Eletroeletrônica Avançada, Notas de estudo de Tecnologia Industrial

Baixe Eletroeletrônica Avançada e outras Notas de estudo em PDF para Tecnologia Industrial, somente na Docsity! ELETROELETRÔNICA AVANÇADA Apostila dos alunos do 2º eletroeletrônica e 2º Módulo eletroeletrônico. Experimentos com: Diodo, Transistores, Circuitos Lógicos, Tiristores entre outros. PROFESSOR: ROBSON ELETROELETRÔNICA AVANÇADA INDICE EXPERIMENTO 01 POLARIZAÇÃO DE SEMICONDUTORES (DIODO SINAL, RETIFICADOR,ETC) 3 EXPERIMENTO 02 CIRCUITOS RETIFICADORES 7 EXPERIMENTO 03 POLARIZAÇÃO DE TRANSISTOR 10 EXPERIMENTO 04 FLIP-FLOP RS 14 EXPERIMENTO 05 CIRCUITOS COM 555 16 EXPERIMENTO 06 CONTADOR DE DÉCADA 20 EXPERIMENTO 07 SCR EM CORRENTE CONTÍNUA 22 EXPERIMENTO 08 CONTROLE DE FASE POR SCR 24 EXPERIMENTO 09 TRIAC – CONTROLE DE POTÊNCIA 27 APÊNDICE 1 – CIRCUITOS INTEGRADOS MAIS UTILIZADOS 29 APÊNDICE 2 – AMPLIFICADOR OPERACIONAL 30 BIBLIOGRÁFIA 40 2 1 Resistor 270Ω / ½W 1 Resistor 470Ω / ½W 1 Resistor 1KΩ / ½W CIRCUITOS PROCEDIMENTOS MEDIDAS E ANÁLISES CPMA1 – Montar o circuito 1. CPMA2 – Conectar o multímetro como amperímetro para medir a corrente de circuito e o multímetro analógico para medir a tensão do diodo e ajuste a fonte para os valores pedidos na tabela Tensão da Fonte Tensão no Diodo VD Corrente no Diodo ID Resistência do Diodo RD 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 CPMA3 – A resistência do diodo foi ___________ conforme a tensão de alimentação foi aumentando. Completar a frase com a alternativa correta: Aumentando Diminuindo CPMA4 – Montar o circuito 2 (Desligar a fonte e inverter a posição do diodo) CPMA5 – Para cada valor de tensão listado, medir e anotar na tabela abaixo a tensão e a corrente do diodo mostrada pelos multímetros. Tensão da Fonte Tensão no Diodo VD Corrente no Diodo ID 1,0 2,0 CPMA6 – Um diodo age como uma resistência de alto valor quando: Está diretamente polarizado Está reversamente polarizado 5 CPMA7 – Montar o circuito 3 (Antes determinando qual é a tensão da fonte para o circuito sabendo que a corrente no LED é de 20mA e a tensão é de 2V) e verifique o funcionamento do LED. CPMA8 – Calcular o resistor para um LED vermelho de 5mm sabendo que a tensão de alimentação é de 15V. 550Ω 600Ω 650Ω 700Ω CPMA9 – Montar o circuito 4 CPMA10 – Medir a tensão no resistor limitador, tensão do zener, tensão da carga, corrente do resistor limitador, corrente do zener e corrente da carga para os valores de resistores de carga relacionados na tabela ao lado: Medidas Resistor de Carga (RL) VRS VZ OU VRL IRS IZ IRL 1kΩ 470Ω 33Ω 6 EXPERIÊNCIA 02 RETIFICADOR ONDA COMPLETA OBJETIVOS: - Conhecer a características do diodo retificador; - Analisar o comportamento dos componentes do retificador de onda completa; - Verificar a atuação do filtro capacitivo na transformação de tensão pulsante para tensão contínua. CONCEITOS TEORICOS ESSESNCIAIS Circuitos Retificadores A geração e distribuição de energia elétrica são feitas na forma de tensões senoidais, porém muitos aparelhos eletrônicos são alimentados por tensões contínuas. Sendo assim, necessitam de circuitos que transformam tensões alternadas em tensões contínuas. Estes circuitos são chamados de retificadores. Porém a tensão alternada na entrada de um circuito retificador deve ser adequada ao padrão de tensão, ou seja, a tensão da rede elétrica, antes de ser ligada ao retificar, precisa de reduzida, trabalho este realizado pelo transformador. Ainda, após o retificador, é necessário eliminar as variações da tensão contínua para que a mesma se torne constante, o que é feito através de filtros ou circuitos reguladores de tensão. A este conjunto de circuitos dá-se o nome de fonte de tensão ou fonte de alimentação. Vejamos a seguir um diagrama de blocos de um retificador: Transformação Retificação Filtração DC AC Transformação – Componente responsável transformador, tem a finalidade de rebaixar a tensão deixando num valor apropriado para ser retificada. Retificação – Componente responsável diodo, tem a finalidade de transformar a tensão rebaixada e alternada do transformador em contínua pulsante. Filtração – Componente responsável Capacitor, tem a finalidade de fazer com que a tensão contínua pulsante se torne em contínua constante podendo chegar num percentual de 90% de tensão contínua pura. Existem dois tipos