p. 1/1 Resumo Circuitos não lineares de formatação de Ondas Circuitos Rectificadores de Precisão

Transcrição

1 p. 1/1 Resumo Circuitos não lineares de formatação de Ondas

2 p. 2/1 Circuitos não lineares de formatação de Ondas Díodos e transístores podem ser combinados com resistências para sintetizar dipolos com características de transferência não linear. Tais dipolos podem ser utilizados para formatação de ondas, ou seja, mudando a onda de entrada de forma a produzir uma determinada onda de saída. Um exemplo que será apresentado é o formatador de onda sinusoidal. O formatador de onda sinusoidal é utilizado extensivamente em geradores de ondas. Apesar os osciladores lineares produzirem ondas sinusoidais de alta pureza, não são convenientes a baixas frequências. São também, em geral, mais difíceis de sintonizar numa gama de frequência alargadas. A figura mostra um circuito não linear para converter uma onda triangular numa onda sinusoidal.

3 p. 3/1 Circuitos não lineares de formatação de Ondas No método de breakpoint a característica de transferência não linear é obtida por uma curva linear em segmentos. Os díodos são utilizados como comutadores de ganho para se obter os vários declives da curva em determinados valores de tensão. O circuito é composto por uma cadeia de resistências ligadas entre duas tensões simétricas entre +V e V. O propósito deste divisor de tensão é gerar tensões de referência que determinam os pontos de breakpoint. Deve notar-se que o circuito é simétrico, sendo o sinal de entrada triangular e gerando uma onda sinusoidal de saída. Cada quarto de período é aproximado por três segmentos.

4 p. 4/1 Circuitos não lineares de formatação de Ondas Considerando a secção do sinal de entrada entre 0 e 1: quando o sinal é menor em amplitude do que V 1, nenhum dos díodos conduz e a saída é igual à entrada. Quando a tensão de entrada aumenta para V 1 e D 2 (considerando a queda de tensão no díodo nula) começa a conduzir. Então para v I > V 1 v O = V 1 +(v I V 1 ) R 5 R 4 +R 5 Isto implica que quando a entrada aumenta acima V 1 a saída segue com um ganho mais reduzido. Foi assumido que a resistência no divisor de tensão são suficientemente pequenas para que as tensões V 1 e V 2 sejam constantes independentemente da corrente vinda da entrada. Quando a tensão atinge o ponto do segundo breakpoint determinado por V 2, então D 1 conduz limitando a saída v O a V 2 dando origem ao terceiro segmento que é plano. Para tensões negativas o processo é simétrico.

5 p. 5/1 Circuitos não lineares de formatação de Ondas Estes circuitos produzem resultados muito bons em termos Distorção Harmónica Total (THD). THD é a razao, em percentagem, do valor eficaz de todas as componentes harmónicas em relação à fundamental. A THD é baixa também pelas características não ideais da curva i v dos díodos no joelho da curva de condução, que dá origem a uma transição suave entre segmentos. Aplicações práticas do formatador empregam seis a oito segmentos.

6 Circuitos não lineares de formatação de Ondas O outro método para a conversão duma onda triangular em onda sinusoidal é baseado num amplificador que tem característica de transferência que aproxima a função de seno. Tal circuito amplificador consiste num par diferencial com uma resistência ligada entre os dois emissores. Com uma escolha apropriada dos valores da corrente de polarização I e da resistência R, o amplificador diferencial pode ter a característica de transferência que aproxima o seno. Para valores pequenos de v I a característica de transferência do circuito é quase linear. Para valores grandes de v I as características não lineares do transístor bipolar reduz o ganho do amplificador aproximando-se da onda sinusoidal. p. 6/1

7 p. 7/1 Circuitos de rectificação são usados no desenho de fontes de alimentação. Nessas aplicações as tensões a amplificar são muito maiores que a queda de tensão nos díodos e despreza-se a queda de tensão nos díodos. Mas nos casos de aplicações de instrumentação a amplitude pode ser muito pequena sendo impossível aplicar circuitos rectificadores convencionais. Alem disso os circuitos têm que ter características de transferência muito precisas. Circuitos que combinam díodos e amplificadores operacionais para implementar uma variedade de circuitos rectificadores com características precisas serão estudados a seguir.

