EXPERIÊNCIA N 03 REALIMENTAÇÃO NEGATIVA Fundação Universidade Federal de Rondônia UNIR Núcleo de Tecnologia NT Departamento de Engenharia Elétrica DEE Disciplina de Eletrônica II I. OBJETIVOS Aprender sobre os efeitos da realimentação negativa na prática. Construir fontes de tensão e corrente com um amplificador operacional. Observar na prática o terra virtual. Obter a função de transferência de um ampop. Analisar os efeitos externos a um ampop e como eles interferem no seu sinal de saída. Construir osciladores através de um amplificador operacional. Aplicar uma prática simples com o intuito de observar o funcionamento do acoplamento DC do osciloscópio. II. INTRODUÇÃO A maioria dos sistemas físicos incorpora alguma forma de realimentação. É interessante observar, contudo, que a teoria da realimentação negativa foi desenvolvida por engenheiros eletrônicos. Em sua busca de métodos para o projeto de amplificadores com ganho estável para o uso em repetidores de telefone, Harold Black, engenheiro eletrônico da Western Eletric Company, inventou o amplificador com realimentação em 1928. Desde essa época, a técnica tem sido tão largamente usada que é quase impossível pensar em ciruitos eletrônicos sem alguma forma de alimentação, implícita ou explícita. Além disso, o conceito de realimentação e sua teoria associada são empregados frequentemente em outras áreas na modelagem fora do campo da engenharia, como no de sistemas biológicos. A realimentação pode ser negativa (degenerativa) ou positiva (regenerativa). No projeto de um amplificador, a realimentação negativa é aplicada para obter uma ou mais das seguintes propriedades: 1) Dessensibilidade do ganho; isto é, fazer o valor do ganho menos sensível às variações no valor dos componentes do circuito, como variações causadas pela mudança de temperatura. 2) Redução da distorção não-linear, ou seja, fazer a saída proporcional à entrada (em outras palavras, fazer o ganho constante independente do nível do sinal). 3) Redução do efeito do ruído; ou seja, minimizar a contribuição na saída de sinais elétrico indesejáveis, gerados tanto pelos componentes do circuito como por interferências externas. 4) Controle das impedâncias de entrada e saída; isto é, aumentar ou diminuir as impedâncias de entrada e de saída pela seleção apropriada da topologia da realimentação. 5) Estender a faixa de passagem do amplificador. Todas as propriedades anteriores são desejáveis e obtidas na troca da redução no ganho. O fator de redução do ganho, chamado quantidade de realimentação, é o fator pelo qual o circuito é dessensibilizado, a impedância de entrada é aumentada, a faixa de passagem é estendida e assim por diante. Em resumo, a idéia básica da realimentação negativa é negociar o ganho por outras propriedades desejadas. Sob certas condições, a realimentação negativa em um amplificador pode tornar-se positiva e com amplitude capaz de provocar uma oscilação. No entanto, não se deve assumir que a realimentação positiva sempre leva à instabilidade. Na verdade, a realimentação positiva é muito útil em várias aplicações não regenerativas, como no projeto de filtros ativos. Quase todos os circuitos que utilizam o ampop também empregam a realimentação negativa. Outra aplicação popular da realimentação negativa é no uso da resistência de emissor para estabilizar o ponto de polarização do transistor bipolar e para aumentar a resistência de entrada, a faixa de passagem e a linearidade de um amplificador diferencial com TBJ. Além disso, o seguidor de emissor e o seguidor de fonte empregam grande quantidade de realimentação negativa. [1] III. MATERIAIS UTILIZADOS Gerador de Tensão DC Instrutherm FA - 3030; Gerador de funções ICEL GV-2002; Multímetro; Osciloscópio; Protoboard; Resistores de 2kΩ(1), 10kΩ(2), 15kΩ(1), 30kΩ(1) e 1MΩ(2); Diodo Zener de 10V (2); Ampop 741(1). IV. PARTE EXPERIMENTAL Com a realimentação negativa conseguiremos efeitos realmente impressionantes. Utilizando um único ampop de uso geral 741 conseguiremos implementar circuitos com resistência de entrada tão alta como 200M Ω (muito maior que a resistência de entrada do próprio ampop) ou tão baixa como 0, 1Ω (quase um curto circuito). Conseguiremos fazer o ampop
