Daniel Rossato de Oliveira. Práticas de Laboratório de Eletrônica

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1 Daniel Rossato de Oliveira Práticas de Laboratório de Eletrônica Curitiba 2012

2 Daniel Rossato de Oliveira Práticas de Laboratório de Eletrônica Apostila de práticas para a Disciplina de Laboratorio de Eletrônica, código EL06D, do Curso Técnico Integrado em Eletrônica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, no primeiro semestre de UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA Curitiba 2012

3 Sumário 1 Transmissor e receptor IR Material Circuito Relatório Sequenciador musical com APC Material Circuito Relatório Metrônomo Material Circuito Relatório Controlador de velocidade de motor DC por PWM Material Circuito Relatório Indicador de temperatura de água Material Circuito

4 5.3 Relatório Conversor tensão-frequência para sensor de estacionamento com ultrassom Material Circuito Relatório Apêndice A -- Projetos 22

5 4 1 Transmissor e receptor IR Este circuito é composto de 2 partes: a primeira é um circuito que irá piscar o LED IR a uma determinada frequência, e a segunda parte deverá detectar esta mesma frequência e acionar o LED comum para indicar o recebimento. Obs.: O circuito do oscilador funciona mais facilmente quando utiliza-se transistores com encapsulamento metálico. Como nem sempre pode-se encontrar esta versão, é possivel utilizar outro oscilador, desde que ele também funcione com alimentação de 3V. 1.1 Material CI LM308 CI LM567 LED LED IR (TIL32) Fototransistor IR (TIL78) Push-button NA Potenciômetro 50K Resistores: 100, 22K, 100K, 1M Capacitores cerâmicos: 100pF, 2x 10nF, 100nF, 47nF Capacitores eletrolíticos: 3.3uF, 1.5uF Transistores: 2N2907, 2N3904

6 5 1.2 Circuito Figura 1.1: Transmissor e receptor IR

7 6 1.3 Relatório 1. Qual a frequência emitida pelo transmissor? 2. Qual o valor da resistência ajustada no potenciômetro para receber o sinal sem problemas? 3. Em que distância aproximada a recepção começa a ficar comprometida? Formas de onda Pino 6 do LM567 Coletor do 2N3904 Base do 2N2907 Coletor do foto-transistor sem recepção Coletor do foto-transistor com recepção Perguntas teóricas 1. Explique o funcionamento do circuito transmissor. 2. Como é calculada a frequência de emissão deste circuito? Qual o valor do capacitor para que ele oscile a 30kHz? 3. Calcule os valores dos componentes para que o LM567 detecte a frequência de 30kHz da pergunta anterior. 4. Qual a função do foto-transistor, e como ele funciona?

8 7 2 Sequenciador musical com APC Este circuito é composto de um sequenciador de 4 notas e um Atari Punk Console (APC), que é um gerador de som inspirado no videogame Atari. O APC é tradicionalmente controlado por 2 potenciômetros, mas este circuito adiciona o sequenciador para que a cada ciclo, um terceiro potenciômetro diferente interfira na frequência, possibilitando a criação de frases musicais simples. É possivel também controlar a velocidade das notas. 2.1 Material 1 IC IC IC Pot 470k 4 Pot 100k 1 Pot 50k 5 diodos 1N Cap 100nF, 10nF, 10uF 1 Res 1k, 2k7 1 alto-falante ou caixas de som ativas (de computador) 5 chaves SPDT Obs.: Ignore o circuito para diminuir a saída em 4dB, pegue a saída direto do pino do 556.

9 8 2.2 Circuito Figura 2.1: Sequenciador com APC Fonte:

10 9 2.3 Relatório 1. Quais os valores máximo e mínimo de notas por minuto alcançados no seu circuito? 2. Qual a frequência da nota mais grave emitida? E da mais aguda? 3. Coloque um capacitor de 100nF na alimentação do 556. Este deve ficar o mais próximo possivel do CI, de preferência por cima dele. Percebe-se alguma diferença no som? Coloque um capacitor similar em cada CI do circuito. E agora? Porque isso ocorre? Formas de onda Monte uma música legal com o circuito. Meça os seguintes pinos, para cada nota (use a função STOP do osciloscópio para isso): Pino 2 do 556 Pino 9 do 556 Pino 8 do Perguntas teóricas 1. Explique o funcionamento do APC sozinho (sem o sequenciador). 2. Qual a função dos diodos que separam os potenciômetros do sequenciador do pino 2 do 556? 3. Utilizando um capacitor de 100nF, projete o clock do 4017 (chamado de Astable 555 Timer na Figura 2.1) de forma a controlar o andamento de 40 notas por minuto até 180 notas por minuto (aproximadamente) com um potenciômetro. 4. Como modificar o circuito de forma a tornar a onda de saida sempre quadrada? Qual a implicação dessa modificação no alcance das notas? 5. Como modificar o circuito para ter 8 notas diferentes, em vez de apenas 4? Sem adicionar novos CIs, qual o limite máximo de notas possíveis?

