Curso Técnico em Eletroeletrônica Eletrônica Analógica II

Transcrição

1 Curso Técnico em Eletroeletrônica Eletrônica Analógica II Aula 15 Osciladores Prof. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino 2016

2 OSCILADORES Oscilador eletrônico: circuito eletrônico que produz um sinal eletrônico repetitivo e forma padronizada. Sinal senoidal, onda quadrada, triangular, etc...

3 OSCILADORES: aplicações Sistemas que exigem sinais padronizados: Computadores e sistemas de controle, nos quais os pulsos do relógio são necessários para, entre outras coisas, temporização; Sistemas de comunicação, nos quais os sinais, com uma variedade de formas de ondas, são usados como portadores de informações; Sistemas de teste e medição, nos quais os sinais, com uma variedade de formas de ondas, são empregados para teste e caracterização dos dispositivos e circuitos eletrônicos.

4 OSCILADORES Geração de senóides: Primeiro método: Osciladores Lineares: Emprega uma malha de realimentação positiva, consistindo em um amplificador e uma malha seletiva em frequência, função em LC ou RC. A amplitude de onda senoidal gerada é limitada ou determinada usando-se um mecanismo não-linear, implementado por um circuito separado ou usando as não-linearidades dos próprios dispositivos de amplificação. Apesar disso, esses circuitos, que geram ondas senoidais utilizando o fenômeno da ressonância, são conhecidos como osciladores lineares. Segundo método: Nesse circuito, um onda senoidal é obtida modelando-se apropriadamente uma onda triangular. Geração de não senóides (quadradas, triangular, pulso, etc): Oscilador não linear ou gerador de função: Empregam blocos de circuitos conhecidos como multivibradores (de três tipos: biestável, astável e monoestável) Circuitos multivibradores podem empregar amp ops (utilizados em aplicações analógicas de precisão) e portas lógicas digitais.

5 OSCILADORES Basicamente existem dois tipos de osciladores: Osciladores harmônicos: produzem sinais senoidais Oscilador em ponte de Wien Oscilador de Armstrong Oscilador de Colpitts Oscilador de Hartley etc Osciladores de relaxação: produzem sinais não senoidais Gerador de onda dente de serra Multivibrador astável Oscilador com UJT

6 OPERAÇÃO DO OSCILADOR O sinal de realimentação deve ser positivo. Se o sinal de realimentação não é positivo ou o ganho é menor do que um, o oscilador atenua. Se o ganho geral é maior do que um, o oscilador, geralmente, fica saturado. O ganho geral deve ser igual a um (unidade) para que a saída permaneça estável.

7 OSCILADOR EM PONTE DE WIEN Sinal senoidal É o mais popular dentre os osciladores harmônicos, pois apresenta ótima performance e uma saída senoidal praticamente perfeita. Neste oscilador, temos um elemento ativo (válvula, transistor ou circuito integrado) e uma rede de realimentação formada por dois resistores e dois capacitores. O amplificador deve fornecer ganho suficiente para compensar perdas. O ganho geral deve ser unitário. Geram sinais senoidais de baixas frequências, até alguns megaherts.

8 OSCILADOR DE DESLOCAMENTO DE FASE Sinal senoidal O amplificador deve alimentar ganho suficiente para compensar perdas. O ganho geral deve ser unitário. Composto por elementos ativos (amplificadores) como transistores ou válvulas além de uma rede de realimentação. O circuito RC fornece o deslocamento de fase necessário para uma realimentação positiva. Cada par RC é responsável por um deslocamento de fase de 60 graus no sinal, assim, com três pares RC, o deslocamento de fase é de 180 graus. Obtemos uma inversão de fase, fator fundamental para manter as oscilações. Os valores dos componentes RC também determinam a frequência de oscilação. Os sinais gerados são senoidais numa faixa de frequência que vai de alguns hertz até algumas dezenas de quilohertz. Utilizado na geração de sinais de áudio e efeitos em pedais, sirenes e outras aplicações semelhantes.

9 OSCILADOR HARTLEY Sinal senoidal Nos osciladores Hartley existem elementos ativos (amplificadores) como transistores ou válvulas além de uma rede de realimentação. A bobina L e o capacitor C determinam a frequência de operação do oscilador. A bobina tem uma derivação: de um lado ela serve de carga e do outro ela fornece um sinal de realimentação defasado de 180 graus. A frequência de operação pode variar entre algumas dezenas de Hertz até mais de 30MHz.

10 OSCILADOR COLPITTS Sinal senoidal Nos osciladores Colpitts existem elementos ativos (amplificadores) como transistores ou válvulas além de uma rede de realimentação. A realimentação é obtida através de um divisor capacitivo. A frequência de operação é determinada pela bobina e o circuito capacitivo em paralelo. A frequência pode variar em algumas centenas de Hertz até mais de 30 MHz.

