Curso: Ortoprotesia Disciplina: Electrotecnologia Ano lectivo: 2016/17 Guia de laboratório nº 2

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Pedro Lucas Álvaro
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Curso: Ortoprotesia Disciplina: Electrotecnologia Ano lectivo: 2016/17 Guia de laboratório nº 2 Construção de um circuito comparador com amplificadores operacionais Objectivo: Este guia laboratorial

1 Curso: Ortoprotesia Disciplina: Electrotecnologia Ano lectivo: 2016/17 Guia de laboratório nº 2 Construção de um circuito comparador com amplificadores operacionais Objectivo: Este guia laboratorial tem por objectivo a familiarização com a montagem de circuitos usando amplificadores operacionais vulgarmente chamados AMPOPS. Em concreto pretende-se atingir os seguintes objectivos: Explicar o funcionamento de um amplificador operacional. Saber interpretar as folhas de especificação de um amplificador operacional. Construir montagens simples com amplificadores operacionais. Projetar e montar circuito sensores que usam comparadores. Conceitos a aprender: Após completar estas atividades de laboratório o aluno deverá ser capaz de: Identificar os pinos de um circuito integrado DIP (dual in line package) Perceber o modo de funcionamento de um amplificador operacional em malha aberta. Saber utilizar o amplificador operacional como comparador. Material Amplificador operacional LM358, ou 741 Resistências, termistor (NTC) e LEDs, 1-Introdução Neste guia vamos lidar com circuitos integrados para amplificar sinais. Os circuitos integrados tem vários componentes, (transístores, díodos e condensadores) são fabricados numa bolacha de silício e encapsulados. Neste guia vamos tratar este circuito bastante complexo como um único circuito, ou seja, vamos ser ter apenas uma visão externa em termos de entrada e saída e não nos vamos preocupar com os detalhes internos do circuito. A principal função dos amplificadores operacionais é amplificar sinais. No entanto estes componentes podem também realizar um conjunto vasto de outras operações. Podem funcionar como comparadores, filtros, e podem realizar um conjunto de operações matemáticas utilizando a tensão como analogia de outra quantidade. Nomeadamente, podem somar, subtrair calcular a derivada ou o integral de um sinal. Esta funcionalidade levou ao desenvolvimento dos primeiros computadores analógicos que ficaram desatualizados com o desenvolvimento da electrónica digital. O termo amplificador operacional também vulgarmente conhecido por AMPOPS foi introduzido na década de 40, associado ao projeto de computadores analógicos. Este nome deriva do facto deste componente electrónico corresponder a um amplificador de ganho diferencial muito alto, sendo as características dos circuitos finais, dependentes, basicamente, dos componentes externos que são usados por exemplo para definir o ganho. 1

Os amplificadores operacionais podem ser utilizados em praticamente todas áreas de circuitos lineares e não lineares e também em algumas poucas aplicações de circuitos digitais.

2 Os amplificadores operacionais podem ser utilizados em praticamente todas áreas de circuitos lineares e não lineares e também em algumas poucas aplicações de circuitos digitais. Um amplificador construído com um amplificador operacional, tenha características extremamente estáveis, principalmente no que diz respeito as variações de ganho com a temperatura, envelhecimento, tensão de alimentação, etc. Um amplificador operacional típico necessita de duas fontes DC de alimentação, uma positiva e outra negativa como se representa na Fig. 1. Frequentemente as fontes de alimentação não são representadas nos diagramas esquemáticos. O LM358 é unipolar quer dizer que não precisa das duas polaridades simétricas de alimentação. Pode ser alimentado por + 5V e por outro terminal é ligado à terra (ver Fig. 4). (a) (b) Fig. 1. (a) Símbolo eléctrico de um amplificador operacional, (b) Diagrama de ligações do µa741. O terminal + é a entrada não inversora, O terminal - é a entrada inversora +V CC e V CC são as tensões de alimentação (simétricas). A Fig. 2 ilustra, usando duas baterias de 9 Volts a forma como se deve fazer as ligações de forma a obter uma alimentação de ± 9V. Os amplificadores operacionais geralmente usam tensões de alimentação no intervalo ± 5 V a ± 15 V em relação à terra. Fig. 2. Como obter uma fonte de tensão de ± 9 V em relação à terra. 2

Os tipos de encapsulamento mais frequentes para um amplificador operacional, estão representados na Fig. 3. Fig. 3. Tipos de encapsulamentos mais frequentes de amplificadores operacionais. Fig. 4.

1 Utilização de amplificadores operacionais como comparadores Frequentemente precisamos de comparar um valor de uma tensão com outra para determinar qual delas é a maior.

