Eletronica

ELETRÔNICA Fundamentos e Conceitos de Eletrônica Manual de Experiências

IVAN JORGE CHUEIRI

ELETRÔNICA

Fundamentos e Conceitos de Eletrônica

Ivan Jorge Chueiri 1

ELETRÔNICA

2007 – 1ª Edição, 2008 – 2ª Edição, 2009 – 3ª Edição, 2010 – 4ª Edição, 2011 – 5ª Edição. Curitiba, PR.

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ELETRÔNICA

ÍNDICE PREFÁCIO .......................................................................................................................................................................................... BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................................................................................ A EVOLUÇÃO DA ELETRÔNICA ................................................................................................................................................ RESISTORES ..................................................................................................................................................................................... CAPACITORES ................................................................................................................................................................................. INDUTORES ...................................................................................................................................................................................... DIODOS .............................................................................................................................................................................................. LEVANTAMENTO DA CURVA CARACTERISTICA DO DIODO RETIFICADOR ............................................................. LEVANTAMENTO DA CURVA CARACTERISTICA DO DIODO ZENER ............................................................................ CIRCUITOS A DIODOS ................................................................................................................................................................... CIRCUITO RETIFICADOR DE MEIA ONDA .............................................................................................................................. FONTE REGULADA E GERADOR DE BASE DE TEMPO ........................................................................................................ CIRCUITO RETIFICADOR ONDA COMPLETA EM PONTE .................................................................................................. CIRCUITOS CEIFADORES ............................................................................................................................................................. GRAMPEADORES E DOBRADORES DE TENSÃO ................................................................................................................... TRANSISTOR BIPOLAR (BJT) ...................................................................................................................................................... CURVA DO TRANSISTOR MODO EMISSOR COMUM ........................................................................................................... POLARIZAÇÃO DC EM MODO EMISSOR COMUM ............................................................................................................... TRANSISTOR: CORTE E SATURAÇÃO - CONCEITO DE “OPEN COLECTOR” .............................................................. FONTE REGULADA COM AJUSTE E PROTEÇÃO .................................................................................................................. GANHO CA DE UM CIRCUITO TRANSISTORIZADO ............................................................................................................ CIRCUITO TRANSISTORIZADO DE DOIS ESTÁGIOS EM CASCATA ............................................................................... CIRCUITO TRANSISTORIZADO DE DOIS ESTAGIOS COM REALIMENTAÇÃO ........................................................... AMPLIFICADOR DE AÚDIO – CLASSES DE AMPLIFICADORES ....................................................................................... CIRCUITO TOTEM POLE (PUSH-PULL OU AMPLIFICADOR CLASSE B) ....................................................................... TRANSISTOR DE UNIJUNÇÃO (UJT) ......................................................................................................................................... MISTURADOR DE CORES UTILIZANDO UJT .......................................................................................................................... TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO (JFET) ....................…………….………….……………………………..………… JFET – TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO – CURVA CARACTERÍSTICA ................................................................. JFET – AMPLIFICADOR DC EM CONFIGURAÇÃO AUTOPOLARIZAÇÃO ..................................................................... JFET – AMPLIFICADOR DC EM CONFIGURAÇÃO DIVISOR DE TENSÃO ..................................................................... JFET – AMPLIFICADOR FONTE COMUM, DIVISOR DE TENSÃO ..................................................................................... TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO (MOSFET) .....................…………….………….…....…………………..………… MOSFET – TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO – CURVA CARACTERÍSTICA ......................................................... MOSFET – TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO – PORTAS LÓGICAS ......................................................................... MOSFET – TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO COMO CHAVE ON/OFF .................................................................... AMPLIFICADOR DIFERENCIAL ................................................................................................................................................ OP AMP – AMPLIFICADOR DIFERENCIAL BJT .................................................................................................................... OP AMP – AMPLIFICADOR DIFERENCIAL JFET .................................................................................................................. AMPLIFICADOR OPERACIONAL .............................................................................................................................................. OP AMP – DRIVER E REFERÊNCIA DE TENSÃO ................................................................................................................... OP AMP – INVERSOR – NÃO INVERSOR .................................................................................................................................. OP AMP – ASSOCIAÇÃO EM CASCATA ................................................................................................................................... OP AMP – GANHO CONTROLADO POR JFET ........................................................................................................................ OP AMP – INTEGRADOR E DIFERENCIADOR ....................................................................................................................... OP AMP – SOMADOR .................................................................................................................................................................... OP AMP – SUBTRATOR ................................................................................................................................................................ OP AMP – COMPARADOR ............................................................................................................................................................ OSCILADORES ................................................................................................................................................................................

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5 6 7 11 13 16 20 24 27 30 32 35 39 42 46 49 53 56 58 60 62 65 67 69 71 74 78 79 87 89 91 93 95 96 98 101 103 107 110 113 122 124 128 130 132 135 138 141 143

ELETRÔNICA OSCILADOR HARMONICO EM PONTE WIEN ....................................................................................................................... OSCILADOR HARMONICO POR DESLOCAMENTO DE FASE (PHASE SHIFT OSCILLATOR) ................................. OSCILADOR HARMONICO TIPO DUPLO T (TWIN-T OSCILLATOR) .............................................................................. OSCILADOR HARMONICO COLPITTS (COLPITTS OSCILATTOR) ................................................................................. OSCILADOR HARMONICO CLAPP (THE CLAPP OSCILATTOR) ..................................................................................... OSCILADOR HARMONICO HARTLEY (THE HARTLEY OSCILATTOR) ........................................................................ OSCILADOR HARMONICO ARMSTRONG (THE ARMSTRONG OSCILATTOR) ……...…………………………….. OSCILADOR DE REALAXAÇÃO ................................................................................................................................................ OSCILADOR PWM ........................................................................................................................................................................ CIRCUITO GERADOR DE BURST .............................................................................................................................................. GERADORES DE FUNÇÕES ......................................................................................................................................................... GERADOR DE ONDA QUADRADA ............................................................................................................................................. GERADOR DE ONDA TRIANGULAR ......................................................................................................................................... GERADOR ONDA SENOIDAL A PARTIR DE ONDA TRIANGULAR .................................................................................. GERADOR DE IMPULSOS ............................................................................................................................................................ GERADOR DE FUNÇÕES – DIGITAL ........................................................................................................................................ GERADOR DE FUNÇÕES – ANALÓGICO ................................................................................................................................ FILTROS ........................................................................................................................................................................................... PLL – PHASE LOOKED-LOOP .................................................................................................................................................... REGULADORES DE TENSÃO ..................................................................................................................................................... REGULADORES DE CORRENTE ............................................................................................................................................... PRÉ-AMPLIFICADOR DE AÚDIO INTEGRADO .................................................................................................................... PRÉ-AMPLIFICADOR DE AÚDIO DISCRETO ........................................................................................................................ EXPANSOR LINEAR DE VOLUME ............................................................................................................................................ AGC – CONTROLE AUTOMÁTICO DE GANHO .................................................................................................................... CURRENT DUMPING AMPLIFIER – 50WRMS .......................................................................................................................... LM12 – AMPLIFICADOR DE POTÊNCIA ................................................................................................................................. LM12 – AMPLIFICADOR EM PONTE ........................................................................................................................................ FONTE DE ALIMENTAÇÃO LINEAR – VARIÁVEL 2 A 30VDC ............................................................................................ CIRCUITO SEQUÊNCIAL DE 16 CANAIS – UP/DOWN ......................................................................................................... CONTADOR SEQUÊNCIAL .......................................................................................................................................................... FOTOCÉLULA INTELIGENTE ....................................................................................................................................................

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SENSOR DE TEMPERATURA ......................................................................................................................................................

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ELETRÔNICA

PREFÁCIO Este manual foi elaborado para execução de experimentos e desenvolvimentos de circuitos eletrônicos. Desde a invenção do transistor (transfer resistor) por John Bardeen, Willian Shockley e Walter Brattain, cientistas do Bell Telephone Laboratories no dia 16 de dezembro de 1948 -- cinqüenta anos depois da descoberta do elétron por Joseph John Thomson e cem anos depois do nascimento de Alexander Graham Bell, o transistor valeu a seus inventores o prêmio Nobel de Física de 1956. É citado na edição de janeiro de 1998 da revista “Proceedings of the IEEE” (edição comemorativa dos 50 anos do transistor) como “... a invenção da engenharia elétrica mais revolucionária do século XX, cujo impacto é sentido todo momento, em todo lugar na era da informação”.

Considerada a maior invenção do século XX, onde todo e qualquer equipamento movido, acionado, controlado através da eletricidade, utiliza transistores. Modernos computadores, eletrônica embarcada, meios de comunicação, equipamentos de diagnósticos, brinquedos, domótica e tudo mais no mundo da tecnologia, utilizam transistores. A evolução da microeletrônica vem permitindo cada vez mais a diminuição do tamanho dos transistores, que por sua vez vem permitindo maior quantidade de transistores em áreas de silício que outrora permitia a criação de circuitos em VLSI (Very Large Scale of Integration). Hoje ultrapassa o conceito ULSI (Ultra Large Scale of Integration), aumenta-se a velocidade dos dispositivos e finalmente diminui-se mais ainda o tamanho dos transistores. Como ferramenta auxiliar para estes desenvolvimentos sugerimos a utilização da ferramenta PSPICE em conjunto com a ferramenta de desenvolvimento OrCAD, tanto para projetos eletrônicos como em microeletrônica, que na realidade, nos dias de hoje já é chamada de nano eletrônica em função das dimensões dos dispositivos eletrônicos.

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ELETRÔNICA

BIBLIOGRAFIA MICROELETRÔNICA, A. S. Sedra e K. C. Smith, ISBN 978-85-7605-022-3, PEARSON, Prentice Hall, São Paulo, 5ª ed., 848 pp;

DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS E TEORIA DE CIRCUITOS, Robert L. Boylestad & Louis Nashelsky, ISBN 85.87918-22-2, PEARSON, Prentice Hall, São Paulo, 8ª ed., 672 pp;

INTEGRATED ELETRONICS, Millman & Halkias, ISBN 79-172657, McGRAW-HILL KOGAKUSHA, Ltd., Japan, 1ª ed., 1972, 911 pp;

THE ART OF ELECTRONICS, Horovitz and Hill, ISBN 0521370957, Cambridge University Press, 1125 pp;

BASIC ELECTRONICS,

Bernard Grob – ISBN 0-07-024923-7 - Fourth Edition, McGraw-Hill KOGAKUSHA, LTD;

INTEGRATED CONVERTERS, Paul Jespers, ISBN 0-19-856446-5, Oxford University Press;

THE 555 TIMER APPLICATION SOURCEBOOK, WITH EXPERIENCES, Howard M. Berlin, ISBN 0-672-21538-1, Ed. Howard W. Sams & Co., Inc.; 158pp;

IC TIMER COOKBOOK, Walter G. Jung, ISBN 0672214164, Ed. Howard. W. Sams; 1st edition (1977), 287 pp;

CMOS COOKBOOK, Don Lancaster, ISBN 0750699434, Howard W. Sans and Company, and 512 pp;

CONTEMPORARY LOGIC DESIGN, Randy H. Katz, ISBN 0805327037, Addison-Wesley Pub Co, 699 pp;

DIGITAL DESIGN WITH CPLD APPLICATIONS AND VHDL, Robert K. Dueck, ISBN 0-7668-1160-3, Delmar – Thomson Learning, 2nd ed., 846 pp;

DIGITAL LOGIC SIMULATION AND CPLD PROGRAMMING, Steve Waterman, ISBN 0-13-084256-7, Prentice Hall, USA, 2000, 314 pp.

DIGITAL SYSTEMS: HARDWARE ORGANIZATION AND DESIGN,

Frederick J. Hill & Gerald Peterson, ISBN: 0471808067, 3rd edition, John Wiley & Sons, 601 pp;

ELECTRONICS - CIRCUITS, AMPLIFIERS AND GATES, D. V. Bugg, ISBN 075030109 0, Edit. IOP Publishing Ltd., 377 pp;

ELEMENTOS DE ELETRÔNICA DIGITAL, Ivan V. Idoeta & Francisco G. Capuano, Editora Érica;

FUNDAMENTALS OF DIGITAL LOGIC WITH VHDL DESIGN WITH CD ROM, Stephen Brown, ISBN: 0072355964, Book & CD Rom edition, McGraw-Hill Higher Education, 840 pp;

LOGIC AND COMPUTER FUNDAMENTALS, M. Morris Mano and Charles R. Kime, ISBN 0-13-012468-0, Prentice Hall, 2nd edition (2000), 652pp;

LOGIC CIRCUIT DESIGN, Alan W. Shaw, ISBN 0030507936, Oxford University Press, 702pp;

LOGICWORKS 4.0, Book & CD ROM Edition, ISBN 0201326825, Addison-Wesley Pub Co., 202pp;

TTL COOKBOOK, Don Lancaster, ISBN 0672210355, Howard W. Sans and Company, and 335pp; 6

ELETRÔNICA

A EVOLUÇÃO DA ELETRÔNICA

Hans Christian Oersted (1777-1851)

Em um ensaio publicado em 1813, Hans Christian Oersted previu que deveria existir uma ligação entre a eletricidade e o magnetismo. Em 1819, durante uma aula de Eletricidade, aproximou uma bússola de um fio percorrido por corrente. Com surpresa, observou que a agulha se movia, até se posicionar num plano perpendicular ao fio. Quando a corrente era invertida, a agulha girava 180º, continuando a se manter nesse plano. Esta foi a primeira demonstração de que havia uma relação entre eletricidade e magnetismo. Esse efeito, que foi chamado efeito de Oersted, que pode ser verificado com uma pilha comum de 3volts, um pedaço de cobre e uma bússola de bolso. Faça o fio passar sobre o vidro da bússola. Ligue uma ponta do fio a um dos pólos da pilha e a outra ao pólo oposto. Assim que fizer a segunda ligação, a agulha da bússola mudará de direção: deixará de apontar para o Norte para se colocar perpendicular ao fio de cobre. Oersted publicou suas observações sobre o fenômeno em 1820. No mesmo ano, apresentou-as em Paris, causando grande interesse entre os pesquisadores. Sua descoberta acidental ocorrida no meio de uma aula pode hoje ser vista como a iniciadora de um novo ramo de estudos: o eletromagnetismo. LEI DE OHM

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Entre 1825 e 1827, Georg Simon Ohm desenvolveu a primeira teoria matemática da condução elétrica nos circuitos, baseando-se no estudo da condução do calor de Fourier e fabricando os fios metálicos de diferentes comprimentos e diâmetros usados nos seus estudos da condução elétrica. Este seu trabalho não recebeu o merecido reconhecimento na sua época, tendo a famosa Lei de Ohm permanecido desconhecida até 1841 quando recebeu a medalha Copley da Royal Society de Londres. O seu nome foi dado à unidade de resistência elétrica no Sistema Internacional (SI) de unidades por decisão do Congresso Mundial Elétrico reunido, em Chicago, em 1893. Resistência elétrica é a capacidade de um corpo qualquer se opor à passagem de corrente elétrica pelo mesmo, quando existe uma diferença de potencial aplicada. Seu cálculo é dado pela Lei de Ohm e, segundo o Sistema Internacional de Unidades (SI), é medida em ohms. O RESISTOR Resistência elétrica de um elemento passivo de circuito que é percorrido por uma corrente invariável de um Ampère, quando uma tensão elétrica constante de um Volt é aplicada aos seus terminais. Em 1864 James Clerk Maxwell com 33 anos, havia predito matematicamente a existência de ondas eletromagnéticas.

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Equações de Maxwell A teoria do eletromagnetismo foi sua obra-prima. Maxwell conseguiu pensar e descrever matematicamente os fenômenos elétricos e magnéticos com um só grupo de equações, as chamadas equações de Maxwell, que exprimem, em suas relações, a unidade dos fenômenos elétricos e magnéticos. Lançavam-se as bases de toda a teoria 7

ELETRÔNICA do eletromagnetismo, e as equações de Maxwell ainda hoje auxiliam, em sua forma original, tanto o projetista de antenas como o estudioso da teoria da relatividade. Servem também para calcular o movimento de um elétron dentro de uma máquina aceleradora ou para entender o movimento de uma protuberância na atmosfera solar. Além disso, prepararam o caminho para a invenção do rádio. As transmissões sem fio começaram a ser vislumbradas com os estudos de Heinrich Rudolf Hertz, físico alemão que no ano de 1887 fez a primeira demonstração do processo de propagação de ondas eletromagnéticas através do espaço.

Heinrch Rudolf Hertz (1857-1894)

Em 1880, ano de sua diplomação, Hertz tornou-se assistente de von Helmholtz e, durante os três anos que passou no instituto berlinense, ocupou-se com pesquisas experimentais sobre a elasticidade dos gases e sobre as descargas elétricas através destes. Em 1883, obteve a docência na Universidade de Kiel, onde começou a estudar a eletrodinâmica de Maxwell. Este havia previsto teoricamente a existência das ondas eletromagnéticas, mas o fato ainda não havia sido comprovado experimentalmente.

Guglielmo Marconi (1874-1937)

Thomas Alva Edison (1847-1931)

Guglielmo Marconi nasceu na cidade de Bolonha a 25 de abril de 1874. Filho de Giuseppi Marconi, um negociante casado com Ana Jameson, mãe de Guglielmo, que descendia de uma famosa família de destiladores de Dublin. Desde a mais tenra idade Guglielmo Marconi sempre foi um sonhador. Tinha uma paixão pela eletricidade e passava horas a brincar com baterias e fios. Em 1894 com 20 anos, Guglielmo teve conhecimento das descobertas de Hertz no domínio da eletricidade. Hertz era um físico brilhante que provara a existência das ondas eletromagnéticas, usando um equipamento rudimentar, fizera passar energia elétrica entre dois pontos sem utilizar fios. Marconi pensou em controlar as ondas Hertzianas para fins de comunicação. Bastaria juntar um manipulador telegráfico ao transmissor e emitir as ondas em código Morse para enviar mensagens invisíveis através do ar. Com dificuldades de concentração na escola, tornou-se um jovem obcecado em inventar a telegrafia sem fios (TSF). De um dos lados de uma colina conseguiu que um sinal Morse fosse recebido do outro lado, a uma distância de dois quilômetros e meio. Seu maior feito foi a invenção do rádio. Aos 35 anos em 1909, Marconi recebe o prêmio Nobel de física, pelos seus inventos e suas contribuições. Thomas Alva Edison nasceu no dia 11 de fevereiro de 1847 em Milan, Ohio. Por volta de 1855, o reverendo Engle era o professor da única sala de aula da cidade, e queixava-se de Thomas, que se recusava a fazer as lições. "O garoto é confuso da cabeça, não consegue aprender", dizia. Três meses depois, Thomas Alva Edison deixou a classe e nunca mais voltaria a freqüentar uma escola. Edison registrou seu primeiro invento - uma máquina de votar, pela qual ninguém se interessou - quando tinha 21 anos. Dois anos mais tarde, inventou um indicador automático de cotações da bolsa de valores. Vendeu-o por 40 mil dólares e tomou a decisão de trabalhar em um laboratório próprio, num subúrbio de Nova York. Em 1876, já famoso, a grandeza de seus recursos e a amplitude de suas atividades motivaram a construção de um verdadeiro centro de pesquisas em Menlo Park. Era quase uma cidade industrial. Possuía oficinas, laboratórios, assistentes e técnicos 8

ELETRÔNICA capacitados. Nessa época, Edison chegou a propor-se a meta de produzir uma nova invenção a cada dez dias. Não chegou a tanto, mas é verdade que, num certo período de quatro anos, conseguiu patentear 300 novos inventos, o que equivale praticamente a uma criação a cada cinco dias. Em 1877 inventou o fonógrafo. Quando a gravação estava completa, a ponta era substituída por uma agulha; a máquina desta vez reproduzia as palavras quando o cilindro era girado mais uma vez. Em 1878, com 31 anos, propôs a si mesmo o desafio de obter luz a partir da energia elétrica. Edison tentou inicialmente utilizar filamentos metálicos. Foram necessários enormes investimentos e milhares de tentativas para descobrir o filamento ideal: um fio de algodão parcialmente carbonizado. Instalado num bulbo de vidro com vácuo, e se aquecia com a passagem da corrente elétrica até ficar incandescente sem, porém derreter, sublimar ou queimar. Em 1879, uma lâmpada assim construída brilhou por 48 horas contínuas e, nas comemorações do final de ano, uma rua inteira próxima ao laboratório, foi iluminada para demonstração pública. Durante os trabalhos de desenvolvimento da lâmpada, Edison detectou outro fenômeno que passou a ser chamado de Efeito Edison, que redundou na primeira válvula termiônica (Ver pg. 20). Nikola Tesla nasceu na Croácia. Foi engenheiro e estudou nas Universidades de Gratz na Áustria e na de Praga na Checoslováquia. Em 1884 emigrou para os Estados Unidos da América onde trabalhou para Edison. Três anos depois criou o seu próprio laboratório onde inventou o motor de indução que funciona com corrente alternada não precisando de escovas. Trabalhou para Westinghouse impulsionando o uso da corrente alternada na rede elétrica versus a utilização de corrente contínua defendida por Edison.

Nikola Tesla (1856-1943)

O sistema de corrente alternada acabaria por se impor, devido às suas vantagens. Tesla registrou inúmeras patentes entre as quais destaca-se a bobina de Tesla, uma lâmpada precursora das lâmpadas fluorescentes e uma bomba que funcionava sem palhetas. Tinha uma personalidade bastante excêntrica vivendo num mundo de fantasia. Razão pela qual não lhe foi dado o devido crédito. Tesla construiu um laboratório em Colorado Springs, em 1899, para efetuar experimentos com eletricidade de alta freqüência e outros fenômenos. Naquele laboratório ele recebeu e registrou ondas de rádio cósmicas, através de instrumentos muito sensíveis desenvolvidos por ele. Quando anunciou que havia recebido sinais de rádio extraterrestres, a comunidade científica não acreditou em suas palavras, porque ainda não se tinha conhecimento da real existência das ondas cósmicas.

Alexander Graham Bell (1847-1922)

Alexander Graham Bell nasceu no dia 3 de março de 1847, em Edimburgo, na Escócia. Sua família tinha tradição e renome como especialista na correção da fala e no treinamento de portadores de deficiência auditiva. Mais tarde, após ter emigrado para os Estados Unidos da América, em Boston, fundou uma escola e nela lecionava fisiologia vocal. Decorria o ano de 1865 quando lhe surgiu a idéia da transmissão da voz por ondas elétricas, mas apenas registrou a 9

ELETRÔNICA patente do telefone em 1876. No ano seguinte formou a empresa "Bell Telephone Company". As suas invenções foram imensas e contribuíram para um rápido desenvolvimento de muitas ansiedades da humanidade. Bell apresentou seu invento ao público na Exposição do Centenário, na Filadélfia. Em 1898, Bell substituiu o sogro na presidência da Society, transformou o velho boletim da entidade na belíssima National Geographic Magazine, semelhante à que temos hoje.

