas de polímero especial contendo subunidades ionizáveis, conhecidas como polielectrólito ou ionômero, pode compor interessantes estruturas poliméricas porosas, que são usadas para construir membranas que permitem a circulação de catiões, através de seus poros, mas não conduzem nem  anions nem elétrons.
  3. Modernamente o termo oxidação significa, tão somente, perder elétrons, ou ainda obter um aumento da sua reatividade (tendência que os átomos da substância simples têm de efetivamente participar de uma reação química, ligando-se a outros átomos de outras substâncias), mas não necessariamente em presença de oxigênio. Quando um elemento perde elétrons o seu estado de oxidação aumenta (aumento algébrico da carga formal). Forçosamente, isto se dá através da transferência de elétrons, que, tornando-se em elétrons livres, transitam por um percurso e por fim se agregam à outra espécie química. Combustíveis expressos em suas fórmulas moleculares.
  4. Muito embora isso possa gerar alguma confusão, o acrônimo PEM é usado, costumeiramente, tanto para designar o termo em  inglês “Proton Exchange Membrane”, como também o termo “Polymer Electrolyte Membrane”, todavia, em essência, ambos se referem a mesma membrana, empregada no mesmo tipo de Célula Combustível, cujo acrônimo associado é, então, PEMFC. Confira isso em PEMFC. Enquanto isso, o acrônimo MEA (Membrane Electrode Assemblies) refere-se a peça única que é formada pela membrana e pelos elétrodos integrados já integrados a ela.
  5. Combustíveis expressos em suas fórmulas moleculares.

  6. Efeito Quântico de Tamanho (Quantum Size Effect): Um dos efeitos mais direto da redução do tamanho dos materiais à escala nanométrica é o aparecimento de efeitos de quantização, devido ao confinamento do movimento dos elétrons. Isto conduz a níveis de energia discretos, dependendo do tamanho da estrutura, daquele como é conhecido a partir do potencial simples, bem tratados em mecânica quântica introdutória. Seguindo esta linha, estruturas artificiais, com propriedades diferentes das dos materiais a granel correspondentes, podem ser criadas. O controle das dimensões, bem como a composição das estruturas, tornam possível adaptar as propriedades do material para aplicações específicas. Ambos, nanoestruturas de materiais semicondutores e materiais metálicos, foram investigados ao longo dos anos. Embora as aplicações de nanoestruturas metálicas ainda estejam muito limitadas, a de eletrônica de semicondutores e componentes opto-eletrônicos, com base em estruturas com efeitos quântico de tamanho, têm sido no mercado há vários anos. É muito raro que as nanoestruturas aparecem como estruturas permanentes livres. Em vez disso, eles são incorporadas num material de matriz, que tem necessariamente um efeito sobre os níveis eletrônicos na nanoestrutura. Deve notar-se que muitas aplicações de nanoestruturas não depende, diretamente, dos os efeitos quânticos de tamanho, sobre as suas propriedades eletrônicas. No entanto, em vez disso, a superfície em relação a de volume é o que pode levar a novas funcionalidades, por exemplo, os efeitos catalíticos (como é o caso das questões em torno da eficiência por quantidade de platina nas células de combustível). Intensa pesquisa está voltada para a introdução de novas funcionalidades para materiais de matriz sem afetar outras propriedades do material, com a introdução de estruturas nanométricas.

  7. A duração da Vida Útil de células combustíveis de emprego veicular não costuma ser medida em unidade de tempo, mas, sim, em unidade de percurso (distância percorrida). Em 10 anos, a vida útil das células de combustível PEM de hidrogênio mais que triplicou: ela era de cerca de apenas 45.000 km em 2006, e em 2013 atingiu cerca de 160.000 km (o que já trouxe um razoável alento). No entanto, muitos consideram que as células de combustíveis em automóveis se tornará ideal, somente quando elas passarem a durar a partir de 240.000 km, o que, até o presente momento, ainda não ocorreu, mas isso é esperado para até o ano de 2020. Se você comparar motores a combustão interna e células de combustível, ainda há uma nítida diferença, tanto no custo (principalmente pelo requerimento de platina), quanto no tempo de vida. A Toyota, por exemplo, constrói seus motores a combustão interna para uma vida útil declarada de 400.000 km (mas eu mesmo sei de um Toyota que está batendo a marca de 800.000, com 21 anos de uso). Os problemas notórios que comprometem a vida útil das células combustíveis são os mesmos de sempre, e via desenvolvimento de técnicas construtivas e de materiais, vem sendo melhorados aos poucos: o ataque químico da membrana por radicais livres H2O2, a corrosão do carbono e a instabilidade da platina. Neste linque: Hydrogen and Fuel Cell Activities, Progress, and Plans – Report to Congress há um relatório (em inglês) que, apesar de já um pouco antigo, ainda me parece ser bastante interessante de se estudar.

