UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE ENGENHARIA ELÉTRICA E INFORMÁTICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE ENGENHARIA ELÉTRICA E INFORMÁTICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA SÉRIE DE EXERCÍCIO ESCOLAR #3 2018_1 PARTE I (Série de Exercício) PARTE II (Projeto) Justifique todas as respostas Questões sem justificativas não serão consideradas para a pontuação! Nas questões a seguir substitua N pelo seu número na lista de presença da turma. Identifique a região de operação para cada amplificador operacional nas questões a seguir. (NOME) Matrícula NOTA (1) PROJETO DE UM FILTRO ATIVO PASSA FAIXA (I) Escreva a função de transferência H(s) correspondente ao Diagrama de Bode mostrado na figura a seguir. (II) Projete um circuito capaz de realizar a correspondente função de transferência H(s). (III) Determine as frequências de corte inferior e superior 1 e 2. (IV) Determine a localização dos pólos e zeros de H(s). (V) Sugira algumas aplicações. (2) O que você entende por: (A) Skin effect (Efeito pelicular) (B) DTMF (C) Aliasing (D) ASK, PSK e FSK (E) SAR (F) Aproximação Butterworth (G) Slew Rate (H) Sample&Hold (I) Filtro anti-aliasing (J) Schmitt trigger (Comparador com Histerese) (K) Duty Cycle (L) Conversor Buck-Boost (3) CONVERSOR A/D TIPO SAR Explique o princípio de funcionamento de um conversor analógico-digital por aproximação sucessiva (SAR). Em que dispositivos eletrônicos são largamente empregados esses conversores? 1

2 (4) CONVERSÃO ANALÓGICA-DIGITAL Considere um conversor A/D de 8 bits operando entre 0-5V usado para conversão de uma intensidade luminosa. (A) Determine o valor da tensão analógica na entrada do conversor A/D e a respectiva saída digital (palavra binária) correspondente a intensidade 200 na escala de intensidade de brilho. (B) Determine a saída binaria e a intensidade de brilho correspondente para uma entrada analógica igual a 1V. (5) CONVERSOR D/A COM REDE R-2R O circuito seguinte faz a conversão digital-analógica com a vantagem de utilizar apenas dois valores de resistores R e 2R. Determine o valor da entrada binária A 1 A 2 A 3 A 4 quando a tensão analógica na saída for igual a V s =4,0625V. Considere a tensão de referência V R =5V (bit 1 ). (6) CONVERSOR D/A TIPO R-2R O conversor D/A a seguir é conectado a saída de um microcontrolador de 8 bits. Considere que o bit 1 é representado por uma tensão V R =5V. Determine o valor da palavra binária correspondente na saída do microcontrolador [entrada do conversor D/A] quando a tensão na saída do conversor D/A for igual V 3, V 0. 2

3 (7) OSCILADORES SENOIDAIS Aplique as condições de Barkhausen aos circuitos osciladores senoidais mostrados a seguir, determine a frequência de oscilação correspondente e os valores das relações R 2 /R e R/ R S. Sugira algumas aplicações. OSCILADOR I OSCILADOR II (8) DIGITALIZAÇÃO & FILTRO ANTI-ALISING O sinal mostrado na figura a seguir deve ser digitalizado. (I) Determine a frequência de amostragem mínima necessária. (II) Um filtro passa baixa anti aliasing deve ser colocado na entrada de um conversor A/D capaz de digitalizar o sinal mostrado a seguir. Determine a frequência de corte necessária para o filtro anti aliasing. (9A) FILTRO ATIVO PASSA BAIXA DE SEGUNDA ORDEM COM APROXIMAÇÃO BUTTERORTH - Projete um circuito para um filtro ativo passa baixa de segunda ordem, com ganho de 36dB, aproximação Butterworth e frequência de corte de 20 khz, para ser usado em um equipamento de áudio. (9B) A expressão a seguir representa a função de transferência H(s) de um filtro ativo passa baixa com aproximação Butterworth. (A) Determine o ganho H o, a frequência de corte c e o fator de qualidade Q. (B) Apresente um circuito capaz de realizar esse filtro H ( s) s 210 s 10 3