11 10 3 Metrônomo Este circuito simula um metrônomo de pêndulo, no qual a seta se move de um lado para outro, com a velocidade controlada através da posição de um peso. 3.1 Material Resistores:1x220Ω, 3x10kΩ, 1x120kΩ Potenciômetro 1,5MΩ (ou 1MΩ, mas de preferência maior) Capacitores: 1x100nF, 3x10nF Diodos 4x1N4148 Transistores 2x2N LEDs vermelhos 2 LEDs verdes CI 555 CI 4029 CI 4051 CI 4011 Alto-falante Obs.: Use os LEDs verdes nas pontas da fileira, para efeito estético. E monte os LEDs na ordem em que eles aparecem na Figura 3.1, ou vai ficar podre.

12 Circuito Figura 3.1: Metrônomo com LEDs Fonte: Autoria Própria

13 Relatório 1. Quais os valores máximo e mínimo de batidas por minuto (bpm) alcançados no seu circuito? Formas de onda Ajuste o circuito para 120bpm (meça com o osciloscópio), e forneça as seguintes ondas EM SINCRONIA a partir da primeira. Pino 10 do U2 Pino 15 do U2 Pino 4 do U4 Pino 13 do U3 Base de Q Perguntas teóricas 1. Qual a função das portas NAND ligadas ao lado dos capacitores C4 e C5? 2. Porque os LEDs mais próximos das pontas estão ligados a mais de uma saída? 3. Qual a função dos diodos D2 e D13? 4. Qual a função da porta NAND ligada entre os pinos 6 de U3 e U4? 5. Como se chama a ligação entre Q2 e Q1, e qual o seu propósito?

14 13 4 Controlador de velocidade de motor DC por PWM Com este circuito, é possivel controlar de forma digital a velocidade de um motor DC. Este controle se dá através de um PWM (Pulse Width Modulator) e do driver de potência. O objetivo deste controle seria o acionamento através de algum circuito digital, mas simularemos esta entrada através de 4 chaves SPST encapsuladas em um DIP Switch. 4.1 Material Vocês devem escolher os integrados de acordo com os critérios de alimentação, compatibilidade entre famílias, etc., assim como calcular os outros componentes. 4 portas lógicas XOR 2 portas lógicas NAND 2 portas lógicas NOT 1 flip-flop RS (dica: monte com portas lógicas) Resistores 1 CI 4N25 1 Transistor TIP120 1 Diodo 1 DIP Switch de 4 chaves (ou mais) 1 Motor DC Obs.: O motor pode ser um Cooler de PC, ou retirado de drives de CD-ROM, ou de outra fonte. As alimentações PRECISAM ser separadas, inclusive os terras. Calculem o valor dos resistores de acordom com a tensão e corrente que o motor consumir. Montem o circuito de clock para cerca de 1,6kHz, podem usar um 555 ou 74HC14, fica a seu critério.

15 Circuito Figura 4.1: Acionador de motor DC controlado por PWM

16 Relatório 1. Qual a frequência do sinal de PWM? 2. Qual o valor rms da tensão sobre o motor com as chaves ligadas em 0, 2, 5, 9, 10, 13 e 15? 3. Monte uma tabela do valor que cada posição das chaves gera no motor, em porcentagem em relação ao valor máximo Formas de onda Forneça as seguintes ondas em sincronia, para os valores na chave 1, 2, 4, 8, 14 e 15: Base de Q1 Saída Q do flip-flop Saída do circuito de clock Entrada R do flip-flop Entrada S do flip-flop Base de Q Perguntas teóricas 1. Explique o funcionamento do circuito. 2. Forneça e justifique o cálculo dos resistores utilizados. 3. Qual a função do 4N25? Por que seu uso é recomendado? 4. Qual a função do diodo em paralelo com o motor? O que pode acontecer se seu uso for omitido? 5. Cite algumas vantagens da alimentação analógica ser separada da digital.