Fonte:   http://automoveiseletricos.blogspot.com.br/2013/06/como-uma-celula-combustivel-e-o.html

Watts to amps calculator

Se você verificar no datasheet do equipamento a potência máxima e encontrar uma fonte com a mesma voltagem, saberá se a amperagem desta, é ou não suportada pelo aparelho.

Segue um excelente site que faz a conversão da potência para a amperagem:

Electric power in watts (W) to electric current in amps (A) calculator.

Select current type, enter power in watts, voltage in volts, power factor for AC circuit and press the Calculate button (DC = Direct Current, AC = Alternating Current):

 

Select current type: DC
AC – Single phase
AC – Three phase
Enter power in watts: W
Enter voltage in volts: V
Current result in amps: A

Amps to watts calculator ►

DC watts to amps calculation

The current I in amps (A) is equal to the power P in watts (W), divided by the voltage V in volts (V):

I(A) = P(W) / V(V)

AC single phase watts to amps calculation

The phase current I in amps (A) is equal to the power P in watts (W), divided by the power factorPF times the RMS voltage V in volts (V):

I(A) = P(W) / (PF × V(V))

The power factor of resistive impedance load is equal to 1.

AC three phase watts to amps calculation

Calculation with line to line voltage

The phase current I in amps (A) is equal to the power P in watts (W), divided by square root of 3 times the power factor PF times the line to line RMS voltage VL-L in volts (V):

I(A) = P(W) / (3 × PF × VL-L(V) )

The power factor of resistive impedance load is equal to 1.

Calculation with line to neutral voltage

The phase current I in amps (A) is equal to the power P in watts (W), divided by 3 times the power factor PF times the line to neutral RMS voltage VL-N in volts (V):

I(A) = P(W) / (3 × PF × VL-N(V) )

The power factor of resistive impedance load is equal to 1.

Typical power factor values

Do not use typical power factor values for accurate calculations.

Device Typical power factor
Resistive load 1
Fluorecent lamp 0.95
Incandescent lamp 1
Induction motor full load 0.85
Induction motor no load 0.35
Resistive oven 1
Synchronous motor 0.9

 

Watts to amps calculation ►

 

Fonte: http://www.rapidtables.com/calc/electric/Watt_to_Amp_Calculator.htm

Como Ligar Motor Trifásico em Rede Monofásica

http://page.saladaeletrica.com.br/coel2 – É muito comum meus alunos e seguidores perguntar como ligar motor trifásico em rede monofásica, e a solução não é tão simples quanto parece.

Em diversos conteúdos observamos pessoas falando sobre a instalação de motor trifásico com capacitor, você já deve ter escutado isso, o problema é que esta ligação não é tecnicamente correta e pode acabar reduzindo a vida útil do motor trifásico.

Eu gravei este vídeo exatamente para você conhecer a minha opinião sobre este assunto e para saber de uma vez por todas como ligar motor trifásico em rede monofásica.

Como pode observar, no vídeo utilizo um inversor de frequência para realizar esta função, não quero aqui colocar em julgamento que fez ou pensou em fazer de outra forma, somente quero que saiba como é a forma correta de partida de motor trifásico na rede monofásica.

A partir de agora, toda vez que algum cliente perguntar: “Como ligar motor trifásico em rede monofásica?”, você saberá exatamente como atendê-lo tecnicamente correto.

Espero que tenha gostado deste vídeo.

Um forte abraço
Everton Moraes

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Atualizando Firmware ESP8266

Encontrei estes vídeos muito simples e gostaria de compartilhá-lo com vocês. Não tem voz com sotaque, nem baboseira que nos faz perder tempo.

ESP8266 ESP-01 WiFi IOT Module Flashing or Re-flashing Firmware Update Ai Thinker version Tutorial 1. How to update or re-flashing ESP8266 ESP-01 Ai Thinker version firmware using ESP Flash Download Tool.