4 (10) Escreva as 5 primeira componentes da série de Fourier para um sinal PWM com duty cycle de 40% e amplitude variando entre 0 e 5V. (B) Para que valor de duty cycle um sinal PWM não apresenta componente de quinta harmômica? (C) Determine o duty cycle correspondente para que um sinal PWM não contenha nenhuma componente harmônica par. (11) CONVERSOR A/D 10 Bits Na montagem a seguir a saída binária é uma medida equivalente ao nível de líquido no tanque. (A) Expresse a resolução em centímetros e em tensão. (B) Determine o nível percentual de líquido no tanque quando a saída do conversor A/D for igual a e a Níveis percentuais % e % (C) Determine qual deve ser o valor da saída binária no conversor A/D quando o nível do reservatório atingir 1/5 do seu volume total, ou seja, 20% do seu nível máximo (40 cm). SAÍDA BINÁRIA (12) FONTE DE ALIMENTAÇÃO LINEAR REGULADA Projeto de uma fonte linear de 220V RMS para V O 9V. R3 100k, VZ 3V, Vi 220V RMS, 100, RL 9, VBE 0,7V. (A) Determine a potência de dissipação no transistor. (B) Determine a corrente e a tensão na saída do amplificador operacional I B e VB. Observe que I B e VB corresponde a corrente e a tensão de base do transistor. (C) Determine R 2. 4

5 (13) FONTE CHAVEADA (SMPS Switched Mode Power Supply) (I) Identifique o tipo de fonte chaveada mostrada a seguir e demonstre que, a partir das equações de chaveamento, a indutância L e o capacitor C podem serem calculados pelas respectivas expressões Vi Vo L I Vo fv i Vi Vo I D f pela expressão I C. 8 fv (II) Projete uma fonte chaveada capaz de alimentar uma carga de 5W@5V a partir de uma bateria de automóvel com frequência de chaveamento de N khz. (14) FONTE DE ALIMENTAÇÃO CHAVEADA (SMPS) (Switched Mode Power Suply) Dentre as vantagens de uma fonte chaveadaquando comparada a uma fonte de alimentação linear, além do menor volume, baixo peso e eficiência, destaca-se a possibilidade de mudança da tensão de saída de uma forma simples, ou seja, apenas pela variação do ciclo de trabalho (Duty cycle) no processo de chaveamento, sem a necessidade de alteração nos valores do indutor e capacitor. Considere as 3 topologias de fontes chaveadas mostradas na figura a seguir com a correspondente tensão de chaveamento. Represente a tensão de chaveamento em Série de Fourier. (A) Sabendo-se que foi conectado um painel solar de 24V na entrada de cada uma das fontes (Boost, Buck, Buck-Boost), determine as respectivas tensões nas saídas. BOOST BUCK BUCK-BOOST (B) Determine o Duty Cycle necessário para que se obtenha uma tensão de 48V na saída de um conversor com topologia BUCK-BOOST, considerando na entrada uma tensão TON de NV. Determine e D. T OFF Tensão de chaveamento 5

6 (15A) COMPARADOR COM HISTERESE (Schmitt trigger) O circuito Schmitt Trigger foi inventado pelo cientista americano Otto Schmitt em 1934 quando ainda era um estudante de graduação e descrito mais tarde em sua dissertação de doutorado em O comparador Schmitt-trigger, comparador com Histerese, também conhecido como circuito BIESTÁVEL (dois estados estáveis), difere de um comparador normal pelo fato da sua função de transferência V o xv i incluir uma zona não unívoca na região da tensão de comutação (Threshold-Limiar), referida como zona de histerese. Um amplificador com histerese pode ser implementado aplicando-se realimentação positiva a um amplificador operacional, conforme diagrama a seguir. (A) Explique a sua funcionalidade e sugira uma aplicação. (B) Determine. (15B) COMPARADOR POR HISTERESE (Schmitt Trigger) Determine o valor da tensão de threshold (limiar) V T para que o circuito a seguir funcione como um comparador por histerese obedecendo a curva característica (V o x V i ) mostrada. (15C) Considere o circuito comparador de tensão a seguir. Determine a tensão de threshold, isto é, a tensão V i na qual a saída muda de estado. (16) Apresente um circuito capaz de realizar a seguinte função de transferência: Vo ( s) 10 H( s) 2 V ( s) s i 6