de retificadores que são: Retificador de Meia Onda Retificador de Onda Completa Retificador de Meia Onda O mais simples dos retificadores é o retificador de meia onda. A sua constituição básica é um diodo em série com uma carga RL. Retificador de Onda Completa com Derivação Central 7 EXPERIÊNCIA 03 TRANSISTOR OBJETIVOS: - Verificar experimentalmente o transistor trabalhando com chave analógica; - Conhecer os estados de funcionamentos; - Calcular os ganho de corrente; - Características de projetos usando transistor CONCEITOS TEORICOS ESSENCIAIS Histórico A eletrônica marca registrada desde o século XX, teve seu maior desenvolvimento a partir de 1904 com o cientista John Ambrose Fleming da University College, em Londres, com a criação da primeira válvula diodo. Essa válvula é formada por duas placas denominada anodo e catodo, e por um filamento, cuja função é aquecer o catodo para produzir uma nuvem de elétrons que, em movimento, constitui-se na corrente elétrica. A propriedade principal da válvula diodo é permitir a condução da corrente elétrica em um único sentido, tal como um diodo semicondutor. Dois anos depois em 1906 o cientista DeForest acrescentou uma grade ao redor do anodo, criando a válvula triodo. A função da grade é controlar o fluxo de elétrons que segue internamente do catodo ao anodo, possibilitando o efeito de amplificação de sinais variáveis. Foi quando a eletrônica realmente engrenou produzindo as válvulas com melhor qualidade (tetrodo e pentodo) diversos tipos de equipamentos começaram a ser projetados, como os transmissores e receptores de rádio e televisão, amplificadores de áudio, radares e os primeiros computadores, ainda na década de 40. Exatamente nesta época começaram os estudos sobre os semicondutores e puderam desenvolver com base já nas teorias quânticas e atômicas. O diodo semicondutor, feito à base de germânio, já tinha sido criado no inicio da década de 40, substituindo a válvula diodo. A principal tarefa foi criar um dispositivo que pudesse controlar corrente entre dois pólos e em ambos os sentidos, podendo a corrente ser controlada por um terminal a mais. Esse dispositivo só foi criado em 1947, nos laboratórios da Bell Telephones (EUA) por Walter Bratain e John Bardeen. Ele foi denominado de transistor, com propriedades similares às das válvulas triodos, tetrodos e pentodos, com a vantagem de consumir bem menos energia. Transistor Bipolar O principio do transistor é também de poder controlar a corrente. Ele é montado numa estrutura de cristais semicondutores, de modo a formar duas camadas de cristais do mesmo tipo intercaladas por uma camada de cristal do tipo oposto, que controla a passagem de corrente entre as outras duas.Cada uma dessas camadas recebe um nome em relação à sua função na operação do transistor. As extremidades são chamadas de emissor, e coletor, e a camada central dos transistores chamada de base. 10 Efeito Amplificação Analisando o fenômeno que ocorre com a polarização completa do transistor NPN sob o aspecto da variação das correntes, tem-se o seguinte: - Um aumento na corrente de base iB provoca um número maior de recombinações, aumentando a corrente de coletor iC. Da mesma forma a diminuição na corrente de coletor. Isto significa que a corrente de base controla a corrente entre emissor e coletor. - A corrente de base, sendo bem menor que a corrente de coletor, faz com que uma pequena variação ∆iB provoque um grande variação ∆iC. Isto significa que a variação da corrente de coletor é um reflexo amplificado da variação da corrente da base. - O fato de o transistor possibilitar a amplificação e um sinal faz com que ele seja considerado um dispositivo ativo. Esse efeito amplificação, denominado ganho de corrente, pode ser expresso matematicamente pela relação entre a variação da corrente de coletor ∆iC e a variação da corrente ∆iB, isto é: ∆iC Ganho de Corrente = ∆iB Este efeito de amplificação ocorre também no PNP, só que as correntes fluem no sentido contrário. As características de saída, ou de coletor, pode ser dividida em três regiões distintas, pois cada transistor tem um comportamento especifico. Região de Corte – Dizemos que um transistor está em corte quando as duas junções PN estão polarizadas reversamente, ou seja, a corrente de coletor é praticamente nula, nesta condição é como