Default Version (Jun 5 2015):
SDK 0.9.5 (Ai-Thinker)
AT 0.21.0.0 (Ai-Thinker)

Re-flashing firmware (512KB/4Mbits flash size board version):
– The latest firmware is SDK 1.3.0 but we will flash it the same version as it is the only version that support this ESP-01 with 4Mbit of flash size. You may use the latest version if you have larger flash size.
SDK 0.9.5 (Ai-Thinker)
AT 0.21.0.0 (Ai-Thinker)

Required Firmware file and address (no 4Mbits/512kByte version support version 1.0 and above):
ai-thinker-0.9.5.2.bin (0x00000)

Item Required:
1. ESP8266 ESP-01 4Mbit/512kB version (Hardware) – http://www.aliexpress.com/wholesale?S…
2. FTDI USB to Serial UART Adapter (Hardware) – http://www.aliexpress.com/wholesale?S…
3. Jumpers (Hardware) – http://www.aliexpress.com/wholesale?S…
4. Breadboard (Hardware) – http://www.aliexpress.com/wholesale?S…
5. PuTTY (Software) – http://www.chiark.greenend.org.uk/~sg…
6. ESP Flash Download Tool (Software) – http://bbs.espressif.com/viewtopic.ph…
7. Ai-Thinker Firmware (Firmware) – http://wiki.aprbrother.com/wiki/Firmw…

Extra (For external Power Supply):
1. 3.3V 1A Voltage Regulator (AZ1117T) – http://www.aliexpress.com/wholesale?S…
2. Mini/Micro USB Breakout Board – http://www.aliexpress.com/wholesale?S…
3. Power Bank

NOTE: External power supply is required if the PuTTY or Serial Monitor unable to give response or always show an error.

Steps:
1. Prepare all the hardware required.
2. Build up all connection between ESP8266 ESP-01 and FTDI.
3. Download PuTTY Terminal Program.
4. Download ESP Flash Download Tool.
5. Download the Ai Thinker firmware.
6. Connect and check the current version of firmware using PuTTY.
7. Upload the firmware using ESP Flash Download Tool.
8. Check the uploaded version of firmware using PuTTY.

IMPORTANT NOTE:
1. External power supply is required if the PuTTY or Serial Monitor unable to give response or always show an error.
2. Ai-Thinker firmware version 1.0 and above requires at least 1MB (8Mbit) of Flash. 512kB (4Mbit) of Flash has to use older version (v0.9.5.2 – refer to alternative link below)

Official Download Link for Latest Ai-Thinker firmware:
http://bbs.ai-thinker.com/forum.php?m…

Alternative Download Link for Latest Ai-Thinker firmware:
http://www.electrodragon.com/w/ESP826…

Alternative Download Link for older version Ai-Thinker firmware:
http://wiki.aprbrother.com/wiki/Firmw…

SUBCRIBE Youtube for Channel for more Tutorial Videos:
Youtube Channel: https://www.youtube.com/channel/UCcod…

Soundtrack credits:
Jahzzar – betterwithmusic.com – CC BY-SA
Rainy_Day_Games – YouTube Audio Library

Publicado em 29 de out de 2016

ESP8266 ESP-01 WiFi IOT Module Flashing Firmware Update Espressif Version Tutorial 2. How to update ESP8266 ESP01 Espressif version firmware using ESP Flash Download Tool.

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I N F O :
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Default Version (Jun 5 2015):
SDK 0.9.5 (Ai-Thinker)
AT 0.21.0.0 (Ai-Thinker)

Upgrade to latest supported (4Mbit Flash of ESP-01) Espressif version (Sep 18 2015) – Refer Important NOTES for details:
SDK 1.4.0 (Espressif Non-OS no-boot)
AT 0.50.0.0 (Espressif Non-OS no-boot – Sep 18 2015)

ESP-01 Board Flash size: 4Mbit/512KByte version

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F I R M W A R E :
————————————–
Required Firmware file and address (4Mbit/512KB version):
1. esp_init_data_default.bin (0x7c000)
2. at\noboot\eagle.flash.bin (0x00000)
3. at\noboot\eagle.irom0text.bin (0x10000)
4. blank.bin (0x3e000)
5. blank.bin (0x7e000)

————————————–
P R E P A R A T I O N :
————————————–
Item Required:
1. ESP8266 ESP-01 (Hardware) – http://www.aliexpress.com/wholesale?S…
2. FTDI USB to Serial UART Adapter (Hardware) – http://www.aliexpress.com/wholesale?S…
3. Jumpers (Hardware) – http://www.aliexpress.com/wholesale?S…
4. Breadboard (Hardware) – http://www.aliexpress.com/wholesale?S…
5. PuTTY (Software) – http://www.chiark.greenend.org.uk/~sg…
6. ESP Flash Download Tool (Software) – http://bbs.espressif.com/viewtopic.ph…
7. NON-OS ESP8266 SDK Firmware (Firmware) – http://bbs.espressif.com/viewtopic.ph…