3 Os tipos de encapsulamento mais frequentes para um amplificador operacional, estão representados na Fig. 3. Fig. 3. Tipos de encapsulamentos mais frequentes de amplificadores operacionais. Fig. 4. Encapsulamento do LM358. Este é um amplificador dual que pode ser alimentado de forma unipolar a + 5V. 1.1 Utilização de amplificadores operacionais como comparadores Frequentemente precisamos de comparar um valor de uma tensão com outra para determinar qual delas é a maior. Normalmente esta tensão corresponde a informação contida no sinal de uma grandeza física qualquer. O circuito representado na Fig. 5 ilustra um comparador de tensão que usa uma tensão de referência V R. Sempre que o sinal de entrada for superior ou inferior à tensão V R a tensão na saída estará saturada. Observe que o circuito trabalha em malha aberta e na região de saturação. Quando a tensão no terminal não inversor (V i ) for superior à tensão V R aplicada na entrada não inversora, o comparador produz uma tensão de saída saturada (igual à máxima tensão de alimentação positiva). Quando a entrada não inversora for inferior a V R, a saída do amplificador estará saturada à tensão de alimentação negativa. Se uma das entradas é colocada em zero volts, o circuito comparador passa a ser um detetor de passagem de zero, ou seja, a saída se altera à medida que o sinal de entrada passa pelo nível de zero volts. O que desejamos quando comparamos dois sinais analógicos é uma informação rápida de qual sinal é superior ao outro. Quanto mais sensível for o comparador, menor a diferença de amplitude relativa entre os dois sinais para que a saída do comparador informe sobre qual sinal é maior. 3

4 Fig. 5. Comparador de tensão simples. 2-Trabalho prático E1-Montagem de um amplificador operacional Antes de começar a montar o circuito com um amplificador operacional deve ter presente dois pontos importantes: (i) primeiro, como é colocado o amplificador na placa de prototipagem, (ii) segundo os amplificadores necessitam de ser alimentados. Lembramos isto porque muitos dos diagramas de circuitos não representam explicitamente as fontes de alimentação. A Fig. 6 ilustra a forma como deve montar o amplificador Fig. 6. Colocação de um circuito integrado na placa de prototipagem. E2- Montagem de um circuito comparador com LEDs indicadores do nível de saturação. Aplique uma tensão variável V i na entrada do circuito mostrado na Fig. 7 e observe a saída nos LEDs do circuito comparador de tensão enquanto varia o sinal na entrada V i. Meça a tensão de saturação positiva e negativa na saída do amplificador operacional. Meça com um multímetro digital na escala de tensão DC o valor da tensão no instante em que ocorre a transição ou seja quando um LED apaga e outro acende. Qual o valor esperado para esta tensão? Os LEDs servem para indicar visualmente quando ocorre a saturação positiva ou negative na saída ou seja quando o sinal de entrada V i tona-se superior ou inferior tensão de referencia V R. Neste caso a tensão zero (entrada inversora ligada à terra) ou seja V R =0V. 4

5 Fig. 7. Circuito comparador com dois LEDs indicadores da mudança de estado. No circuito da Fig. 7 vamos substituir uma das resistências R 1 por uma resistência sensível à temperatura. Estas resistências são conhecidas por termistores. A resistência de um termistor varia de forma exponencial com a temperatura e são vulgarmente usadas em circuitos que tomam decisões quando a temperatura sobe ou desce abaixo de um determinado valor previamente fixo. Os termistors não tem um comportamento linear e não são particularmente estáveis pelo que não são usados como sensores de temperatura. Existem termistors do tipo NTC (Negative Temperature Coefficient) onde a resistência decresce com o aumento da temperatura e termistors do tipo PTC (Positive Temperature Coefficient), nos quais a resistência aumenta quando a temperatura aumenta. E2.1-Substitua uma das resistências R1 por um termistor NTC e aqueça este com a mão, veja como os LEDS mudam de cor. Terá de ajustar o potenciómetro de forma que à temperatura ambiente o valor de V i esteja próximo de zero quando com o NTC esta incluído na malha das resistências. E2.2 Projeto Imagine que é um engenheiro encarregue de desenhar uma palmilha electrónica para avaliar se uma pessoa tem uma marcha simétrica. A palmilha meda a pressão exercida pelo calcanhar durante o andar. O nível de pressão exercido por cada pé é indicado através de uma barra de LEDs que vão acendendo sequencialmente de forma proporcional à pressão medida. O circuito da Fig. 8 mostra uma possível implementação do circuito de visualização para um dos calcanhares. O circuito simula o valor da pressão medida através de um tensão que aplica no circuito e que varia de 0 a 5 V no ponto A do circuito. 5

A Fig. 8. Exemplo de um circuito que acende sequencialmente um conjunto de LEDs à medida que a tensão no ponto A aumenta. E2.3 exemplos de outras aplicações A Fig.

6 A Fig. 8. Exemplo de um circuito que acende sequencialmente um conjunto de LEDs à medida que a tensão no ponto A aumenta. E2.3 exemplos de outras aplicações A Fig. 9 mostra um circuito comparador que gera ondas quadradas com uma largura proporcional a tensão Vi. Esta tensão pode ser por exemplo gerada pela posição de uma boia num tanque de água. O circuito indica assim o nível de água no tanque. Fig. 9. Exemplo de um circuito comparador. Neste caso o potenciómetro simula a tensão que seria gerada por um sensor indicador do nível de água num tanque. 6

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