se o transistor estivesse sido desconectado. Região de Saturação – Dizemos que um transistor está saturado quando as duas junções PN estão polarizadas diretamente, fazendo com que uma pequena variação em VCB (Saída) resulte numa enorme variação de corrente de coletor (saída). Neste caso é como se o transistor estivesse em curto-circuito (VCB = 0) Região Ativa – Um transistor está na região ativa quando a junção emissor-base está polarizada diretamente e a junção coletor-base reversamente. Esta é a região central do gráfico da curva de um transistor onde as curvas são lineares. Portanto é esta a região usada na maioria das aplicações, principalmente na amplificação de sinais, para que a distorção seja mínima. Polarização de Transistor Polarizar um transistor é fixá-lo num ponto de operação em corrente contínua, dentro das suas curvas características. Isto é, escolher valores de correntes e tensões adequadas para o circuito do qual o transistor faz parte. Por isso, a polarização é também chamada de polarização DC, pois fixa, através de resistores externos, valores de corrente e tensões contínuas no transistor. Este ponto de trabalho do transistor, determinado pela polarização é chamado de ponto de operação estática ou ponto quiescente (Q). A escolha do ponto quiescente é feita em função da aplicação que se deseja para o transistor, ou seja, ele pode estar localizado nas regiões de corte, saturação ou ativa da curva característica de saída. Transistor como chave Um transistor operando nas regiões de corte e saturação funciona como uma chave eletrônica, ou seja, um elemento de controle liga-desliga (on/off), conduzindo corrente ou não. 11 Figura 1 – Representa a analogia transistor – chave A polarização utilizada para esta aplicação é a de base constante com duas fontes de alimentação, sendo que a fonte de polarização da base é, na realidade, o sinal de entrada que controla o transistor, cortando-o (chave aberta) ou saturando-o (chave fechada). Veja no circuito ao lado do transistor operando como chave Ve Para que o transistor opere na região de corte, é necessário que a tensão de entrada VE seja menor que VBE de condução. Nesta situação, não circula corrente pelo coletor (ICORTE ~ 0) e a tensão de saída é máxima (VS = VCE-CORTE ~ VCC). Para que o transistor opere na região de saturação, é necessário que a tensão de entrada VE seja maior que VBE de condução. Nesta situação, a corrente de coletor é máxima (ICSAT), dentro de um limite imposto pela polarização, e a tensão de saída é mínima. Para dimensionar RC e RB, utiliza-se a análise das malhas de entrada e de saída. Malha de entrada: VRB = VE - VBE Assim, tem-se: Malha de saída: VRC = VCC - VCE VE - VBE VCC – VCE RB = iB e RC = iC Como o corte do transistor depende apenas da tensão de entrada VE, o cálculo dos resistores de polarização é feito baseando-se apenas nos parâmetros de saturação. Um transistor comum, quando saturado, apresenta um VCESat de aproximadamente 0,3V e um determinado valor mínimo de β (entre 10 e 50), para garantir a saturação. A corrente de coletor de saturação ICsat depende da resistência acoplada ao coletor ou da corrente de saturação imposta pelo projeto. Assim, as equações ficam: VCC – VCEsat VE – VBE RC = ICsat e RB = IBsat EQUIPAMENTOS E MATERIAIS A SEREM UTILIZADOS 12 Qtde. Descrição Especificação 1 Fonte de Alimentação FCC 3005 D 1 Multímetro Analógico ou Digital 1 Circuito Integrado 7402 Porta NOR de duas entradas 2 LED Qualquer Cor 2 Resistor 100Ω CIRCUITOS PROCEDIMENTOS MEDIDAS ANÁLISES CPMA1 – Montar o circuito proposto Q Q CPMA2 – Completar a tabela verdade ao lado com os dados de saída para cada situação CPMA3 – Para verificar o funcionamento do flip-flop RS com portas NOR, variando-se os valores nas entradas R e S conforme as indicações na tabela, foram medidos os níveis lógicos correspondentes nas saídas Q e Q . Entradas Saídas R S Q Q 0 0 0 1 1 0 1 1 Erro Lógico Entradas Saídas Passos R S Q Q 1º Passo 0 1 V V 2º Passo 0 0 V V 3º Passo 1 0 V V 4º Passo 0 0 V V 5º Passo 0 1 V V 6º Passo 1 1 V V 15 EXPERIÊNCIA 05 CIRCUITOS COM 555 OBJETIVOS: - Verificar o funcionamento do circuito integrado 555 em circuitos osciladores; - Verificar experimentalmente o funcionamento do multivibrador monoestável; - Verificar experimentalmente o funcionamento do 555 como multivibrador