Extra (For external Power Supply):
1. 3.3V 1A Voltage Regulator (AZ1117T) – http://www.aliexpress.com/wholesale?S…
2. Mini/Micro USB Breakout Board – http://www.aliexpress.com/wholesale?S…
3. Power Bank

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S T E P S :
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1. Prepare all the hardware required.
2. Build up all connection between ESP8266 ESP-01 and FTDI.
3. Download PuTTY Software.
4. Download ESP Flash Download Tool.
5. Download the latest Espressif Non-OS ESP8266 SDK firmware (use this SDK 1.4.0 version since this is the only version applicable for 4Mb of flash size – refer IMPORTANT NOTES below).
6. Connect and check the current version of firmware using PuTTY.
7. Upload the latest Espressif firmware using ESP Flash Download Tool.
8. Check the latest version of firmware using PuTTY.

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I M P O R T A N T N O T E S :
————————————–
1. External power supply is required if the PuTTY or Serial Monitor unable to give response or always show an error.
2. 4Mbit of Flash is not supported for SDK v1.5.0 (15_11_27) and above for both boot and non-boot mode due to large size of AT firmware (Starting ESP8266_AT_v0.51). Please use 8Mbit Flash or larger.
3. 4Mbit of Flash is only support non-boot mode for SDK v1.1.0 (15_05_22) until SDK v1.4.0 (15_09_18).
4. Please refer to README file in bin/at/ folder for another flash size.
5. If you have an upgraded version of ESP-01 with 8Mbit of flash size (Black Color), Please refer ESP-201 (8Mbit Flash size) tutorial video on how to download latest SDK firmware. Link here: https://www.youtube.com/watch?v=U8ubG…

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S U B S C R I B E :
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SUBCRIBE MakerStream YouTube Channel for more Tutorial Videos:
YouTube Channel: https://www.youtube.com/channel/UCcod…

Soundtrack credits:
Jahzzar – betterwithmusic.com – CC BY-SA – intro sound (cropped)
Rainy_Day_Games – YouTube Audio Library

Faça você mesmo: Ozonizador para água (MA013)

newtoncbraga

O QUE É O OZÔNIO
O oxigênio na sua forma natural consiste numa molécula biatômica, ou seja, é formada por dois átomos de oxigênio, daí a conhecida fórmula O2.
Entretanto, sob condições especiais, podemos unir três átomos de oxigênio para formar uma molécula que passará a ter propriedades diferentes do oxigênio biatômico. Esta molécula é a do conhecido gás ozônio (O3).

ma0013_01

A produção do gás ozônio a partir do oxigênio pode ser feita com uma descarga elétrica de alta tensão.
Como a água comum possui oxigênio dissolvido, podemos transformá-lo parcialmente em ozônio, bastando para isso “dar uma descarga de alta tensão”.
O ozônio que se forma dissolvido na água pode então manifestar sua propriedades bactericidas bem conhecidas dos médicos.
Os equipamentos de ozonização comerciais fazem justamente isso.
Em nosso caso, propomos ao leitor a montagem de um ozonizador utilizando materiais e componentes comuns.

COMO FUNCIONA
Nosso circuito gerador de alta tensão consiste num oscilador de relaxação com uma lâmpada néon excitando um SCR.
Como carga o SCR usa uma bobina de ignição comum de carro, que pode gerar tensões na faixa de 10 000 a 50 000 V sendo mais do que suficiente para a produção do ozônio.
No nosso circuito, a tensão da rede de energia é retificada por D1, servindo ao mesmo tempo, para carregar o capacitor C1 e o capacitor C2 através do resistor R1 e do trimpot de ajuste P1.
A tensão no capacitor C2 sobe então até atingir o valor necessário ao disparo da lâmpada néon, algo em torno de 80 V. Quando esta tensão é alcançada, o capacitor se descarrega pela lâmpada néon disparando o SCR.
Com o disparo, o SCR fecha o circuito de descarga de C1 pelo enrolamento de baixa tensão da bobina de ignição.
Ocorre aí a descarga de C1 pela bobina gerando um pulso de muito alta tensão.
A alta tensão é aplicada ao eletrodo especial em contato com a água ocorrendo a produção do ozônio.
Tão logo C1 e C2 se descarregam, o SCR desliga e a lâmpada néon volta ao seu estado de não condução. Então, o processo ocorre novamente.
A velocidade com que os pulsos de descarga que geram a alta tensão são produzidos pode ser ajustada em P1, e é da ordem de algumas dezenas até algumas centenas por segundo, garantindo assim a geração de forma constante da alta tensão no eletrodo.
O circuito pode ser alimentado pela rede de 110 V ou 220 V e possui um consumo de energia bastante baixo (da ordem de 5 a 10 W), não comprometendo portanto a conta no final do mês.

