UFES DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA BÁSICA II PERÍODO 2018/1 EXPERIÊNCIA 1 SENSOR DE LUZ USANDO SCR

Transcrição

1 EXPERIÊNCIAS

2 UFES DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA BÁSICA II PERÍODO 2018/1 EXPERIÊNCIA 1 SENSOR DE LUZ USANDO SCR Nesta experiência, o sensor a ser utilizado é o sensor de luz resistivo LDR (Light Dependent Resistance), mostrado abaixo. O LDR é um dispositivo semicondutor de dois terminais, cuja resistência diminui em função do aumento da intensidade de luz incidente ou vice-versa. Os materiais fotocondutivos mais utilizados na sua construção são o sulfeto de cádmio (CdS) e o seleneto de cádmio (CdSe). A figura abaixo mostra um circuito que utiliza um LDR e um tiristor SCR (Silicon Controlled Rectifier TIC106) para acender uma lâmpada (ou outro equipamento) ao anoitecer e apagá-la ao amanhecer. O tiristor funciona basicamente como um diodo retificador controlado, permitindo uma circulação de corrente em um único sentido, apenas quando é aplicada uma tensão no seu gate. Verifique o funcionamento do circuito em presença e ausência e luz (tampando e destampando o LDR), e meça com um multímetro as tensões no gate do tiristor (TIC106) e sobre o LDR, também para situações de presença e ausência de luz. A pinagem do TIC106 é mostrada abaixo. ATENÇÃO: MUITO CUIDADO NA MONTAGEM DO CIRCUITO, JÁ QUE SE ESTÁ TRABALHANDO COM A REDE ELÉTRICA (127 V/60 Hz) 100 kω Gate 1 kω

3 EXPERIÊNCIA 2 SENSOR DE LUZ USANDO DIAC/TRIAC Monte agora o circuito abaixo, o qual utiliza DIAC (D83) e TRIAC (TIC226 ou BT137), sendo que o DIAC é utilizado para disparar o TRIAC (quando a tensão nos seus terminais é maior do que 25 a 40 V). O TRIAC permite um controle da tensão AC sobre a lâmpada, operando por ângulo de disparo. Verifique que o circuito aumenta a intensidade de luz da lâmpada em função da diminuição do nível de iluminamento do ambiente (capturado pelo LDR) ou vice-versa. Os capacitores do circuito servem para atenuar as oscilações de tensão sobre o LDR e lâmpada. Gate BT137 TRIAC DIAC

4 EXPERIÊNCIA 3 SENSOR DE LUZ USANDO AMPLIFICADORES OPERACIONAIS (AMP. OP.) O Amp. Op. a ser utilizado nesta experiência é o "chip" 741, cujo encapsulamento é em forma DIP de oito pinos, com largura de 300 mil (milésimos de polegada), e distância entre os pinos de 10 mil. Visto de cima, a partir da parte superior esquerda, os pinos estão em sequência de 1 a 8, no sentido anti-horário. Isso é ilustrado na figura abaixo Sentido anti-horário A função dos pinos é a seguinte: Pino 1 : Anulação de "off-set" Pino 2 : Entrada inversora do Amp. Op. (V-) Pino 3 : Entrada não inversora do Amp. Op. (V+) Pino 4 : Alimentação inferior do Amp. Op. (-Vcc) Pino 5 : Anulação de "off-set" Pino 6 : Saída do Amp. Op. (V0) Pino 7 : Alimentação superior do Amp. Op. (+Vcc) Pino 8 : Não tem conexão elétrica O sensor de luz a ser utilizado nesta experiência é o mesmo utilizado na experiência anterior (sensor de luz resistivo LDR). Faça as seguintes tarefas e preencha a tabela abaixo com os valores medidos: 1) Meça a resistência do LDR quando ele está tampado (escuro) e destampado (claro). 2) Imponha uma corrente de curto-circuito de 200 ma. Monte então o circuito mostrado no item 5 e meça a tensão no pino 2 do Amp. Op. (V-), com o LDR tampado e destampado. 3) Ajuste então o potenciômetro e utilize um voltímetro para se ter no pino 3 do Amp. Op (V+) um valor de tensão que esteja entre os dois valores de tensão medidos no item 2. 4) Tampe e destampe o LDR e meça os valores no pino 6 do Amp. Op. (V0). Valor da Resistência (em Ohm) Valor da Tensão no Pino 2 do Amp. Op. Valor da Tensão no Pino 3 do Amp. Op. Valor da Tensão no Pino 6 do Amp. Op. LDR Tampado LDR Destampado