8 p. 8/1 Rectificador de meia onda - O SuperDíodo Se v I for positivo, a tensão de saída v A será positiva e o díodo conduzirá, estabelecendo uma realimentação negativa entre a saída do amplificador operacional e o terminal de saída negativa. Esta realimentação negativa causará um curto-circuito virtual entre os dois terminais de entrada. Por isso a tensão no terminal de entrada negativa que é também a tensão de saída v O será igual (com uma precisão de alguns milivolts) ao terminal de entrada positivo. Então v O = v I v I 0. Para o circuito operacional operar, v I tem que exceder só uma tensão muito pequena igual à queda de tensão no díodo dividido pelo ganho do amplificador operacional em malha aberta. A característica v O v I passa quase pela origem.

9 Rectificador de meia onda - O SuperDíodo Considere agora o caso de v I negativo. A tensão de saída do amplificador operacional v A vai tender para a tensão de alimentação negativa. Isto polarizá inversamente o díodo e não passará nenhuma corrente pela resistência R, fazendo v O = 0. Então para v I < 0,v O = 0. O amplificador operará em malha aberta e a saída estará num nível de saturação negativa. Quando a tensão v I se torna negativa e v O = 0 toda a amplitude de v I aparece entre os dois terminais de entrada do amplificador operacional. Quando esta amplitude é maior que alguns volts o amplificador operacional pode destruir-se se não estiver equipado com protecção de excesso de tensão (uma protecção que qualquer amplificador operacional moderno tem). Outra desvantagem é que para tensões negativas o amplificador operacional estará saturado. Para passar do estado saturado para a zona linear requer algum tempo. p. 9/1

10 p. 10/1 Um circuito alternativo Este circuito não apresenta as desvantagens do anterior. Para uma tensão positiva v I, o díodo D 2 conduz e fecha a malha de realimentação à volta do amplificador operacional. Assim existirá massa virtual na entrada e a saída do AmpOp estará a 0.7V e v 0 = 0V uma vez que D 1 estará inversamente polarizado e não haverá corrente através de R 2.

11 p. 11/1 Um circuito alternativo Quando v I é negativo, o terminal inversor do amplificador operacional ficará ligeiramente negativo ficando a saída positiva. D 2 fica polarizado inversamente e ao corte. O díodo D 1 conduzirá e fechará a malha de realimentação ficando a entrada do amplificador operacional em massa virtual. A corrente de entrada passará por R 2. Se R 1 = R 2 a tensão de saída v O = v I, v I 0. O declive da curva de transferência pode ter o valor desejado variando R 1 e R 2. A maior vantagem do rectificador de meia onda é que a malha de realimentação está sempre fechada operando o amplificador operacional na zona linear (evitando o tempo de comutação de saída do amplificador da saturação).

12 Aplicação: medição de Tensões AC Para uma entrada sinusoidal tendo uma amplitude de pico V p a saída v 1 do rectificador será uma onda sinosoidal rectificada em meio ciclo, tendo uma amplitude de pico de V p R 2 /R 1. Pode-se mostrar, usando análise de Fourier, que a onda v 1 tem um valor médio de (V p /π)(r 2 /R 1 ), contendo também harmónicos da frequência w do sinal de entrada. Para reduzir as amplitudes destes harmónicos para níveis desprezáveis a frequência de corte do filtro passa-baixo deve ser escolhida muito mais baixa do que w min da onda de entrada ou seja 1/(CR 4 ) w min. A tensão de saída v 2 será essencialmente continua V 2 = V p π R 2 R 1 R 4 R 3 Este circuito mede a componente DC das excursões negativas do sinal de entrada. No entanto pode ser calibrado para medir o valor rms das sinusóides de entrada (pois o valor rms é directamente proporcional a V p ). p. 12/1

13 p. 13/1 Rectificador de onda completa Um circuito para rectificação de onda completa de precisão está representado na figura. Enquanto D A rectifica as semi-ondas positivas o amplificador com ganho -1 em conjunto com o díodo D B rectifica as semi-ondas negativas, invertendo-as, resultando na onda C. Pode-se substituir o díodo D A por um superdíodo e o amplificador inversor e D B por um rectificador de meia onda inversor do acetato 11 (excluindo o díodo D 2 ).

