UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE ENGENHARIA ELÉTRICA E INFORMÁTICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA

Transcrição

1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE ENGENHARIA ELÉTRICA E INFORMÁTICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA III EXERCÍCIO ESCOLAR 2018_2 PARTE I (Série de Exercício) PARTE II (Projeto-Relatório descritivo) Justifique todas as respostas Questões sem justificativas não serão consideradas para a pontuação! Nas questões a seguir substitua N pelo seu número na lista de presença da turma. Identifique a região de operação para cada amplificador operacional nas questões a seguir. (NOME) Matrícula NOTA (1) Preencha a tabela a seguir e sugira uma aplicação para o circuito mostrado na figura. (2) INTEGRADOR NÃO INVERSOR (I) Encontre a relação entre y(t) e x(t). (II) Mostre que com a alocação de um amplificador inversor com ganho -1, conforme mostrado na figura a seguir, no laço de realimentação negativa, obtém-se um integrador não inversor. (III) Encontre a função de transferência H(s). (IV) Sugira uma aplicação. 1

2 (3) COMPUTAÇÃO ANALÓGICA SIMULAÇÃO ANALÓGICA DE UM SISTEMA DE PRIMEIRA ORDEM Circuitos aplicando amplificadores operacionais podem ser usados na resolução de equações diferenciais com. Os amplificadores operacionais constituem a base dos computadores analógicos. Um exemplo muito relevante da aplicação destes dispositivos fundamentais é na computação analogica em sistemas dedicados para a resolução de Equações Diferenciais Ordinárias (EDOs). Estas equações desempenham um papel central em praticamente qualquer campo da ciência ou engenharia, por exemplo, na física, química, biologia, economia, ciências médicas e os diferentes ramos da engenharia. É sabido que as EDOs lineares podem ser resolvidas em tempo real, usando uma combinação adequada de integradores de primeira e mais alta-ordem, somadores e multiplicadores. Computadores analógicos são ideais para simular complicados sistemas mecânicos que envolvam várias massas, molas e amortecedores, desde que esses sistemas possam serem descritos convenientemente por meio de equações diferenciais. O circuito mostrado na figura a seguir simula a solução de uma equação diferencial de primeira ordem representativa de um sistema físico. Escreva a equação diferencial correspondente. Considere k=r 2 /R 1. (4) FONTE DE CORRENTE CONSTANTE Carga flutuante. Determine os valores dos resistores R 1 e R 2 para que circule uma corrente de 10 ma pelo diodo zener e uma corrente i=500 ma pelo motor DC. Considere que o transistor possui um =200 e V Z =3V. Determine a potência de dissipação no transistor, no diodo zener, no resistor R 2 e a corrente de saída no amplificador operacional. Considere V C =15V e o motor operando em 500mA@9V. Justifique a funcionalidade do diodo em paralelo com o motor. (5) Escreva as 5 primeira componentes da série de Fourier para um sinal PWM com duty cycle de 40% e amplitude variando entre 0 e 5V. (B) Para que valor de duty cycle um sinal PWM não apresenta componente de quinta harmômica? (C) Determine o duty cycle correspondente para que um sinal PWM não contenha nenhuma componente harmônica par. 2

3 (6A) ACIONAMENTO DE MOTOR - Determine os valores dos resistores R S, R 1 e R 2 no circuito a seguir para que, ao se pressionar o botão na entrada do amplificador operacional, circule uma corrente de 1A pelo motor M de uma máquina elétrica. Determine a potência de dissipação sobre o transistor MOSFET. Explique o funcionamento deste circuito. Qual a função do transistor e do diodo neste circuito? Identifique a região de operação do amplificador operacional no esquemático a seguir. Justifique a sua resposta. Considere o amplificador operacional ideal e alimentado com + 12V. Considere K=0,25A/V 2 e V t = 3V. R=10k, 2 V=24Volts. Transistor MOSFET Canal N. Equação do transistor I K( V V ). D GS T (6B) CARGAS INDUTIVAS Motores e Relés Frequentemente a indutância não é uma parte intencional do circuito, mas um pouco da consequência do tipo da carga que está sendo ligada ou desligada sobre ele. Os motores e os relés são exemplos de dispositivos que são indutivos. O circuito simples do motor DC mostrado na figura a seguir apresenta comportamento de circuito indutivo. Estes circuitos (motores, relés) normalmente aparecem com a ligação de um diodo em paralelo. Qual a função do diodo em paralelo com o motor DC mostrado no circuito da figura a seguir? (7) FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA A partir da função de transferência H(s) mostrada a seguir: (A) Identifique o tipo de filtro (Passivo, Ativo, Ordem, Frequência); (B) Determine o ganho H o (C) Fator de Qualidade Q (D) Faixa de Passagem (E) Projete um circuito capaz de realizar a função de transferência H(s). (F) Sugira algumas aplicações; H ( s) s s 50s