astável; CONCEITOS TEORICOS ESSESNCIAIS Circuito Integrado 555 O single timer 555 associa um oscilador de relaxação, dois comparadores, um flip-flop RS e um transistor de descarga. Este CI versátil tem tantas aplicações que se tornou um padrão industrial. Uma vez entendido o seu funcionamento, você pode encontrar novas aplicações para o uso deste maravilhoso e prático circuito integrado. A figura acima é um diagrama de bloco simplificado do timer NE555, um CI timer de 8 pinos apresentado pela Signetics Corporation. Note que o comparador superior tem uma entrada limiar (pino 6) e uma entrada de controle (pino 5). Na maioria das aplicações, a entrada de controle não é usada, de modo que a tensão de controle é igual a +2VCC/3. O coletor do transistor de descarga vai para o pino 7. Quando este pino é ligado a um capacitor marcador de tempo externo, um alto Q de saída do flip-flop satura o transistor e descarrega o capacitor. Quando o Q é baixo, o transistor abre e o capacitor pode se carregar. O sinal complementar que sai do flip-flop vai para o pino 3, a saída. Quando o reset externo (pino 4) está aterrado, ele inibe o dispositivo (o impede de funcionar). Esta característica 16 ligado/desligado às vezes é útil. Na maioria das aplicações, entretanto, o reset externo não é usado, e o pino 4 é ligado diretamente à tensão de alimentação. Observe o comparador de baixo. A sua entrada é invertida é chamada de disparador (trigger) (pino 2). Devido ao divisor de tensão, a entrada não-inversora tem uma tensão fixa de +VCC/3. Quando a tensão de disparo de entrada é ligeiramente menor que +VCC/3, a saída do amplificador Operacional sobe e reset o flip-flop. Finalmente, o pino 1 é o terra da pastilha, enquanto o pino 8 é o pino da alimentação. O single timer 555 deve funcionar com qualquer tensão de alimentação entre 4,5 e 16V. Oscilador Monoestável Um circuito monoestável e aquele que funciona em dois modos de operação sendo que um é apenas estável. Fora do modo estável e decorrido um intervalo de tempo, o circuito volta a ser estável. Quando aplicado um pulso no circuito o capacitor começara a carregar-se até atingir 2/3 da tensão de alimentação, quanto isto acontecer o circuito chegou no tempo determinado pelo circuito RC. Para se projetar um monoestável basta aplicar a formula ao lado T = 1,1 x R x C ou R = T / 1,1 x C A denominação do Monoestável é que o circuito só é acionado quando aplicarmos um pulso de tensão no pino 2 do 555 Multivibrador Astável A figura1(a) mostra o timer 555 ligado para funcionamento astável (de percurso livre). Quando o Q é baixo, o transistor é cortado e o capacitor está carregando através de uma resistência total RA + RB. Por isso, a constante de tempo de carga é (RA + RB)C. À medida que o capacitor carrega, a tensão de limiar aumenta. Eventualmente, a tensão de limiar ultrapassa +2VCC/3; então o comparador de cima tem uma saída alta, e isto liga (set) o flip-flop. Com o Q alto, o transistor satura e aterra o pino 7. Agora o capacitor descarrega através de RB. Portanto a constante de tempo de descarga é RBC. Quando a tensão do capacitor cai ligeiramente abaixo de +VCC/3, o comparador de baixo tem uma saída alta, e isso reativa (reset) o flip- flop. A figura 1(b) ilustra as formas de onda. Como você pode perceber, o capacitor de medição de tempo tem uma tensão que sobe e desce exponencialmente. A saída é uma onda retangular. Como a constante de Fig. 1(b) – Formas de onda de saída Fig. 1(a) – Multivibrador Astável 0 +VCC 1 + 3 VCC 2 + 3 VCC T W 17 EXPERIÊNCIA 06 CONTADOR DE DÉCADA OBJETIVOS: - Conhecer os circuitos decodificadores; - Estudar os contadores assíncronos de década; - Configurar o contador para parar em qualquer número desejado. CONCEITOS TEORICOS ESSENCIAIS Contador é um subsistema seqüencial que fornece em suas saídas um conjunto de níveis lógicos numa seqüência predeterminada. A este conjunto de níveis lógicos dá-se nome de estados internos do contador. O contador é formado basicamente por flip-flops e, portanto, a velocidade da seqüência gerada é determinada pela freqüência dos pulsos de clock. OS TIPOS DE CONTADORES Em eletrônica digital devemos separar os circuitos lógicos sem sincronismo algum daqueles que possuem algum tipo de sincronismo externo, ou seja, que usam um sinal de CLOCK. Existem, portanto, circuitos