11 OSCILADOR DE CLAPP Sinal senoidal O oscilador Clapp nada mais é do que uma variação do oscilador de Colpitts em que o circuito de sintonia é do tipo LC série e não paralelo. Neste circuito não existe carga do indutor o que resulta num elevado fator de qualidade (Q). Esta configuração é muito utilizada em VFO (Variable Frequency Oscillators ou Osciladores de Frequência variável) de instrumentos como geradores de sinais e transmissores pela sua capacidade de cobrir uma ampla faixa e pela estabilidade.

12 OSCILADORES A CRISTAL O cristal aparece como um circuito ressonante. Oscilador de cristal é um componente eletrônico que gera um sinal elétrico em uma frequência específica, através das propriedades piezoelétricas do cristal. O tipo mais comum é o cristal de quartzo. Um cristal de quartzo utiliza uma combinação dos efeitos de piezoeletricidade direta e inversa para gerar uma série regular de impulsos elétricos cronometrado, que marcam o tempo. O cristal de quartzo tem uma frequência natural definida com precisão (devido a sua forma e tamanho), e este é utilizado para estabilizar a frequência de uma tensão elétrica periódica aplicada ao cristal. Muito aplicado em relógios, transmissores e receptores de rádio e em computadores onde ele cria um pulso de clock.

13 MULTIVIBRADOR É um circuito que apresenta apenas dois estados de saída: alto ou baixo A forma de onda do sinal de saída tem como padrão um pulso retangular (ou quadrado) Tipos: Monoestável: um único estado estável Biestável (ou flip-flop): dois estados estáveis Astável: não existe estados estáveis

14 MULTIVIBRADOR Monoestável: um único estado estável Após receber um pulso de disparo, sua saída comuta de estado e permanece nessa situação durante um certo intervalo de tempo, após o qual o circuito retorna ao estado estável ou inicial implementação: circuitos integrados digitais (74LS121, 74LS123, etc), amp-ops ou utilizando o temporizador CA555 Aplicações: temporizadores, detector de pulso, chaves imunes a ruído, interruptores de toque, etc

15 MULTIVIBRADOR Biestável (ou flip-flop): dois estados estáveis O multivibrador recebe um pulso de disparo e sua saída é levada para uma das duas possibilidades estáveis: alta ou baixa. O circuito permanece numa dessas situações até que um novo pulso obrigue a saída do mesmo a comutar de estado. implementação: amp-ops ou CIs específicos (74LS76, 74LS112, etc) aplicações: interruptores imunes a ruído

16 MULTIVIBRADOR Astável: não existe estados estáveis comuta constantemente entre os dois estados possíveis, produzindo um trem de pulsos com uma determinada frequência Implementação: temporizador CA555 ou amp-ops (mais comum) Aplicações: pisca-pisca de LED, geradores de pulso, relógios, geradores de tom, alarmes de segurança, etc

17 TEMPORIZADOR 555 Há circuitos encapsulados, disponíveis no mercado, que contêm a base dos circuitos necessários para a implementação dos multivibradores monoestáveis e astáveis com características bastante precisas. O mais popular desses circuitos é o temporizador 555. Aplicações principais: gerador de pulsos (sinais quadrados) para acionar circuitos lógicos Temporizadores, multivibradores, alarmes, etc. Circuito interno: Três resistores de 5Ω, dois comparadores, um flip-flop SR, um transistor Q 1 (que funciona como uma chave), fonte de alimentação V cc (geralmente de 5V).... ou 23 transistores 2 diodos e 16 resistores num chip de silício em um encapsulamento duplo em linha (DIP) de 8 pinos. Permite correntes de saída de até 200mA (pode acionar cargas TTL, pequenos alto-falantes e relés diretamente)

18 TEMPORIZADOR 555

19 MULTIVIBRADOR MONOESTÁVEL USANDO 555 ESTADO ESTÁVEL (0V) ESTADO INSTÁVEL (Vcc) ESTADO ESTÁVEL (0V) THRESHOLD (Vc) VTH TRIGGER VTL BJT Q1 conduz (saturação) não conduz (corte) conduz (saturação) COMP. 1 (R) COMP. 2 (S) Q SAÍDA Q