Apresentação do telefone

“Inventor é um homem que olha para o mundo em torno de si e não ficam satisfeitas com as coisas como elas são. Ele quer melhorar tudo o que vê e aperfeiçoar o mundo. É perseguido por uma idéia, possuído pelo espírito da invenção e não descansa enquanto não materializa seus projetos.” (Palavras de Alexander Graham Bell gravadas em uma placa no museu que leva o seu nome, em Baddeck no Canadá.).

O DIODO

John Ambrose Fleming (1849-1945)

Nove anos após Edison ter descoberto o efeito que passou a ter seu nome (Efeito Edison), em 1904, outro pesquisador inglês, John Ambrose Fleming daria prosseguimento e obteria o primeiro resultado prático. Ao contrário de Edison e Preece, que utilizaram como segundo elemento, apenas um fio metálico, ao professor Fleming ocorreu à idéia de envolver todo o filamento da lâmpada com uma placa metálica. Fleming foi aluno James Clerk Maxwell nas cadeiras de matemática e eletricidade. Foi consultor científico de Marconi de 1899 a 1905, onde desenvolveu técnicas de radiotelegrafia, osciladores de centelhamento, geradores de ruído branco, e desenvolvimento de circuitos sintonizados.

O TRANSISTOR

Bardeen, Shockley e Brattain

Inventado por cientistas do Bell Telephone Laboratories no dia 16 de dezembro de 1947 - cinqüenta anos depois da descoberta do elétron por Joseph John Thomson e cem anos depois do nascimento de Alexander Graham Bell - o transistor valeu aos seus inventores o prêmio Nobel de física de 1956. O invento de John Bardeen, William Bradford Shockley e Walter Houser Brattain, possibilitou uma enorme evolução na eletrônica contemporânea. Por este feito os três cientistas receberam o Prêmio Nobel de Física em 1956. A invenção do transistor é citada na edição de janeiro de 1998 da revista Proceedings of the IEEE (edição comemorativa dos 50 anos do transistor) como “a invenção da engenharia elétrica mais revolucionária do século XX, cujo impacto é sentido todo momento, em todo lugar na era da informação”.

Medalha do Nobel de Física

O CIRCUITO INTEGRADO O primeiro circuito integrado, um conjunto de transistores em uma mesma lâmina de silício e transistores em germânio foi inventado pelo pesquisador da TEXAS Instruments, Jack St. Clair Kilby, também inventor da primeira calculadora portátil e impressoras térmicas. Além de ganhador do Nobel de Física em 2000, pela sua contribuição à microeletrônica, em sua homenagem um dos flip-flops mais utilizado em circuitos digitais leva suas iniciais. Flip-flop JK.

Jack Kilby (1923-2005)

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ELETRÔNICA

RESISTORES RESISTÊNCIA ELÉTRICA: Por definição, é todo material ou dispositivo que transforma energia elétrica em calor, explicado pelo Efeito Joule.Um resistor ideal é um componente com uma resistência elétrica que permanece constante independentemente da tensão ou corrente elétrica que circular pelo dispositivo. A característica principal de um resistor é sua resistência, dada em Ohms, possuindo relação entre tensão e corrente. Essa relação é dada por uma simples equação, Lei de Ohm:

R = E/i

R = Resistência dada em Ohms (Ω); E = Tensão dada em Volts (V); I = Corrente dada em Ampère (A).

RESISTIVIDADE ELÉTRICA: A resistência elétrica de um material condutor depende da sua geometria e composição. O parâmetro relativo ao material e denominado resistividade elétrica. Em um dado material homogêneo de comprimento l e seção transversal A a resistividade será:

R=ρl/A

(Ωm)

R = Resistência elétrica dada em Ohms (Ω); ρ = Resistividade elétrica do material; l = Comprimento; A = Área da seção transversal.

SÉRIES E6, E12, E24 (Resistores de quatro faixas) SÉRIE E6

1,0 – 1,5 – 2,2 – 3,3 – 4,7 – 6,8

SÉRIE E12

1,0 – 1,2 – 1,5 – 1,8 – 2,2 – 2,7 – 3,3 – 3,9 – 4,7 – 5,6 – 6,8 – 8,2

SÉRIE E24

1,0 – 1,1 – 1,2 – 1,3 – 1,5 – 1,6 – 1,8 – 2,0 – 2,2 – 2,4 – 2,7 – 3,0 – 3,3 – 3,6 – 3,9 – 4,3 – 4,7 – 5,1 – 5,6 – 6,2 – 6,8 – 7,5 – 8,2 – 9,1

SÉRIES E48, E96, E192 (Resistores de cinco faixas) SÉRIE E48

1,00 – 1,05 – 1,10 – 1,15 – 1,21 – 1,33 – 1,40 – 1,47 – 1,54 – 1,62 – 1,69 – 1,78 – 1,87 – 1,96 – 2,05 – 2,15 2,26 – 2,37 – 2,49 – 2,61 – 2,74 – 2,87 – 3,01 – 3,16 – 3,32 – 3,48 – 3,65 – 3,83 – 4,02 – 4,22 – 4,42 – 4,64 4,87 – 5,11 – 5,36 – 5,62 – 5,90 – 6,19 – 6,49 – 6,81 – 7,15 – 7,50 – 7,87 – 8,25 – 8,66 – 9,09 – 9,53

SÉRIE E96

1,00 – 1,02 – 1,05 – 1,07 – 1,10 – 1,13 –1,15 – 1,18 – 1,21 – 1,24 – 1,27 – 1,30 – 1,33 – 1,37 – 1,40 – 1,43 1,47 – 1,50 – 1,54 – 1,58 – 1,62 – 1,65 – 1,69 – 1,74 – 1,78 – 1,82 – 1,87 – 1,91 – 1,96 – 2,00 – 2,05 – 2,10 2,15 – 2,21 – 2,26 – 2,32 – 2,37 – 2,43 – 2,49 – 2,55 – 2,61 – 2,67 – 2,74 – 2,80 – 2,87 – 2,94 – 3,01 – 3,09 3,16 – 3,24 – 3,32 – 3,40 – 3,48 – 3,57 – 3,65 – 3,74 – 3,83 – 3,92 – 4,02 – 4,12 – 4,22 – 4,32 – 4,42 – 4,53 4,64 – 4,75 – 4,87 – 4,99 – 5,11 – 5,23 – 5,36 – 5,49 – 5,62 – 5,76 – 5,90 – 6,04 – 6,19 – 6,34 – 6,49 – 6,81 7,15 – 7,32 – 7,50 – 7,68 – 7,87 – 8,06 – 8,25 – 8,66 – 8,87 – 9,09 – 9,31 – 9,53 – 9,76

SÉRIE E192

1,00 – 1,01 – 1,02 – 1,04 – 1,05 – 1,06 – 1,07 – 1,09 – 1,10 – 1,11 – 1,13 – 1,14 –1,15 – 1,17 – 1,18 – 1,20 1,21 – 1,23 – 1,24 – 1,26 – 1,27 – 1,29 – 1,30 – 1,32 – 1,33 – 1,35 – 1,37 – 1,38 – 1,40 – 1,42 – 1,43 – 1,45 1,47 – 1,49 – 1,50 – 1,52 – 1,54 – 1,56 – 1,58 – 1,60 – 1,62 – 1,64 – 1,65 – 1,67 – 1,69 – 1,72 – 1,74 – 1,76 1,78 – 1,80 – 1,82 – 1,84 – 1,87 – 1,89 – 1,91 – 1,93 – 1,96 – 1,98 – 2,00 – 2,03 – 2,05 – 2,08 – 2,10 – 2,13 2,15 – 2,18 – 2,21 – 2,23 – 2,26 – 2,29 – 2,32 – 2,34 – 2,37 – 2,40 – 2,43 – 2,46 – 2,49 – 2,52 – 2,55 – 2,58 2,61 – 2,64 – 2,67 – 2,71 – 2,74 – 2,77 – 2,80 – 2,84 – 2,87 – 2,91 – 2,94 – 2,98 – 3,01 – 3,05 – 3,09 – 3,12 3,16 – 3,20 – 3,24 – 3,28 – 3,32 – 3,36 – 3,40 – 3,44 – 3,48 – 3,52 – 3,57 – 3,61 – 3,65 – 3,70 – 3,74 – 3,79 3,83 – 3,88 – 3,92 – 3,97 – 4,02 – 4,07 – 4,12 – 4,17 – 4,22 – 4,27 – 4,32 – 4,37 – 4,42 – 4,48 – 4,53 – 4,59 4,64 – 4,70 – 4,75 – 4,81 – 4,87 – 4,93 – 4,99 – 5,05 – 5,11 – 5,17 – 5,23 – 5,30 – 5,36 – 5,42 – 5,49 – 5,56 5,62 – 5,69 – 5,76 – 5,83 – 5,90 – 5,97 – 6,04 – 6,12 – 6,19 – 6,26 – 6,34 – 6,42 – 6,49 – 6,57 – 6,65 – 6,73 6,81 – 6,90 – 6,98 – 7,06 – 7,15 – 7,23 – 7,32 – 7,41 – 7,50 – 7,59 – 7,68 – 7,77 – 7,87 – 7,96 – 8,06 – 8,16 8,25 – 8,35 – 8,45 – 8,56 – 8,66 – 8,76 – 8,87 – 8,98 – 9,09 – 9,19 – 9,31 – 9,42 – 9,53 – 9,65 – 9,76 – 9,88 11

ELETRÔNICA

Para maior compreensão das tabelas acima, acesse: Identificação de Resistores http://samengstrom.com/nxl/2020/6_band_resistor_color_code_page.en.html Tabelas das séries de resistores http://www.logwell.com/tech/components/resistor_values.html

O uso de resistores se faz em todo e qualquer tipo de circuito que utilize energia elétrica, portanto é o componente passivo mais utilizado nesta área. Resistores podem ser associados de três maneiras: Série, Paralela ou de forma Mista.

Rt = R1 + R2 + Rn

1/Rt = 1/R1 + 1/R2 + 1/Rn

Resistor de Filme Metálico (Metal Oxide Film Resistor)

Resistor de Filme Carbono (Carbon Film Resistor)

Resistor de Fio com Dissipador de Alumínio (Aluminum Housed Wire Wound Power Resistor)

Resistor Cerâmico (Wire wound ceramic resistor)

Resistor de Fio (Wire Resistor)

12

Rt= R1 + R2 + (R3 x R4 / R3 + R4)

ELETRÔNICA

CAPACITORES CAPACITORES OU CONDENSADORES: Capacitores diferentemente dos resistores que são utilizados para limitar a passagem de corrente elétrica, causando uma queda de tensão sobre eles próprios, é um componente que armazena energia elétrica. Esta característica é evidenciada pela sua construção. Um capacitor é constituído por duas placas paralelas isoladas por um material denominado dielétrico. As placas de um capacitor podem ser de alumínio, poliéster, polipropileno, tântalo ou outro tipo de material. O dielétrico pode ser mica, vidro, papel e até mesmo o ar. Capacitores são utilizados para eliminar sinais indesejados, oferecendo um caminho mais fácil pelo qual a energia associada a esses sinais espúrios pode ser escoada, impedindo-a de invadir o circuito protegido. Nestas aplicações, normalmente quanto maior a capacitância melhor o efeito obtido e podem apresentar grandes variações de tolerâncias. Já capacitores empregados em aplicações que requerem maior precisão, tais como os capacitores que determinam a freqüência de oscilação de um circuito, possuem tolerâncias menores, são mais precisos e mais estáveis, principalmente com as variações de temperatura. A capacitância de um capacitor é uma constante característica do componente, assim, ela vai depender de certos fatores próprios do capacitor. A área das armaduras, por exemplo, influi na capacitância, que é tanto maior quanto maior for o valor desta área. Em outras palavras, a capacitância C é proporcional à área A de cada armadura, ou seja:

C A A espessura do dielétrico é outro fator que influi na capacitância. Verifica-se que quanto menor for a distância d entre as armaduras maior será a capacitância C do componente, isto é:

C 1/d Este fator também é utilizado nos capacitores modernos, nos quais se usam dielétricos de grande poder de isolamento, com espessura bastante reduzida, de modo a obter grande capacitância.

C = ke0 . A/d Onde: C: Ke0: d: A:

Capacitância; Constante dielétrica; Distância entre as superfícies condutoras; Área dos condutores.

Material Ar Vidro Ebonite Mica Borracha Pura Óxido de alumínio Pentóxido de Tântalo Cera de abelha Parafina

Rigidez (kV/cm 30 75-300 270-400 600-750 330

1100 600

Constante (k) 1 3,8 2,8 5,4-8,7 3 8,4 26 3,7 3,5

A unidade de capacitância é expressa em Farad, em homenagem ao cientista britânico Michel Faraday. Já que o farad é uma unidade muito grande, valores de capacitores são geralmente expressos em microfarads (μF), nanofarads (nF), ou picofarads (pF). Como o milifarad é raramente usado na prática, uma capacitância de 4.7×10-3 F, por exemplo, é geralmente escrita como 4.700μF (embora também possa ser 4,7mF). TIPOS DE CAPACITORES Capacitores de mica; Capacitores de papel; Capacitores Stiroflex; Capacitores de polipropileno; Capacitores de poliéster; Capacitores de policarbonato; Capacitores cerâmicos; Capacitores eletrolíticos – Alumínio ou Tântalo; Supercapacitores. 13

ELETRÔNICA SIMBOLOGIA E CÓDIGO DE CORES

TABELA DE APLICAÇÕES:

14

ELETRÔNICA ASSOCIAÇÃO DE CAPACITORES: ASSOCIAÇÃO SÉRIE

Q1 Q2 Q3 cons tan te U U1 U 2 U3 1 1 1 1 Ceq. C1 C2 C3 ASSOCIAÇÃO PARALELA

U1 U2 U3 cons tan te Q Q1 Q2 Q3 Ceq. C1 C2 C3 MÚLTIPLOS DO FARAD

15

ELETRÔNICA

INDUTORES INDUTORES: Indutor é um dispositivo elétrico passivo que armazena energia na forma de campo magnético, normalmente combinando o efeito de vários laços da corrente elétrica. Indutore podem ser utilizados em circuitos como filtros passa baixa, passa bandas, passa altas ou rejeitando freqüências, ou então como filtros em fontes de alimentação. Outra aplicação é em fontes chaveadas. Geralmente o indutor constituido de uma bobina de material condutor, por exemplo, fio de cobre. Um núcleo de material ferromagnético aumenta a indutância concentrando as linhas de força de campo magnético que fluem pelo interior das espiras. Indutores, assim como capacitores podem ser construídos em circuitos integrados utilizando o mesmo processo de fabricação de transistores. Para frequências acima de 400Hz utiliza-se nucleos de ferrite. Quanto maior a frequência, menor será o núcleo. Para frequências de 0Hz a 400Hz, usa-se como núcleo o aço silício. Um grande fabricante de núcleos de ferrite é a empresa brasileira Thornton Eletrônica Ltda.

Núcleos de Ferrite Thornton

Permeabilidade é o grau de magnetização de um material em resposta a um campo magnético. A permeabilidade absoluta é representada pela letra grega µ (pronuncia-se “mi”).

µ=B/H onde B é a densidade do fluxo magnético (também conhecida como indução magnética) no material e H é a força do campo magnético. 16

ELETRÔNICA No sistema internacional de unidades, a densidade do fluxo magnético é medida em teslas (T), a força do campo magnético em Ampères por metro (A/m) e a permeabilidade em Henry por metro (H/m), ou Newton por Ampère ao quadrado (N/A2). A permeabilidade relativa, por vezes escrita com o símbolo µr e frequentemente apenas com µ, é a razão entre a permeabilidade absoluta e a permeabilidade do espaço livre (vácuo) µ0: onde: µ0 = 4π × 10-7 N·A-2

µr = µ / µ0

TABELA DE CONVERSÕES

FÓRMULAS

17

ELETRÔNICA

NÚCLEOS DE FERRITE Fabricados com materiais níquel-zinco e magnésio-zinco, e designados pelo prefixo “FT”; os núcleos de ferrite de níquel-zinco têm alto volume de resistividade, alto “Q” de 500 kHz a 100 MHz, moderada estabilidade de temperatura e vão de 125 a 850 na escala de permeabilidade relativa (µr). Já os núcleos de ferrite de magnésio-zinco tem uma permeabilidade relativa (µr) muito alta, de 850 a 5000, alto “Q” de 1 kHz a 1 MHz, baixo volume de resistividade e moderada saturação, sendo muito utilizados em fontes de alimentação e filtros de RFI (é o caso dos ferrites utilizados em antenas internas de rádios AM). INDUTÂNCIA Indutância é a grandeza física associada aos indutores, é simbolizada pela letra L, medida em Henry (H), e representada graficamente por um fio helicoidal. Em outras palavras é um parâmetro dos circuitos lineares que relaciona a tensão induzida por um campo magnético variável à corrente responsável pelo campo. A tensão entre os terminais de um indutor é proporcional à taxa de variação da corrente que o atravessa. Matematicamente temos:

onde u(t) é a tensão instântanea, sua unidade de medida é o volt (V), L é a indutância, sua unidade de medida é o Henry (H), i é a corrente, sua unidade de medida é o ampere (A) e t o tempo (s). ENERGIA A energia (medida em joules, no SI) armazenada num indutor é igual à quantidade de trabalho necessária para estabalecer o fluxo de corrente através do indutor e, conseqüentemente, o campo magnético. É dada por:

Onde I é a corrente que circula pelo indutor. 18

ELETRÔNICA Um indutor resiste somente a mudanças de corrente. Um indutor ideal não oferece resistência para corrente contínua, exceto quando a corrente é ligada e desligada, caso em que faz a mudança de modo mais gradual. Porém, a maioria dos indutores do mundo real são construídos a partir de materiais com resistência elétrica finita, que se opõe até mesmo à corrente direta. A relação entre a variação da tensão de acordo com o tempo u(t) através de um indutor com indutância L e a variação da corrente de acordo com o tempo i(t) que passa por ele é descrita pela equação diferencial:

Quando uma corrente alternada (CA) senoidal flui por um indutor, uma tensão alternada senoidal (ou força eletromotriz, Fem) é induzida. A amplitude da Fem está relacionada com a amplitude da corrente e com a freqüência da senóide pela seguinte equação: onde ω é a freqüência angular da senóide definida em termos da freqüência f por:

A reatância indutiva é definida por: onde XLé a reatância indutiva medida em Ohms (medida de resistência), ω é a freqüência angula, f é a freqüência em hertz, e L é a indutância. A reatância indutiva é o componente positivo imaginário da impedância. A impedância complexa de um indutor é dada por:

onde j é a unidade imaginária. ASSOCIAÇÃO DE INDUTORES Cada indutor de uma configuração em paralelo possui a mesma diferença de potencial (tensão) que os demais. Para encontrar a indutância equivalente total (Leq):

A corrente através de indutores em série permanece a mesma, mas a tensão de cada indutor pode ser diferente. A soma das diferenças de potencial é igual à tensão total. Para encontrar a indutância total:

19

ELETRÔNICA

DIODOS A primeira válvula eletrônica, o diodo, surgiu quando Thomas Alva Edison em 1879 faz funcionar mais uma de suas invenções, que foi a lâmpada elétrica. Neste momento ele não imaginava estar também fazendo nascer à técnica que proporcionaria a construção da primeira válvula de rádio. A lâmpada de Edison consistia em um filamento de carvão colocado dentro de uma ampola de vidro, na qual era produzido o vácuo. Apesar do sucesso inicial, algo começou a preocupar o inventor. Depois de algumas horas ligada a lâmpada apresentava certo enegrecimento em sua ampola de vidro, reduzindo, portanto a luminosidade. Estudando o fenômeno, concluiu Edison que partículas de carvão se desprendiam do filamento em direção à ampola, causando seu enegrecimento. Em uma das tentativas de resolver o problema, colocou dentro da lâmpada e em paralelo com o filamento, um segundo elemento que consistia em um simples fio metálico. A intenção era que este novo elemento retivesse as partículas de carvão, evitando assim que atingissem a ampola. Conectando este fio a uma tensão positiva, notava-se uma deflexão no galvanômetro conectado em série, indicando uma passagem de corrente entre este novo elemento e o filamento da lâmpada. Confirmou-se então a suposição de que o novo elemento solucionaria a questão do enegrecimento. Edison então concluiu que a corrente que circulava entre o filamento e o fio metálico (que hoje chamaríamos de placa) não circulava através do vácuo, mas sim através das partículas de carvão emitidas pelo filamento. Observou também que ao aplicar uma tensão negativa ao novo elemento, o galvanômetro nada indicava, concluindo, pois que a corrente circulava em um único sentido. Embora não o tenha conseguido explicar convenientemente, batizou a nova descoberta como "EFEITO EDISON”, fato este levado ao público em 1883. Em verdade sem o saber, Edison havia construído a primeira válvula termiônica. Outros pesquisadores haveriam de prosseguir os estudos sobre a descoberta de T. A. Edison, assim é que em 1895, W. R. Preece, na Inglaterra estudou mais profundamente o fenômeno, chegando a conclusões bem mais concretas. Concluiu Preece que partículas carregadas de eletricidade negativa eram emitidas pelo filamento e atraídas pelo segundo elemento carregado com eletricidade positiva e repelidas pelo mesmo, quando carregado negativamente (emissão de elétrons). Apesar do estudo mais aprofundado, não ocorreram a Preece quaisquer usos práticos, resultantes das conclusões a que chegou. O assunto caiu no esquecimento e somente nove anos mais tarde, em 1904, outro pesquisador inglês, John Ambrose Fleming daria prosseguimento e obteria o primeiro resultado prático. Ao contrário de Edison e Preece, que utilizaram como segundo elemento, apenas um fio metálico, ao professor Fleming ocorreu à idéia de envolver todo o filamento da lâmpada com uma placa metálica. Como resultado obteve correntes muito maiores circulando entre o filamento e a placa observando que também variavam de intensidade de acordo com o diâmetro da placa e a distancia desta em relação ao filamento. A primeira válvula "diodo" de uso prático estava criada, pois Fleming teve a feliz iniciativa de usá-la como detector de ondas radioelétricas. A válvula Diodo dois elementos internos: placa e catodo. Algumas não possuem catodo, sendo chamadas de diodos de aquecimento direto. O próprio filamento emite os elétrons para a placa. Os diodos com catodo são chamados de aquecimento indireto. Abaixo vemos alguns tipos e o funcionamento.