4 (8) OSCILADOR SENOIDAL RLC Mostre que o circuito a seguir satisfaz as condições de Barkhausen para um oscilador senoidal. Determine o valor do indutor para uma oscilação de 10 khz com um capacitor de 1nF. (9) Considere o circuito da figura a seguir. Determine a frequência de oscilação e a relação R2/R1 para que haja oscilação senoidal. Sugira algumas aplicações. (10) OSCILADORES SENOIDAIS + MULTIPLICADOR ANALÓGICO Considere que os dois osciladores senoidais (Ponte de Wien e Deslocamento de Fase), mostrados na figura a seguir, analisados em sala de aula e montados nos experimentos práticos do laboratório sejam conectados a um multiplicador analógico conforme ilustrado. As frequências presentes na saída V o do multiplicador analógico foram medidas e obteve-se os seguintes valores: 20 krd/s e 40 krd/s. Considere R=5k e C=20nF. (I) Determine as frequências dos osciladores Ponte de Wien e deslocamento de fase. (II) Determine os valores de R o, R 1 e R A. 4

5 (11) COMPARADOR JANELA Frequentemente, em muitas aplicações na eletrônica, necessita-se comparar uma tensão com outra para determinar qual delas é a maior. Um comparador de tensão simples indica quando uma tensão na entrada excede certo limite ou limiar, enquanto que um comparador de janela detecta quando uma tensão de entrada situa-se entre dois limites de tensões de referências. Um comparador tipo janela é um circuito com duas tensões de referências (tensões limites), uma entrada e uma saída. O sinal de entrada é então comparado com as duas tensões de referências (janela de tensões limites) a fim de produzir uma saída. Expresse graficamente, com valores, a curva característica V o xvi para o circuito comparador de janela mostrado na figura a seguir. Considere os diodos ideais. (12) AMPLIFICADOR (a) Encontre a expressão para V o. (b) Determine os valores dos resistores para que se tenha um amplificador com ganho em tensão de 40dB e impedância de entrada de 100k. (13) O circuito a seguir apresenta uma saída Vo kvi. Determine k. (14) CONVERSOR A/D TIPO SAR (Sucessive Approximation Register) Explique o princípio de funcionamento de um conversor analógico-digital por aproximação sucessiva (SAR). Em que dispositivos eletrônicos são largamente empregados esses conversores? Apresente um diagrama (8 bits) e comente sobre o tempo de conversão. (15) Projete uma fonte chaveada capaz de alimentar uma carga de 5W@5V a partir de uma bateria de automóvel com frequência de chaveamento de N khz. 5

6 (16) FILTRO ELÉTRICO Projete um filtro elétrico analógico cujo diagrama de pólos e zeros é mostrado no plano s da figura a seguir. Identifique o tipo e a ordem do filtro. Escreva a função de transferência H(s) correspondente para um ganho de N db. (17) CONVERSÃO ANALÓGICA-DIGITAL Considere um conversor A/D de 8 bits operando entre 0-5V usado para conversão de uma intensidade luminosa. (A) Determine o valor da tensão analógica na entrada do conversor A/D e a respectiva saída digital (palavra binária) correspondente a intensidade 200 na escala de intensidade de brilho. (B) Determine a saída binaria e a intensidade de brilho correspondente para uma entrada analógica igual a 1V. (18) CONVERSOR GIGITAL/ANALÓGICO D/A TIPO R-2R Considere que o bit 1 é representado por uma tensão V R =5V. (A) Determine o valor da tensão na saída V o. V 0 mv (B) Determine o valor da palavra binária correspondente na saída do microcontrolador [entrada do conversor D/A] quando a tensão na saída do conversor D/A for igual V 3, V 0. 6