que se enquadram no que se denomina lógica simples, e outros no que se denomina lógica sincronizada. O que acontece é que existem aplicações onde tudo que importa para o circuito é fazer uma operação com determinados níveis lógicos aplicados à sua entrada, quando eles estão presentes, não importando quando isso ocorre. Tais circuitos não precisam de sincronismo algum e são mais simples de serem utilizados. No entanto, com circuitos muito complexos, a exemplo dos que são usados nos computadores, máquinas industriais, instrumentos eletrônicos e dispositivos mecatrônicos além de muitos outros casos, o instante em que uma operação deve ser realizada é muito importante e isso implica em que os circuitos devem ser habilitados no instante exato em que determinados níveis lógicos são aplicados em sua entrada EQUIPAMENTOS E MATERIAIS A SEREM UTILIZADOS Qtde. Descrição Especificação 1 Fonte de Alimentação FCC 3005 D 1 Multímetro Analógico ou Digital 1 Circuito Integrado 555 1 Circuito Integrado 7447 1 Circuito Integrado 7490 1 Display Anodo Comum 3 Resistor 150Ω 1kΩ 1,2kΩ 20 CIRCUITOS PROCEDIMENTO MEDIDAS ANÁLISES CPMA1 – Montar o circuito gerador de clock CPMA2 – Montar o circuito contador OBS: Prestar bastante a atenção durante a montagem deste circuito. G F T A B E D T C P T – GND P – Ponto Decimal Não desmonte o circuito após o funcionamento CPMA3 – Fazer as ligações no circuito integrado 7490 abaixo para que conte eventos até o numero 5 CPMA4 – Alterar o reset do 7490 para a configuração ligada acima e verifique o funcionamento do circuito agora. 21 SCR EM CORRENTE CONTÍNUA EXPERIÊNCIA 07 TRAVAMENTO AUTOMÁTICO OBJETIVO Entender o funcionamento do travamento do SCR em circuitos eletrônicos e em acionamentos elétricos de válvulas, motores, etc. TEORIA Funcionamento: Quando aplicado um pequeno pulso no SCR ocorre o fenômeno da avalanche de elétrons, fazendo com que os elétrons que liberaram a polarização do componente fiquem presos e travando os elétrons. Mas para que este fenômeno aconteça a corrente IAK deve ser maior que a corrente IH, ou seja, a corrente de manutenção do componente. Comando Simples é o método mais prático de controlar o funcionamento de um motor, um comando simples funciona da seguinte forma: Quando pressionado o botão Liga energiza a bobina do contator fazendo com que os contatos abertos se fechem e os fechados sejam abertos acionando o que estiver ligado em seus contatos. Para manter o contator acionado é necessário fazer um contato de selo para manter a carga energizada até que alguém pressionar o botão Desliga. Muitas vezes precisamos da iluminação artificial de um local apenas por alguns segundos. É o caso do saguão de entrada de prédios e residências. Nesses casos, é desperdício deixar uma lâmpada acesa permanentemente. E a melhor solução é uma iluminação que possa ser acionada temporariamente, ou seja, o tempo do usuário abrir a porta e entrar em sua casa ou apartamento.O tempo de acionamento depende do capacitor C1 e do resistor R1. EQUIPAMENTOS E MATERIAIS A SEREM UTILIZADOS Qtde. Descrição Especificação 1 Fonte de Alimentação FCC 3005 D 1 Multímetro Analógico ou Digital 1 Tiristor (SCR) TIC106 1 Resistor 1KΩ 1 Resistor 10KΩ 1 Rele 12V 22 EQUIPAMENTOS E MATERIAIS A SEREM UTILIZADOS Qtde. Descrição Especificação 1 Osciloscópio 40 MHz 1 Multímetro Analógico ou Digital 1 Tiristor - SCR TIC106 1 Diodo 1N4007 1 Resistor 1KΩ 1 Resistor 6,8KΩ 1 Resistor 10KΩ 1 Resistor 47KΩ 1 Resistor 100KΩ 1 Resistor 220KΩ 1 Resistor 270KΩ 1 Resistor 1MΩ 1 LDR 5mm 1 Lâmpada 110V/40W CIRCUITOS PROCEDIMENTOS MEDIDAS ANÁLISES CPMA1 – Montar o circuito proposto CPMA2 – Conectar o canal 1 do Osciloscópio na carga do circuito (Lâmpada) e medir a tensão de pico e anotar no quadro abaixo: VP CPMA3 – Com o multímetro medir a tensão eficaz na carga do circuito (Lâmpada). VEF CPMA4 – Desenhar em cada um dos quadros abaixo a forma de onda obtida com detalhe para o disparo do SCR, medir a tensão de disparo com o osciloscópio, calcular o ângulo de disparo, medir a tensão media na carga e a tensão eficaz na carga para cada valor de R2 listado na tabela após os gráficos. 