O diodo moderno é o mais simples dispositivo semicondutor; constituído de uma junção PN semicondutora, permite conduzir em um só sentido, tal qual a lâmpada de Edison, que originou a primeira válvula. Os tipos mais usados são de Si (Silício) e de Ge (Germânio). O seu comportamento elétrico depende da distribuição de impurezas e da geometria da junção. São classificados como diodos de sinal, retificadores, zeners, reguladores de tensão, detectores, emissores de luz, fotos-diodo, etc.. Geralmente, os diodos são utilizados de tal forma a se aproveitar as características de assimetria da relação voltampère; são usados no chaveamento e na geração de tensões e correntes alternadas, em resumo o diodo é um dispositivo de 20

ELETRÔNICA semicondutor que permite a corrente fluir em uma só direção. Embora um transistor também seja um dispositivo semicondutor, não opera do mesmo modo que um diodo. Um diodo é feito especificamente para permitir que a corrente flua em uma só direção. TIPOS DE DIODOS: Diodo Retificador

Diodo Zener

Diodo Túnel

Diodo Schottky

Diodo PIN

Diodo GUNN

Diodo Varicap

Diodo LED

Diodo Emissor de Luz

Diodo Receptor ou fotodiodo

Foto-acoplador

Diodo LASER

DIAC

SCR

TRIAC

TransZorb

21

ELETRÔNICA NOMENCLATURAS: As nomenclaturas dos dispositivos semicondutores seguem o padrão JEDEC (JOINT ELECTRONIC DEVICES ENGINEERING COUNCIL), que normaliza (STANDARD) as pinagens e nomenclaturas dos componentes. A primeira letra indica o tipo de material semicondutor A Germânio

A segunda letra indica o tipo e aplicação A

Diodo de sinal (diodo detector, de comutação a alta velocidade, misturador);

B

Silício

B

Diodo de capacitância variável (VARICAP)

C

Arseneto de Gálio

C

Transistor de aplicação em baixa freqüência

D

Antimônio de Índio

D

Transistor de potência para aplicação em baixa freqüência

R

Outros compostos

E

Diodo Túnel

F

Transistor de aplicação em alta freqüência

L

Transistor de potência para aplicação em alta freqüência

P

Dispositivo sensível à radiação

R

Tiristores

S

Transistor de aplicação em comutação

T

Tiristores

U

Transistor de potência para aplicação em comutação

X

Diodo multiplicador (VARACTOR);

Y

Diodo de potência;

Z

Diodo Zener;

NÚMERO

PRIMEIRA LETRA

SEGUNDA LETRA

A

Transistor PNP – A.F.

Diodo

B

Transistor PNP – B.F.

2

Transistor

C

Transistor NPN – A.F.

3

Semicondutor com duas portas

D

Transistor NPN – B.F.

F

TIRISTOR P

G

TIRISTOR N

J

FET canal P

K

FET canal N

0

Foto-transistor

1

S

Semicondutor

22

ELETRÔNICA ENCAPSULAMENTOS: DO-3

D0-35

DO-41

TO-220AC

TO-3

PWRTAB

PWRTABS

SOT-223

SMA

SMB

SMC

D618SL

D2pak

Dpak

TO-220AB

TO-200AC

B380C1000G (GS)

KBPC (D46)

KBB (D37)

GBL

GBU*

GBPC (D34) *

MB (D34)

MT (D63)

DF8 (D71)

DF (D70)

SMD

LED SMD

* International Rectifier

23

ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 01 LEVANTAMENTO DA CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO RETIFICADOR PRÉ-RELATÓRIO 01 1) Defina o que vem a ser um diodo retificador; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 2) Quais as principais diferenças entre diodos de germânio e diodos de silício; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 3) Quais efeitos a variação de temperatura pode causar nas características intrínsecas de um diodo retificador; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 4) Defina o que vem a ser tensão de ruptura de um diodo retificador; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 5) Descreva os dois modos principais de operação do diodo semicondutor genérico (polarização direta, polarização reversa); ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

Data

Visto do Orientador:

Aluno:

_____/______/_____

________________________

_______________________________

24

ELETRÔNICA EXPERIMENTO 01

Lista de materiais Diodo Retificador 1N4007 – 3 unidades; Resistor 100R, 5W (fio) – 3 unidades; Resistor 100R, 1/4W – 3 unidades.

Papel milimetrado; Multímetro; Fonte de alimentação; Osciloscópio; Proto-board.

6) Utilizando o datasheet do diodo 1N4007, preencher a tabela abaixo com suas características principais;

Parâmetros

Nomenclatura

Valor

Tensão reversa de pico máxima Tensão reversa contínua Corrente contínua direta Corrente de pico repetitiva Corrente direta de surto (não repetitiva) Tensão direta Corrente reversa

7) A primeira parte do experimento é extrair a curva direta do diodo, ou seja, a curva de condução, conforme mostra a figura abaixo:

Vin 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,0

VD (V)

ID (mA)

Complete a tabela com valores da tensão VD e da corrente ID medidas, com VIN variando de 0,1V a 10 VCC. Para tensões da fonte entre 0,1V e 1,0V, varie VIN em incrementos de 0,1V. A partir de 1,0V, os incrementos de VIN devem ser de 1,0V. A corrente sobre o diodo não pode ultrapassar a corrente máxima direta.

25

ELETRÔNICA 8) A segunda parte do experimento é extrair a curva reversa do diodo, ou seja, a curva de corte, conforme mostra a figura abaixo:

Vin 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,0

VD (V)

ID (mA)

Complete a tabela com valores da tensão VD e da corrente ID medidas, com VIN variando de 0,1V a 10 VCC. Para tensões da fonte entre 0,1V e 1,0V, variar VIN em incrementos de 0,1V. A partir de 1,0V, os incrementos de VIN devem ser de 1,0V. A tensão sobre o diodo não pode ultrapassar a máxima tensão reversa.

9) Com os dados obtidos, faça um esboço da curva VD x ID em papel milimetrado, identificando a tensão de ruptura (se houver). Anexar o gráfico obtido ao experimento.

10) O que ocorre se ultrapassarmos a máxima tensão reversa na segunda parte do experimento? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 11) A variação de temperatura causa influência no funcionamento dos diodos. O que pode-se concluir sobre esta influência? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

Data


Aluno:________________________________

_____/______/_____

________________________

Aluno:________________________________

26

ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 02 LEVANTAMENTO DA CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO ZENER PRÉ-RELATÓRIO 02 1) Defina o que vem a ser um diodo zener; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 2) Qual a diferença entre diodos zener e retificador; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 3) Quais efeitos a variação de temperatura pode causar nas características intrínsecas de um diodo zener; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 4) Defina o que vem a ser efeito zener em um diodo; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 5) Descreva o que vem a ser efeito avalanche em um diodo zener? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 6) Descreva as principais aplicações de diodos zener em circuitos eletrônicos; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 7) De que forma a variação de temperatura influência no funcionamento de diodos zener? Se verdadeira, ao fazermos uma regulação zener de 36VCC, qual a melhor solução? (Ref.: Integrated Electronics Millman – Chap 3 – Junction-Diode) ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

Data


Aluno:

_____/______/_____

________________________

_______________________________

27


Lista de materiais Diodo Zener 6,8V (1N754) – 3 unidades; Resistor 100R, 5W (fio) – 3 unidades; Resistor 100R, 1/4W – 3 unidades.


8) Utilizando o datasheet do diodo 1N754 ou equivalente, preencher a tabela abaixo com suas características principais;

Parâmetros

Nomenclatura

Valor

Tensão zener nominal Corrente zener de teste Impedância máxima Corrente reversa máxima Máxima corrente zener Dissipação de potência em CC Forward Voltage

9) A primeira parte do experimento é extrair a curva direta do diodo, ou seja, a curva de condução, conforme mostra a figura abaixo:

Vin 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,0

VD (V)

ID (mA)

Complete a tabela com valores da tensão VD e da corrente ID medidas, com VIN variando de 0,1V a 10VCC. Para tensões da fonte entre 0,1V e 1,0V, varie VIN em incrementos de 0,1V. A partir de 1,0V, os incrementos de VIN devem ser de 1,0V. A corrente sobre o diodo não pode ultrapassar a corrente máxima direta.

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ELETRÔNICA 10) A segunda parte do experimento é extrair a curva reversa do diodo, ou seja, tensão zener, como mostra a figura abaixo:

Vin 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,0

VD (V)

ID (mA)

Complete a tabela com valores da tensão VD e da corrente ID medidas, com VIN variando de 0,1V a 10VCC. Para tensões da fonte entre 0,1V e 1,0V, variar VIN em incrementos de 0,1V. A partir de 1,0V, os incrementos de VIN devem ser de 1,0V. A tensão sobre o diodo não pode ultrapassar a máxima tensão reversa.

11) Com os dados obtidos, faça um esboço da curva VD x ID em papel milimetrado, identificando a tensão de ruptura (se houver). Anexar o gráfico obtido ao experimento.

12) No circuito acima (item 9), associe dois diodos zener em série. Explique o que foi observado. ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 13) O que ocorre se ultrapassarmos a máxima tensão reversa na segunda parte do experimento? Associe as duas saídas da fonte de alimentação no modo série. Varie a tensão até chegar ao máximo (60VCC). Observe a variação de corrente e tensão sobre o diodo zener. ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 14) Quais as principais diferenças observadas entre diodo retificador e diodo zener em termos de funcionamento? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 03 CIRCUITOS A DIODOS Diodos são utilizados em várias aplicações, onde em cada uma delas, especificamente são necessários os mais diversos tipos de diodos, já mostrados nesta apostila. Além da sua utilização em circuitos analógicos tais como; fontes de alimentação, ceifadores, grampeadores, proteção; os mesmos são utilizados também em circuitos digitais, na elaboração de portas lógicas. Neste experimento será visto a associação de diodos e construção de portas lógicas. PRÉ-RELATÓRIO 03 1) Dado o circuito abaixo, determinar VD e ID;

ID VOUT 2) Dado o circuito abaixo, determinar VOUT;

VOUT

3) Dado o circuito abaixo, analisá-lo e mostrar o comportamento dos LED‟s. Quais irão acender, quais não irão acender e quais não irão funcionar normalmente;

4) Analisar o funcionamento dos circuitos abaixo e definir o tipo de porta lógica. Escrever a expressão lógica de cada circuito;

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Lista de materiais Diodo de sinal 1N4148; Resistores; LED‟s.

Multímetro; Fonte de alimentação; Osciloscópio; Proto-board.

5) Montar o circuito do item 1 e comparar os valores teóricos e experimentais;




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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 04 CIRCUITO RETIFICADOR EM MEIA ONDA Desenvolvimento e montagem de um circuito retificador em meia onda, que será alimentado pela rede elétrica. Lista de materiais Transformador 12V-0-12V – 500mA; Diodo 1N4007; Resistor de carga – 5W fio (calcular); Capacitor Eletrolítico (calcular); Capacitor 100nF – Disco Cerâmico.

Multímetro; Osciloscópio; Proto-board.

PRÉ-RELATÓRIO 04 1) Desenvolva um circuito retificador de meia onda alimentado por 12VCA e 175mA. Mostre a forma de onda da tensão secundária do transformador no gráfico 1, e a tensão retificada, com seu valor de Pico (VP) e valor médio (Vmédio) no gráfico 2.

Gráfico 1

Gráfico 2

2) Calcule o valor do capacitor de filtro para a corrente de 175mA. Determine qual a tensão de isolação necessária para este capacitor;

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ELETRÔNICA EXPERIMENTO 04 3) Verifique a forma de onda na saída secundária do transformador (ensaio a vazio), conforme figura 3.1, utilizando o osciloscópio. Em seguida insira o amperímetro (em CA) e a carga no secundário do transformador. Verifique o valor de corrente fornecida e o valor da tensão sobre a carga com auxílio do osciloscópio, conforme figura 3.2. Insira as formas de ondas nos gráficos (figura 3.1 – gráfico 1, figura 3.2 gráfico2, abaixo juntamente com as respectivas cotas.

Figura 3.1

Figura 3.2

gráfico 1

gráfico 2

4) Monte no proto-board o circuito retificador de meia onda em etapas conforme figura 3.3. Com osciloscópio verifique a forma de onda entre o secundário do transformador e o diodo retificador, em seguida verifique o sinal entre o diodo e a carga RL, sem o capacitor. Insira as formas de ondas e valores obtidos nos gráficos abaixo com as respectivas cotas;

Figura 3.3

gráfico 3 (canal 1)


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ELETRÔNICA 5) Compare e descreva os resultados obtidos nos gráficos 1 e 3. ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 6) Coloque o filtro (capacitor C1) no circuito, observe a forma de onda, e insira no gráfico abaixo. Adicione em paralelo a carga RL, mais uma carga com o mesmo valor. Esta carga irá para 50% do valor nominal de RL. Qual o valor da “tensão de ripple” encontrado?



7) Volte à carga original e coloque o osciloscópio em modo CA. Meça o ruído CA na saída do circuito. Qual o valor do ruído de alta freqüência (VCA) encontrado? Gráfico 1 VPP VP VRMS Frequência (f) Período (T)

Gráfico 2 VP VCC IDC fpulsante Tpulsante

Gráfico 3 Carga = RL VCC VCA IDC Vripple

Gráfico 4 Carga = 50%RL VCC VCA IDC Vripple

Regulação (%)

Regulação (%)

8) Qual o percentual de regulação da fonte, medida sem carga e com carga? Qual o percentual em relação à “tensão de ripple”? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 05 FONTE REGULADA E GERADOR DE BASE DE TEMPO Fontes de alimentação com reguladores de tensão permitem uma larga gama de aplicações. A utilização correta destes reguladores levando-se em conta as suas especificações é encontrada em datasheets fornecidos pelos fabricantes. Alguns itens são importantes no momento de se projetar circuitos como o apresentado abaixo. Este circuito é composto por uma fonte de alimentação com retificação em onda completa com derivação central. Alem disto possui uma saída osciladora em 60Hz (frequência da rede), em nível TTL. O valor TTL é controlado por um diodo zener. Para melhorar a resposta do sinal de clock (60Hz), coloca-se um circuito Schmitt Trigger na sua saída. PRÉ-RELATÓRIO 05 1) Defina os tipos de reguladores de tensão quanto as suas saídas; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 2) Quais os reguladores de tensão mais comuns para saída positiva? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 3) Quais os reguladores de tensão mais comuns para saída negativa? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 4) Qual a tensão mínima a ser aplicada em um regulador de tensão de +5V CC, na sua entrada, para que sua regulação na saída seja estável? ______________________________________________________________________________________________________ 5) Qual a tensão máxima a ser aplicada em um regulador de tensão para +24V CC, na sua entrada, levando-se em conta a corrente máxima, para que sua proteção de sobre tensão não atue? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 6) Qual a temperatura máxima para que a proteção de sobre corrente não atue nos reguladores? ______________________________________________________________________________________________________ 7) Defina o que vem a ser tensão de “ripple” ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 8) Defina o que vem a ser CMRR (Common Mode Rejection Ratio)? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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Lista de materiais TR1 – Transformador 127V - 9-0-9V ou 12-0-12V – 500mA; Cabo de alimentação com plugue (dois pinos); D1, D2, D3 – Diodo retificador 1N4007 ou equivalente; IC1 – Regulador de tensão 7805 – 5V; C1 – Capacitor eletrolítico 470uF x 50V (ou tensão maior); C2 – Capacitor de disco cerâmico 100nF x 35V; C3 – Capacitor eletrolítico 470uF x 25V; C4 – Capacitor de disco cerâmico 100nF x 35V; R1 – Resistor 100R - 1/2W; D4 – Diodo Zener – 5V1 – 400mW ou 1W; IC2 – CD40106, ou 7414; RLED – Calcular; LED comum – 2 unidades; LED alto brilho – 2 unidades.


Para os Circuitos Seqüenciais e Máquinas de Estados Finito funcionarem, é necessário que exista a função Clock (CLK). Para isto, montar o circuito abaixo onde tem-se além da fonte de alimentação um gerador de clock a partir da freqüência de rede elétrica, que permite gerar trem de pulsos (onda quadrada) a partir da rede elétrica. 9) O circuito abaixo mostra como é possível, a partir de um sinal senoidal retificado obter uma onda de forma quadrada utilizando um inversor (NOT) tipo Schmitt Trigger. Montar o circuito no “proto-board” e observar o funcionamento utilizando um osciloscópio, para medir em cada ponto indicado. O LED conectado na saída do circuito é utilizado como lâmpada piloto, ou seja, sinaliza o funcionamento da fonte de alimentação.

Obs.: Medir o ponto 2 sem C1 e C2, ponto 3 com C1 e C2. 10) Desenhe as formas de ondas obtidas nos gráficos da próxima página. Descrever os resultados encontrados em cada ponto de teste. Obter os resultados dos pontos mostrados no circuito e anexar ao relatório final, a ser entregue na próxima aula de laboratório.

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ELETRÔNICA

Cabo ou Rabicho de Alimentação CA

Porta Fusível - Fusível

Transformador de Alimentação (abaixador)

Taps Primário e Secundário Primário: Preto Marrom Vermelho

– 0V – 127V – 220V

Secundário: Azul Preto Azul

– 12V – 0V – 12V

Diodo Retificador

Capacitor Eletrolítico

Capacitor Disco Cerâmico

Regulador de Tensão Positivo

Resistores

Diodo Zener

Circuito Integrado – CD40106

LED – Light Emitting Diode

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ELETRÔNICA Ponto 1

Ponto 2

Ponto 3

Ponto 4

Ponto 5

Ponto 6

Ponto 7

Ponto 8, 9

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 06 CIRCUITO RETIFICADOR ONDA COMPLETA EM PONTE Lista de materiais Transformador 12V-0-12V – 500mA; Diodo 1N4007; Resistor de carga – 5W fio (calcular); Capacitor Eletrolítico (calcular) – 2 unidades; Capacitor 100nF – Disco Cerâmico – 4 unidades; Capacitor 1000uF x 25V – 2 unidades; Regulador de tensão 7815 ou 7812; Regulador de tensão 7915 ou 7912; DISSIPADOR.

Multímetro; Osciloscópio; Proto-board.

PRÉ-RELATÓRIO 06 1) Desenvolva um circuito retificador de onda completa em ponte alimentado por 12 V CA, 500 mA. Mostre nos gráficos abaixo a tensão secundária do transformador (gráfico 1), e a tensão retificada, com seu valor de Pico (V P) e valor CC (VCC), gráfico 2.

gráfico 1

gráfico 2

2) Calcular o valor do capacitor de filtro. Determine qual a tensão de isolação deste capacitor;

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ELETRÔNICA EXPERIMENTO 06 3) Monte no proto-board o circuito retificador do item 1. Com osciloscópio verifique a forma de onda entre o secundário do transformador e os diodos retificadores. Em seguida verifique o sinal entre o diodo e a carga RL, sem o capacitor. Insira as formas de ondas nos gráficos abaixo; Sinal entre o secundário do trafo e diodo

Sinal entre o diodo e a carga

4) Mantenha a carga e insira o capacitor (filtro) no circuito, observe a forma de onda, e insira no gráfico abaixo. Coloque a carga de 50% de RL e verifique a forma de onda sobre a carga. Qual o valor da “tensão de ripple” encontrado. Insira a forma de onda no gráfico abaixo; Forma de onda na saída com carga a 100%

Forma de onda com a o dobro da carga (RL/2)

5) Volte à carga original e coloque o osciloscópio em modo CA. Meça o ruído CA na saída do circuito. Qual o valor do ruído de alta freqüência (VCA) encontrado? Qual o percentual de regulação da fonte, medida com carga e o dobro da carga?

Gráfico 1 VPP VP VRMS Frequência(f) Período (T)

Gráfico 2 VP VCC IDC(mA) fpulsante Tpulsante

Gráfico 3 Carga = RL VCC VCA IDC(mA) Vripple

Gráfico 4 Carga = 50%RL VCC VCA IDC(mA) Vripple

Regulação (%)

Regulação (%)

6) Quais as principais diferenças entre os circuitos da experiência 04 e a 06? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA 7) Utilizando os mesmos cálculos para capacitores, construir uma fonte simétrica utilizando a retificação onda completa em ponte com derivação central. Inserir os reguladores de tensão positiva (7815) e negativa (7915) no circuito, seguindo o “datasheet” dos mesmos. Mostrar o circuito.

Sinal entre o secundário do trafo e diodos

Sinal entre os diodos e a carga

Sinais antes dos reguladores de tensão

Sinais após os reguladores de tensão

8) Qual a aplicação deste tipo de fonte? ______________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ 9) É possível ter as mesmas saídas utilizando retificação onda completa a dois diodos com derivação central? _____________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 07 CIRCUITOS CEIFADORES Circuitos ceifadores também conhecidos como limitadores utilizados para cortar parte dos semiciclos de sinais alternados (senoidal, triangular ou quadrado). Sua principal aplicação é limitar a amplitude destas ondas. PRÉ-RELATÓRIO 07 1) Dado o sinal senoidal abaixo, aplique um ceifamento de +2,5VCC;

2) Faça o mesmo aplicando um ceifamento de -4,5VCC;

3) Dada a onda senoidal abaixo, aplicar um ceifamento no semiciclo positivo de 3V CC e um ceifamento no semiciclo negativo de -3VCC;

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Lista de materiais Diodo 1N4148 ou 1N914 (diodo de sinal) – 3 unidades; Resistor 1k, 1/4W – 3 unidades; Resistor 10k, 1/4W – 3 unidades.

Fonte de alimentação; Osciloscópio; Gerador de funções; Proto-board.

4) Montar o circuito ceifador abaixo.

5) Aplique em VIN um sinal senoidal de 1kHz com amplitude de 16VPP, em seguida ceifar o sinal, aplicando 5VCC através de V1. Desenhe as duas formas de onda no gráfico acima. 6) O que foi observado? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 7) Inverta a polaridade de V1 e mostre o sinal obtido, aplicando 7VCC, através de V1;

8) Explique qual foi o resultado obtido? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 9)

Existe outra configuração que permita obter o mesmo tipo de sinal dos circuitos 4 e 7? Se sim, mostre os circuitos.

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ELETRÔNICA 10) Montar o circuito ceifador abaixo.

11) Aplique em VIN um sinal senoidal de 1kHz com amplitude de 16VPP, em seguida ceifar o sinal, aplicando 5VCC, através de V1. Desenhar as duas formas de onda no gráfico acima. 12) O que foi observado? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 13) Inverta a polaridade de V1, repita os passos do item 11 e mostre o sinal obtido. Desenhar as duas formas de ondas no gráfico abaixo;

14) Explique qual foi o resultado obtido? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 15) Existe outra configuração que permita obter o mesmo tipo de sinal na saída dos dois circuitos acima? Se sim, mostre os circuitos.

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ELETRÔNICA 16) Montar o circuito ceifador abaixo. Item 17

Item 18 17) Aplique em VIN um sinal senoidal de 1kHz com amplitude de 20VPP, em seguida ceifar o semiciclo positivo em 5VCC (V1) e o semiciclo negativo em 7VCC (V2) e desenhe as formas de onda no gráfico ao lado;

18) Alterne o sinal de VIN para onda quadrada e mostre o resultado no gráfico ao lado;

19) Qual circuito na prática substitui o circuito do item 16. Mostrar o circuito; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 08 GRAMPEADORES E DOBRADORES DE TENSÃO Um circuito grampeador permite adicionar em um circuito eletrônico um nível CC, positivo ou negativo, em um sinal alternado, seja ele senoidal, quadrado ou triangular. Circuitos dobradores de tensão permitem dobrar o valor de uma tensão alternada ao mesmo tempo em que transforma este sinal em um sinal contínuo. Sua aplicação pode ser encontrada em TVs e VCRs. PRÉ-RELATÓRIO 08 1) Dado o sinal senoidal abaixo, desloque-o positivamente (grampeador positivo) adicionando 5VCC;

2) Dado o sinal senoidal abaixo, desloque-o negativamente (grampeador negativo) adicionando -4VCC

3) Mostrar o circuito dobrador meia-onda ou cascata;

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Lista de materiais Diodo 1N4148 ou 1N914 (diodo de sinal) – 3 unidades; Resistor 10k, 1/4W – 3 unidades; Capacitor 100uF x 50V – Eletrolítico – 3 unidades.