17 16 5 Indicador de temperatura de água Este circuito indica a temperatura através de dois LEDs (ou um LED bicolor). A partir de uma temperatura de limiar, quanto mais quente o sensor, maior a intensidade do LED vermelho, e quanto mais frio, maior a intensidade do LED azul. 5.1 Material 1 CI LM35 3 Amplificadores Operacionais 1 Potenciômetro 10kΩ 2 diodos 1n4148 Resistores 2x 680Ω, 1x 10kΩ, 1x 1kΩ, 4x 100kΩ, 4x 270kΩ 1 LED RGB (ou 1 LED vermelho e outro azul)

18 Circuito Figura 5.1: Indicador de temperatura da água

19 Relatório 1. O que acontece se você deixar o potenciômetro em cada um dos extremos? Por que isso ocorre? 2. Meça a tensão de saída do primeiro ampop e ajuste o potenciômetro até que a tensão no pino central seja a mesma. O que acontece com os LEDs? Por quê? 3. Aqueça o LM35 (usando um ferro de solda, por exemplo), enquanto mede sua tensão de saída e a saída do ampop ligado ao LED vermelho. A partir de qual temperatura a saída do ampop satura? Formas de onda Execute as medições a seguir para os limiares de 10 o C, 20 o C e 30 o C. Pino 2 do LM35 Pino 6 do primeiro AmpOp Pino do meio do potenciômetro Pino 6 do AmpOp relativo ao LED Azul Pino 6 do AmpOp relativo ao LED Vermelho Perguntas teóricas 1. Qual a função dos diodos no circuito? 2. Explique as o funcionamento dos amplificadores operacionais neste circuito. 3. Se a temperatura de limiar for 36 graus, quais os limites mínimo e máximo de temperatura a partir dos quais não há mais variação na intensidade dos LEDs? 4. O que pode ser feito para aumentar essa faixa de valores, e quais as consequências? 5. Justifique sua escolha de amplificador operacional.

20 19 6 Conversor tensão-frequência para sensor de estacionamento com ultrassom Este circuito é projetado para auxiliar no estacionamento de carros. Ele recebe o sinal de um sensor de ultrassom, normalizado entre 0V e 5V, onde 0V é a menor distancia passível de ser medida (geralmente em torno de 40cm), e 5V a maior distância, neste caso considerada 3m. A alimentação do circuito em si é de 12V, como se vinda de uma bateria automotiva. O circuito deve ser projetado para receber esta tensão entre 0V e 5V, e emitir um sinal sonoro mais acelerado quanto menor for a distância. A duração de cada apito, assim como a separação entre eles, deve obedecer a um certo bom senso. Não há um valor fixo para cada, mas devem possibilitar a utilização do circuito. Obviamente, a duração de cada apito não pode variar, apenas o espaçamento entre eles. 6.1 Material O projeto deste circuito é consideravelmente livre, portanto, a lista de materiais não pode ser estabelecida aqui. O clock pode ser montado com qualquer oscilador desejado, o DAC pode ser tanto um circuito integrado como discreto, como uma rede R-2R. Só é necessário justificar a escolha de cada um.

21 Circuito Figura 6.1: Conversor tensão-frequência Fonte: Autoria Própria.

22 Relatório 1. Justifique as escolhas de cada sub-circuito, assim como famílias de componentes. 2. Qual a duração de cada sinal sonoro? 3. Qual a frequência do clock medido? Por que este valor foi utilizado? 4. Qual a menor e a maior separação em segundos entre sinais sonoros obtidos (0V e 5V)? Quais eram os valores esperados teoricamente? Formas de onda Execute as medições a seguir para tensões de entrada 5V, 2,5V e 0V. Saida do clock Saída do DAC Entrada de sinal do ultrassom Saída das portas lógicas Perguntas teóricas 1. Suponha que o sensor utilizado meça distâncias entre 30cm e 8m. Como você modificaria o circuito de forma mínima, de forma a apitar continuamente já em 50cm, e só começar a acelerar o sinal sonoro a partir de 2m? (dica: condicionamento de sinal) 2. Como você faria para que o circuito só começasse a apitar a partir de uma certa distância? 3. Explique em linhas gerais o funcionamento do circuito.

23 22 APÊNDICE A -- Projetos (página em branco)

24 Figura A.1: Clapper 23

25 Figura A.2: VU Meter 24