47KΩ 100KΩ 220KΩ 25 VDISPARO sen-1 α = VPICO Resistor VDISPARO α VMEDIA (CARGA) CC 47KΩ 100KΩ 220KΩ 270KΩ CPMA5 – Através das formulas abaixo calcular os valores de tensão médio na carga e eficaz da mesma e anotar os valores para cada valor de resistência e ângulo. VP (1 + cos α) Vm = 2π Resistor α VMÉDIA(CARGA) 47KΩ 100KΩ 220KΩ 270KΩ CPMA6 – De acordo com as medidas do Item 4 e os valores estimados no item 5 podemos dizer que as medidas foram. Escolha a alternativa correta: Aproximadamente Iguais Totalmente diferentes CPMA7 – De acordo com as medidas realizadas neste experimento podemos comprovar que o SCR é um diodo controlado. Escolha a alternativa correta: Sim Não CPMA8 – Conforme aumentamos o ângulo de disparo a tensão da carga _____________. Completar a frase com a alternativa correta: Aumenta Diminui 26 TRIAC – CONTROLE DE POTÊNCIA EXPERIÊNCIA 09 DIMMER OBJETIVO Comprovar o funcionamento do TRIAC TEORIA Para evitar a necessidade de dois SCR’s em antiparalelo, foi desenvolvido um dispositivo de três terminais chamado de TRIAC. O TRIAC é um triodo que permite controlar a corrente alternada. Como visto na curva característica, o TRIAC pode conduzir nos dois sentidos de polarização. Ela entra em condução de modo análogo ao do SCR, isto é quando ultrapassada a tensão de breakover (VBO) sem pulso no gatilho. Em condução o TRIAC apresenta-se quase como um curto circuito tendo uma perda de tensão 1 à 2V. O TRIAC pode ser disparado tanto por um pulso positivo quanto por pulso negativo. Uma visão simplista o TRIAC é a de uma associação em antiparalelo de dois SCR’s. Isso porém, não consegue e explicar porque o TRIAC dispara com pulso negativo. Como o TRIAC é bidirecional, as palavras anodo e catodo ficam sem sentido. Os terminais do TRIAC são chamados Ânodo 1 (A1), Ânodo 2 (A2) e Gatilho (G). A terminologia terminal principal 1 (MT1) e terminal principal 2 (MT2) também são utilizados para os ânodos. EQUIPAMENTOS E MATERIAIS A SEREM UTILIZADOS Qtde. Descrição Especificação 1 Osciloscópio 40 MHz 1 Multímetro Analógico ou Digital 1 Tiristor – TRIAC TIC226D ou BT138 1 Diodo 1N4007 1 Resistor 47Ω 1 Lâmpada 110V/40W CIRCUITOS PROCEDIMENTOS, MEDIDAS ANÁLISES. 27 ELETROELETRÔNICA AVANÇADA AMPLIFICADOR OPERACIONAL O amplificador operacional (AOP) é um amplificador CC multiestágio, com entrada diferencial, cujas características se aproximam de um amplificador ideal. AMPLIFICADOR OPERACIONAL PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DE UM AOP a) Resistência de entrada infinita; b) Resistência de saída nula; c) Ganho de tensão infinito; d) Resposta de freqüência infinita; e) Insensibilidade à temperatura. Mais adiante iremos analisar cada uma das características citadas acima. AMPLIFICADOR OPERACIONAL DESCRIÇÃO DE FUNCIONAMENTO O AOP é um componente eletrônico compacto construído da junção de resistores, capacitores e transistores. Este componente em tempos passados era largamente utilizado para computar as operações matemáticas como soma, integrações. Por isso recebe o nome de Amplificador Operacional. De acordo com o avanço tecnológico o Operacional foi anexado ao nome devido a sua versatilidade em implementações antes complexas e nos mais variados projetos. Sua representação gráfica é dada pela figura abaixo: V+ – Entrada não Inversora V- – Entrada Inversora VO – Tensão de Saída O AOP possui duas entradas e uma saída onde à função é apresentar na saída o múltiplo da diferença entre as duas entradas onde A é o ganho de tensão do Amplificador Operacional. AMPLIFICADOR OPERACIONAL APLICAÇÕES PARA O AMPLIFICADOR OPERACIONAL É muito difícil enumerar a totalidade das aplicações deste fantástico componente, podemos dizer que sua utilização está presente na maioria dos equipamentos de sistemas de controle industrial, instrumentação nuclear e petroquímica, equipamentos médicos, computadores, etc. 30 AMPLIFICADOR OPERACIONAL HISTÓRICO DO AMPLIFICADOR OPERACIONAL Histórico do AOP Os primeiros AOP’s foram desenvolvidos na década de 40 através de válvulas, as características destes primitivos AOP’s eram bastante ruins. Com o surgimento do transistor na década de 50 foi possível evoluir o AOP com características bastante razoáveis. Porém foi quando na década de 60 com o surgimentos dos circuitos integrados que o amplificador operacional teve sua maior evolução onde no ano de 1963 a FAIRCHILD SEMICONDUCTOR® lançou o seu primeiro AOP monolítico µA702. Também como tudo que se desenvolve o µA702 apresentou uma série de problemas, tais