Osciloscópio; Gerador de funções, Fonte de Alimentação; Proto-board.

4) Montar o circuito grampeador abaixo para produzir um deslocamento negativo. Aplicar VIN = 10VPP, e o valor DC = 5VDC, para um e uma frequência de 60Hz. Altere a frequência para 1kHz. Comente os resultados. _________________________________________________ _________________________________________________ _________________________________________________ _________________________________________________ _________________________________________________ _________________________________________________ _________________________________________________ _________________________________________________ _________________________________________________ _________________________________________________ _________________________________________________

5) Montar o circuito grampeador abaixo para produzir um deslocamento positivo. Aplicar VIN = 8VPP, e o valor DC = 5VDC, para um e uma frequência de 60Hz. Altere a frequência para 1kHz. Comente os resultados. _________________________________________________ _________________________________________________ _________________________________________________ _________________________________________________ _________________________________________________ _________________________________________________ _________________________________________________ _________________________________________________ _________________________________________________ _________________________________________________ _________________________________________________

6) Montar o circuito dobrador de tensão de onda completa. Calcular o valor dos capacitores e suas respectivas tensões de isolação. Apresentar os cálculos;

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ELETRÔNICA 7) Mostrar a forma de onda de entrada e saída do circuito 4;

8) Mostrar a forma de onda de entrada e saída do circuito 5;

9) Mostrar a formas de onda do circuito 6;

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ELETRÔNICA

TRANSISTORES TRANSISTORES BIPOLARES DE JUNÇÃO (BJT) O transistor foi inventado nos Laboratórios da Bell Telephone em dezembro de 1947 (e não em 1948 como é freqüentemente dito) por Bardeen e Brattain, e inicialmente demonstrado em 23 de Dezembro de 1947 por John Bardeen, Walter Houser Brattain, e William Bradford Shockley, que foram laureados com o prêmio Nobel da Física em 1956. Ironicamente, eles pretendiam fabricar um transistor de efeito de campo (FET) idealizado por Julius Edgar Lilienfeld antes de 1925, mas acabaram por descobrir uma amplificação de corrente no ponto de contacto do transistor. Isto evoluiu posteriormente para converter-se no transistor (transfer resistor) de junção bipolar (BJT). O objetivo do projeto era criar um dispositivo compacto e barato em substituição as válvulas termoiônicas usadas nos sistemas telefônicos da época. Os transistores bipolares passaram, então, a serem incorporados a diversas aplicações, tais como: aparelhos auditivos, seguidos rapidamente por rádios transistorizados. Mas a indústria norte-americana não adotou imediatamente o transistor nos equipamentos eletrônicos de consumo, preferindo continuar a usar as válvulas termoiônicas, cuja tecnologia era amplamente dominada. Foi através de produtos japoneses; notadamente os rádios portáteis fabricados pela Sony; que o transistor passou a ser adotado em escala mundial. Nessa época, o MOSFET (Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor - Transistor de Efeito de Campo formado por Metal / Óxido / Silício) ficou em segundo plano, quase esquecido. Problemas de interface inviabilizavam a construção dos transistores MOSFETs. Contudo, em 1959, Atalla e Kahng da Bell Labs fabricam e conseguem a operação de um transistor MOS. Nessa época, os transistores MOS são tidos como curiosidade, devido ao desempenho bastante inferior aos Bipolares. Em 1960, devido a sua estrutura mais simples, o transistor MOS passou a ser encarado como um dispositivo viável para circuitos digitais integrados. Nessa época, havia muitos problemas com estados de impurezas, o que manteve o uso de tecnologia MOS restrito até o fim da década de 60. Entre 1964 - 1969 identificam o Sódio (Na) como o principal causador dos problemas de estado de superfície, e começam a surgir soluções para esse problema. No início da tecnologia MOS, os transistores pMOS foram mais utilizados, apesar do conceito de Complementary MOS (CMOS) já estivesse sido introduzido por Weimer. O problema ainda é a dificuldade de eliminação de estados de superfície nos transistores nMOS. A tecnologia CMOS foi inventada por C. T. Sah e Frank Wanlass da Fairchild R & D Laboratory (US Patent 3,356,858 - "Low Stand-By Power Complementary Field Effect Circuitry") onde mostravam circuitos lógicos combinando transistores canal P e transistores canal N em simetria complementar. Em 1970, a Intel anuncia a primeira memória DRAM, fabricada com tecnologia pMOS. Em 1971, a Intel lança o primeiro microprocessador do mundo, o INTEL 4004, baseado em tecnologia pMOS. Ele foi projetado para ser usado em calculadoras. Ainda em 1971, resolve-se os problemas de estado de superfície e emerge a tecnologia nMOS, que permite maior velocidade e poder de integração. O domínio da tecnologia MOS dura até o final dos anos 70. Nessa época, o transistor nMOS passou a ser um problema, pois com o aumento da densidade dos CIs, a tecnologia demonstrou-se insuficiente, pois surgem grandes problemas com consumo de potência (que é alto nesse tipo de tecnologia). Com isso, a tecnologia CMOS começa a ganhar espaço. A partir da década de 80, o uso de CMOS foi intensificado, levando a tecnologia a ser usada em 75% de toda a fabricação de circuitos, por volta do ano 2000. DADOS IMPORTANTES: O primeiro processador 8 bits (8008) usava tecnologia pMOS e tinha freqüência de 0,2 MHz. Ano de fabricação: abril/1972 - 3500 transistores com 10 um ou 10000nm, com uma tensão de trabalho de 5Vcc. Dez anos depois, a Intel lançou o processador 80286, com freqüências de 6, 10, 12MHz, fabricado com tecnologia CMOS - 134.000 transistores 1,5um ou 1500nm, com uma tensão de trabalho de 5Vcc. O Pentium 4, lançado em janeiro de 2002, trabalha com freqüências de 2,2GHz a 3,0GHz, e possui 55 milhões de transistores CMOS de 130 nm, sendo que 10% destes transistores são utilizados por circuitos de testes e verificação de cada processador na linha de produção. A IMPORTÂNCIA DO TRANSISTOR: O transistor é considerado uma das maiores descobertas ou invenções da história moderna, tendo tornado possível a revolução dos computadores e equipamentos eletrônicos. A chave da importância do transistor na sociedade moderna é a sua habilidade de ser produzido em enormes quantidades usando técnicas simples, resultando em preços irrisórios. É conveniente salientar que é praticamente impossível encontrarmos circuitos integrados que não possuam internamente centenas, milhares ou mesmo milhões de transistores, juntamente com outros componentes como resistências e condensadores. Por exemplo, o microprocessador Cell do game PlayStation 3 tem aproximadamente 234 milhões de transistores, usando uma arquitetura de fabricação de .45 microns, ou seja cada transistor fica distanciado dos outros 45 milionésimos de um milímetro. 49

ELETRÔNICA O seu baixo custo permitiu que se transformasse num componente quase universal para tarefas não mecânicas. Visto que um dispositivo comum, como um refrigerador, usaria um dispositivo mecânico para o controle, hoje é freqüente e muito mais barato usar um microprocessador contendo alguns milhões de transistores e um programa de computador apropriado e realizar a mesma tarefa. Os transistores hoje em dia têm substituído quase todos os dispositivos eletromecânicos, a maioria dos sistemas de controle, e aparecem em grandes quantidades em tudo que envolva eletrônica desde os computadores aos carros. O seu custo tem sido crucial no crescente movimento para digitalizar toda a informação. Com os computadores transistorizados a oferecer a habilidade de encontrar e ordenar rapidamente informação digital, mais e mais esforço foi posto em tornar toda a informação digital. Hoje quase todos os meios na sociedade moderna são fornecidos em formato digital convertidos e apresentados por computadores. Formas análogas comuns de informação, tais como a televisão ou os jornais, gastam a maioria do seu tempo com informação digital, sendo convertida no formato tradicional apenas numa pequena fração de tempo. FABRICAÇÃO: Os materiais utilizados na fabricação do transistor são principalmente o Silício (Si), o Germânio (Ge), o Gálio (Ga) e alguns óxidos. Na natureza, o silício é um material isolante elétrico, devido à conformação das ligações eletrônicas de seus átomos, gerando uma rede eletrônica altamente estável. Atualmente, o transistor de germânio não é mais usado, tendo sido substituído pelo de silício, que possui características muito melhores. O silício é purificado e passa por um processo que forma uma estrutura cristalina em seus átomos. O material é cortado em finos discos, que a seguir vão para um processo chamado de dopagem. Neste processo são introduzidas quantidades rigorosamente controladas de materiais selecionados (conhecidos como impurezas) que transformam a estrutura eletrônica, introduzindo-se entre as ligações dos átomos de silício, roubando ou doando elétrons dos átomos, gerando o silício P ou N, conforme ele seja positivo (tenha falta de elétrons) ou negativo (tenha excesso de elétrons). Se a impureza tiver um elétron a mais, um elétron fica sobrando na estrutura cristalina. Se tiver um elétron a menos, fica faltando um elétron, o que produz uma lacuna (que funciona como se fosse um buraco móvel na estrutura cristalina). Como resultado, temos ao fim do processo um semicondutor. O transistor é montado justapondo-se uma camada P, uma N e outra P, criando-se um transistor do tipo PNP. O transistor do tipo NPN é obtido de modo similar. A camada do centro é denominada base, e as outras duas são o emissor e o coletor. No símbolo do componente, o emissor é indicado por uma seta, que aponta para dentro do transistor se o componente for PNP, ou para fora se for NPN.

FUNCIONAMENTO: No transistor de junção bipolar ou TJB (BJT - "Bipolar Junction Transistor" na terminologia inglesa), o controle da corrente coletor-emissor é feito injetando corrente na base. O efeito transistor ocorre quando a junção coletor-base é polarizada reversamente e a junção base-emissor é polarizada diretamente. Uma pequena corrente de base é suficiente para estabelecer uma corrente entre os terminais de coletor-emissor. Esta corrente será tão maior quanto maior for a corrente de base, de acordo com a carga.

CARACTERÍSTICAS DE UM TRANSISTOR: O fator de multiplicação da corrente na base (IB) mais conhecido por β (beta) do transistor ou por h FE que é dado pela expressão: IC = IB x β IC: corrente de coletor; IB: corrente de base; β: beta (ganho); Configurações básicas de um transistor. 50

ELETRÔNICA

Transistor tipo NPN

Curva característica de um BJT

Transistor tipo PNP

Existem três configurações básicas (BC, CC e EC) cada uma com suas vantagens e desvantagens. BASE COMUM (BC) Baixa impedância de entrada; Alta impedância de saída; Não há defasagem entre o sinal de saída e o de entrada; Amplificação de corrente igual a 1; Não ocorre inversão de fase.

COLETOR COMUM (CC) Alta impedância de entrada; Baixa impedância de saída; Não há defasagem entre o sinal de saída e o de entrada; Amplificação de tensão igual a 1; Não ocorre inversão de fase.

EMISSOR COMUM (EC) Média impedância de entrada; Alta impedância de saída; Defasagem entre o sinal de saída e o de entrada de 180º graus; Pode amplificar tensão e corrente, até centenas de vezes.

Os transistores apresentam as seguintes especificações que poderão ser consultadas nos datasheets dos fabricantes: Tipo: Pol.: VCEO: VCER: IC: PTOT: hFE: Ft:

é o nome do transistor; polarização; N quer dizer NPN e P quer dizer PNP; tensão entre coletor e emissor com a base aberta; tensão entre coletor e emissor com resistor no emissor; corrente máxima do emissor; é a máxima potência que o transistor pode dissipar; ganho (beta); freqüência máxima;

ENCAPSULAMENTOS: A maneira como o fabricante encapsulou o transistor nos fornece a identificação dos terminais. Existem também outros tipos de transistores, notadamente os de efeito de campo (transistores FET, de Field Effect Transistor), neste caso o controle da corrente é feito por tensão aplicada à porta. 51

ELETRÔNICA

52

ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 09 CURVA DO TRANSISTOR MODO EMISSOR COMUM As características de um transistor são obtidas através das chamadas curvas características ou paramétricas, que fornecem seus parâmetros básicos no modo DC e AC. Estes parâmetros permitem conhecer seu correto funcionamento. Em transistores bipolares ou de junção, a curva mais utilizada é IC x VCE, onde temos as regiões de corte, condução e saturação. PRÉ-RELATÓRIO 09 1) Levantar os parâmetros do transistor BC548X (X = A, B, ou C), utilizando o datasheet do mesmo. Valores Máximos Absolutos PARÂMETRO VALOR VCBO

Tensão Coletor-Base

VCEO

Tensão Coletor-Emissor

VEBO

Tensão Emissor-Base

IC

Corrente de Coletor (CC)

PC

Dissipação de Potência no Coletor

TJ

Temperatura de Junção

BC548 UNID

Temperatura de Armazenamento

T STG

Características Elétricas PARÂMETRO

CONDIÇÕES DE TESTE

ICBO

Corrente de Corte Coletor

hFE

Ganho de Corrente CC

VCE (sat)

Tensão C-E (saturação)

VBE (sat)

Tensão B-E (saturação)

VBE (on)

Tensão B-E (ON)

fT

Ganho VS. Banda

COB

Capacitância de Saída

CIB

Capacitância de Entrada

NF

Noise Figure

MIN

TIP

MÁX

UNID

Classificação do hFE (beta) BC548

A

B

C

hFE

Data


Aluno:

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Lista de materiais Transistor BC548 (A, B ou C) – 3 unidades; Resistor 10 k - 1/4 W (RB) – 3 unidades; Resistor 100 - 1 W (RC) – 3 unidades.


2) Montar o circuito abaixo utilizando o transistor BC548 e traçar sua curva I C x VCE, variando-se VCC e tomando os valores conforme os valores dos VCE‟s das tabelas. Utilizar duas fontes de alimentação. Uma para VBB e outra para VCC. O osciloscópio irá mostrar o valor de VCE, conforme for variando-se o valor de VCC.

VBB

IB

0,0V 0,5V 1,0V 2,0V 3,0V Como o valor de IB deverá ser constante para cada VBB, basta colher este valor uma única vez.

IC (mA) VBB

VCE=0 V

VCE=1 V

VCE= 2 V

VCE= 3 V

VCE= 4 V

VCE= 5 V

VCE= 6 V

VCE= 7 V

VCE= 8 V

VCE= 9 V

VCE=10V

VCE=11V

VCE=12V

VCE=13V

VCE=14V

VCE=15V

VCE=16V

VCE=17V

VCE=18V

VCE=19V

VCE=20V

VBB

VCE=0 V

VCE=1 V

VCE= 2 V

VCE= 3 V

VCE= 4 V

VCE= 5 V

VCE= 6 V

VCE= 7 V

VCE= 8 V

VCE= 9 V

VCE=11V

VCE=12V

VCE=13V

VCE=14V

VCE=15V

VCE=16V

VCE=17V

VCE=18V

VCE=19V

VCE=20V

0,0V 0,5V 1,0V 2,0V 3,0V

IB (mA) 0,0V 0,5V 1,0V 2,0V 3,0V VCE=10V

54

ELETRÔNICA 3) Imprima com auxílio da ferramenta EXCEL ou trace em papel milimetrado as curvas IC x VCE em função de IB.

4) Quais outros parâmetros podem ser extraídos do transistor BC548? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

Data


Aluno:________________________________

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Aluno:________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 10 POLARIZAÇÃO DC EM MODO EMISSOR COMUM PRÉ-RELATÓRIO 10 1) Descreva o funcionamento de um circuito Base Comum;

____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ 2) Idem para Coletor Comum

____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ 3) Idem para Emissor Comum

____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ 4) Defina o que vem a ser o BETA de um transistor?

____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ 5) Dado o circuito emissor comum abaixo, escolha um transistor NPN, polarize, utilizando o modelo divisor de tensão na base, operando na região ativa. Calcular R1, R2, RC e RE. Usar a curva do transistor, para um ICSAT = 40mA

Especificações

Valores Calculados

Q1 = BC548C

RC: _____ PRC: _____

IC = 20mA;

RE: _____ PRE: _____

VCC = 12V;

R1: _____ PR1: _____

VCE = VCC /2.

R2: _____ PR2: _____

β = ________

Data


Aluno:

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ELETRÔNICA EXPERIMENTO 10 6) Mostrar o circuito DC e apresentar os cálculos do circuito projetado, utilizar a curva abaixo para traçar a reta de carga.

7) Medir as correntes e tensões do circuito e transferir para a tabela abaixo: Valores calculados IB

IC

VCE

VC

VE

IC /IB

RC

RE

R1

R2

RC

RE

R1

R2

Valores medidos IB

IC

VCE

VC

VE

IC /IB

8) Justifique as discrepâncias encontradas entre o circuito calculado e o circuito implementado; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

Data


Aluno:________________________________

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Aluno:________________________________

57

ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 11 TRANSISTOR: CORTE E SATURAÇÃO - ACIONAMENTO DE RELÉ – CONCEITO DE “OPEN COLLECTOR” Transistores possuem três modos de operação: corte, condução e saturação. Em amplificadores estes são polarizados para operarem no modo de condução. Porém há outra maneira de se fazer uma boa utilização de transistores. É o seu uso como chave liga-desligamento para acionamento de pequenas cargas. Uma destas cargas é a bobina de um relé, que necessita de uma chave muitas vezes por estar sendo controlado por um circuito digital, que não fornece a corrente suficiente e nem mesmo a tensão necessária para a operação do relé (12V CC – 40mA). Outro tipo de carga são as agulhas de impressoras matriciais que utilizam solenóides para acioná-los (Impressoras EPSON ou RIMA). PRÉ-RELATÓRIO 11 1) Montar o circuito abaixo utilizando uma porta lógica NOT como controlador de entrada. Calcule o valor de R B e RC em função da corrente da bobina do relé (@ = 40mA para 12Vcc), RPU = 10k.

2) Descreva o conceito de “open collector”: ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 3) Calcular os valores de RC e RB em função do ganho do transistor a ser utilizado. Apresentar os cálculos.

Data


Aluno:

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Lista de materiais Transistor BC548 (A, B ou C) – 3 unidades; CI CD40106; Relé 12VCC; Resistores, diodos.


4) Monte o circuito do item um. Acione o relé alterando o estado da porta lógica NOT. Utilize uma chave H-H ou pushbutton; 5) Descreva o funcionamento ao executar a etapa quatro; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

6) Substitua o acionamento ON-OFF da porta lógica por um gerador de funções. Aplique um sinal TTL quadrado em freqüência de 1Hz. Varie a freqüência lentamente até chegar a 10Hz. Descreva o que ocorre. Ao variar a freqüência o que ocorre com a corrente IC do transistor? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

7) Qual a máxima freqüência de oscilação do relé? ______________________________________________________________________________________________________

8) Cite as aplicações que podem ser realizadas com este circuito: ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

Data


Aluno:________________________________

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Aluno:________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 12 FONTE REGULADA COM AJUSTE E PROTEÇÃO Fontes Lineares na maioria dos casos são compostas de um transformador abaixador, diodos para a retificação e capacitores como filtros. Estas são as fontes de alimentação mais comuns existentes no mercado. Dispensam qualquer tipo de conhecimento adicional, porém, podem ser melhoradas quanto ao rendimento e a regulação, quando se tornam fontes Lineares Reguladas. Uma fonte linear regulada apresenta excelente regulação e bom desempenho, quando bem projetada. O modelo abaixo mostra a seqüência de como se projetar uma fonte linear regulada com proteção de sobrecorrente.

PRÉ-RELATÓRIO 12 Projetar a fonte de alimentação conforme circuito abaixo para fornecer uma tensão de 12V e 500mA. Usar como referência para o projeto o livro Integrated Electronics – Millman-Halkias. Após verificar o funcionamento utilizando uma fonte externa, projetar o circuito retificador e calcular o capacitor de filtro.

Data


Aluno:

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ELETRÔNICA EXPERIMENTO 12 1) Construir a fonte linear projetada no pré-relatório; 2) Ajustar seu valor de saída; 3) Aplicar a carga máxima permitida, conforme o cálculo (Imáx), e verificar sua regulação. Regulação (%): ______________________ 4) Medir o “ripple”; Ripple: _____________________________ 5) Aumentar a corrente além do limite máximo permitido, aumentando a carga, e verificar a atuação da proteção por sobre corrente; Corrente de curto: ____________________ 6) Diminuir a corrente e verificar se a fonte volta a operar normalmente. ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 7) Variar a tensão de entrada a um valor mínimo que permita a sua regulação normal. Esta tensão mínima é conhecida como tensão de “drop-out”. Anote o valor. Tensão mínima de operação com carga máxima: ______________ 8) Demais resultados: ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

9) Conclusões sobre a fonte projetada: ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

Data


Aluno:________________________________

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Aluno:________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 13 GANHO CA DE UM CIRCUITO TRANSISTORIZADO Amplificadores de um estágio seguem o modelo básico composto por um transistor, quatro ou três resistores. Desta maneira, projetar um amplificador de áudio com ganho de tensão = 200 e frequência de corte em 30 kHz. PRÉ-RELATÓRIO 13

1) Dado o circuito emissor comum abaixo, projetá-lo mostrando os cálculos para o circuito CC e CA.

VCC = 12V; Q1 = _________ AI = __________ AV = _________ ZE = __________ ZS = __________

2) Apresentar o modelo CA do circuito acima;

Data


Aluno:

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ELETRÔNICA EXPERIMENTO 13 3) Apresentar os cálculos do circuito projetado, para o modelo CC e CA:

63

ELETRÔNICA 4) Medir as correntes e tensões do circuito e transferir para a tabela abaixo:

Valores calculados IB

IC

VCE

VC

VE

IC /IB

RC

RE

R1

R2

RC

RE

R1

R2

Valores medidos IB

IC

VCE

VC

VE

IC /IB

5) Mostrar os sinais de entrada e saída do amplificador: VI

VO

Data


Aluno:________________________________

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Aluno:________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 14 CIRCUITO TRANSISTORIZADO DE DOIS ESTÁGIOS EM CASCATA Circuitos transistorizados ou Amplificadores de dois estágios em cascata com acoplamento capacitivo onde o primeiro estágio e do tipo Emissor Comum (EC) e o segundo estágio Coletor Comum (CC). Polariza-se cada um dos amplificadores de modo independente em função do ponto de operação desejado (ponto quiescente), uma vez que o acoplamento capacitivo evita que o nível CC de polarização de cada um dos estágios, não interfira no outro. PRÉ-RELATÓRIO 14 1) Projetar um circuito de dois estágios emissor comum, utilizando transistores BJT.