 
MONTAGEM
Na figura 2 temos o diagrama completo do ozonizador.

ma0013_02

A montagem dos componentes numa placa de circuito impresso é vista na figura 3.

ma0013_03

O valor de R1 depende da tensão da rede de energia, conforme indicado no diagrama. Deve ser usado um resistor de fio, já que este componente funciona levemente aquecido.
O SCR deve ser sufixo B ou D se a rede de energia for de 110 V, e sufixo D se a rede de energia for de 220 V. Não será preciso montar este componente em radiador de calor dada a baixa corrente média em funcionamento.
O capacitor C1 pode ser eletrolítico ou de poliéster com uma tensão de trabalho de pelo menos 200 V, se a rede for de 110 V, e 400 V se a rede for de 220 V. O capacitor C2 é de poliéster e deve ter uma tensão mínima de trabalho de 100 V.
Qualquer lâmpada néon comum pode ser utilizada no projeto.
A bobina de ignição pode ser de qualquer tipo, inclusive os usados em motos. Na figura 4 damos pormenores da montagem do eletrodo de ionização.

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Este eletrodo é formado por dois tubos de PVC montados um dentro do outro, possuindo o tubo interno uma tela metálica onde será aplicada a alta tensão.
Para fazer a ligação do aparelho a esta tela de alta tensão deve ser usado cabo apropriado (de alta isolação) evitando-se assim, o perigo de choque caso alguém toque nele.
O eletrodo é montado de modo a formar um tubo de Venturi, conforme ilustra a figura 5.

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Este tubo pode ser feito com uma caneta esferográfica velha e uma serpentina de geladeira. Quando a água passa pelo tubo, ocorre a sucção do ar ozonizado em contato com o eletrodo, conforme mostra a mesma figura. Este ar, rico em ozônio, mistura-se com a água onde acontece a dissolução.
Observe que a vedação do tubo na parte inferior deve ser perfeita, para que não ocorram vazamentos. Apenas na parte superior devem existir furos para entrada do ar. A água ozonizada pode ser levada a um reservatório para uso.

 
PROVA E USO
Para verificar se a  alta tensão está sendo produzida basta aproximar uma lâmpada fluorescente, ou ainda uma lâmpada néon do terminal de alta tensão da bobina de ignição.
Ajuste P1 para o melhor funcionamento, ou seja, maior brilho da lâmpada usada como teste. Deixando o aparelho ligado, poderemos perceber o cheiro de ozônio, produzido pela alta tensão gerada no circuito.
Comprovando o funcionamento, pode-se fazer a instalação definitiva.
Feche o circuito em caixa bem isolada para evitar contatos perigosos.
Se quiser, acrescente uma chave para acionar o circuito somente quando for usá-lo, ou ainda algum dispositivo que o acione quando a água circular. Utilize a água ozonizada apenas para a lavagem de alimentos ou louças. Evite bebê-la pura ou fazer sucos ou bebidas com ela.


LISTA DE MATERIAIS
Semicondutores:

D1 – 1N4004 (110 V) ou 1N4007 (220V) – diodo retificador de silício.
SCR – TIC106B ou D (110 V) ou TIC106D (220 V) – diodo controlado de silício

Resistores: (1/8W, 5%)
R1 – 1,2 k? 10 W – 110 V ou 2,2 kohms x 10 W (220 V) – fio
R2 – 100 k?
R3 – 47 k?

Capacitores:
C1 – 1 a 10 µF x 200 V (110 V) ou 1 a 10 µF x 400 V (220V) – eletrolítico ou poliéster
C2 – 100 nF x 100 V – poliéster

Diversos:
P1 – 1 M? – trimpot
T1 – Bobina de ignição – ver texto
NE-1 – lâmpada neon comum
X1 – Eletrodo – ver texto

Placa de circuito impresso, cabo de alimentação, material para o eletrodo e tubo de Venturi, caixa para montagem, fios, solda, etc.

 

Fonte: http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/meio-ambiente-e-saude/1225-ma013