trabalhar como fonte de tensão ou como fonte de corrente quase ideal. Em todos os circuitos lineares, onde o ampop opera não saturado, podemos afirmar que o ampop está submetido a uma realimentação negativa. A. Fonte de Tensão Se a carga for instalada entre o terminal de saída do ampop e o terra, teremos uma fonte de tensão quase ideal, ou seja, a tensão de saída não varia com a variação da carga. Montar o circuito conforme o diagrama esquemático da Figura 1. Com a retirada da carga, haverá uma redução da corrente fornecida pelo ampop, Io = 5mA, que provocará uma pequena variação de tensão de saída. V O = V O(1mA) V O(6mA). Provavelmente não será possível medir qualquer variação através de multímetro de 3.1/2 dígitos. A resistência de saída deste circuito será: R OUT = V O I O 3)R OUT = Ω Este valor muito baixo comprova que o ampop funciona como fonte de tensão quase ideal ou fonte de tensão firme. B. Fonte de Corrente Se a carga for instalada entre o terminal de saída e o terminal de entrada inversora do ampop, teremos uma fonte de corrente quase ideal, ou seja, a corrente não varia com a variação da carga. Montar o circuito conforme o diagrama esquemático da figura 2. O circuito é semelhante ao anterior, porém, a carga é instalada na malha de realimentação negativa do ampop. Figura 1. Esquema: Fonte de tensão. Conferir as ligações, principalmente a de alimentação. Ligar a alimentação de ±15V. Ajustar o multímetro para medir tensão contínua de até 20V DC. Medir a tensão de saída. Para I O = 6mA: Segundo a teoria, 1)V O = V V O = R f R i V i V O = (10k/15k).( 15V ) V O = 10V A pequena diferença encontrada se deve à tensão de entrada não ser exatamente 15V e devido à tolerância dos resistores R i e R f. A corrente fornecida pelo ampop é 6mA, soma da corrente na malha de realimentação I f = I i = V i /R i = 1mA, com a corrente fornecida à carga I L = V O /R L = 5mA. Retirar a carga do circuito e medir V o novamente. Para I O = 1mA: 2)V O = V Figura 2. Esquema: Fonte de corrente. Medir a corrente I L. Para V f = 10V : 4)I L = ma Esta corrente será bem próxima de: I L = I i = V i /R i = 15V/15kΩ = 1mA A tensão de saída será aproximadamente 10V, que poderá ser confirmada através de um outro multímetro ou através do
osciloscópio ajustado em: CH1=5V/DIV-DC, POS. CENTRAL BASE DE TEMPO 1ms/DIV TRIGGER=AUTO. Curto-circuitar R f e medir I L novamente. Para V L = 0V : 5)I L = ma A tensão de saída deve ser aproximadamente 0V. A resistência de saída deste circuito, vista pela carga, é um valor muito alto, comprovando a característica deste circuito como fonte de corrente quase ideal. V L = 10V. C. Função de transferência R OUT = V L I L 6)R OUT = Ω 1) Ligar o canal CH1 do osciloscópio (X) ao sinal de entrada V i (saída do gerador de funções). 2) Ligar o canal CH2 (Y) ao sinal de saída V O. 3) Aumentar o sinal de entrada para 9V de pico (18V pp ). 4) Ajustar o osciloscópio para o MODO X-Y X = V i e Y = V O. Estaremos observando a função de transferência do circuito. Esta curva indica que: a) Enquanto não ocorrer a saturação o amplificador é linear. b) A inclinação para a esquerda indica inversão de fase φ = 180 o. Mesmo alterando o sinal para senoidal, a função de transferência não muda. D. Pontos de teste De modo geral, os pontos de teste nos circuitos eletrônicos devem ser os pontos de baixa impedância. Agindo desta forma evitamos interferências que instrumentos de medidas podem provocar nos circuitos. Nos circuitos com ampop, o ponto de teste geralmente é o terminal de saída do ampop. Como os terminais de entrada do ampop são muito sensíveis, eles não devem ser tocados, mesmo com as pontas de prova dos multímetros ou osciloscópio, sob pena de provocar grandes perturbações no sinal de saída. Se este circuito estiver em operação no sistema, poderemos provocar sérios problemas, inclusive acidentes. Ajustes do osciloscópio: TRIGGER SOURCE: EXT-LINE SLOPE+, MODE: AUTO LEVEL 0 Montar o circuito da figura 3 e tocar, com o dedo, um dos terminais de entrada do ampop. Observar o sinal de saída. Quando o sincronismo da varredura do osciloscópio é feito pelo sinal da rede (TRIGGER=EXT-LINE) e o sinal Figura 3. Esquema: Pontos de teste. observado estiver parado na tela, significa que este sinal está relacionado com a rede de alimentação. 7)T = ms 8)f = Hz Ligar a alimentação e repetir a experiência. O sinal de saída será bem menor, comprovando que: Quanto menor a resistência, menor será o ruído e interferência no circuito. E. Acoplamento DC SEMPRE que possível utilize o acoplamento DC. Montar o circuito da figura 4. Figura 4. Esquema: Acoplamento DC.
