TE052 Laboratório de Engenharia Elétrica III

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1 MI TE052 Laboratório de Engenharia Elétrica III Prof. Alessandro L. Koerich 2014

2 MI SUMÁRIO Experimento 1: Amplificador Inversor e Não-Inversor com AmpOp Simulação 1: Amplificador Inversor e Não-Inversor com AmpOp Experimento 2: Integrador e Derivador com AmpOp Simulação 2: Integrador e Derivador com AmpOp Experimento 3: Portas Lógicas com Transistores MOSFET Simulação 3: Portas Lógicas com Transistores MOSFET Experimento 4: Amplificadores Logarítmicos e Anti-logaritmicos Simulação 4: Amplificadores Logarítmicos e Anti-logaritmicos Experimento 5: Retificador de Precisão Simulação 5: Retificador de Precisão Experimento 6: Schmitt Trigger Simulação 6: Schmitt Trigger Experimento 7: Multivibradores com 555 Simulação 7: Multivibradores com 555 Experimento 8: PWM com 555 Simulação 8: PWM com 555 Experimento 9: PPM com 555 Simulação 9: PPM com 555 Simulação 10: Capacitor Chaveado

3 MI COMPONENTES Experiência Componentes 1 TL082, 100kΩ, 51kΩ 2 TL082, 470Ω, 2 x 10kΩ, 1MΩ, 2 x 1nF 3 CD TL082, 1N4148, 10kΩ, 1kΩ, 100Ω 5 TL082, 4 x 10kΩ, 1μF 6 TL082, 1kΩ, 2 x 10kΩ 7 LM555, 2 x 470Ω, 10kΩ, 22μF, 10nF, Led Vermelho, Led Verde, Resistores Calculados 8 LM555, 4,3kΩ, 2 x 100nF, 10μF 9 LM555, 3kΩ, 3,9kΩ, 10nF 10 Somente simulação

4 MI Experimento 1 Amplificador Inversor e Não-Inversor com AmpOp TE052 - Laboratório de Engenharia Elétrica III Prof. Alessandro L. Koerich Objetivo Familiarizar-se com as propriedades básicas e aplicações do circuito integrado amplificador operacional (AmpOp), um dos blocos construtivos mais versáteis disponíveis atualmente para os projetistas de circuitos. A ênfase será nas características quase ideais do dispositivo. Componentes e Instrumentação Resistores: 51 kω, 100kΩ AmpOp: TL082 Protoboard Osciloscópio digital e duas ponteiras Gerador de funções e cabo BNC-jacaré Fonte de alimentação simétrica 12V. Montagem Monte os circuitos de acordo com as figuras abaixo. Ajuste o gerador de funções (V i ) para fornecer uma onda senoidal de 1kHz e amplitude de 1V pico a pico. Esboce nos gráficos abaixo de maneira sobreposta, as ondas em V i e em V o. Aumente gradualmente a amplitude da onda senoidal e anote o valor de V i onde pode se observar distorção na onda em V o.

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6 MI TE052 - Laboratório de Engenharia Elétrica III Prof. Alessandro L. Koerich Experimento 2 Integrador e Derivador com AmpOp Objetivo Um amplificador operacional na configuração integrador simula a operação matemática de integração que é basicamente um processo de soma que determina a área total sob uma função, ou seja, o integrador faz a integração da forma de onda da tensão de entrada. Um amplificador operacional na configuração derivador simula a operação matemática de derivação que é o processo de determinar a taxa instantânea de mudança de uma função. O diferenciador realiza a operação inversa da operação integradora. A forma de onda de saída é a derivada da forma de onda da entrada. Componentes e Instrumentação Resistores: 470Ω, 2 x 10kΩ, 1MΩ Capacitores Cerâm./Poli.: 2 x 1nF (102) AmpOp: TL082 Protoboard Osciloscópio digital e duas ponteiras Gerador de funções e cabo BNC-jacaré Fonte de alimentação simétrica 12V. Montagem Monte o circuito de acordo com a figura abaixo. Ajuste o gerador de funções (V1) para fornecer uma onda quadrada de 10kHz e amplitude de 2V pico a pico. Determine o ganho dos circuitos. Esboce nos gráficos abaixo de maneira sobreposta e na mesma escala, as ondas em V1 e Vo1 e em V1 e em Vo2. Qual função cada circuito executa? Varie a frequência e verifique como os circuitos se comportam em baixas e altas frequências.