2) Especifique os transistores a serem utilizados: _____________________ 3) Defina o ganho do amplificador: ______________________ 4) Defina a tensão de alimentação: ______________________ 5) Demais características: 6) Ganho do primeiro estágio: ______________ 7) Ganho do segundo estágio: _______________ 8) Ganho total do circuito: _________________

Data


Aluno:

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ELETRÔNICA EXPERIMENTO 14 9) Calculo do circuito:

10) Resultados obtidos: Ganho do primeiro estágio

Ganho do segundo estágio

Ganho total do circuito

Primeiro Estágio Valores calculados IB

IC

VCE

VC

VE

IC /IB

RC

RE

R1

R2

RC

RE

R1

R2

RC

RE

R1

R2

RC

RE

R1

R2

Valores medidos IB

IC

VCE

VC

VE

IC /IB

Segundo Estágio Valores calculados IB

IC

VCE

VC

VE

IC /IB

Valores medidos IB

IC

VCE

VC

VE

IC /IB

Data


Aluno:________________________________

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Aluno:________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 15 CIRCUITO TRANSISTORIZADO DE DOIS ESTÁGIOS COM REALIMENTAÇÃO Circuitos Transistorizados de dois estágios com realimentação ou Amplificadores conhecidos também com amplificadores em cascata onde os ganhos são respectivamente AV1 e AV2. A saída do segundo estágio retorna para o primeiro estágio (feedback) na malha R4 R9 em oposição ao sinal de entrada VI. Este tipo de circuito caracteriza-se como realimentação negativa. PRÉ-RELATÓRIO 15

1) Especifique os transistores a serem utilizados: _____________________ 2) Defina o ganho do amplificador: ______________________ 3) Defina a tensão de alimentação: ______________________ 4) Defina β=VF/VO: _____________ 5) Demais características: 6) Ganho do primeiro estágio: ______________ 7) Ganho do segundo estágio: _______________ 8) Ganho total do circuito: _________________

Data


Aluno:

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ELETRÔNICA EXPERIMENTO 15 9) Calculo do circuito:

11) Resultados obtidos: Ganho do primeiro estágio

Ganho do segundo estágio

Ganho total do circuito

Primeiro Estágio Valores calculados IB

IC

VCE

VC

VE

IC /IB

RC

RE

R1

R2

RC

RE

R1

R2

RC

RE

R1

R2

RC

RE

R1

R2

Valores medidos IB

IC

VCE

VC

VE

IC /IB

Segundo Estágio Valores calculados IB

IC

VCE

VC

VE

IC /IB

Valores medidos IB

IC

VCE

VC

VE

IC /IB

Data


Aluno:________________________________

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Aluno:________________________________

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ELETRÔNICA

AMPLIFICADORES DE AÚDIO – CLASSE DE AMPLIFICADORES As classes de amplificadores diferenciam-se quanto ao método de operação, eficiência, linearidade e capacidade de potência de saída. Os amplificadores são classificados em: Classe A - O circuito de saída (válvula ou transistor) conduz durante os 360º do sinal de entrada. Para que este tipo de amplificador funcione corretamente, é necessário que a sua polarização, ou seja seu ponto quiescente (Q) esteja em um nível que o sinal de entrada varie na sua excursão máxima (valor mínimo e valor máximo), sem saturar o sinal de saída. Amplificadores Classe A que utilizam fontes de alimentação “single” ou simples necessitam de capacitor na sua saída para eliminar o nível DC existente no circuito.

Classe B – O circuito de saída (válvula ou transistor) conduz durante apenas 180º do sinal de entrada (apenas um semi-ciclo). Neste caso o ponto de polarização desta classe de amplificador ocorre em 0V, e a saída varia a partir deste ponto, por meio ciclo. A saída neste tipo de amplificador não permite uma reprodução fiel em relação ao sinal de entrada, pois apenas meio ciclo será amplificado e reproduzido. Para resolver este problema, são necessários dois amplificadores Classe B, um para fornecer saída durante o semiciclo positivo e outro para o semiciclo negativo. A combinação de ambos semiciclos fornece então uma saída de 360º. Para se obetr este tipo de sinal na saída utiliza-se os chamados amplificadores “push-pull”. Porém se observamos o sinal de saída, existe uma descontinuidade na passagem do sinal por zero.

69

ELETRÔNICA Classe AB – Este tipo de amplificador situa-se entre os amplificadores de Classe A e os de Classe B. Desta maneira ele é polarizadoem um valor CC acima do valor correspondente à corrente zero de base da classe B e acima da metade do valor da fonte de tensão da classe A. Esta condição de polarização ainda requer uma saída do tipo “push-pull” para seter um ciclo de saída completo. Para a operação classe AB, a oscilação do sinal de saída ocorre entre 180º e 360º, não sendo uma operação classe B e nem classe A.

Classe C – A polarização de um amplificador classe C é feita para uma operaçãoem menos de 180º do ciclo. Esta configuração opera apenas com circuitos sintonizados (circuitos ressonantes), os quais fornecem um ciclo completo de operação para a frequência sintonizada ou ressonante. Esta classe de operação é utilizada somente em amplificações especiais do tipo rádio ou telefonia.

Classe D - Operam modulando o sinal de entrada na forma de pulsos (PWM, "pulse width modulation"), controlando o dispositivo eletrônico de saída (válvula ou transistor) através de dois níveis de tensão, os quais fazem com que o dispositivo conduza ou entre em corte. Não confundir o D com modulação digital. Os amplificadores de classe D têm um elevado rendimento, superior em alguns casos a 95%, o que reduz o tamanho dos disipadores de calor necessários, e por tanto o tamanho e peso do circuito.

Classe E e F - São amplificadores sintonizados utilizados para amplificação de RF e não se prestam a amplificação de sinais de áudio, visto possuírem uma banda passante muito estreita e da ordem 200kHz em diante, chegando à faixa dos GHz.

As classes G, H e I não estão padronizadas como as classes A, B, AB, C e D. Trata-se de variações dos circuitos clássicos, que dependem da variação da tensão de alimentação para minimizar a disipação de energia nos transistores de potência na cada momento, dependendo do sinal aplicao à entrada do amplificador em questão.

70

ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 16 CIRCUITO TOTEM POLE (PUSH-PULL OU AMPLIFICADOR CLASSE B) Circuitos de saída Totem Pole também conhecidos como estágio de potência Classe B são utilizados não só em saídas de Áudio como em saídas de equipamentos de Instrumentação, dada a sua robustez.

PRÉ-RELATÓRIO 16 1) Circuitos totem pole são utilizados em diversas aplicações. Além de circuitos de áudio ou circuitos de instrumentação onde mais é utilizado este tipo de circuito? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

2) Mostre o circuito totem pole de saída no circuito acima citado (circuito de áudio);

3) Descreva o funcionamento de um circuito Classe B; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

Data


Aluno:

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Lista de materiais Diodo 1N4148 – 2 unidades; Transistor 2N3904 (NPN) – 2 unidades Transistor 2N3906 (PNP) – 2 unidades; Resistor 100R – 1W – 1 unidade; Resistor 680R – 1/4W – 2 unidades Resistor 4,7k – 1/4W – 2 unidades; Resistor 100k – 1/4W – 2 unidades; Resistor 470R – 1/4W – 2 unidades; Capacitor 1 F x 50V – Eletrolítico – 2 unidades; Capacitor 100 F x 50V – Eletrolítico – 1 unidade.

Multímetro; Fonte de alimentação; Osciloscópio dois canais; Gerador de funções; Proto-board.

4) Montar no proto-board o circuito do esquemático abaixo:

ATENÇÃO: Observe que o gerador de funções não poderá esta no mesmo potencial de aterramento de fontes de alimentação e osciloscópios.

5) Alimente o circuito (Vcc = 12Vcc) e com o gerador de funções, aplique na entrada um sinal senoidal de 1kHz e amplitude de 2Vpp. Desenho em papel milimetrado os resultados de VI e VO apresentados no osciloscópio. 6) Utilizando as expressões vistas na aula teórica do assunto, calcule a potência de entrada P I (CC), a potência de saída PO (CA), a corrente de pico na carga IL(p), a potência dissipada em cada transistor PQ e a eficiência %

PI(cc) = _________W; PO(ca) = __________W; PQ = __________W; IL(p) = __________A; % = ________% 7) Varie o valor da amplitude do sinal de entrada VI e a sua respectiva freqüência. O que houve com o sinal de saída VO? Discuta os resultados obtidos. ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

72

ELETRÔNICA 8) Repita o item quatro, porém substitua os resistores de 680R pelos diodos de sinal 1N4148.

9) Repita o item cinco. Alimente o circuito e com o gerador de funções, aplique na entrada um sinal senoidal de 1kHz e amplitude de 2Vpp. Mostre o resultado de VI e VO apresentados no osciloscópio; 10) O que aconteceu com o sinal de saída VO comparando-se com o circuito do item 4. Descreva os resultados obtidos; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 11) O mesmo circuito totem-pole utilizado em sistemas com alimentação simétrica, neste caso o sinal de entrada é injetado entre os dois diodos.

Data


Aluno:________________________________

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Aluno:________________________________

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ELETRÔNICA

TRANSISTORES TRANSISTORES DE UNIJUNÇÃO (UJT) O transistor de unijunção (UJT) é um dispositivo semicondutor dos mais antigos. Seu princípio de funcionamento foi descrito em 1948 pelo francês Welker e por Shockley em 1949. Como seu nome diz, é um dispositivo de três terminais somente com uma junção PN. Como esperado, suas características e funcionamento são diferentes dos demais transistores. O UJT é basicamente um comutador que possui mais vantagens se comparado a outros dispositivos semicondutores.

A. A tensão de disparo é baixa em relação a tensão de alimentação. A freqüência de oscilação de um oscilador UJT independe da tensão de alimentação B. Possui uma região de resistência negativa estável, o que permite o seu uso em circuitos osciladores e de disparo de tiristors. C. Comparado a BJTs, o uso de UJTs, reduz pela metade o número de componentes em um circuito oscilador. D. A resistência interna de um UJT em estado de CORTE é relativamente alta (de 5k a 10k), deste modo o seu consumo em repouso é baixo. E. Necessita de baixa corrente para disparo (de 2 a 10uA). F. Permite acionar tiristores diretamente, pois sua tensão de saída pode variar de 3V a 5V de pico. G. As correntes de fuga (leakage current) são da ordem de 1 a 10nA.

A estrutura básica do UJT é essencialmente uma barra de material semicondutor tipo N, com material semicondutor tipo P difundido na mesma, como mostra a figura abaixo. Os contatos referem-se a Base 1, Base 2 e Emissor. Assim podemos observar que é diferente do BJT que possui Coletor, Base e Emissor.

Seu símbolo como podemos observar então é Base2, Emissor e Base1. O UJT é construído de duas maneiras. A primeira utilizando uma estrutura em barra e a segunda utilizando uma estrutura cúbica. Seu circuito equivalente apresentado figura abaixo mostra duas resistências e um diodo diretamente polarizado entre estas. RBB é conhecido como resistência de interbase, representado pela soma de RB1 e RB2, logo: RBB = RB1 + RB2

(1)

Deve-se observar que a expressão acima só é válida enquanto o Emissor for um circuito aberto. VRB1 é a queda de tensão sobre RB1 e é dada por: VRB1 = RB1 / (RB1 + RB2)

(2)

Igualando a expressão (1) com (2), termos: VRB1 = (RB1/RBB) x VBB

(3)

A razão RB1/RBB refere-se como a razão intrínseca e é denotada por η Aplicando uma tensão VE no emissor do UJT, o circuito terá uma nova configuração conforme figura abaixo e sua curva característica de VE em função de IE 74

ELETRÔNICA

Se VE for menor VRB1, o diodo estará reversamente polarizado e o circuito comporta-se como um emissor aberto. Se entre tanto VE for incrementado a ponto de exceder o valor de VRB1 em pelo menos 0,7V, o diodo estará diretamente polarizado e a corrente IE fluirá para a região da BASE1. Quando isto ocorrer o valor de RB1 diminuirá. Isto ocorre devido a presença adicional de lacunas na barra do semicondutor. Um aumento adicional de V E faz com que a corrente de emissor aumente e desta maneira reduza mais ainda o valor de RB1, aumentando a corrente sobre o mesmo. Este efeito é chamado de efeito de regeneração. O valor de VE que causa este efeito é chamado de pico de tensão VP e é dado por: VP = η AVVBB + VD

(4)

Quando a tensão VE começa a ser incrementada, a corrente é pequena, em torno de micro ampères. Quando o ponto de pico é atingido, a corrente sobe rapidamente atingindo o ponto máximo levando o dispositivo a saturação. Neste ponto RB1 vai para o seu menor valor que é chamado de resistência de saturação. 1) APLICAÇÃO TÍPICA UTILIZANDO UJT: A aplicação mais conhecida utilizando UJT é o circuito Oscilador de Relaxação que é definido pela carga lenta e descarga rápida do capacitor do circuito, como podemos ver na figura abaixo.

O circuito básico e o circuito prático estão mostrados acima. O resistor R3 no circuito funciona como um limitador de corrente de emissor e provê o pulso de tensão enquanto R2 a compensação em temperatura. As formas de ondas mostradas abaixo ocorrem no EMISSOR a na BASE1, são respectivamente um dente de serra e um pulso de curta duração.

75

ELETRÔNICA A operação deste circuito se dá pela carga de C1 através de R1 até que a tensão atinja o ponto de pico. A corrente de EMISOR cresce rapidamente, descarregando C1, através da região da BASE1 e R3. O repentino aumento da corrente através de R3 produz um pulso de tensão. Quando a corrente cai para o valor de IV (ver curva característica), o UJT desliga e o ciclo se repete novamente. Temos que o tempo t entre pulsos sucessivos é dado por: t + R1C ln (VBB – VV/VBB – VP)

(5)

2) DESENVOLVIMENTO DE UM CIRCUITO DE RELAXAÇÃO PARA 1kHz O oscilador usa um UJT 2N2646, operando na tensão de 10V.

Power Dissipation RMS Emitter Current Peak Emitter Current (Capacitor discharge <10µF) Emitter Reverse Voltage Interbase Voltage

300Mw 50mA 2A 30V 35V

ESPECIFICAÇÕES Intrinsic Standoff Ratio (VBB = 10v) Interbase Resistance (VBB = 3v, Ie = 0) Emitter Saturation Voltage (VBB = 10v, IE = 50mA) Emitter Reverse Current (VB2E = 30V IB1 = 0) Peak Point Emitter Current (VBB = 25v) Valley Point Current (VBB = 20v RB2 = 100R) Base-One Peak Pulse Voltage

ή RBB0 VE(sat) IE0 IP IV V0B1

0.69 6.7 2 0.001 0.8 5 8.5

É importante que o valor de R1 seja suficientemente pequeno para que a corrente de emissor atinja o valor de IP enquanto a o capacitor atinja a tensão VP, e ao mesmo tempo, grande o suficiente para que quando o capacitor descarregar, possa atingir a corrente inferior IV, quando o capacitor ao se descarregar atinja VV. Os valores limite para R1 é dado por: R1(máx) = (VBB – VP) / IP

e

R2(mín) = (VBB – VV) / IV

Das especificações do UJT 2N2646, o valor médio de η será 0,56 + 0,75 = 0,655. Substituindo na equação abaixo, teremos: VP = 0,655 x 10V + 0,7V; Logo VP = 7,25V; Cálculo de R1: R1 = (10 – 7,25) / 5µA, logo R1 = 550kΩ; Se VV = aprox. VBB/10, logo R1 (mín)= (10 – 1) / 4mA, teremos R1 = 2k25; Tomando o valor de R1 = 10kΩ, podemos calcular o valor de C: t + R1C ln (VBB – VV/VBB – VP), logo C = 0,001/ 104 ln (9/2,75), logo C= 84nF; R2 não é importante e neste caso o valor a ser utilizado será de 470R.

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ELETRÔNICA

3) CIRCUITO OSCILADOR SENOIDAL UTILIZANDO UJT

4) CIRCUITO GERADOR DE DENTE DE SERRA UTILIZANDO UJT

5) CIRCUITO FLASH A LED, UTILIZANDO UJT O transistor de unijunção (UJT) 2N2646 é usado como um oscilador simples a partir dos componentes R1 e C2. O LED é conectado entre o Base2 (B2) do UJT e a terra. O resistor R2 limita a corrente através do UJT, bem como sobre o LED. Ao ligar o circuito, o capacitor C2 carrega através de R1 e quando está totalmente carregado, emissor coloca o UJT em condução e a corrente circula entre bases e o LED pisca. Nesta condição, C 2 descarrega, e recomeça novamente o ciclo de carga.

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 17 MISTURADOR DE CORES UTILIZANDO UJT O circuito abaixo utiliza um UJT (2N2656 ou 2N6027) para disparar o SCR (TIC106D – Texas Instruments), de maneira que se for montado três circuitos idênticos e utilizando as lâmpadas de cores Vermelha, Verde e Azul (RGB), teremos a combinação de todas as cores básicas do espectro visível.

DESCRIÇÃO DE FUNCIONAMENTO:

O transistor de unijunção (UJT), é o responsável pelo controle de disparo do SCR (TIC106D). Quando a tensão do emissor cai abaixo da tensão da B2, a corrente flui da B2 para a B1. No momento em que o circuito é energizado, tanto o capacitor C1 como C3 estão descarregados. O capacitor C4 carrega-se rapidamente a uma tensão superior a tensão de emissor do UJT, fazendo com que este acione a porta (gate) do SCR, levando a lâmpada a brilhar. Nos subseqüentes ciclos de operação, os capacitores C1 e C3 estarão carregados, de maneira que C4 não será carregado a ponto de acionar novamente o emissor do UJT. Isto só irá ocorrer após um determinado tempo do ciclo. Uma vez que C3 carrega-se em uma cadência mais rápida, através de R7 e R8, a lâmpada se apaga lentamente. Quando a lâmpada se apaga, C 1 descarrega-se mais rapidamente que C3, o ângulo do emissor é adiantado e a lâmpada acende-se novamente. A função de R1 no circuito é para proteger o tiristor (SCR), limitando as correntes de pico. O resistor em questão é usado como um indutor. R1 – 5R – 5W - fio R2 – 1k R3 – 82k R4 – 22k R5 – 220k R6 – 100k R7 – 100k C1 – 33uF x 50V C2 – 1uF x 10V C3 – 10uFx 50V C4 – 47nF D1 – UF4007 D2 – UF4007 D3 – UF4007 Q1 – SCR – TIC106D Q2 - UJT

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ELETRÔNICA

TRANSISTORES JUNCTION GATE FIELD-EFFECT TRANSISTOR (JFET) Há muitos tipos de transistores além do transistor de junção bipolar (BJT) que discutimos até agora. Uma importante classe de transistores de 3 terminais são os dispositivos de efeito de campo. Para estes, o parâmetro de controle é o campo elétrico através da junção, em oposição à corrente do BJT. Já que um campo elétrico está associado a uma tensão, a vantagem importante dos dispositivos de efeito de campo é que não precisa haver uma corrente no elemento de controle (a porta). Isso resulta em uma impedância de entrada bastante elevada, e uma corrente de fuga bastante baixa. Os mais fáceis de entender são os transistores de efeito de campo de junção (JFETs), que iremos discutir primeiro e com certos detalhes. Os FETs semicondutores de óxido de metal (MOSFETs) são muito importantes para implementação de lógica digital. O FET é conhecido como transistor unipolar porque a condução de corrente acontece por apenas um tipo de portador (elétron ou lacuna), dependendo do tipo do FET, de canal n ou de canal p. O nome “efeito de campo” decorre do fato que o mecanismo de controle do componente é baseado no campo elétrico estabelecido pela tensão aplicada no terminal de controle. O Transistor JFET recebe este nome porque é um transistor FET de Junção. CONSTRUÇÃO

SÍMBOLO

A figura acima apresenta um JFET de canal n (existe também o JFET de canal p). Seu diagrama construtivo simplificado representa uma “barra” de silício semicondutor tipo n (semicondutor dopado com impurezas doadoras) e contendo incrustadas duas regiões tipo p. O JFET da figura 01 tem as seguintes partes constituintes: FONTE: (source) fornece os elétrons livres, DRENO: (drain) drena os elétrons, PORTA: (gate) controla a largura do canal, controlando o fluxo dos elétrons entre a fonte e o dreno. As regiões p da porta são interligadas eletricamente. Ainda observando a figura acima, a seta apontando para dentro representa uma junção pn de um diodo. O JFET de canal p tem as mesmas partes constituintes de um JFET de canal n, porém seu símbolo apresenta a seta em sentido contrário, e as correntes e tensões são consideradas invertidas em relação ao JFET de canal n. Sendo que o JFET canal n é o mais utilizado.

CARACTERÍSTICAS MAIS IMPORTANTES DO JFET Controle por Tensão: a corrente entre o dreno e a fonte é controlada pela tensão aplicada na porta, em contraste com o transistor BJT, cuja corrente de coletor é controlada pela corrente de base. Alta Impedância de Entrada: para que seja possível o controle de corrente do canal n é necessário que se produza uma polarização reversa das junções da porta, provocando desta forma um aumento na região de depleção destas junções e em decorrência disto um estreitamento do canal; com isto, tem-se baixas correntes de porta, e conseqüentemente, alta impedância. Curvas Características: o comportamento do JFET pode ser sumarizado por suas curvas de dreno e de transcondutância. Outras características: os transistores JFET apresentam menores ganhos em relação aos transistores BJT e em decorrência disto têm maior estabilidade térmica; geometricamente, os JFET têm dimensões menores quando comparados com os transistores BJT. JFETs são utilizados em circuitos semelhantes aos que utilizam BJTs BJT = Controlado por corrente [ Ic => f(IB) ]; JFET = Controlado pó tensão [ID => f(VGS) ]. 79

ELETRÔNICA

Analogia do fluxo de água para o mecanismo de controle do JFET

Na figura abaixo temos um JFET canal n, em que foi aplicada uma tensão positiva V DS, através do canal, e a porta foi conectada diretamente à fonte para estabelecer a condição VGS = 0V. O resultado são os terminais porta e fonte no mesmo potencial. Ao ser aplicado VDD, temos ID = IS. Nesta condição o fluxo de elétrons é irrestrito e limitado apenas pela resistência intrínseca do canal n entre dreno e fonte.

JFET canal n Nota-se que a região de depleção é maior na parte superior, pois a polarização reversa dreno/porta é maior que a polarização reversa porta/fonte. Considerando uma resistência uniforme ao longo do canal n, logo ID estabelecerá os níveis ao longo do canal. Próximo a fonte a queda de tensão será menor (menor resistência) e próximo ao dreno a queda de tensão será maior (maior resistência). Como VGS=0, logo IG=0 e a junção PN estará sempre polarizada reversamente. 80

ELETRÔNICA Aumentando-se VDS gradativamente de 0V para alguns Volts, a corrente aumentará como previsto pela lei de OHM, como podemos ver no gráfico IDS x VDS para VGS=0

Ao atingir o nível de saturação quanto mais horizontal for a curva, significa que a resistência de canal é a maior possível. O ponto de pinch-off (VP), resulta do aumento de VDS e onde as duas regiões de depleção se tocam como mostra a figura abaixo.