5 5) Conecte agora na saída do Amp. Op. (V0) um LED em série com uma resistência de 470 Ω. Tampe então o LRD (simulando escuridão ) e verifique que o LED acende. 0 Δ 6) Modifique agora o circuito, conectando na saída do Amp. Op. o LED em série com um transistor BC547 para formar driver de corrente para acionar um relé, o qual deverá ligar uma lâmpada da rede elétrica. Esta montagem requer muita atenção, já que se estará trabalhando com a tensão da rede elétrica (127 V/60 Hz). ATIVIDADE EXTRA: Insira o circuito abaixo (baseado no sensor de força FSR) no emissor de um outro transistor, como circuito intermediário entre os anteriores, de forma que a lâmpada somente acenda se for de noite e se houver pressão sobre o sensor de força. FSR 0 Δ

6 EXPERIÊNCIA 4 ACIONAMENTO DE LÂMPADA COM SENSOR PIROELÉTRICO (PRESENÇA) Sensor Piroelétrico Um sensor piroelétrico (também chamado de sensor de presença) possui como elemento ativo o cristal de tântalo-lítio, o qual recebe uma indução de carga elétrica quando o cristal é aquecido. Estes sensores são otimizados para detectar radiação na faixa de 5 a 14 µm, que é a faixa de radiação infravermelha emitida pelos seres humanos. O sensor possui dois cristais, sendo que a saída do sensor é a diferença de tensão entre os cristais, a qual é amplificada. Quando ambos os cristais estão à mesma temperatura (que é o caso quando não existe presença humana no campo de detecção do sensor ou a pessoa está parada), o sensor produz em sua saída 0 V. Caso uma pessoa entre no campo de detecção do sensor, sua saída muda para 5 V. Para conseguir uma melhor sensibilidade à detecção de pessoas, é utilizada uma lente de Fresnel sobre o sensor. A figura abaixo mostra detalhes do sensor piroelétrico. Nota: existe uma latência de aproximadamente 1 minuto para que o sensor comece a funcionar Lente de Fresnel a) Utilize o sensor piroelétrico para acender uma lâmpada da rede elétrica em caso de presença humana no ambiente. Para isto, conecte a saída de sinal do sensor piroelétrico à base de um transistor BC547 para formar um driver de corrente para acionar um relé, o qual deverá ligar uma lâmpada da rede elétrica em caso de presença humana. Esta montagem requer muita atenção, já que se estará trabalhando com a tensão da rede elétrica (127 V/60 Hz). (a) (b) (a) Driver de corrente e transistor BC547; (b) Vista inferior dos Relés Metaltex e BSY. b) Adapte agora o circuito para somente acender a lâmpada em caso de presença humana e se for de noite (utilize um comparador na saída do sensor piroelétrico, e coloque o circuito do sensor LDR no emissor de um driver de corrente).

7 EXPERIÊNCIA 5 ACIONAMENTO DE MOTOR CC POR SENSOR DE LUZ E SENSOR DE CHUVA Monte o circuito abaixo e insira o sensor de chuva em paralelo com a resistência de 3,3 k Ω, de forma a acionar o motor CC de baixa corrente (40 ma) no sentido horário, quando for de dia, e no sentido anti-horário, quando for de noite ou em presença de chuva. Para isto, siga os seguintes passos: 547A 557A a) Meça a tensão no pino 2 do Amp. Op., com o LDR tampado (escuro) e destampado (claro). b) Ajuste então o potenciômetro para se ter no pino 3 do Amp. Op. um valor de tensão que esteja entre os dois valores de tensão medidos no item a. c) Tampe e destampe o LDR e meça os valores no pino 6 do Amp. Op., verificando também a mudança no sentido de giro do motor. d) Molhe o sensor de chuva e meça os valores no pino 6 do Amp. Op., verificando também a mudança no sentido de giro do motor. Preencha então a tabela abaixo com os valores medidos. Valor da Tensão no Pino 2 do Amp. Op. Valor da Tensão no Pino 3 do Amp. Op. Valor da Tensão no Pino 6 do Amp. Op. Sentido de Giro do Motor LDR Tampado LDR Destampado Sensor de Chuva Seco Sensor de Chuva Molhado Modifique agora o circuito, conectando na saída do Amp. Op. um driver para acionar um relé, o qual deverá acionar um motor CC, que drena 200 ma, para abrir e fechar a janela, e utilize interruptores para desligar o motor ao final de cada curso.