Os canais verticais CH1 e CH2 devem monitorar o mesmo sinal de saída e devem estar no modo de acoplamento DC para que a forma de onda possa ser observada, com a componente AC mais a componente DC. O sinal de saída deverá ser contínuo, de aproximadamente 14V, positivo ou negativo. O ampop está saturado. Se retirarmos o resistor R b1, ou seja, entrada inversora aberta, o 741 irá saturar positivamente. Retirando R b2, entrada não-inversora aberta, o 741 irá saturar negativamente. Se o acoplamento destes canais estivessem em AC, não poderíamos afirmar isso. Estaria indicando sempre 0. Tocar uma das entradas do ampop com o dedo. Você deverá estar observando uma onda quadrada na saída do ampop. Os dois canais devem apresentar a mesma forma de onda obviamente. Mudar o modo de acoplamento do canal CH2 para AC. A distorção em CH2-AC se deve ao acoplamento AC. O acoplamento AC distorce o sinal em baixa frequência. F. Terra Virtual Com a realimentação negativa, o potencial da entrada inversora é igual ao potencial da entrada não-inversora, desde que o ampop não esteja saturado. É um curto-circuito virtual. Se o terminal da entrada não-inversora estiver no potencial do terra, o terminal da entrada inversora também estará no potencial do terra. É como se a entrada inversora estivesse aterrada, daí o termo TERRA VIRTUAL. Montar o circuito da Figura 5, sem os diodos zener. Figura 5. Esquema: Terra virtual. Ajustes do osciloscópio: CH1=5V/DIV, DC; POS.CENTRAL CH2=5V/DIV; DC; POS.CENTRAL VERTIVAL MODE: BOTH, CHOPPER. BASE DE TEMPO=1ms/DIV TRIGGER=CH2; AUTO, SLOPE-. Gerador de Funções (GF): TRIANGULAR, 200Hz; 5V p Manter a amplitude do GF em 0V até ligar a alimentação de ±15V. Ajustar o GF somente depois de energizar o ampop. Observar o sinal de entrada e o sinal de saída. O sinal de saída está invertido e tem o dobro da amplitude em relação ao sinal de entrada. Aumentar o sinal de entrada até o sinal de saída ceifar. O ceifamento deve ocorrer em aproximadamente 14V, que é a tensão de saturação deste ampop. Mudar CH1 para o terminal da entrada inversora e (pino 2 do 741). Observe que exatamente no intervalo onde o ampop está saturado, a entrada inversora apresenta uma tensão. Este terminal deixa de ser terra virtual quando o ampop entra em saturação. Instale os dois diodos zener de 10V, back to back, como indicado no diagrama esquemático da Figura 5. Mesmo com a tensão de saída ceifada em 10, 5V, a entrada inversora do ampop permanece como TERRA VIRTUAL. Os diodos Zener evitam a saturação do ampop mesmo com over drive (sinal de entrada suficiente para levar o ampop à saturação). Evitar a saturação do ampop é a condição para garantir o terra virtual. Além desta vantagem, os diodos zener limitam a tensão de saída dentro dos níveis de 10V e +10V, um padrão industrial. O diodo zener evita a saturação do ampop, e garante o terra virtual. Diminuir a amplitude de V i para 5V de pico. Observe que o sinal de saída não está ceifado. A tensão da entrada inversora (e ) é praticamente 0 (terra virtual). Diminuindo o sinal de entrada, de forma que não ocorra a saturação do ampop, a entrada inversora volta a ser terra virtual em todo intervalo. Não significa que a tensão neste terminal seja zero. Se alterarmos CH1=5mV/DIV poderemos ver um sinal, provavelmente quadrado. Mude a escala de CH1 (e ) para 50mV/DIV e aumente a frequência para 1kHz. O sinal de saída continua triangular de 10V de pico e a tensão e aumentou. O 741 apresenta um ganho de tensão em malha aberta de 100.000 (ou 100dB) até a frequência de 10Hz. Acima desta frequência o ganho diminui numa taxa de 20dB por década (diminui 20dB ou 10 vezes a cada aumento de frequência em 10 vezes). Acima desta frequência de corte, o ampop se comporta não como um amplificador escalar, e sim como um integrador. Acima da frequência de corte (10Hz no 741) a tensão na
entrada inversora do ampop será: v O = 1 T i v i (t).dt... v i (t) = T d d dt v O(t) e (t) = 1 2π.GBP.dv O(t) dt Para um sinal senoidal, teríamos uma outra onda senoidal defasada 90 o (um coseno). Abaixo de 10Hz a forma de onda da entrada inversora (e ) seria igual ao de saída (V o ) com fase invertida. V O = A OL (e + e ) Mas como a entrada não-inversora (e + ) está aterrada. e = V O A OL REFERÊNCIAS [1] Sedra, Adel S.; Smith, Kenneth C. Microeletrônica, 5 a Edição. Editora Pearson Prentice Hall, RJ - 2007. [2] Boylestad, Robert L.; Nashelsky, Louis. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos, 8 a Edição. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2004.