Nesta condição (saturação) ID tenderia a zero. Porém, isto não acontece uma vez que I D mantém o valor de saturação definido por IDSS. Isto quer dizer que há um canal muito estreito, com uma corrente de alta densidade. IDSS é a corrente máxima de dreno para um JFET e é definida pela condição VGS = 0 e VDS > | VP| .

Portanto uma vez que VDS > VP esteja estabelecido, o JFET apresenta as características de uma fonte de corrente, como mostra a figura acima a corrente fica fixa no valor ID = IDSS. Porém a tensão VDS (para níveis maiores que VP) é determinada pela carga aplicada. 81

ELETRÔNICA A escolha da notação IDSS deriva do fato de a corrente ter sentido dreno – fonte (drain – source – DS), com uma conexão de curto-circuito da porta para fonte (gate-source).

A polarização negativa de VGS aumenta as camadas de depleção diminuindo a área de passagem de corrente O valor de VGS que resulta em ID = 0mA é definido por VGS = VP, com VP sendo uma tensão negativa para dispositivos de canal n e uma tensão positiva para dispositivos de canal p. Desta maneira VGS para canal n variará de 0V, -1V, -2V, -3V, -4V, até se igualar a VP, ou seja a curva ser totalmente horizontal. Para canal p ocorrerá o contrário, onde VGS será 0V, 1V, 2V, 3V, 4V, até se igualar a VP.

Curva característica do JFET canal n com IDSS = 8mA e VP = - 4V

RESISTOR CONTROLADO POR TENSÃO Na sua região ôhmica, o JFET pode ser utilizado como um resistor controlado por tensão.

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ELETRÔNICA

Expressão 5.1 (Boylestad) ro = resistência com VGS = 0V; rd = resistência específica para um determinado VGS.

JFET canal p O JFET canal p tem exatamente a mesma estrutura que o dispositivo canal n, diferindo somente na deposição dos materiais. Os sentidos das correntes são invertidos, assim como as polaridades das tensões V GS e VDS. Para o dispositivo de canal p, a região de depleção vai se contrair para tensões positivas crescentes aplicadas à porta (gate) com relação à fonte (source) e a tensão VDS será negativo, conforme a curva abaixo que apresenta um IDSS = 6mA, e tensão de pinch-off (VP) de VGS = +5V Na figura abaixo temos a aplicação do valor VDSmáx para cada VGS fazendo com que o transistor JFET atinja a tensão de ruptura, o que ocorre da mesma forma em transistores de canal n.

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ELETRÔNICA O fluxo de elétrons da fonte para o dreno depende da largura do canal, isto é, polarização reversa na porta causa aumento das regiões de depleção, diminuindo a largura do canal e dificultando desta forma a passagem da corrente entre o dreno e a fonte (é uma região de íons, formada pela difusão pela junção). Desta forma temos as seguintes condições: a) LARGURA DO CANAL: depende da tensão VGG, isto é, quanto mais negativa, maior será a região de depleção e portanto mais estreito o canal; b) TENSÃO DE CORTE: é a tensão suficiente para desaparecer o canal (VGScorte) também conhecida como tensão de ruptura (pinch-off); c) CORRENTE DE FUGA DA PORTA: Como a junção da porta opera em polarização reversa, tem-se uma corrente baixa; desta forma, a CORRENTE DE DRENO é igual à CORRENTE DA FONTE (ID). Esta é a causa da alta impedância de entrada dos JFET. OBS: Como a polarização reversa entre a porta e a fonte (VGS) não consome corrente e a largura do canal depende de VGS, o controle de ID é efetivamente feito pela tensão da porta.

A corrente máxima é definida por IDSS e ocorre quando VGS = 0V e VDS >= |VP|, mostrado no circuito ao lado.

Para tensões VGS entre porta e fonte menores do que o valor de pinch-off, a corrente de dreno é 0 A (ID = 0A), mostrado no circuito ao lado.

Para todos os valores de V GS entre 0 V e o valor de pinchoff, a corrente ID vai variar entre IDSS e 0 A, respectivamente como mostra o circuito ao lado.

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ELETRÔNICA

CURVA DE TRANSFERÊNCIA DO JFET

Transistores bipolares de junção (BJT) são controlados por corrente, conforme expressão abaixo:

IC =

IB

(5.2)

Transistores de junção de efeito de campo (JFET) são controlados por tensão como mostra a equação de Shockley:

(5.3)

A curva de transferência pode ser obtida utilizando-se a equação de Shockley ou as curvas características da curva de canal n. Na figura abaixa constam os dois gráficos com a escala vertical em mA para cada um dos gráficos. O gráfico à esquerda é ID versus VGS. Utilizando-se as curvas características de dreno à direita do eixo „y‟, pode-se desenhar uma linha horizontal da região de saturação da curva, denotada por VGS = 0V, ao eixo I D. O valor da corrente resultante para ambos os gráficos é IDSS. O ponto de interseção na curva ID versus VGS ficará como o mostrado, pois o eixo vertical é definido por V GS = 0V. Em resumo, quando VGS = 0V, ID = IDSS Quando VGS = VP = -4V, a corrente de dreno é 0 mA, definindo outro ponto na curva de transferência. Ou seja: Quando VGS = VP, ID = 0mA

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ELETRÔNICA

APLICAÇÃO DA EQUAÇÃO DE SHOCKLEY: A curva de transferência da figura acima pode ser obtida diretamente da equação de Shockley (5.3), tendo-se apenas os valores de IDSS e VP. Os valores de IDSS e VP definem os limites da curva em ambos os eixos, faltando apenas encontrar alguns pontos intermediários. Substituindo VGS = 0V, temos ID = IDSS ( 1- VGS/VP)2 = IDSS ( 1- 0/VP)2 = IDSS (1 – 0) 2 logo

Substituindo VGS = VP, obtemos ID = IDSS ( 1- VP/VP)2 = IDSS ( 1- 1)2 = IDSS (0) logo

Para VGS = -1 V, teremos ID= 4,5mA Verificar utilizando as expressões 5.4 Para confirmarmos o valor de VGS, utilizamos a expressão abaixo:

Calcular VGS para ID= 4,5 mA e IDSS= 8mA

Referência: Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos – Boylestad & Nacheslky – 8ª Edição 86

ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 18 JFET - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO – CURVA CARACTERÍSTICA O primeiro transistor de efeito de campo (FET – Field Effect Transistor) desenvolvido foi o de junção. Os transistores JFET, diferentemente dos transistores bipolares, são amplificadores de tensão e como o nome diz, utilizam o efeito de campo para o controle da tensão. Existem assim dois tipos de JFET. São eles o FET canal P e FET canal N. Sua configuração unipolar permite o controle do canal através da porta (gate).

PRÉ-RELATÓRIO 18 1) Defina o que vem a ser um JFET – Canal N – e como este funciona? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 2) Defina o que vem a ser tensão de “pinch-off” de um JFET; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 3) Mostre a expressão de transcondutância (gm) para VGS = 0 (gmo);

4) Dado o JFET BF245, preencha as tabelas de especificações e características abaixo: JFET BF245 especificações Tensão dreno-fonte Tensão dreno-porta Tensão reversa porta-fonte Corrente de porta

símbolo

valor

unidade

Dissipação total do dispositivo - @ TA=25°C Fator de redução acima de 25°C

Faixa de temperatura da junção Faixa da temperatura armazenamento

do

canal

para

5) Para execução do experimento, tenha em mãos uma cópia do datasheet do JFET BF245,

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EXPERIMENTO 18 Lista de materiais Transistor JFET BF245 ou 2N3819 – 3 unidades; Resistor 100R – 1/4W – 3 unidades (R3); Resistores 1k8 – 1/4W – 3 unidades (R1, R2); Trimpot multivoltas vertical 10k (azul) – 3 unidades; Papel milimetrado;

Multímetro; Fonte de alimentação (duas); Osciloscópio dois canais; Proto-board.

6) Montar no protoboard o circuito do esquemático abaixo: Ajustar VGS = 0, através do POT1, monitorando através do voltímetro; Varie o valor de VDD através da fonte de alimentação, de acordo com a tabela abaixo; Monitorar VDS através do osciloscópio. Anote os valores obtidos na tabela; Repita o procedimento para os novos valores de VGS, variando VDD e anote os valores na tabela abaixo; Traçar os valores obtidos (da tabela) para obter a curva característica I DS versus VDS do JFET. Para tanto, utilizar uma folha de papel milimetrado; O próximo passo da experiência consiste no levantamento e análise das características de transferência IDS versus VGS. Para tanto, a partir dos dados descritos na tabela abaixo, levantar a característica de transferência na mesma folha utilizada na obtenção do gráfico anterior.

VGS = 0V VDD VDS 0V 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V 8V 9V 10V 11V 12V 13V 14V 15V

IDS

VGS = -1.0 VDS

IDS

VGS = -2.0 VDS

IDS

VGS = -3.0 VDS

IDS

VGS = -4.0 VDS

IDS

7) Em função da tabela obtida, determinar os valores de I DSS (mA) e VP (V);

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EXPERIÊNCIA 19 JFET – AMPLIFICADOR DC EM CONFIGURAÇÃO AUTOPOLARIZAÇÃO A configuração com auto polarização elimina a necessidade de duas fontes DC, que é necessária para a configuração com polarização fixa. A tensão de controle porta-fonte (gate-source) passa a ser determinada pela tensão através do resistor RS.

PRÉ-RELATÓRIO 19

Para análise DC, os capacitores de entrada e saída são substituídos por “circuitos abertos” e o resistor RG pode ser substituído por um curto-circuito equivalente, já que IG = 0A. Mostrar o circuito para análise DC, indicando as correntes e tensões do circuito.

1) Utilizando o JFET BF245, para um VDD = 20V, determinar RD e RS. Em seguida, determinar os seguintes parâmetros: (a) VGSQ, (b) IDQ, (c) VD, (d) VG, (e) VS, (f) VDS. Utilizar IDSS e VP do datasheet do JFET BF245. Mostrar o modelo DC. Inserir os valores obtidos na tabela abaixo.

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ELETRÔNICA

EXPERIMENTO 19 2) Medir as correntes e tensões do circuito e transferir para a tabela abaixo: Valores dos resistores calculados

RD =

RS = Valores calculados

VGSQ

IDQ

VD

VGSQ

IDQ

VD

VG

VS

VDS

VG

VS

VDS

Valores medidos

IDSS =

VP =

IS =

3) Esboce a reta de auto polarização e a curva de transferência indicando o ponto quiescente;

4) Inserir os capacitores de entrada e saída no circuito (C1 = 1uF e C2 = 1uF). Injetar um sinal senoidal de 200mVPP 1kHz e com o osciloscópio verificar o sinal de saída. Calcular o ganho AC. Em seguida injetar um sinal triangular. Fazer os mesmos procedimentos. Mostrar os sinais nos gráficos abaixo.

______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 5) Justifique as discrepâncias encontradas entre o circuito calculado e o circuito implementado; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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EXPERIÊNCIA 20 JFET – AMPLIFICADOR DC EM CONFIGURAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO A polarização por divisor de tensão aplicada aos amplificadores com Transistores Bipolares (BJT) é aplicada também aos amplificadores com Transistores de Efeito de Campo (FET). A configuração básica é exatamente a mesma, porém a análise DC é diferente. IG = 0A para os amplificadores com FET, por outro lado para os amplificadores com BJT, o valor de I B afeta os valores de corrente e tensão nos circuitos de entrada e saída.

PRÉ-RELATÓRIO 20 Para análise DC, os capacitores de entrada e saída e o capacitor CS são substituídos por “circuitos abertos” equivalente. A fonte VDD é separada em duas fontes equivalentes para permitir a distinção entre a região de entrada e de saída do circuito. Aplicando-se Kirchhoff, determina-se o valor de VG.

1) Montar o circuito polarização por divisão de tensão e determinar os valores de R1, R2, RD e RS, utilizando o JFET BF245, para o ponto quiescente IDQ = 12mA, VGSQ = -1V, VDSQ=15V e VDD=25V. Mostre os cálculos do circuito.

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EXPERIMENTO 20 2) Medir as correntes e tensões do circuito e transferir para a tabela abaixo: Resistores Calculados

R1 =

VGSQ

IDQ

R2 = valores calculados VD VG

VGSQ

IDQ

VD

RD =

RS = VS

VDS

VS

VDS

valores medidos

IDSS =

VP =

VG IS =

3) Esboce a reta de auto polarização e a curva de transferência indicando o ponto quiescente;

4) Inserir os capacitores de entrada e saída no circuito (C1 = 1uF, C2 = 1uF e CS = 1uF/10uF). Injetar um sinal senoidal de 200mVPP 1kHz e com o osciloscópio verificar o sinal de saída. Calcular o ganho AC. Em seguida injetar um sinal triangular. Fazer os mesmos procedimentos. Mostrar os sinais nos gráficos abaixo.

______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 5) Justifique as discrepâncias encontradas entre o circuito calculado e o circuito implementado; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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EXPERIÊNCIA 21 JFET – AMPLIFICADOR FONTE COMUM, DIVISOR DE TENSÃO A configuração fonte comum é a mais utilizada para JFET, atuando como amplificador de pequenos sinais e baixa frequência.

PRÉ-RELATÓRIO 21 1) Utilizando o circuito da experiência 20, polarização por divisão de tensão uma vez que foi determinado os valores de R1, R2, RS e RD, utilizando o JFET BF245, para o ponto quiescente IDQ = 12mA, VGSQ = -1V, VDSQ=15V e VDD=25V. A seguir, calcular a tensão na carga e o ganho de tensão total. Determinar C1, C2 e CS, determinar a faixa de operação em frequência entre 100Hz e 10kHz. Definir o valor máximo de entrada para uma carga de 50k. Determinar teoricamente o ganho AC.

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EXPERIMENTO 21 2) Medir as correntes e tensões do circuito e transferir para a tabela abaixo: Resistores Calculados

R1 =

R2 = Valores calculados

RD =

RS =

Gfso

Gfs

ZE

ZS

AV (sem carga)

VEG

VL

AV (com carga)

VL

AV (com carga)

Valores medidos AV (sem carga)

VEG

3) Aplicar um sinal senoidal variando de 100Hz a 10kHz. Mostrar a forma de onda em 100Hz e 10kHz. Mostrar a amplitude de entrada e saída

______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

4) Justifique as discrepâncias encontradas entre o circuito calculado e o circuito implementado; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - MOSFET Transistores de efeito de campo com metal-oxido conhecidos como MOSFETs, é um dispositivo usado para amplificar ou comutar sinais eletrônicos, como transistores bipolares ou outros tipos do tipo FET. O princípio básico deste transistor foi proposto primeiramente por Julius Edgar Lilienfeld em 1925. Nos MOSFETs, uma tensão sobre o óxido porta isolada pode acionar o canal de condução entre os dois outros contatos chamados a fonte eo dreno. Este canal pode ser do tipo n ou tipo p, e é, portanto, chamado de nMOSFET ou pMOSFET (também comumente nMOS, PMOS). É de longe o transistor mais comum em ambos os circuitos analógicos e digitais, embora sua maior contribuição seja nos processos de fabricação digital. O termo “metal” no nome é considerado um equívoco, isto porque o material depositado no gate deste tipo de dispositivo é na maioria dos casos uma camada de polisilício (silício policristalino). O alumínio foi o material utilizado para para deposição no gate ou porta até meados de 1970, quando tornou-se dominante o polisilício. Dada à sua capacidade de formar portas autoalinhados o polisilício passou a ser utilizado em larga escala. Portas ou gates de transistores utilizando deposições metálicas estão recuperarando espaço neste cenário, já que é difícil aumentar a velocidade de operação dos transistores, sem portas de metal. Na figura abaixo podemos ver a seção transversal de MOSFET canal N, que é fabricado em um substrato p. Para que se possa construir um dispositivo MOSFET canal P, deve-se primeiramente fazer um implante ou deposição de material N.

Os símbolos frequentemente utilizados para identificar um FET, podem ser vistos na figura acima. Lembrando que um transistor FET é identificado pela letra M, um transistor bipolar pela letra Q e um MESFET, pela letra Z. APLICAÇÕES DIGITAIS: A grande vantagem do dispositivo MOSFET para comutação digital é que a camada de óxido entre o gate e o canal impede a passagem de corrente contínua, reduzindo ainda mais o consumo de energia e dando uma impedância de entrada muito grande. O óxido formado entre o gate e o canal efetivamente isola um MOSFET, por tornar-se uma camada capacitiva. Esta camada capacitiva por ter uma alta impedância, consome menos corrente para acionar o dispositivo. Lembrando-se que em circuitos digitais, dispositivos deste tipo operam somente na região de corte e saturação. Além disso estes dispositivo possui alta capacidade de fan-out. O crescimento das tecnologias digitais, como o microprocessador forneceu a motivação para o avanço da tecnologia MOSFET mais rápido do que qualquer outro tipo de transistor de silício. APLICAÇÕES ANALÓGICAS: As vantagens do MOSFET nos circuitos digitais não traduz a supremacia em todos os circuitos analógicos. Os circuitos digitais são cahveados, passando a maior parte do seu tempo fora da região de comutação, enquanto os circuitos analógicos dependem do comportamento MOSFET realizada precisamente na região de comutação de operação. O transistor bipolar de junção (BJT) tem sido tradicionalmente o transistor mais utilizado em circuitos analógicos, em grande parte devido à sua maior transcondutância e sua impedância de saída mais elevada. Atualmente os circuitos BiCMOS, vem ocupando este espaço, principalmente por permitir alta impedância de entrada (CMOS) e alta corrente de saída em baixas impedâncias (BJT). Seu processo de fabricação é mais complexo se comparados aos processos MOS e BJT.

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 22 MOSFET - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO – CURVA CARACTERÍSTICA O transistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) é, de longe, o tipo mais comum de transistores de efeito de campo em circuitos tanto digitais quanto analógicos. A palavra "metal" no nome é um originário dos primeiros CI‟s, onde as portas (gates) eram de metal. Os CI‟s modernos usam portas de polisilício, mas ainda são chamados de MOSFETs. Um MOSFET é composto de um canal de material semicondutor de tipo N ou de tipo P e é chamado respectivamente de n-MOSFET ou p-MOSFET. FET (em inglês Field Effect Transistor), Transistor de Efeito de Campo, que, como o próprio nome diz, funciona através do efeito de um campo elétrico na junção. Este tipo de transitor tem muitas aplicações na área de amplificadores (operando na area linear), em chaves (operando fora da area linear) ou em controle de corrente sobre uma carga. O FET pode ser dividido em duas categorias: JFETs e MOSFETs. Por sua vez, os MOSFETs se dividem em duas categorias: MOSFET tipo Intensificação (enhancement) e Depleção (depletion).

PRÉ-RELATÓRIO 22 1) Defina a transcondutância de um MOSFET? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 2)

Mostre a expressão de transcondutância gm;

3)

Mostre a expressão de transcondutância gm para VGS = 0 (gmo);

4)

Dado o MOSFET 2N7000 (N-Channel enhancement mode field effect transistor), preencha as tabelas de especificações e características abaixo: 2N7000 especificações Drain-Source Voltage Drain-Gate Voltage Gate-Source Voltage Maximum Gain Current Maximum Power Dissipation @TA=25°C. Derated above 25°C Operating and Storage Temperature Drain Source Breakdown Voltage Forward Transcondutance

símbolo

valor

unidade

-

5) Para execução do experimento, tenha em mão uma cópia do datasheet do MOSFET 2N7000.

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EXPERIMENTO 22 Lista de materiais Transistor 2N7000 (N-Channel enhancement mode field effect transistor) – 2 unidades; Resistor de 100R – 1 unidade;


6) Montar no protoboard o circuito do esquemático abaixo: Ajustar VGS = 0, através da fonte de alimentação, monitorando através do voltímetro; Varie o valor de VDS através da fonte de alimentação, de acordo com a tabela abaixo; Monitorar VDS através do osciloscópio. Anote os valores obtidos na tabela; Repita o procedimento para os novos valores de VGS, variando VDS e anote os valores na tabela abaixo; Traçar os valores obtidos (da tabela) para obter a curva característica IDS versus VDS do MOSFET. Para tanto, utilizar uma folha de papel milimetrado; O próximo passo da experiência consiste no levantamento e análise das características de transferência IDS versus VDS. Para tanto, a partir dos dados descritos na tabela abaixo, levantar a característica de transferência na mesma folha utilizada na obtenção do gráfico anterior.

VDD 0V 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V 8V 9V 10V 11V 12V 13V 14V 15V

VGS = 0V VDS IDS

VGS = 2V VDS IDS

VGS = 4V VDS IDS

VGS = 6V VDS IDS

VGS = 8V VDS IDS

7) Em função da tabela obtida, determinar os valores de I DSS (mA) e VP (V);

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EXPERIÊNCIA 23 MOSFET - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO – PORTAS LÓGICAS Transistores de efeito do tipo CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), são utilizados em pares para construção de portas lógicas. Os pares Canal P e Canal N vieram a substituir as tecnologias nMOS, largamente utilizadas nos anos 70 não só na construção de circuitos integrados da série 4000, como também para microprocessadores e microcontroladores.

PRÉ-RELATÓRIO 23 1) Defina o que vem a ser tecnologia nMOS? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 2) Defina o que vem a ser tecnologia CMOS? E quem a implementou pela primeira vez? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 3) Defina o que vem a ser transistor Canal N? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 4) Defina o que vem a ser transistor Canal P? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 5) Dado o CD4007, preencha as tabelas de especificações e características abaixo: CD4007 especificações

símbolo

valor

unidade

DC Supply Voltage Range Quiescent Device Current Output Voltage Low Level Output Voltage High Level Input Voltage Low Level Input Voltage High Level Propagation Delay – Low to High Propagation Delay –High to Low Propagation Delay Transition Time

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EXPERIMENTO 23 Lista de materiais Transistor 2N7000 (N-Channel) – 2 unidades; Transistor BSS84 (P-Channel) – 2 unidades; CI CD4007 – 2 unidades; Resistor 1k – 1/4W – 3 unidades; Resistor 4k7 – 1/4W – 3 unidades.