8 EXPERIÊNCIA 6 ACIONAMENTO DE SIRENE COM SENSOR DE TEMPERATURA E FOGO Sensor de Temperatura: Um sensor de temperatura permite a monitoração da temperatura ambiente ou da temperatura interna de um sistema eletrônico. O LM35 é um circuito integrado que fornece em sua saída uma tensão de 10 mv para cada grau Celsius de aumento de temperatura. Tarefa 1: Utilize o sensor de temperatura (inserindo uma resistência de pull-up de 10 k), e o circuito da experiência 3 para acionar uma sirene AC em caso de temperatura excessiva no ambiente. LM35 Vcc Sensor de Temperatura LM35. Sensor de Fogo. Sensor de Fogo: Permite a detecção de chamas provenientes de fogo, gerando em sua saída 0 V, caso haja a detecção, e 5 V, caso não haja detecção das chamas do fogo. Tarefa 2: Utilize o sensor de fogo ) e o circuito da experiência 3 para acionar a sirene AC em caso de detecção de chamas de fogo no ambiente. Para testar o circuito, é necessário utilizar isqueiro ou fósforo.

9 EXPERIÊNCIA 7 CONFIGURAÇÕES BÁSICAS DE AMP. OP.: A) MULTIPLICADOR INVERSOR Monte o multiplicador inversor abaixo, e aplique em sua entrada um sinal senoidal de amplitude 1 V e frequência 100 Hz, com "offset" zero. 10 k + V +15 V 1k 7 v i v VV Usando o osciloscópio com um canal conectado na entrada vi e outro na saída V0, verifique a amplitude e fase do sinal de saída, e as tensões na entrada inversora e não-inversora. Ganho (V/V) Fase (º) Sinal de Saída para 100 Hz Tensão no Pino 3 e 2 do Amp. Op. Pino 3 Pino 2 Em seguida, aumente a amplitude do sinal de entrada para 3 V e verifique o que acontece com o sinal de saída e com o sinal no terminal (-) do Amp. Op. Forma de Onda do Sinal de Saída e no Pino 2 do Amp. Op. Verifique agora a amplitude e fase do sinal de saída para sinal de entrada com amplitude de 1 V e frequência de 40 khz. Verifique o sinal de saída e os sinais nos terminais (-) e (+) do Amp. Op. Ganho (V/V) Fase (º) Sinal de Saída para 40 khz e 1 V Formas de Onda dos Sinais de Entrada e Saída Faça agora uma varredura em frequência e desenhe abaixo o gráfico de resposta em frequência obtido para o circuito.

10 B) MULTIPLICADOR NÃO-INVERSOR Monte o multiplicador não-inversor abaixo, e aplique em sua entrada um sinal senoidal de amplitude 1 V e frequência 100 Hz, sem "offset". 10 k + V +15 V 1k v 0 v i VV Usando o osciloscópio com um canal conectado na entrada vi e outro na saída V0, verifique a amplitude e fase do sinal de saída, e as tensões na entrada inversora e não-inversora. Ganho (V/V) Fase (º) Sinal de Saída para 100 Hz Forma de Onda no Pino 3 e 2 do Amp. Op. Pino 3 Pino 2 Em seguida, aumente a amplitude do sinal de entrada para 3 V e verifique o que acontece com o sinal de saída e com o sinal no terminal (-) do Amp. Op. Forma de Onda do Sinal de Saída e no Pino 2 do Amp. Op. Verifique agora a amplitude e fase do sinal de saída para sinal de entrada com amplitude de 1 V e frequência de 40 khz. Verifique o sinal de saída e os sinais nos terminais (-) e (+) do Amp. Op. Ganho (V/V) Fase (º) Sinal de Saída para 40 khz e 1 V Formas de Onda dos Sinais de Entrada e Saída Faça agora uma varredura em frequência e desenhe abaixo o gráfico de resposta em frequência obtido para o circuito.

11 EXPERIÊNCIA 8 C) CONFIGURAÇÃO BUFFER (SEGUIDOR DE TENSÃO) Monte o "buffer" de tensão, que é o circuito mostrado abaixo. Use uma entrada senoidal de amplitude 10 V e frequência de 100 Hz. -12 V +12 V Verifique o sinal de saída. Aumente agora a frequência até que o sinal de saída deixe de ser igual ao sinal de entrada. Meça então esta frequência máxima de operação sem distorção do sinal (fmax) e calcule o valor do "Slew Rate (SR)" do Amp. Op. (SR=2πfmaxV0). O valor nominal é de 0,5 V/ s. Preencha então a tabela abaixo com o valor medido. SR Aplique, agora, um sinal quadrado de amplitude 10 V e freqüência 10 khz ao buffer de tensão. Verifique o sinal de saída e meça de novo o valor do "Slew Rate (SR)" (SR= V/ t) do Amp. Op. Preencha então a tabela abaixo com o valor medido. SR Faça agora uma varredura em frequência e desenhe abaixo o gráfico de resposta em frequência obtido para o circuito.

