Projeto de Fotocélula utilizando o Amp Op 741

Projeto de Fotocélula utilizando o Amp Op 741

Índice

Objetivo...........................................................................2

Escolha de projeto..........................................................2

Funcionamento do circuito............................................3

Amplificador Operacional 741......................................4

Transistor BC548C.........................................................5

Cálculo de resistores.......................................................5

Simulação........................................................................9

Objetivo

-Realizar na prática um projeto de um circuito eletrônico.

Escolha de projeto

O projeto escolhido foi o de uma Fotocélula Eletrônica, projeto este encontrado na revista Saber Eletrônica. Segue uma imagem do esquema eletrônico do projeto:

Após testes no protoboard, algumas adaptações tiveram quer ser feitas. Primeiro, a alimentação do Amplificador Operacional foi modificada para +15 e -15Vcc, e não 9Vcc como está no projeto original. Com essa mudança na alimentação, tivemos que inserir um resistor em série com a bobina do relé para dividir a tensão, pois a mesma trabalha com 6 a 8Vcc.

Funcionamento do circuito

Um LDR terá sua resistência alterada conforme a incidência de luz sobre ele. O amplificador operacional aplica uma tensão negativa sobre R3. Nesta situação o transistor Q1 permanece em corte. Com a variação na resistência do LDR, haverá uma tensão maior na entrada não inversora do amplificador operacional, este irá saturar, e haverá tensão positiva sobre R3. A tensão VBE e a corrente de R3 são suficientes para fazer o transistor Q1 saturar, ligando o relé e acionando a lâmpada. O diodo em anti-paralelo com o relé é denominado de diodo de roda livre. Ele irá prevenir a queima do transistor devido ao pico de tensão em sentido contrário que ocorre quando a bobina do relé é desligada.

Segue uma imagem do circuito, já com as devidas adaptações:

Amplificador Operacional 741

O amplificador operacional escolhido para o circuito foi o 741C. Neste circuito não será necessário o uso de realimentação, pois ele irá apenas trabalhar como uma chave liga-desliga. Segue abaixo uma imagem do componente:

Este CI possui oito pinos, conforme segue:

O divisor de tensão do LDR e do potenciômetro será conectado à entrada não-inversora do 741 (pino 3), e o divisor de tensão dos dois resistores será conectado à entrada não-inversora (pino 2). A tensão na saída será:

Vout = A. (V+ - V-)

Como não há realimentação, o ganho será altíssimo (aproximadamente 100.000). Se houver uma pequena diferença de tensão na entrada não inversora (ou seja, se a tensão na entrada não inversora for maior que a da entrada inversora), o amplificador operacional irá saturar, e a tensão de saída será praticamente a tensão de alimentação quando este estiver saturado.

O amplificador operacional não tem capacidade fornecer corrente suficiente na saída para acionar o relé, então foi preciso utilizar um transistor, que fará o chaveamento do relé.

Transistor BC548C

O transistor escolhido para o projeto foi o BC548C. Ele irá permitir que haja corrente suficiente para o relé comutar. Este transistor é um NPN, em um encapsulamento TO-92, permite uma tensão VCE máxima de 30V e uma corrente IC máxima de 500mA em operação contínua. Tem um β entre 420 e 800, uma queda de tensão VCE(sat) de 0,6V para uma corrente IC de 100mA, e uma queda de tensão VBE(on) de 0,77V para um VCE de 5,0V e IC de 10mA.

Cálculo de resistores

1) Os resistores R1 e R2 devem ter qualquer valor de resistência que garanta um valor de tensão de referência na entrada inversora. Para este projeto queremos a metade da tensão de alimentação na entrada inversora, então basta que sejam dois resistores iguais. Escolhemos dois resistores de 33K. A tensão ideal na entrada inversora será de:

VO = VI x R2 .

R1+R2

VO = 15 x 33000

66000

VO = 15 x 0,5

VO = 7,5V

2) O potenciômetro escolhido para o projeto terá um valor de 10K. Ele irá definir a sensibilidade do circuito, pois variando a sua resistência fará com que o amplificador operacional sature com mais ou menos luz sobre o LDR.