7 (19) (A) CONVERSOR A/D A figura a seguir esboça o diagrama de um conversor analógicodigital. Explique, de modo sucinto, a sua funcionalidade, ou seja, o seu princípio de funcionamento. (20) Determine as frequência presentes na saída do mixer (misturador) a seguir. Considere rd / s. o V (21) Determine o ganho em tensão 0 para o circuito mostrado na figura a seguir. Expresse V i o ganho em db. Considere R k, R 4k, R 10k, R 5k, R 4k e R 1k

8 (22) FILTROS PASSIVOS - MÚLTIPLA RESSONÂNCIA - É possível um circuito ser ressonante em uma frequência e anti-ressonante em outra. Os circuitos mostrados a seguir, conhecidos como wave trap [armadilha] podem ser usados para permitir a passagem [curto circuito] de um sinal em uma determinada frequência e rejeitar [circuito aberto] um sinal interferente em outra frequência. É usado para excluir componentes de frequência indesejadas de sianais, tais como ruído ou outras interferências. Possui aplicações em diversas áreas, tais como, Power Line Carrier Communication (PLCC) e em Transceiver entre antena e receptores. Encontre a impedância Z AB entre os pontos A e B. Observe que existe uma frequência que torna Z AB 0 [curto circuito] e uma frequência que torna Z AB [circuito aberto]. Determine essas duas frequências para cada circuito a seguir. (23) AMPLIFICADOR INVEROR Determine os valores de R o e R para que o amplificador inversor, mostrado na figura a seguir, tenha uma impedância de entrada de Nk e ganho em tensão de 37dB. (24) Alguns conversores A/D usados em placas digitalizadoras de vídeo trabalham com 8 bits e frequência de amostragem da ordem de 10 MHz, ou seja, realizam cerca de 10 milhões de conversões por segundo. Baseado nestas informações, quanto tempo de sinal de vídeo, sem compressão, pode ser armazenado em um disco DVD (4,7 GB)? (25) O padrão USB foi criado em 1995, com o objetivo principal de criar um padrão para interface de periféricos de computadores. USB é a sigla para Universal Serial Bus. Trata-se de uma tecnologia que tornou mais simples, fácil e rápida a conexão de diversos tipos de aparelhos (câmeras digitais, HDs externos, pendrives, mouses, teclados, MP3-players, impressoras, scanners, leitor de cartões, etc) ao computador, evitando assim o uso de um tipo específico de conector para cada dispositivo. Tal como ocorre com outras tecnologias, o padrão USB passa periodicamente por revisões em suas especificações para atender as necessidades atuais do mercado. A versão inicial USB 1.0 tinha uma taxa de 1,5 Mb/s. A versão USB 2.0, lançada em abril de 2000, possui uma taxa de transferência máxima de 480 Mbps/s ou 60 MB/s. A versão atual USB 3.0, lançada em setembro de 2009, possui uma taxa de transferência de 4,8 Gbps. (A) Considerando a capacidade de um DVD de 4,7GB determine o tempo necessário para se transferir todo o seu conteúdo para um computador usando-se uma entrada USB 3.0. (B) Determine o tempo necessário para se transferir todo o conteúdo de um Pendrive de 16GB para um computador usando um cabo USB 2.0. (26) Deseja-se digitalizar um sinal de eletrocardiograma (ECG- EleCtrocardioGram). Uma frequência de amostragem de 250 Hz e resolução de 8 bits do conversor A/D são suficientes para que um sinal de ECG possua qualidade para monitoração. Assim, são gravadas 250 amostras de 8 bits de cada derivação do ECG. Um monitor Holter é um dispositivo que registra continuamente os ritmos cardíacos durante um dia. O monitor Holter é normalmente usado, para cada paciente, por um período de 24 horas durante sua atividade normal. Considerando que um laboratório deseja armazenar os dados monitorados dos seus clientes em um DVD, determine a quantidade de clientes que podem ser gravados em cada DVD. 8