14 p. 14/1 Rectificador de onda completa Considerando uma entrada positiva em A. A saída de A 2 (E) ficará positiva, D 2 conduzirá através de R L fechando a malha de realimentação. Um curto-circuito virtual será estabelecido entre os terminais de entrada de A 2 e a tensão no terminal negativo, que é a tensão de saída serão iguais. Não haverá corrente a passar por R 1 e R 2 (pois diferença de tensão é nula nos seus terminais). A 1 satura uma vez que o terminal inversor de A 1 estará a uma tensão positiva e D 1 estará ao corte.

15 p. 15/1 Rectificador de onda completa Considerando uma entrada negativa em A. A saída de A 1 aumenta, fazendo D 1 conduzir para alimentar R L e além disso fechar a malha de realimentação através de R 2. Então existe massa virtual e sendo R 1 e R 2 iguais implica que a saída é a inversa da entrada. A tensão negativa em A e a tensão positiva em C implica que A 2 está em saturação negativa, mantendo D 2 ao corte.

16 p. 16/1 Um rectificador em ponte para aplicações de precisão Este circuito faz passar pelo galvanómetro uma corrente v A /R. Por isso o galvanómetro dá uma leitura que é proporcional à média do valor absoluto da tensão de entrada v A. As não idealidades do amperímetro e dos díodos são atenuadas colocando a ponte na malha de realimentação do amplificador operacional. A malha mantêm-se fechada para todos os valores de v A. O circuito fornece um voltímetro com relativa precisão e alta impedância de entrada.

17 p. 17/1 Detectores de Pico de precisão Para v I maior que a tensão de saída, o díodo conduz fechando a malha de realimentação. A saída seguirá a entrada com o amplificador operacional a carregar o condensador até o sinal de entrada chegar ao pico. Para uma tensão de entrada abaixo da tensão de pico o amplificador saturará negativamente e o díodo ficará ao corte. A inclusão duma resistência de carga é essencial para o circuito detectar outros picos de amplitude mais baixa uma vez que permite a descarga do condensador.

18 Detectores de Pico de precisão - Com Buffer Quando o detector de pico precisa de reter o seu valor por muito tempo é preciso usar um circuito tampão (buffer). O díodo D 1 é o díodo que rectifica e o díodo D 2 age para prevenir a saturação negativa de A 1. Durante o estado em que o pico foi atingido, o seguidor A 2 fornece D 2 com uma pequena corrente através de R. A saída do amplificador operacional A 1 estará igual à entrada menos a queda de tensão no díodo D 2. D 1 estará ao corte. Se v I aumenta acima do valor armazenado em C (que é igual a v O ), o amplificador operacional A 1 ficará com uma tensão positiva na entrada aumentando a tensão de saída (de A 1 ) ficando D 2 inversamente polarizado e D 1 a conduzir carregando C. v O aumenta com a tensão em C estabilizando o circuito através da realimentação R. p. 18/1

19 p. 19/1 Restaurador DC Se v I é uma onda quadrada com excursão entre um valor negativo e positivo então a saída é a soma da tensão negativa (dessa excursão) somada à onda quadrada. Quando v I é negativo (parte negativa da onda quadrada) C carrega com essa tensão pois o amplificador operacional está na zona activa e tem tendência a manter a massa virtual no terminal negativo. Quando v I é positivo o operacional fica saturado negativamente (D 1 fica ao corte) e a tensão de saída é a soma de v I com a tensão antes armazenada em C.