7 (17) FILTRO A CAPACITOR CHAVEADO Determine a função de transferência H(s) para o filtro a capacitor chaveado mostrado na figura a seguir. Considere fx a frequência de chaveamento dos capacitores. Classifique-o como filtro. Determine o ganho e a frequência de corte. (18) PROJETO DE UM CONVERSOR CORRENTE-TENSÃO LINEAR Apresente um circuito capaz de converte uma corrernte i na entrada em uma tensão linearmente proporcional na saída V o ki. O circuito deve funcionar como um conversor, tal que, quando a corrente na entrada variar na faixa de 0 10mA proporcione na saída uma variação de tensão equivalente a 0 10V. Determine todos os valores dos componentes. Determine k. (19A) FOTODIODO MODO FOTOVOLTAÍCO Observe que no circuito a seguir o fotodiodo funciona como uma fonte de corrente dependente da luz operando no modo fotovoltaíco. (I) Determine os valores das tensões V x e V o. (II) Determine a tensão sobre o fotodiodo. (III) Determine a potência no fotodiodo. (IV) Assinale no gráfico mostrado a seguir, correspondente a curva tensão x corrente do fotodiodo, os pontos de operação desse fotodiodo na configuração do circuito apresentado. Como são denominados esses pontos de operação? (V) Sugira algumas aplicações para este circuito. 7

8 (19B) FOTODIODO MODO FOTOCONDUTOR Observe que no circuito a seguir o fotodiodo opera em uma outra região, distinta da questão anterior. Em ambos modos o fotodiodo opera com polarização reversa. Responda aos itens da questão anterior considerando o circuito operando no modo fotocondutor. Compare e destaque no gráfico os pontos de polarização dos fotodiodos operando nos dois modos. (19C) MEDIDOR DE INTENSIDADE LUMINOSA O circuito a seguir é aplicado para conversão de intensidade luminosa em uma tensão na saída em aparelhos, tais como, luxímetros e fotômetros. Curva característica do fotodiodo. (A) Determine a tensão V o. (B) Determine a potência sobre o fotodiodo. (C) Que circuito você acrescentaria na saída para torná-lo um medidor de intensidade luminosa digital. (D) Identifique o modo de operação do fotodiodo neste circuito (Fotovoltaíco ou Fotocondutor). 8

9 V o = P = (20A) LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA (Experimento montado no GUIA #1) Uma aplicação direta do amplificador operacional, como comparador de tensão, pode ser vista na montagem de um modulador PWM, conforme efetivado no Laboratório de Eletrônica. Sinais PWM são amplamente usados para controle de luminosidade de LEDs, controle de velocidade de motores DC, fontes chaveadas, amplificadores classe D (áudio) e uma grande diversidade de outras aplicações. Conforme observado no laboratório, a montagem mostrada seguir apresenta uma largura de pulso na saída (PWM) proporcional a tensão V i aplicada na entrada. (A) Determine a expressão que relaciona a tensão aplicada na entrada V i com a largura do pulso na saída do modulador PWM, ou seja, =f(v i ) (B) Determine a largura do pulso quando Vi=0. (C) Determine V i quando a largura do pulso tiver um duty cycle de 25%. (D) Determine a largura do pulso quando Vi=2V. (20B) Determine as frequência presentes na saída do mixer (misturador) a seguir. Considere rd / s. o 9