7 Conecte agora um resistor de 1MΩ em paralelo com o capacitor do integrador e um resistor de 470Ω entre a fonte e o capacitor do derivador. Varie novamente a frequência e analise os efeitos das resistências introduzidas no circuito. Refaça o experimento aplicando em V1 uma onda triangular e uma onda senoidal.

8 MI TE052 - Laboratório de Engenharia Elétrica III Prof. Alessandro L. Koerich Experimento 3 Portas Lógicas CMOS Objetivo A tecnologia CMOS emprega transistores NMOS juntamente com transistores PMOS para implementar funções lógicas. A dissipação estática de potência media é praticamente zero, pois não há fluxo de correntes.. Componentes e Instrumentação CI CD4007 Protoboard Osciloscópio digital e duas ponteiras multímetro digital. Fonte de alimentação simétrica 15V. ou Montagem Monte os circuitos de acordo com as figuras a seguir. Indique os números dos terminais do CD4007 dentro dos círculos.

9 15V Circuito I Circuito II Circuito III Teste cada um dos circuitos e identifique qual função lógica cada circuito implementa preenchendo a tabela abaixo. Circuito I Vi Vo VA Circuito II VB VY VA Circuito III VB VY Função Lógica? Baseado nos circuitos acima, implemente a função lógica 𝑉𝑌 = 𝑉𝐴(𝑉𝐵 + 𝑉𝐶) e preencha o quadro abaixo VA VB VC VY

10 MI TE052 - Laboratório de Engenharia Elétrica III Prof. Alessandro L. Koerich Experimento 4 Amplificador Exponencial e Logarítmico Objetivo Amplificadores logarítmicos são amplamente utilizados para aplicações de compressão de sinais analógicos. Quando um diodo colocado no laço de realimentação de um amplificador operacional é diretamente polarizado, uma diferença de potencial surge sobre o diodo. Se considerarmos a tensão sobre o diodo como a tensão de saída, então a entrada e a saída estarão relacionadas de maneira logarítmica. Amplificadores exponenciais ou antilogarítmicos (antilog) fazem a operação inversa do amplificador logarítmico. Amplificadores exponenciais podem ser construídos apenas trocando a posição do resistor e diodo em um amplificador logarítmico. Componentes e Instrumentação Resistores: 10 kω, 1 kω, 100Ω Diodo: 1N4148 AmpOp: TL082 Protoboard Multímetro ou Osciloscópio digital e duas ponteiras Fonte de alimentação simétrica 12V. Montagem Monte os circuitos de acordo com as figuras abaixo. Aplique uma tensão contínua da ordem de milivolts na entrada (Vi) do amplificador logaritmo e avalie a tensão na saída (Vo). Aumente gradualmente a tensão de entrada (Vi) e continue avaliando a tensão na saída (Vo). Esboce nos gráficos abaixo de maneira sobreposta, as tensões de entrada (Vi) e saída (Vo) Mude a polaridade do diodo e avalie o efeito na saída do amplificador logarítmico. Repita o mesmo procedimento para o amplificador exponencial (antilog), entretanto, aplique uma tensão contínua inicial da ordem de milivolts e aumente gradualmente até 1V. Como você poderia utilizar os circuitos acima para construir um multiplicador analógico de sinais? Represente através de um diagrama de blocos.