6) Montar utilizando o transistor 2N7000 uma porta NOT nMOS. Utilizar um resistor de 1k entre V DD e Dreno Mostrar o circuito, sua tabela verdade, tempo de subida e tempo de descida. Observe o sinal de entrada e o sinal de saída através do osciloscópio. Inicialmente aplique nível lógico LOW (0V), em seguida nível lógico HIGH (5V). Utilizando o gerador de funções, aplique sinal TTL na entrada do circuito (5V – 1kHz) e compare os sinais de entrada e saída. Medir o tempo de subida (rise-time) e o tempo de descida (fall-time). Varie a freqüência aumentando para centenas de kilohertz. Observe e descreva o que ocorre quando a freqüência é aumentada. Utilizando o CI CD4007, faça o mesmo procedimento. Comente as diferenças. A

An

M1

Rise time

Fall-time

7) Montar uma porta NOT CMOS. Utilize inicialmente o transistor P (BSS84) e N (2N7000). Em seguida monte a mesma porta utilizando o CI CD4007. Mostrar o circuito, sua tabela verdade, tempo de subida e tempo de descida. Observe o sinal de entrada e o sinal de saída através do osciloscópio. Inicialmente aplique nível lógico LOW (0V), em seguida nível lógico HIGH (5V). Utilizando o gerador de funções, aplique sinal TTL na entrada do circuito (5V – 1kHz) e compare os sinais de entrada e saída. Medir o tempo de subida (rise-time) e o tempo de descida (fall-time). Varie a freqüência aumentando para centenas de kilohertz. Observe e descreva o que ocorre quando a freqüência é aumentada em ambos os circuitos. A

An

M1

M2

Rise time

Fall-time

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ELETRÔNICA 8) Montar uma porta NAND de duas entradas. Mostrar o circuito, sua tabela verdade, tempo de subida e tempo de descida. Observe o sinal de entrada e o sinal de saída através do osciloscópio. Inicialmente aplique nível lógico LOW (0V), em seguida nível lógico HIGH (5V). Utilizando o gerador de funções, aplique sinal TTL na entrada do circuito (5V – 1kHz) e compare os sinais de entrada e saída. Medir o tempo de subida (rise-time) e o tempo de descida (fall-time). Varie a freqüência aumentando para centenas de kilohertz. Observe e descreva o que ocorre quando a freqüência é aumentada. B

A

f

M1

M2

M3

M4

Rise time

Fall-time

9) Montar uma porta NOR de duas entradas. Mostrar o circuito, sua tabela verdade, tempo de subida e tempo de descida. Observe o sinal de entrada e o sinal de saída através do osciloscópio. Inicialmente aplique nível lógico LOW (0V), em seguida nível lógico HIGH (5V). Utilizando o gerador de funções, aplique sinal TTL na entrada do circuito (5V – 1kHz) e compare os sinais de entrada e saída. Medir o tempo de subida (rise-time) e o tempo de descida (fall-time). Varie a freqüência aumentando para centenas de kilohertz. Observe e descreva o que ocorre quando a freqüência é aumentada. B

A

f

M1

M2

M3

M4

Rise time

Fall-time

10) Conclusões: ______________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________

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EXPERIÊNCIA 24 MOSFET – TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO COMO CHAVE ON/OFF A utilização de Transistores de Efeito de Campo como chave liga-desliga, permite um maior ganho se comparado aos transistores de junção, uma vez que FETs ou MOSFETs possuem baixo threshold (Vth), induzindo menor perda ao circuito a ser acionado.

PRÉ-RELATÓRIO 24 1) Projetar utilizando um MOSFET canal N ou Canal P um circuito para controlar o CI CMOS 74HC244 através dos pinos OEn (pinos 1 e 19). O MOSFET deverá habilitar e desabilitar o referido circuito integrado. Como os pinos OEn, ao serem colocados em nível lógico verdadeiro fazem com que as saídas do 74HC244 vá para o estado tri-state, colocar nas entradas deste CI 5VDC e nas respectivas saídas, LEDs que indicarão quando o circuito estiver habilitado e desabilitado.

2) Projetar, utilizando um MOSFET canal N ou Canal P um circuito para controlar um LED de alto brilho (3,0V DC). O MOSFET deverá controlar o funcionamento do LED através de uma saída digital (porta lógica), que acionará a porta (gate) do mesmo.

3) Projetar utilizando MOSFET como resistor variável, um controlador de intensidade luminosa para um LED de alto brilho.

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EXPERIMENTO 24 Lista de materiais CI 74HC244 – 2 unidades; MOSFET Canal N – 2N7000; MOSFET Canal P – BSS92 ou BSS84; LED alto brilho.


4) Implementar o circuito projetado no item 1 e comentar os resultados obtidos; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 5) Em que outros tipos de circuitos é possível utilizar esta aplicação? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 6) Implementar o circuito projetado no item 2 e comentar os resultados obtidos; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 7) Implementar o circuito projetado no item 3 e comentar os resultados obtidos; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 8) Comente as principais diferenças de funcionamento entre os três circuitos; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS O "amplificador diferencial" está associado diretamente à tecnologia de circuitos integrados. É amplamente utilizado na construção de amplificadores operacionais. Boa parte dos circuitos analógicos construídos através da microeletrônica, quer dizer, amplificadores operacionais utilizam as configurações de amplificadores diferenciais. A figura abaixo mostra o funcionamento de um amplificador diferencial genérico. Assumindo a configuração como um circuito linear e possuindo uma simetria através de um espelho, o que os mostra idênticos e opostos. Estes dois circuitos são idênticos e possuem as mesmas propriedades elétricas. As correntes I A e IB representam as correspondentes correntes fluindo de cada uma das partes. VA e VB são as tensões correspondentes (relativas ao mesmo terra) a cada parte do circuito. Por outro lado Ia e Ib são as correntes de um circuito para o outro.

A aplicação de simetria para o comportamento do circuito é baseado em uma premissa filosófica de que a natureza não é perversa, e os elementos do circuito são parecidos operando em condições semelhantes que irão se comportar da mesma forma. Dois casos ilustram as propriedades do tipo de arranjo simétrico mostrado acima que são de interesse especial. Suponha que os sinais de entrada S1 e S2 estão previstos para o circuito. O sinal real pode ser S1-S2, ou seja, aplicado entre os terminais de entrada, mas é conveniente aqui para fazer referência a cada um separadamente, a um ponto pacífico). No primeiro caso, o "modo comum", ambos os sinais são os mesmos, ou seja, S1 = S2. No outro caso, o "modo diferencial", os sinais são eletricamente assimétricas, ou seja, S1 = -S2. Considere o caso de modo comum em primeiro lugar. Por causa da simetria física dos dois meios-circuitos e a simetria elétrica da entrada de sinais de tensões e correntes correspondentes em cada metade do circuito será igual. Assim, por exemplo, Ia = Ib e utilizando a LKC, teremos Ia + Ib = 0, ou seja, a soma das correntes deve ser zero. A conclusão geral é que não há modo comum de corrente que flui entre as duas metades, mesmo que haja conexões físicas entre eles. A partir de raciocínio semelhante, a diferença de tensão de modo comum entre os pontos correspondentes em cada meio circuito deve ser zero, ou seja, VA = VB = 0. O estágio amplificador diferencial (diff-amp), que faz parte do amplificador operacional, provê ao conjunto, um alto ganho de tensão e um modo de rejeição comum (CMRR – Common Mode Rejection Ratio), igualmente alto. Diferentemente dos amplificadores operacionais, o amplificador diferencial possui duas entradas e duas saídas.

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ELETRÔNICA OPERAÇÃO BÁSICA DC: De um modo geral os amplificadores operacionais possuem mais de um estágio diferencial, principalmente os de alto desempenho. Aqui será mostrado o funcionamento de um único estágio diferencial. Abaixo temos três configurações típicas de um estágio diferencial. Na primeira configuração, vemos as duas entradas aterradas, e os emissores de Q1 e Q2 estarão em -0,7V (VE = VBE). Pode-se observar este valor de tensão no voltímetro conectado junto aos emissores e referenciado a terra (GND). Nesta condição temos que as tensões e as correntes são idênticas em ambos os ramos. Deve-se levar em conta que Q1 e Q2 possuem o mesmo ganho (β) e está identicamente compensado, o que ocorre durante o processo de fabricação. Dessa forma as correntes de emissor de ambos são idênticas. Assim temos que: IE1 = IE2 Como a corrente em ambos os transistores fluem via RE tem-se que IE1 = IE2, logo: IE1 = IE2 = IRE / 2 Onde: IRE = VE – VEE / RE Uma vez que IC ≈ IE, pode-se afirmar que: IC1 = IC2 = IRE / 2 Sendo que as correntes e os resistores de coletor possuem comportamentos idênticos, quando a tensão de entrada é zero, teremos: VC1 = VC2 = VCC – IC1RC1 Na segunda configuração, a entrada 2 está aterrada (GND) e uma tensão positiva de BIAS é aplicada na entrada 1. A tensão DC de polarização na base de Q1 faz com que a corrente IC1 aumente e eleve a tensão de emissor para: VE = VBIAS – 0,7V Esta condição reduz a tensão VBE de Q2, uma vez que sua base está aterrada, fazendo com que IC2 diminua e VC2 aumente. Por sua vez VC1 diminui. Finalmente na terceira configuração, a entrada 1 está aterrada (GND) e uma tensão positiva de BIAS é aplicada na entrada 2. A tensão DC de polarização na base de Q2 faz com que a corrente IC2 aumente e VE também aumente. Esta condição reduz a tensão VBE de Q1, uma vez que sua base está aterrada, fazendo com que IC1 diminua e VC1 aumente. Devemos observar que nas duas últimas configurações as entradas aterradas dos transistores passam para a configuração base comum.

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ELETRÔNICA Amplificadores diferenciais possuem três modos de operação que são: Terminação Simples, Terminação Dupla e Modo Comum. Se um sinal de entrada é aplicado em uma entrada (INPUT 1), com a outra entrada aterrada (INPUT 2 - GND), esta operação é denominada “terminação simples”; Se dois sinais de entrada de polaridades opostas são aplicados às entradas (INPUT 1 e INPUT 2), a operação é denominada “terminação dupla”; Se um mesmo sinal de entrada é aplicado a ambas as entradas (INPUT 1 e INPUT 2), a operação é denominada “modo comum”. Modo Terminação Simples (Single-Ended Input): Quando o amplificador diferencial opera neste modo, uma das entradas é aterrada e um sinal AC é aplicado à outra entrada. Neste caso quando o sinal é aplicado à entrada 1, na saída 1 aparece um sinal invertido e amplificado. O mesmo sinal de entrada aparece no emissor de Q1. Como os emissores de Q1 e Q2 estão conectados, este sinal torna-se um sinal de entrada para Q2 que está operando na configuração “base comum”. O sinal é amplificado por Q 2 e aparece na saída 2 de forma não invertida.

No caso onde o sinal de entrada é aplicado à entrada 2, e a entrada um está aterrada, o sinal de saída amplificado e invertido aparecerá na saída 2. Nesta condição Q1 estará operando no modo de configuração “base comum” e o sinal amplificado não invertido aparecerá na saída 1. Modo Terminação Dupla (Differential Input): Nesta configuração, dois sinais de polaridades opostas (fora de fase) são aplicados às entradas do amplificador diferencial. Este tipo de operação é chamado de terminação dupla ou entrada diferencial. Por sobreposição ambos os sinais de entrada se somam resultando na saída a operação diferencial total.

Modo Comum (Common-Mode Input): O aspecto mais importante do funcionamento de um amplificador diferencial é o chamado modo comum. Esta condição se aplica a sinais nas entradas com mesma amplitude fase e frequência são inseridos. O resultado de saída são os dois sinais sobrepostos e neste caso os mesmo se cancelam. Deste tipo de operação deriva-se o CMRR – Common Mode Rejection Ratio, ou seja, Razão de Rejeição do Modo Comum.

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ELETRÔNICA OPERAÇÃO BÁSICA AC: O circuito abaixo mostra a configuração AC de um Amplificador Diferencial utilizando transistores bipolares (BJT), a partir da configuração básica DC mostrada anteriormente. Para se fazer a análise deste circuito no modo AC, os transistores são substituídos pelo equivalente AC.

GANHO DE TENSÃO AC COM TERMINAÇÃO SIMPLES: Para calcular o ganho de tensão AC com terminação simples, onde temos VO/VI, aplica-se um sinal em uma das entradas e a outra permanece aterrada (GND). Seu novo equivalente AC e mostrado na figura abaixo. A corrente de base é calculada aplicando-se a equação da LKT para a entrada da Base 1. Considerando os dois transistores com mesmo beta, teremos:

Ib1 = Ib2 = IB Ri1 = ri2 = ri Como RE é muito grande, temos:

Vi1 – Ibri – Ibri =0 Logo:

Ib = Vi1 / 2ri Considerando β1 = β2 = β,

IC = βIb = β (Vi1/2ri) E o sinal de saída será:

VO = ICRC = β (Vi1/2ri)RC Logo:

AV = VO / VI = RC/2re

O equivalente AC do circuito acima será:

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 25 OP AMPS - AMPLIFICADOR DIFERENCIAL BJT Um amplificador operacional na sua forma básica consiste tipicamente de dois ou mais amplificadores diferenciais. O amplificador diferencial é essencial para a operação interna de um Amplificador Operacional. Neste experimento, será construído um amplificador diferencial Bipolar utilizando transistores NPN.

PRÉ-RELATÓRIO 25 1) Monte um circuito amplificador diferencial utilizando transistores bipolares NPN; BC5xx; onde RC 1, RC2 e RE = 10k, VCC = VEE = 15V. Mostrar o modelo DC com as duas entradas em GND e calcular as tensões e correntes do circuito.

2) Mostrar o modelo AC e calcular o ganho de tensão para o modelo com Terminação Simples.

3) Mostrar o modelo AC para Terminação Dupla, e apresentar os cálculos para o ganho diferencial Ad.

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ELETRÔNICA

EXPERIMENTO 25 4) Montar o circuito do item 1, e realizar as medições conforme indicado abaixo, deixando as entradas em GND:

IC1

IC2

Valores calculados VO1

VO2

VE

IC1

IC2

Valores medidos VO1

VO2

VE

5) Com uma das entradas aterradas, aplique um sinal senoidal em 1kHz na outra entrada. Observe antes de ligar a amplitude do sinal, para que o circuito não apresente saturação. Compare o ganho medido com o ganho calculado e explique o que ocorre com os sinais nas saídas? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

6) Varie as tensões de alimentação VCC e VEE, inicialmente aplique ±10VDC, explique qual o comportamento do circuito em relação ao sinal de entrada. Varie o sinal de entrada e observe o sinal de saída. Repita para uma tensão de ± 18VDC; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 7) Utilizando geradores de funções aplique dois sinais senoidais, um em cada entrada do circuito. Primeiramente em fase, em seguida, defasado de 180º. Comente os resultados;

______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA 8) Substitua os resistores de 10k por resistores de 100k, repita as medidas

IC1

IC2


VO2

VE

IC1

IC2

Valores medidos VO1

VO2

VE


10) Varie as tensões de alimentação VCC e VEE, inicialmente aplique ±10VDC, explique qual o comportamento do circuito em relação ao sinal de entrada. Varie o sinal de entrada e observe o sinal de saída. Repita para uma tensão de ± 18VDC; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 11) Utilizando geradores de funções aplique dois sinais senoidais, um em cada entrada do circuito. Primeiramente em fase, em seguida, defasado de 180º. Comente os resultados;

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EXPERIÊNCIA 26 OPAMPS - AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS JFET Um amplificador operacional na sua forma básica consiste tipicamente de dois ou mais amplificadores diferenciais. O amplificador diferencial é essencial para a operação interna de um Amplificador Operacional. Neste experimento, será construído um amplificador diferencial JFET utilizando transistor canal N.

PRÉ-RELATÓRIO 26 1) Monte um circuito amplificador diferencial utilizando transistores JFET canal N; BF2xx; onde RC 1, RC2 e RE = 10k, VDD = VSS = 15V. Mostrar o modelo DC com as duas entradas em GND e calcular as tensões e correntes do circuito.

2) Mostrar o modelo AC e calcular o ganho de tensão para o modelo com Terminação Simples.

3) Mostrar o modelo AC para Terminação Dupla, e apresentar os cálculos para o ganho diferencial Ad.

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ELETRÔNICA

EXPERIMENTO 26 12) Montar o circuito do item 1, e realizar as medições conforme indicado abaixo, deixando as entradas em GND:

ID1

ID2


VO2

VS

ID1

ID2

Valores medidos VO1

VO2

VS


14) Varie as tensões de alimentação VCC e VEE, inicialmente aplique ±10VDC, explique qual o comportamento do circuito em relação ao sinal de entrada. Varie o sinal de entrada e observe o sinal de saída. Repita para uma tensão de ± 18V DC; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 15) Utilizando geradores de funções aplique dois sinais senoidais, um em cada entrada do circuito. Primeiramente em fase, em seguida, defasado de 180º. Comente os resultados;

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ELETRÔNICA 16) Substitua os resistores de 10k por resistores de 100k, repita as medidas

ID1

ID2


VO2

VS

ID1

ID2

Valores medidos VO1

VO2

VS


18) Varie as tensões de alimentação VCC e VEE, inicialmente aplique ±10VDC, explique qual o comportamento do circuito em relação ao sinal de entrada. Varie o sinal de entrada e observe o sinal de saída. Repita para uma tensão de ± 18VDC; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 19) Utilizando geradores de funções aplique dois sinais senoidais, um em cada entrada do circuito. Primeiramente em fase, em seguida, defasado de 180º. Comente os resultados;

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AMPLIFICADOR OPERACIONAL O amplificador operacional recebeu este nome porque foi projetado inicialmente para realizar operações matemáticas utilizando a tensão como uma analogia de outra quantidade. Esta é a base dos computadores analógicos onde os op amps eram utilizados para realizar as operações matemáticas básicas (adição, subtração, integração, diferenciação, e outras). Neste sentido, um verdadeiro amplificador operacional é um elemento do circuito ideal. Os amplificadores reais utilizados, feitos de transistores, válvulas, ou outros componentes amplificadores, são aproximações deste modelo ideal. Os op amps foram desenvolvidos na era das válvulas termoiônicas, onde eles eram usados em computadores analógicos. Os op amps modernos são normalmente construídos em circuitos integrados, apesar de ocasionalmente serem feitos com transistores discretos, e geralmente possuem parâmetros uniformes com encapsulamentos e necessidades de alimentações padronizadas, possuindo muitos usos na eletrônica. A maioria dos op amps simples, duplos ou quádruplos disponíveis possuem uma pinagem padronizada que permite que um tipo seja substituído por outro sem mudanças na pinagem. Um op amp específico pode ser escolhido pelo seu ganho em malha aberta, largura de banda, nível de ruído, impedância de entrada, consumo da potência, ou uma combinação de alguns destes fatores. Historicamente, o primeiro op amp integrado a tornar-se largamente disponível foi o Fairchild UA-709, no final dos anos 60, porém isto foi rapidamente modificado pela performance superior do LM741, que é mais fácil de utilizar, e provavelmente o mais conhecido da eletrônica - todos os principais fabricantes produzem uma versão deste chip clássico. O LM741 possuí transistores bipolares, e segundo os padrões modernos possui uma performance considerada média. Projetos melhorados baseados no transistor FET surgiram no final dos anos 70, e as versões com MOSFET no início dos anos 1980s. Há ainda os chamados op amps Bi-FET, que combinam transistores bipolares e MOSFETs, e que aproveitam as melhores características de ambos. Bi-FETs típicos são os LF411 e LF351 da NATIONAL, assim como CA3130 e CA3140 da RCA.

O AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL O amplificador operacional ideal tem um ganho infinito em malha aberta, largura de banda infinita, impedância de entrada infinita, impedância de saída nula e nenhum ruído, assim como offset de entrada é zero (exatamente 0 V na saída quando as duas entradas forem exatamente iguais) e nenhuma interferência térmica. Os circuitos integrados de op amps utilizando MOSFETs são os que mais se aproximam destes valores ideais em limites de largura de banda.

O amplificador operacional é provavelmente o dispositivo único mais bem sucedido na área de circuitos eletrônicos analógicos. Com apenas alguns poucos componentes externos, ele pode ser ajustado de modo a fazer uma grande variedade de funções em processamento de sinal. Também possui um preço relativamente baixo.

USO NO PROJETO DE SISTEMAS ELETRÔNICOS: A possibilidade de usar os modelos em blocos dos amplificadores operacionais durante o projeto de circuitos faz com que circuitos complicados se tornem mais simples para se trabalhar e compreender, especialmente em esquemas muito grandes. Os op amps podem ser usados como se tivessem propriedades idealizadas (ganho infinito, dissipação de calor perfeita, resposta de freqüência estável, impedância de entrada infinita, impedância de saída nula, e outras respostas ideais).

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ELETRÔNICA Após o projeto inicial de o circuito ter sido concluído (e muitas vezes modelado em computador), op amps específicos são escolhidos de modo a ser o mais próximo possível dos critérios de projeto e de custo. Pode ocorrer que um op amp com todos os parâmetros desejados não possa ser encontrado e então se procura o amplificador operacional que mais se aproxime da sua função pretendida no seu sub-circuito. O circuito projetado provavelmente precisará de modificações para aceitar as qualidades dos amplificadores operacionais reais. O mesmo é feito para praticamente todas as partes eletrônicas durante do desenvolvimento do projeto (onde estas também são utilizadas como perfeitas), isto deve ser feito de modo a fazer com que os componentes reais ajam os mais próximos possíveis dos componentes ideais. Este processo de desenvolver os circuitos com partes ideais e então ajustá-las de acordo com suas versões reais e comumente verdadeiro em todos os componentes eletrônicos incluindo condensadores, indutores, resistências, transistores, diodos, etc. Após as modificações necessárias, o resultado é um circuito final utilizando op amps ideais. O objetivo do projeto é que qualquer erro ou discrepância restante seja insignificante na prática. COMPORTAMENTO EM CORRENTE CONTÍNUA: O ganho em malha aberta é definido como a amplificação da entrada para a saída sem nenhuma realimentação (feedback) aplicada. Para a maioria dos cálculos práticos, o ganho em malha aberta é definido como infinito; na realidade, entretanto, ele é limitado pela quantidade de tensão aplicada à alimentação do amplificador operacional, (terminais Vs+ e Vsno diagrama acima). Os dispositivos típicos possuem um ganho de malha aberta em Corrente Contínua entre 100,000 e 1 milhão. Isto permite que o ganho da aplicação seja ajustado utilizando a realimentação negativa. Os op amps possuem limites de performance que o projetista deve manter em mente e muitas vezes trabalhar em torno disto. COMPORTAMENTO EM CORRENTE ALTERNADA: O ganho do op amp calculado em DC não se aplica a corrente alternada a freqüências mais altas. Isto ocorre devido às limitações do componente, tais como sua largura de banda finita, e às características em AC do circuito aonde é colocada. O problema mais bem conhecido no desenvolvimento de projetos com op amps é a tendência de estes ressonarem a Altas freqüências, aonde mudanças na realimentação negativa mudam para realimentação positiva devido à mudança de fase. Os op amps típicos, de baixo custo possuem uma largura de banda de alguns MHz. Op amps específicos e de alta velocidade podem atingir uma largura de banda de centenas de MHz. Para circuitos de freqüência muito alta, um tipo completamente diferente de op amp, chamado amplificador operacional de realimentação de corrente é frequentemente usado.