12 D) INTEGRADOR INVERSOR (OU DE MILLER) Monte o integrador inversor abaixo e aplique um trem de pulsos quadrados com frequência de 100 Hz e níveis de tensão entre 0 e 1 V. Verifique a forma de onda de saída, variando a frequência entre 0 e 200 Hz. Dados: R1=100 K, R2=100 k, C2=0,1 F. Desenhe abaixo a forma de onda obtida, indicando a amplitude do sinal de saída (compare-o com o teoricamente esperado). C V V 6 Faça agora uma varredura em frequência para sinal de entrada senoidal e desenhe abaixo o gráfico de resposta em frequência obtido para o circuito. Preencha então a tabela abaixo, de acordo com o gráfico obtido. Frequência até a qual o sinal é multiplicado Frequência a partir da qual o sinal é integrado E) DERIVADOR Monte o circuito derivador abaixo e aplique um trem de pulsos quadrados com frequência de 100 Hz e níveis de tensão entre 0 e 1 V. Verifique a forma de onda de saída, variando a frequência entre 0 e 200 Hz. Dados: R1=100 K, C1=0,1 F, R2=100 k. Desenhe abaixo a forma de onda obtida, indicando a amplitude do sinal de saída (compare-o com o teoricamente esperado). -12 V +12 V Faça agora uma varredura em frequência para sinal de entrada senoidal e desenhe abaixo o gráfico de resposta em frequência obtido para o circuito. Preencha então a tabela abaixo, de acordo com o gráfico obtido. Frequência até a qual o sinal é derivado Frequência a partir da qual o sinal é multiplicado

13 EXPERIÊNCIA 9 SENSOR DE PALMAS Sensor de Som Um sensor de som transforma energia mecânica (som) em energia elétrica (tensão). O sensor de som utilizado nesta experiência é um alto-falante, o qual está operando como microfone. O circuito também utiliza um filtro passa-banda para ser mais sensível à frequência fundamental das palmas (1 a 3 khz). Assim, o circuito não será acionado por ruídos quaisquer, mas apenas por ondas acústicas de alta intensidade (palmas) e em uma faixa específica de frequência (frequência fundamental das palmas). Após uma palma o LED ficará aceso pelo tempo determinado pelo temporizador (implementado pelo CI 555). Tarefa: Monte cada estágio do circuito, utilizando um sinal de entrada senoidal de 10 mv/1khz no lugar do alto-falante para simular o sinal das palmas. Verifique o sinal em cada estágio do circuito. Estágio 1: monte o circuito abaixo e desenhe a forma de onda do sinal de saída. Estágio 2: acople a saída do Estágio 1 na entrada do Estágio 2 (Pino 3 do Amp. Op. 741), e desenhe a forma de onda do sinal de saída.

14 Estágio 3: acople a saída do Estágio 2 na entrada do Estágio 3 (Pino 2 do Amp. Op. 741), e desenhe a forma de onda do sinal de saída. Se houver muito ruído na saída deste Estágio, coloque um capacitor de 10 µf da saída para o terra do circuito. Estágio 4: acople agora a saída do Estágio 3 na entrada do temporizador baseado no CI 555 (com temporização dada por 1,1.RC 1,1 s) e troque agora a fonte senoidal pelo alto-falante. Verifique que o LED acende por aproximadamente por 1,1 s a cada palma. Adapte agora um driver de tensão/corrente na saída do CI 555 para acionar uma lâmpada da rede elétrica a cada palma.