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12 MI Experimento 5 Retificador de Precisão de Onda Completa TE052 - Laboratório de Engenharia Elétrica III Prof. Alessandro L. Koerich Baseado no Material dos Profs. Waldomiro Yuan e Márlio Bonfim Objetivo Um retificador de precisão pode ser utilizado para retificar pequenos sinais sem a perda dos 0,7V devido a queda de tensão sobre os diodos. O objetivo é montar e testa um retificador de precisão de onda completa. Componentes e Instrumentação Resistores: 4 x 10kΩ Capacitores: 1 µf eletrolítico AmpOp: TL082 Protoboard Osciloscópio digital e duas ponteiras Gerador de funções e cabo BNC-jacaré Fonte de alimentação simétrica 10V. Montagem Monte o circuito de acordo com a figura abaixo. Ajuste o gerador de funções (V1) para fornecer uma onda senoidal de 20Hz e amplitude de 1V de pico a pico. Esboce nos gráficos abaixo de maneira sobreposta, as ondas em V1, V2, V3, V4 e V5. Meça a ondulação pico a pico da saída (ripple) para as frequências de entrada 20Hz e 200Hz. Explique por que há uma redução para maiores frequências. Determine a máxima frequência de operação do circuito considerando um erro no valor de pico de 30% em relação ao valor de pico em baixas frequências (20Hz). Analise a onda em V4. Qual o principal parâmetro dos componentes usados que limita a máxima frequência?

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14 MI TE052 - Laboratório de Engenharia Elétrica III Prof. Alessandro L. Koerich Experimento 6 Schimitt Trigger Objetivo Schmitt trigger é um circuito comparador de tensão com histerese que emprega realimentação positiva. Um comparador de tensão fornecerá em sua saída duas tensões: +Vcc e Vcc, dependendo do valor da tensão de referência. Componentes e Instrumentação Resistores: 1 kω, 2 x 10kΩ AmpOp: TL082 Protoboard Osciloscópio digital e duas ponteiras Gerador de funções e cabo BNC-jacaré Fonte de alimentação simétrica 12V. Montagem Monte o circuito de acordo com a figura abaixo. Ajuste a fonte de tensão contínua para fornecer Vref = 1V. Ajuste o gerador de funções (Vin) para fornecer uma onda senoidal de 1kHz e amplitude de 10V pico a pico. Esboce nos gráficos abaixo de maneira sobreposta, as ondas em Vref, Vin e Vout. Trace a curva de transferência do circuito e identifique os pontos de transição. Altere o valor de Vref e verifique o efeito em Vout. Aumente a frequência e verifique o efeito em Vout.

15 Vout Vout Vin Vin

16 MI Experimento 7 Multivibradores Astável e Monoestável com 555 TE052 - Laboratório de Engenharia Elétrica III Prof. Alessandro L. Koerich Objetivo Implementar multivibradores astável e monoestável usando o CI temporizador 555. O 555 possui dois modos operacionais básicos: disparo único e astável. No modo disparo único, o 555 é chamado de multivibrador monoestável. O circuito monoestável gera um pulso único de duração fixada por uma rede RC cada vez que ele recebe um pulso de entrada de disparo. No modo astável o 555 funciona como um oscilador. O multivibrador astável gera um feixe contínuo de pulsos retangulares que são chaveados entre dois nível de tensão. A frequência dos pulsos e seu ciclo de trabalho dependem também de uma rede RC. Componentes e Instrumentação Resistores: 2 x 470Ω, 10kΩ, e os calculados Capacitores: 22µF (eletrolítico), 10nF (cerâmico/poliéster) CI: LM555 Leds: Vermelho e Verde. Protoboard Osciloscópio digital e duas ponteiras Fonte de alimentação simétrica 15V. Montagem Monte os circuitos de acordo com as figuras abaixo. Multivibrador Astável Multivibrador Monoestável T carga = 0,693(R A+R B)C T T descarga = 0,693R BC T T duração = 1,1 R TC T Para o Multivibrador Monoestável: o Encontre o valor teórico para a resistência RT para uma duração de 6, 15 e 30 segundos. o Escolha o resistor de valor comercial mais próximo. o Meça e anote o valor do resistor na tabela a seguir. Anote também a duração calculada. o Monte o circuito e complete a tabela. o Note que o jumper/chave não deve ficar ligada na referência. Dar somente um pulso para ativar o ciclo de temporização. o Use a duração medida para estimar o valor real do capacitor. o Repita a medida da duração três vezes para o tempo de 30 segundos. o Esboce nos gráficos abaixo de maneira sobreposta, as ondas em (Vo) e (Dis).