Exemplos:

a) Com o curso do potenciômetro em 50%. Como é um potenciômetro linear, o valor ideal de resistência será de 5K. Como o ganho do amplificador tem um valor de aproximadamente 100.000, basta uma tensão mínima acima da tensão de referência para que o amplificador operacional sature. Consideremos 7,51V para exemplificar.

VO = VI x R2 .

R1+R2

7,51 = 15 x 5000 .

R1+5000

7,51 = 75000 .

R1+5000

7,51 x R1 + 5000 x 7,51 = 75000

7,51 x R1 = 75000-37550

R1 = 37450

7,51

R1 = 4986,68Ω

Ou seja, quando o LDR tiver o valor de 4986,68 Ω o amplificador operacional irá saturar.

b) Consideremos agora o potenciômetro em 80% do seu curso, ou seja, idealmente com o valor de 8k.

VO = VI x R2 .

R1+R2

7,51 = 15 x 8000 .

R1+8000

7,51 = 120000 .

R1+8000

7,51x R1 + 8000 x 7,51 = 120000

7,51 x R1 = 120000-60080

R1 = 59920

7,51

R1 = 7978,69Ω

Com o potenciômetro em 80% do curso, quando o LDR tiver o valor de 7978,69Ω o amplificador operacional irá saturar.

3)Cálculo do resistor R4. A bobina do relé tem um valor de resistência de 100Ω. Queremos uma tensão de aproximadamente 6,5V sobre a bobina. Logo, a tensão sobre R4 deve ser VI - V(bobina) = 8,5V

VO = (VI – VCE) x R4 .

R(bobina)+R4

8,5 = 14,4 x R4

100+R4

850+8,5 x R4 = 14,4 x R4

14,4 x R4 – 8,5 x R4 = 850

R4 = 850

5,9

R4 = 144,06 Ω

Nota: Na prática utilizamos 3 resistores em série de 39 Ω, somando aproximadamente 120 Ω.

4) Cálculo do resistor R3. Considera-se que R3 = RB(sat) e IR3 = IB(sat).

Cálculo de corrente no coletor IC, considerando a resistência do relé (RC) de 100Ω.

IC = Vcc-VCE(sat)

RC

IC = 15 - 0,6

220

IC = 14,4

220

IC = 0,065A :: 65mA

Cálculo de IB(sat):

IB(sat) = IC .

βsat

Consideramos βsat com um valor baixíssimo (10) para garantir uma saturação forte.

IB(sat) = 0,065

10

IB(sat) = 0,0065A :: 6,5mA

Cálculo de R3:

R3 = Vcc-VBE

IB(sat)

R3 = 14,4 .

0,0065

R3 = 2215Ω

5) Lista final de componentes:

R1, R2 = 33k

R3 = 2k2

R4 = 120Ω

POT = 10k

Simulação

Foi utilizado o programa Proteus 6.0 para fazer a simulação do circuito. O diodo escolhido foi o 1N4007. Somente para efeito de simulação, substituímos a tensão alternada que liga a lâmpada por uma bateria, pois o Proteus precisa operar a lâmpada com tensão contínua.

1) Nesta primeira simulação, o valor do LDR é mínimo, pois a incidência de luz é alta. O relé permanece desligado, pois a tensão na entrada inversora é maior do que na não-inversora.

Cálculo da tensão na entrada não inversora:

VO = VI x R2 .

R1+R2

VO = 15 x 1000 .

10000+1000

VO = 1,36V

2) Já nesta segunda simulação, simulando um valor do LDR alto (baixa incidência de luz), a tensão na entrada não inversora é maior que na entrada inversora. O relé liga e a lâmpada acende.

Cálculo da tensão na entrada não inversora:

VO = VI x R2 .

R1+R2

VO = 15 x 30000 .

10000+30000

VO = 11,25V

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