15 EXPERIÊNCIA 10 OSCILADOR SENOIDAL RC Um oscilador senoidal é um circuito eletrônico constituído por um amplificador realimentado, para o qual um sinal de saída senoidal é obtido como resposta a um degrau provocado pela ligação da(s) fonte(s) de alimentação do amplificador. Para assegurar que tais oscilações ocorram, os polos correspondentes ao sistema em malha fechada (as raízes da equação característica do sistema) devem estar posicionados sobre o eixo imaginário do plano s. Na verdade, dado que posicionar os polos sobre o eixo imaginário depende de valores críticos de alguns componentes, como resistores, sempre é mais adequado posicionar os referidos polos ligeiramente à direita do eixo imaginário do plano s. Com isso, garantimos que a oscilação não desaparece com o tempo ou quando se troca o componente. Entretanto, isto leva o amplificador a saturar, dado que polos à direita do eixo imaginário causam oscilação com amplitude crescente, e isto causa severa distorção no sinal senoidal gerado, como será visto nesta experiência. Assim, o projeto de um oscilador senoidal compreende duas etapas: primeiro é projetado um oscilador ideal, mas com os polos ligeiramente à direita do eixo imaginário, para garantir que as oscilações existirão e serão não amortecidas, e em seguida adiciona-se ao oscilador assim projetado um sistema não linear de realimentação, com vistas a limitar a amplitude do sinal de saída, sem saturar o amplificador. Assim, embora o sinal de saída seja ainda distorcido, a distorção não é tão grande quanto no caso de saturação do amplificador, como será aqui verificado. Oscilador RC em Ponte de Wien Monte o circuito da abaixo, primeiro sem os diodos D 1 e D 2. Ajuste o potenciômetro até obter um sinal senoidal na saída (determine teoricamente qual é essa posição do potenciômetro). Verifique que se você ajustar o potenciômetro na posição crítica que gera um sinal senoidal perfeito, a oscilação pode desaparecer rapidamente, por estabilização do circuito. Assim, você deve ajustar o potenciômetro em um valor que provocará a saturação do Amp. Op. Em seguida, adicione os diodos D 1 e D 2 ao circuito, como mostrado na figura. Verifique novamente a saída do circuito, e compare o sinal agora gerado com aquele gerado sem os diodos. D1 10 K 10 K 10 K 10 K +12 V +15 V D2 741 Vo V R1 10 K 18 nf 18 nf C1 C2 10 K R2 Fig. 1 Oscilador RC Ponte de Wien. a) Meça então a frequência do sinal obtido e compare-a com o seu valor teórico esperado (para R1=R2=R e C1=C2=C): f =. b) Adapte agora um alto-falante na saída do circuito, e substitua a resistência R1 por valores que permitam obter os sete tons musicais, utilizando a expressão: f =, cujas frequências são: Dó: 261,63 Hz; Ré: 293,66 Hz; Mi: 329,63 Hz; Fá: 349,23 Hz; Sol: 392 Hz; Lá: 440 Hz; Si: 493,88.

16 c) Adapte agora na saída do circuito um driver de corrente para acionar um relé que chaveie lâmpadas da rede elétrica, com frequência visível (abaixo de 10 Hz), simulando lâmpadas de alerta da entrada de garagens. EXPERIÊNCIA 11 OSCILADOR SENOIDAL RC. A partir do Oscilador RC em Ponte de Wien mostrado abaixo, monte circuitos que gerem onda quadrada com ciclo de trabalho variável, onda triangular e onda impulso. D1 10 K 10 K 10 K 10 K +12 V +15 V D2 741 Vo V 10 K 10 K 18 nf 18 nf Fig. 1 Oscilador RC Ponte de Wien.

17 EXPERIÊNCIA 12 SENSOR DE TOQUE CAPACITIVO BASEADO EM OSCILADOR SENOIDAL Um sensor de toque capacitivo detecta uma mudança na capacitância induzida quando uma superfície está próxima ao sensor. O elemento sensor é um capacitor composto de um eletrodo sensor e um eletrodo de referência. Há várias formas de detectar proximidade a objetos baseado na mudança de capacitância. Uma das mais simples tem o capacitor como parte de um circuito oscilador, sendo que a oscilação começa somente quando a capacitância do sensor excede um valor pré-determinado, e esta oscilação é transformada em tensão que indica a presença de um objeto próximo. Uma outra forma de detectar proximidade através da mudança na capacitância é utilizar o elemento capacitivo como parte de um circuito que é continuamente alimentado por um oscilador senoidal. Uma mudança na capacitância produz um deslocamento de fase entre o sinal de referência e um sinal derivado do elemento capacitivo, sendo desta forma detectada a proximidade a um objeto. Utilize o sensor de toque capacitivo baseado no CI TTP223B mostrado abaixo para acionar uma lâmpada da rede elétrica através do toque. EXPERIÊNCIA 13 OSCILADOR LC: TRANSMISSOR FM Verifique o sinal oscilatório gerado pelo transmissor FM abaixo. Acople agora a entrada do circuito ao seu celular (no lugar do sinal do microfone) e toque uma música do celular. Use então um aparelho de rádio para captar o sinal da música tocada no celular. 3-30pF 6 V BF 494 ou BF495