como: - Baixa resistência de entrada; - Baixo ganho; - Alta sensibilidade a ruídos; - Necessidade de alimentação diferenciada (-6V e +12V). Foi então que a própria FAIRCHILD, com apoio de Robert Widlar e sua equipe lançou em 1965 o conhecido µA709. Este último foi considerado o primeiro AOP “confiável” lançado no mercado. A seguir a mesma equipe projetou o famoso µA741, o qual foi lançado pela FAIRCHILD em 1968 e até hoje estes dois AOP’s ocupam posição de destaque no segmento. Evidentemente como os avanços tecnológicos não param hoje temos diversos tipos de AOP’s com características superiores às do µA709 e µA741, por exemplo LF351 (NATIONAL) e CA3140 (RCA) etc. AMPLIFICADOR OPERACIONAL CÓDIGO DE FABRICANTES E FOLHA DE DADOS Existem inúmeros de fabricantes de circuitos integrados no mundo. Cada fabricante possui uma codificação diferente para identificar seus produtos. Um mesmo integrado pode ser produzido por vários fabricantes diferentes. Sendo assim é importante que o projetista conheça os diferentes códigos para poder identificar o fabricante e buscar o manual do mesmo (DATABOOK) do mesmo. Na tabela a seguir temos a codificação usada pelos fabricantes mais conhecidos no mundo e principalmente no Brasil. Como exemplo tomamos o 741. Fabricantes Códigos FAIRCHILD µA741 NATIONAL LM741 MOTOROLA MC1741 RCA CA741 TEXAS SN741 SIGNETICS SA741 SIEMENS TBA221 (741) AMPLIFICADOR OPERACIONAL MODO DE FUNCIONAMENTO O AOP tem a função de amplificar o resultado da diferença entre suas entradas como no exemplo a seguir: 31 O exemplo acima está usando a diferença entre os dois sinais contínuos. Supondo que o ganho A seja de 100.000. Portanto a tensão de saída (VO) será VO = 100.000 (4,75mV – 4,8mV) = -5,0V. Por definição sempre o ganho A será positivo e sempre que V+ - V- for menor que zero a tensão de saída será negativa ou vice versa. AMPLIFICADOR OPERACIONAL CARACTERÍSTICAS DE UM AOP IDEAL Ri = α RO = 0 Ri = α 1) AOP ideal só amplifica a diferença dos sinais de entrada, nunca amplifica o sinal comum às duas entradas. Portanto podemos dizer que o AOP ideal nunca satura. 2) AOP ideal não consome e nem fornece corrente através de suas entradas, conseqüentemente a impedância das entradas do AOP é infinita (R1 = α) 3) AOP ideal tem impedância de saída nula (RO = 0). Isto significa que a saída é uma fonte de tensão ideal independente da corrente drenada pela carga acoplada a saída. 4) AOP ideal deve ter ganho A = α (infinito), ou seja para que a ampliação seja viável, inclusive para sinais de baixa amplitude o ganho de tensão é infinito. 5) AOP ideal deve ter um ganho A constante que independe do valor da freqüência dos sinais de entrada, não deve introduzir defasagem ou mesmo atraso no circuito e A é um número real e positivo. 6) AOP ideal deve apresentar insensibilidade a temperatura. AMPLIFICADOR OPERACIONAL CARACTERÍSTICAS DE UM AOP REAL Ganho de Tensão O ganho de tensão que é obtido através da relação entre a tensão de saída pela tensão de entrada. 32 AMPLIFICADOR OPERACIONAL CONCEITO DE CURTO-CIRCUITO VIRTUAL Conceito de Curto-Circuito Virtual Para explicar melhor este conceito assumiremos que o ganho do AOP seja infinito. Então sabemos que a relação ideal é VO = A(V+ - V-) é sempre válida. Portanto podemos afirmar que: VO V+ - V- = A ≈ 0 Pois VO é finito e A = α. Porque se utiliza o sinal de “aproximadamente igual” ao invés de “igual” a zero na expressão dada? – Isto é feito para lembrar que estamos na realidade empregando um artifício matemático (formalmente, devemos dizer que A tende a infinito, mas não o é – na prática A situa-se tipicamente entre 105 e 107). Desta forma podemos notar que teremos uma tensão de entrada V- igual (tendendo) ao valor de tensão de saída. Esta técnica nos permite dizer que quanto maior for A, mais o valor da entrada V+ se aproxima do valor da entrada V- para valores finitos de VS. Em outras palavras, ela nos chama a atenção que pela tensão das entradas do AOP pois é como se as entradas inversoras e não inversora estivessem sido curto circuitado. Sabemos também que não existe corrente por onde tem um curto momentâneo. Denominou-se o termo curto circuito virtual para designar este estado onde as tensões em dois pontos distintos são idênticas (como em um curto-circuito) e suas correntes são nulas. Pode-se empregar o conceito de