17 T R teórica R comercial R medido T calculada T medida C calculado 6 seg 15 seg 30 seg 30 seg 30 seg Para o Multivibrador astável: o Dado um ciclo de trabalho (duty cycle) D=2/3 uma frequência f = 0,167Hz e o capacitor C T =22µF, encontre R A e R B (onde R A > 100kΩ). Escolha valores comerciais mais próximos. o Meça e anote o valor dos resistores na tabela a seguir. Anote também os períodos medidos e calculados, bem como o ciclo de trabalho. o Monte o circuito e complete a tabela. R A medido R B medido T teórico T medido D teórico D calculado

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19 MI Experimento 8 Modulador de Largura de Pulso (PWM) com 555 TE052 - Laboratório de Engenharia Elétrica III Prof. Alessandro L. Koerich Baseado no Material do Prof. Waldomiro S. Yuan Objetivo PWM é um processo no qual a largura do pulso portador varia de acordo com a mudança instantânea na amplitude do sinal modulador. Quando o temporizador 555 está conectado no modo monoestável e disparado com um trem de pulsos contínuo, a largura do pulso de saída pode ser modulada por um sinal aplicado no pino de controle de tensão. Componentes e Instrumentação Resistores: 4,3kΩ Capacitor: 2 x 100nF (cer/pol), 10uF (eletrol) CI: LM555 Protoboard Osciloscópio digital e duas ponteiras 2 x Gerador de funções e cabo BNC-jacaré Fonte de alimentação 5V. Montagem Monte o circuito de acordo com a figura abaixo. Ajuste o gerador de funções (Mod) para fornecer uma onda senoidal de 100Hz com amplitude de 1V e tensão de offset de 2V. Aplique uma onda padrão TTL de 1kHz com ciclo de trabalho de 90% (0,9ms alto e 0,1ms baixo). Esboce nos gráficos abaixo de maneira sobreposta, as ondas em Mod, Clock e Out. Reduza gradualmente a frequência da onda senoidal (Mod) e verifique o efeito na saída (Out) Esboce nos gráficos abaixo de maneira sobreposta, as ondas em Mod, Ctr e Out para uma frequência inferior a 100Hz.

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21 MI Experimento 9 Modulador de Posição de Pulso (PPM) com 555 TE052 - Laboratório de Engenharia Elétrica III Prof. Alessandro L. Koerich Baseado no Material do Prof. Waldomiro S. Yuan Objetivo PPM é um tipo de modulação na qual a posição dos pulsos muda de acordo com o valor instantâneo da amplitude do sinal modulante. Quando o temporizador 555 está conectado no modo astável com um sinal modulante aplicado no terminal de controle de tensão. A posição do pulso de saída varia com o sinal modulante, pois a tensão de limiar e portanto o tempo de atraso é alterado. Componentes e Instrumentação Resistores: 3kΩ, 3,9kΩ Capacitor: 10nF CI: LM555 Protoboard Osciloscópio digital e duas ponteiras Gerador de funções e cabo BNC-jacaré Fonte de alimentação 5V. Montagem Monte o circuito de acordo com a figura abaixo. Ajuste o gerador de funções (Mod) para fornecer uma onda triangular de 1,5kHz com amplitude de 1,5V e tensão de offset de 2V. Esboce nos gráficos abaixo de maneira sobreposta, as ondas em Mod, Ctr e Out. Altere gradualmente a frequência da onda triangular (Mod) e verifique o efeito na saída (Out) Esboce nos gráficos abaixo de maneira sobreposta, as ondas em Mod, Ctr e Out para outras frequências.

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