20 MULTIVIBRADOR MONOESTÁVEL USANDO 555 No estado estável (Q=0V): O flip-flop estará no estado reset: sua saída Q será alta O transistor Q 1 entra em condução (saturação) Com o transistor Q 1 saturado, V c estará próximo de 0V, resultando em um nível baixo na saída do comparador 1 A tensão no terminal de entrada de disparo, V trigger, é mantida alta (maior do que V TL ); Portanto a saída do comparador 2 será baixa. Como o flip-flop se encontra no estado de reset, Q será baixo e, portanto, V 0 estará próximo de 0V. Para disparar o multivibrador monoestável: é aplicado um pulso negativo ao terminal de disparo (trigger) Como V trigger vai para o nível baixo, menor que V TL, a saída do comparador 2 vai para o nível alto, levando o flip-flop a seu estado de set. A saída Q do flip-flop vai para o nível alto e, portanto, V o vai para o nível alto e a saída Qvai para o nível baixo, Fazendo o transistor Q 1 entrar em corte. O capacitor C inicia agora sua carga através de R e sua tensão V C aumenta exponencialmente em direção a V CC. Multivibrador no estado instável: O estado instável prevalece até V C atingir e começar a ultrapassar o limiar do comparador 1, V TH, no instante em que a saída do comparador 1 vai para o nível alto, levando o flip-flop para o estado de reset. A saída Q do flip-flop vai agora para o nível alto e faz o transistor Q 1 conduzir A condução de Q 1 descarrega rapidamente o capacitor C, fazendo com que V c fique com 0V. Além disso, quando o flip-flop está no estado de reset, sua saída Q vai para o nível baixo e V o volta para 0V. O multivibrador está agora em seu estado estável e pronto para receber um novo pulso de disparo.

21 MULTIVIBRADOR MONOESTÁVEL USANDO 555 A largura T do pulso: É o intervalo de tempo em que o multivibrador monoestável permanece no estado instável Representa o instante em que o pulso de disparo é aplicado como t=0, a forma de onda exponencial de V C pode ser expressa como t CR V C = V CC 1 e Substituindo V C = V TH = 2/3V CC, em t=t, temos: T = CR ln 3 1,1CR Portanto a largura do pulso é determinada pelos componentes externos C e R, que podem ser escolhidos com a precisão desejada.

22 conduz (saturação) conduz (saturação) conduz (saturação) MULTIVIBRADOR ASTÁVEL USANDO 555 ESTADO ESTÁVEL (0V) ESTADO INSTÁVEL (Vcc) ESTADO ESTÁVEL (0V) THRESHOLD (Vc) E TRIGGER VTH VTL BJT Q1 não conduz (corte) não conduz (corte) não conduz (corte) COMP. 1 (R) COMP. 2 (S) Q SAÍDA Q (Vo)

23 MULTIVIBRADOR ASTÁVEL USANDO 555 CI 555, dois resistores externos R A e R B e um capacitor externo C Estado de set Supondo C inicialmente descarregado e o flip-flop no estado de set Portanto o nível de V o é alto e Q 1 está em corte O capacitor C carrega através da combinação em série R A e R B e a tensão V C aumenta exponencialmente em direção a V cc. Quando V C cruza o nível igual a V TL, a saída do comparador 2 vai para o nível baixo. Isso, contudo, não afeta o funcionamento do circuito e o flip-flop permanece no estado de set Na realidade, esse estado permanece até V C atingir e começar a ultrapassar o limiar do comparador 1, V TH. Nesse instante a saída do comparador 1 vai para o nível alto e o flip-flop assume o estado de reset. Estado reset Portanto a saída V o vai para o nível baixo, Q vai para o nível alto e o transistor Q 1 conduz. A saturação do transistor Q 1 faz aparecer uma tensão de cerca de zero volt no ponto comum entre R A e R B. Portanto, C inicia sua descarga através de R B e do coletor Q 1. A tensão V C diminui exponencialmente com uma constante de tempo C RB em direção a 0V. Quando V C atingir o limiar do comparador 2, V TL, a saída do comparador 2 vai para o nível alto e o flip-flop assume seu estado de set. Estado de set A saída V o vai para o nível alto e Q vai para o nível baixo, fazendo Q 1 conduzir. O capacitor C inicia sua carga através do equivalente em série R A e R B, e sua tensão aumenta exponencialmente em direção a V CC, com uma constante de tempo C(R A +R B ). Essa tensão continua a aumentar até V C atingir V TH, no instante em que a saída do comparador 1 vai para o nível alto, levando o flip-flop para o estado de reset. E o ciclo continua...

24 MULTIVIBRADOR ASTÁVEL USANDO 555 A saída oscila e tem uma forma de onda quadrada A saída terá nível alto durante o tempo T H em que V C aumenta de V TL para V TH. A saída terá nível baixo durante o tempo T L em que V C diminui de V TH para V TL. O período T da onda quadrada na saída pode ser determinado por: T = T H + T L = 0,69C(R A + 2R B ) O fator de trabalho (duty cycle) da onda quadrada na saída: Duty Cycle = T H T H +T L = R A+R B R A +2R B

25 BIBLIOGRAFIA BOYLESTAD, Robert L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11ª ed. São Paulo: Pearson Prentice-Hall do Brasil, SEDRA, A.S.; SMITH, K.C. Microeletrônica. 4ª ed. São Paulo: Pearson Makron Books, MALVINO, A,. BATES, D.J. Eletrônica. V. 2. São Paulo: Mcgraw Hill,