terra virtual nos amplificadores sempre que considerarmos o mesmo com ideal sempre curto circuitando mas não fisicamente. AMPLIFICADOR OPERACIONAL CIRCUITOS BÁSICOS Amplificador Inversor Observe o circuito abaixo: Inicialmente vamos fazer um reconhecimento dos componentes utilizados no circuito. Temos o gerador de sinais VE que está alimentando o circuito. Temos um AOP com um ganho A qualquer (note as duas entradas inversora e não inversora e a saída) e demais características que a principio podemos considerar ideais. A saída VO do AOP é a própria saída do circuito representa por VOUT. Temos ainda dois resistores R1 e RF, note que R1 está ligando eletricamente o sinal de entrada(VE) com a entrada inversora do AOP. , RF está fornecendo um caminho elétrico entre a saída(VOUT) e a entrada inversora do AOP. Com isso concluímos a analise do circuito, agora vamos analisá-lo. 35 Seguindo a regra, a grandeza mais importante em um circuito analógico é o ganho de tensão do circuito, denominado de AV. Observação Se não sabemos como funciona um circuito, uma boa dica para tentarmos compreender seu funcionamento é determinar o comportamento da tensão de saída do circuito através da sua tensão ou função de entrada. Para o circuito observado no inicio da analise temos o ganho de tensão dado por: VOUT AV = VE Notamos que na equação acima temos VOUT sendo a própria saída do AOP e que temos dois ganhos de tensão: o ganho do circuito (AV) e o ganho interno do AOP (A). Para uma analise mais simples, determinamos as correntes de cada ramo, conforme observamos neste circuito, pela Lei das Correntes de Kirchhoff (LCK): I1 = I2 + I – Neste momento da analise devemos ter em mente as características do AOP ideal onde mostra que as entradas do operacional não drenam corrente. Portanto: I+ = 0 e I – = 0 Assim podemos dizer que I1 = I2 Por outro lado, as correntes I1 e I2 podem ser expressas por: VE – V –I1 = R1 V – – VOI2 = R2 Como I1 = I2, então: VE – V – V – – VO R1 = RF Você pode provar? R1VO – (R1 + RF)V– = -RFVE Amplificador Não Inversor 36 Para analisa-lo consideremos o AOP ideal e empregando a técnica do curto-circuito virtual Sabendo que o AOP ideal tem como saída VO = A(V+ – V– ) no circuito proposto a entrada não inversora está aterrada, ou seja, V+ = 0 e VO = VOUT . Desta forma VOUT = –AV– ou seja, V– = – VOUT / A. Substituindo na expressão anterior temos: R1VOUT – (R1 + RF)VS = -RFVE VS – RF / R1 A VE = 1 RF Você pode provar? 1 + A ( 1+ R1 ) A expressão acima não nos diz muita coisa, mas quando forçamos um A muito elevado, o termo A-1 (1 + RF/R1) do denominador tende a zero e a expressão acima se simplifica para: VOUT RF VE = – R1 Esta expressão é utilizada para determinar o ganho do amplificador inversor, O mesmo possui este nome devido ao sinal negativo na frente de RF/R1. Sabemos que um sinal negativo corresponde a uma inversão de fase, ou seja, graficamente ele corresponde a um espelhamento em relação ao eixo x, isto é no tempo o sinal da saída é invertido em relação ao sinal de entrada. Ë pressuposto também que o ganho de tensão do amplificador operacional nunca sature, ou seja, ele sempre trabalhará na região linear onde a expressão A (V+ – V–) é válida. Esta observação é valida para todos os circuitos de AOP com modo de operação de realimentação negativa. Na verdade, um AOP quando usado para amplificar sinais, sempre é empregado com algum tipo de realimentação entre o sinal e sua saída e os sinais em suas entradas, no nosso exemplo no circuito mostrado no inicialmente temos um resistor RF que executa esse papel que é fechar a ligação entre a saída e a entrada. Sempre que há um caminho fechado entre saída e entrada chamamos de circuito de malha fechada. Um AOP quando é utilizado para amplificar sinais sempre é empregada a condição de malha fechada. Podemos dizer de fato que o AOP em malha aberta tem um ganho infinito. Desta forma o comportamento do circuito se dá através de características de componentes externos. Amplificador Somador Amplificador somador tem a finalidade somar dois ou mais valores de entradas analógicas ou digitais em tempo real. Exemplo pode-se somar uma rampa, uma senoíde e um nível contínuo instantaneamente em tempo real. Empregado em misturadores de sinal Circuito Padrão Equação Final 37 RF RF RF VS = R1 X VE1 + R2 X VE2 RN X VEN