NOTAÇÃO: Um símbolo elétrico para o amplificador operacional é mostrado abaixo: Os seus terminais são: V+: entrada não-inversora V−: entrada inversora Vout: saída +VDC: alimentação positiva −VDC: alimentação negativa Os pinos de alimentação (VS+ e VS−) podem ser nomeados de diferentes formas. Ver pinos de alimentação dos CIs. Para op amps baseados em tecnologia FET, o positivo, ou alimentação de dreno comum é chamada de V DD e o negativo, ou alimentação de fonte comum é chamado de VSS. Para op amps baseados em TBJ (BJT), o pino VS+ torna-se VCC e o pino VS− torna-se VEE. Eles são muitas vezes chamados VCC+ e VCC−, ou mesmo V+ e V−, no caso de as entradas serem nomeadas diferentemente, a função permanecerá a mesma. Muitas vezes estes pinos são retirados dos esquemas elétricos para uma maior claridade, e a configuração de alimentação é dada ou previsível através do circuito. A posição dos pinos de polaridade pode ser invertida em diagramas para uma maior claridade. Neste caso, os pinos de alimentação continuam nas mesmas posições: o pino de alimentação mais positivo é sempre no topo, e o pino de alimentação mais negativo na parte inferior. O símbolo inteiro não é invertido, apenas as suas entradas de alimentação.

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ELETRÔNICA

TIPOS DE Op Amps Uso Geral

LM741 The LM741 series are general purpose operational amplifiers which feature improved performance over industry standards like the LM709. They are direct, plug-in replacements for the 709C, LM201, MC1439 and 748 in most applications. The amplifiers offer many features which make their application nearly foolproof: overload protection on the input and output, no latch-up when the common mode range is exceeded, as well as freedom from oscillations.

LM351 The LF351 is a low cost high speed JFET input operational amplifier with an internally trimmed input offset voltage (BI-FET IITM technology). The device requires a low supply current and yet maintains a large gain bandwidth product and a fast slew rate. In addition, well matched high voltage JFET input devices provide very low input bias and offset currents. The LF351 is pin compatible with the standard LM741 and uses the same offset voltage adjustment circuitry. This feature allows designers to immediately upgrade the overall performance of existing LM741 designs.

Banda Larga Sample&Hold Multiplexer Multiplier Comparator

CA3080

Baixa Alimentação

TLV2322/24 The TLV232x operational amplifiers are in a family of devices that has been specifically designed for use in low-voltage single-supply applications. This amplifier is especially well suited to ultralow-power systems that require devices to consume the absolute minimum of supply currents. Each amplifier is fully functional down to a minimum supply voltage of 2 V, is fully characterized, tested, and specified at both 3-V and 5-V power supplies. The common-mode input voltage range includes the negative rail and extends to within 1 V of the positive rail. These amplifiers are specifically targeted for use in very low-power, portable, battery-driven applications with the maximum supply current per operational amplifier specified at only 27 mA over its full temperature range of –40°C to 85°C.

115

ELETRÔNICA Alta Tensão de Alimentação

LM143 The LM143 is a general purpose high voltage operational amplifier featuring operation to g40V, complete input overvoltage protection up to g40V and input currents comparable to those of other super-b op amps. Increased slew rate, together with higher common-mode and supply rejection, insure improved performance at high supply voltages. Operating characteristics, in particular supply current, slew rate and gain, are virtually independent of supply voltage and temperature. Furthermore, gain is unaffected by output loading at high supply voltages due to thermal symmetry on the die. The LM143 is pin compatible with general purpose op amps and has offset null capability.

PB58

MSK130

Baixo Consumo

TLV2322/24

Consumo: 17uA por canal

Rail-to-Rail

LM358 Utilizing the circuit designs perfected for Quad Operational Amplifiers, these dual operational amplifiers feature low power drain, a common mode input voltage range extending to ground/VEE, and single supply or split supply operation. The LM358 series

116

Detalhes do PCB

ELETRÔNICA Baixo Ruído

AD797 The AD797 is a very low noise, low distortion operational amplifier ideal for use as a preamplifier. The low noise of 0.9 nV/√Hz and low total harmonic distortion of −120 dB in audio bandwidths give the AD797 the wide dynamic range necessary for preamps in microphones and mixing consoles. The AD797 is also useful in infrared (IR) and sonar imaging applications, where the widest dynamic range is necessary. The low distortion and 16-bit settling time of the AD797 make it ideal for buffering the inputs to Σ-Δ ADCs or the outputs of high resolution DACs, especially when the device is used in critical applications such as seismic detection or in spectrum analyzers. Key features such as a 50 mA output current drive and the specified power supply voltage range of ±5 V to ±15 V make the AD797 an excellent general-purpose amplifier.

LM318

The LM318 are precision, fast operational amplifiers designed for applications requiring wide bandwidth and high slew rate. They feature a factor-of-ten increase in speed over generalpurpose devices without sacrificing dc performance. These operational amplifiers have internal unity-gain frequency compensation. This considerably simplifies their application because no external components are necessary for operation. However, unlike most internally compensated amplifiers, external frequency compensation may be added for optimum performance. For inverting applications, feedforward compensation boosts the slew rate to over 150 V/µs and almost double the bandwidth. Overcompensation can be used with the amplifier for greater stability when maximum bandwidth is not needed. Further, a single capacitor can be added to reduce the settling time for 0.1% error band to under 1 µs. The high speed and fast settling time of these operational amplifiers make them useful in A/D converters, oscillators, active filters, sample-and-hold circuits, and general-purpose amplifiers.

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ELETRÔNICA Baixo Offset

LF411

These devices are low cost, high speed JFET input operational amplifiers with very low input offset voltage and guaranteed input offset voltage drift. They require low supply current yet maintain a large gain bandwidth product and fast slew rate. In addition, well matched high voltage JFET input devices provide very low input bias and offset currents. The LF411 is pin compatible with the standard LM741 allowing designers to immediately upgrade the overall performance of existing designs. These amplifiers may be used in applications such as high speed integrators, fast D/A converters, sample and hold circuits and many other circuits requiring low input offset voltage and drift, low input bias current, high input impedance, high slew rate and wide bandwidth.

Instrumentação

INA114

The INA114 is a low cost, general purpose instrumentation amplifier offering excellent accuracy. Its versatile 3-op amp design and small size make it ideal for a wide range of applications. A single external resistor sets any gain from 1 to 10,000. Internal input protection can withstand up to ±40V without damage. The INA114 is laser trimmed for very low offset voltage (50mV), drift (0.25mV/°C) and high common-mode rejection (115dB at G = 1000). It operates with power supplies as low as ±2.25V, allowing use in battery operated and single 5V supply systems. Quiescent current is 3mA maximum. The INA114 is available in 8-pin plastic and SOL-16 surfacemount packages. Both are specified for the –40°C to +85°C temperature range.

Potência

LM12

118

ELETRÔNICA

CIRCUITOS BÁSICOS COM OP AMPS SEGUIDOR DE TENSÃO - IMPEDÂNCIA DE SAÍDA DO OP AMP: Nesta configuração, o ganho de malha aberta é unitário.

AVcl(VF) = 1 Esta configuração possui alta impedância de entrada e baixa impedância de saída. Sua função é operar como um driver.

AMPLIFICADOR OPERACIONAL COMO AMPLIFICADOR NÃO INVERSOR:

Ganho da configuração não inversora

AVcl = VOUT/VIN AVcl = 1 + (Rf / Ri)

AMPLIFICADOR OPERACIONAL COMO AMPLIFICADOR INVERSOR: Ganho da configuração inversora

AVcl = - VOUT/VIN O sinal negativo representa a inversão de fase

AVcl = - Rf/Ri ASSOCIAÇÃO DE ESTÁGIOS EM CASCATA

AVCL = VO/VI AVCL = VO1/VI x VO2/VO1 x ... x VO / VO(n-1)

AMPLIFICADOR OPERACIONAL COMO INTEGRADOR:

AVcl = 1 / 2πfRC 119

ELETRÔNICA AMPLIFICADOR OPERACIONAL COMO DIFERENCIADOR:

AVCL = 2πfRC AMPLIFICADOR OPERACIONAL COMO SOMADOR NÃO INVERSOR:

VO = (1 + RF / R) x (G1V1 + G2V2 + G3V3/ G1 + G2 + G3)

AMPLIFICADOR OPERACIONAL COMO SOMADOR INVERSOR:

VO = - RF (V1/R1 + V2/R2 + V3/R3)

AMPLIFICADOR OPERACIONAL COMO SUBTRATOR:

VO = R2 / R1 (V2 – V1)

120

ELETRÔNICA TIPOS DE ENCAPSULAMENTOS (PACKAGE OPTIONS):

NOVAS TENDÊNCIAS:

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 27 OP AMP – DRIVER E REFERÊNCIA DE TENSÃO Circuito driver ou seguidor de tensão é utilizado para que se possa manter um sinal estável. Como exemplo, o TMS103 da STMicroelectronics, que possui uma referencia de 2,5V associada a um Op Amp e um segundo Op Amp. Neste experimento será verificado o funcionamento de uma referência de tensão (LM336-25) e uma referência de tensão associada a um amplificador operacional (TL082).

OpAmp TL082 – TEXAS Instruments

OpAmp TMS103 – STMicroelectronics

PRÉ-RELATÓRIO 27 1) Descreva uma aplicação para o circuito driver; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 2) Descreva o funcionamento de um circuito referência de tensão; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 3) Qual a diferença entre um diodo zener e um diodo referência de tensão; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 4) Onde são utilizados circuitos referencia de tensão; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIMENTO 27 Lista de materiais Amplificador operacional TL082 – 2 unidades; CI LM336 – 2,5V – Ref. de tensão – 3 unidades; Resistor 1k2 – 1/4W – 3 unidades.

Fonte de alimentação; Osciloscópio dois canais; Gerador de funções; Proto-board. bottom view

top view

5) Montar o circuito referência de tensão abaixo. Aplicar uma carga variável na saída e observe com o osciloscópio a saída do circuito. Calcule a corrente de saída. Anote as variações. _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________

6) Montar o circuito seguidor de tensão (Voltage-Follower) conforme figura abaixo. Aplicar um sinal senoidal a sua entrada e verifique o sinal na saída do circuito. Explique o que foi observado. Em seguida aplicar um nível DC na entrada e explicar o que foi observado. _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________

7) Montar o circuito de referência com o seguidor de tensão associado. Coloque uma carga variável na saída. Compare o funcionamento deste circuito com o circuito do item 5. _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 28 OP AMP – INVERSOR E NÃO INVERSOR PRÉ-RELATÓRIO 28 1) Defina o ganho de um op amp genérico. Transforme este ganho em dB (decibéis);

2) Quais os modos de operação de um Op Amp? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 3) Quais as características de um Op Amp ideal? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 4) Desenvolver utilizando as expressões apropriadas um Amplificador inversor que possua ganho 10. Mostre o circuito;

5) Desenvolver utilizando as expressões apropriadas um Amplificador não-inversor que possua ganho 20;

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ELETRÔNICA

EXPERIMENTO 28 Lista de materiais Amplificador operacional TL082; Transistor BC547 Transistor BC 557 Diodo 1N4148 ou 1N914 Resistores;


6) Apresentar os seguintes cálculos para cada um dos circuitos acima: ACL – Ganho de malha fechada; ZIN – Impedância de entrada; ZOUT – Impedância de saída. Amplificador Inversor

Amplificador não-inversor

7) Montar o circuito Amplificador Operacional discreto da figura abaixo. Descrever o circuito. Alimentar o circuito com ±15VCC. Configurá-lo no modo inversor e injetar um sinal senoidal na sua entrada. Determinar o ganho de malha aberta e sua banda.

Sinal de entrada

Sinal de saída

R1 = 4K7 R2 = 1K R3 = 470R R4 = 470R D1 = 1N4148 D2 = 1N4148 Q1 = BC547 Q2 = BC547 Q3 = BC547 Q4 = BC557

______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 125

ELETRÔNICA 8) Utilizando proto-board montar o circuito inversor do item 4. Em seguida aplique um sinal senoidal de 1kHz na entrada e verifique o ganho do circuito, variando a amplitude do sinal. Aplique a máxima freqüência para atingir o ponto de corte do TL082. Verifique se este valor confere com o valor do manual do fabricante. Caso não foi obtido, explicar o porquê?

Sinal de entrada

Sinal de saída

______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

9) Sem alterar a montagem do circuito (sinais de entrada, de saída, alimentação), remova R F e observe o sinal de saída. Em seguida recoloque RF e remova RI e observe o sinal de saída. Insira as formas de ondas de saída obtidas no gráfico abaixo e explique o que foi observado.

Sinal de saída sem RF

Sinal de saída sem RI

______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA 10) Utilizando proto-board montar o circuito não inversor do item 5. Em seguida aplique um sinal senoidal de 1kHz na entrada e verifique o ganho do circuito, variando a amplitude do sinal. Aplique a máxima freqüência para atingir o ponto de corte do TL082. Verifique se este valor confere com o valor do manual do fabricante. Caso não foi obtido, explicar o porque? Sinal de entrada

Sinal de saída

______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 11) Sem alterar a montagem do circuito (sinais de entrada, de saída, alimentação), remova RF e observe o sinal de saída. Em seguida recoloque RF e remova RI e observe o sinal de saída. Insira as formas de ondas de saída obtidas no gráfico abaixo e explique o que foi observado. Sinal de saída sem RF

Sinal de saída sem RI

______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

12) De posse de todas as informações fazer relatório do experimento e anexar as folhas de pré-relatório e experimento.

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 29 OP AMP – ASSOCIAÇÃO DE ESTÁGIOS EM CASCATA Associação de estágios em casacata é a associação de circuitos inversores e não inversores. Já os estágios não interagentes são aqueles que apresentam alta impedância de entrada. Esta técnica faz com que o circuito posterior não serve de carga para o circuito anterior, pois na prática não drena nenhuma corrente do circuito anterior.

PRÉ-RELATÓRIO 29 1) Dado o circuito abaixo, Associação de Estágios em Cascata com três estágios, mostrar a expressão de VOUT;

2) Dado o circuito de três estágios com ganhos de +3, -5 e -2, calcular os resistores de feedback. Que tensão de saída (VOUT) resultará de uma entrada de VIN de 200mV

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ELETRÔNICA

EXPERIMENTO 29 Lista de materiais Amplificador operacional TL084 – 2 unidades; Resistores;

Fonte de alimentação; Osciloscópio dois canais; Gerador de funções; Proto-board.

3) Montar o circuito do item 2, aplicar um sinal senoidal VIN = 200mV e alimentação simétrica de ± 15VDC. Mostrar os sinais de entrada, intermediários e de saída nos gráficos abaixo; Ponto 1 - VIN

Ponto 2

Ponto 3

Ponto 4 - VOUT

4) Qual o máximo sinal de entrada (tensão) que pode ser aplicado ao circuito acima, sem saturar? ______________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 30 OP AMP - GANHO CONTROLADO POR JFET Circuitos com amplificadores operacionais do tipo inversor ou não inversor podem ter seu resistor de realimentação (RF), substituído por um JFET canal N ou canal P. Neste experimento utilizaremos um JFET BF245, para controlar o ganho do circuito, assim como poderemos calcular o valor de RDS em função dos sinais de entrada e saída do circuito proposto. O ganho do circuito não inversor é dado por: A = 1 + (R1/RDS) onde R1 é o resistor de realimentação e RDS é o resistor equivalente drain-source do JFET.

PRÉ-RELATÓRIO 30 1) Em que tipos de circuitos podemos utilizar esta configuração composta por um Op Amp e um JFET ou MOSFET? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 2) Esboce a curva característica do JFET e mostre onde se encontra a região de resistência controlável.

3) Mostre outro circuito que utilize JFET como chave ON/OFF ou resistor controlado para sinais AC. Indicar a referência

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Aluno:

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ELETRÔNICA EXPERIMENTO 30 Lista de materiais Amplificador operacional comparador – 2 unidades; Resistor 10k – 1/4W – 3 unidades; Resistor 1k – 3 unidades; Resistor 3k3 – 3 unidades; Resistor 470R – 3 unidades;


4) Montar o circuito não inversor abaixo onde o resistor RI será substituído pelo JFET canal N (BF245);

5) Aplique o sinal na entrada e verifique o ganho do circuito. Varie a tensão DC de modo a estabelecer um ganho em torno de 5. Caso o ganho esteja pequeno ou haja saturação, substitua o resistor RF; 6) Inverta a fonte DC e aumente a tensão até o ganho cair pela metade. Explique o que ocorre com o circuito? _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________

7) Calcule o valor de RDS medindo o ganho do circuito montado e usando a formula do ganho; ACL = _________________

RDS = ______________

VGS = _________________V

8) O valor obtido é igual ao valor calculado no experimento 16? Explique. ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 31 OP AMP - CIRCUITOS INTEGRADOR E DIFERENCIADOR Comprovar o funcionamento de um circuito diferenciador e um circuito integrador. Verificar o funcionamento de ambos para diferentes formas de ondas de entrada.

PRÉ-RELATÓRIO 31 1) Defina um amplificador diferenciador inversor ideal, mostre o circuito do mesmo; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

2) Defina um amplificador integrador inversor ideal, mostre o circuito do mesmo; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIMENTO 31 Lista de materiais Amplificador operacional TL082 – 2 unidades; Resistor 10k – 1/4W – 3 unidades; Resistor 100k – 1/4W – 3 unidades; Resistor 4k7 – 1/4W – 3 unidades; Resistor 1M – 1/4W – 3 unidades; Capacitor 10nFx64V; Capacitor 2,2nFx64V.

Fonte de alimentação; Osciloscópio dois canais; Gerador de funções; Proto-board.

3) Montar o circuito amplificador diferenciador inversor abaixo.

4) Aplique um sinal triangular de 1kHz e amplitude de 500mVPP. Observar e esboçar as formas de onda de entrada e saída do circuito; 5) Varie a freqüência conforme a tabela abaixo e complete os demais dados freqüência 1kHz 2kHz 3kHz 4kHz 5kHz 6kHz 7kHz 8kHz 9kHz 10kHz

VOUT

ACL

20log(ACL)

freqüência 15kHz 20kHz 30kHz 40kHz 50kHz 60kHz 70kHz 80kHz 90kHz 100kHz

VOUT

ACL

20log(ACL)

6) Retire o resistor RIN e descreva o que acontece? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 7) Inserir o resistor RIN e aplicar um sinal quadrado. Observe o sinal de saída. Comente o resultado obtido. ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 133

ELETRÔNICA 8) Montar o circuito amplificador integrador inversor abaixo.

13) Retire o resistor RF, aterre VIN, alimente o circuito e observe o sinal de saída (VOUT); ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 14) Insira o resistor RF, mantenha VIN aterrado, alimente o circuito e observe o sinal de saída (VOUT); ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 15) Aplique um sinal quadrado de 1kHz e amplitude de 500mVPP. Observar e esboçar as formas de onda de entrada e saída do circuito; 16) Varie a freqüência conforme a tabela abaixo e complete os demais dados


VOUT

ACL

20log(ACL)


VOUT

ACL

20log(ACL)

17) Aplique um sinal senoidal e observe o sinal de saída. Comente o resultado obtido. ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

Data


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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 32 OP AMP – SOMADOR Circuitos somadores analógicos permitem somar tanto valores AC como valores DC. Superposição é usado para calcular as tensões de saída resultante de cada entrada, e as tensões de saída são adicionados algebricamente para obter a tensão de saída total.

PRÉ-RELATÓRIO 32 1) Dado o circuito somador inversor, calcular os parâmetros abaixo:

V1 = 0 a 3VDC; V2 = 250mVPK @ 5kHz; V3 = 1,2VRMS @ 10kHz; V4 = -1VDC; RI1 = 18k; RI2 = 4k7; RI3 = 22k; RI4 = 27k; RF = 47k; Re = Calcular o valor de Re

2) Ganho de tensão de cada sinal de entrada;

3) Impedância de entrada de cada sinal;

4) Corrente de cada sinal de entrada;

5) Máxima variação da tensão de saída (total);

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ELETRÔNICA 6) Máxima variação da tensão de entrada (individual);

7) Impedância de saída;

8) Capacidade de corrente de saída;

9) Cálculo de Re.

10) Máxima excursão de saída do circuito:

11) Quais as aplicações deste tipo de circuito analógico? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIMENTO 32 Lista de materiais Amplificador operacional TL082 – 2 unidades; Resistores – Conforme cálculos.


12) Montar o circuito, onde V1 deverá ser um sinal senoidal cujo f = 1kHz e amplitude igual a 0,5Vpp. A tensão V2 deverá assumir o valor de 0,5VDC. Alimentar o circuito com VDC= +24VDC; RI1 = 10k; RI2 = 10k; RF = 100k; Re = 4k7.

13) Verificar primeiramente o offset do circuito; 14) Injetar os valores acima especificados e medir os sinais de entrada V1, V2 e saída Vo com o auxílio do osciloscópio (DC), desenhando-as sincronizadas no tempo e com seus respectivos pontos notáveis e valores médios. 15) Em seguida, varie progressivamente o valor da fonte V2 entre 0 e 2 V, mantendo V1 constante. Descreva o observado, justificando os resultados obtidos. Observe atentamente o sinal de saída com o auxílio do osciloscópio; 16) Implementar um circuito somador/divisor por 3, para que possa tomar por exemplo a soma de três notas e apresentar a média calculada na sua saída. Circuito implementado:

Cálculos:

Resultados:

17) De posse de todas as informações fazer relatório do experimento e anexar as folhas de pré-relatório e experimento.

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 33 OP AMP – DIFERENCIAL OU SUBTRATOR Este tipo de circuito é utilizado para se obter uma tensão igual a diferença entre duas tensões aplicadas às entradas do circuito. Em outras palavras, um circuito subtrator ou diferencial é um amplificador que reage à diferença entre dois sinais de entrada. Um exemplo sobre amplificador diferencial é o comportamento quanto ao CMRR, como pode-se observar na figura abaixo.

PRÉ-RELATÓRIO 33 1) Dado o circuito subtrator abaixo, temos a expressão de VOUT;

2) Dado circuito abaixo deduzir e mostrar a expressão para VOUT;

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ELETRÔNICA

EXPERIMENTO 33 Lista de materiais Amplificador operacional TL082 – 2 unidades; Resistores – Conforme cálculos.


3) Dado o circuito abaixo, implementar (apresentar cálculos), um subtrator com ganho unitário;

VIN1 = 10VPK VIN2 = 6VPK Cálculos:

4) Implementar o circuito do item 2, e mostrar o resultado final. Cálculos:

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 34 OP AMP – COMPARADOR Na prática surge a necessidade de se comparar dois sinais entre si, de tal maneira que um destes sinais seja a referência pré-estabelecida. Para isto utilizam-se circuitos denominados comparadores. Basicamente existem dois tipos de comparadores: comparador não inversor e comparador inversor. No primeiro caso temos o sinal de referência aplicado na entrada inversora do Op Amp, e o sinal da variável a ser comparada aplicada na entrada não inversora. No segundo caso a referência está na entrada não inversora e o sinal da variável a ser comparada está aplicado na entrada inversora. Em muitos casos existe a necessidade de se limitar a tensão de saída nos comparadores. Um dos métodos consiste na aplicação de dois diodos zener contrapostos, inseridos entre a saída e o terminal inversor do Op Amp. Outro método é a limitação de tensão de saída. Neste circuito é inserido na entrada dois diodos retificadores (1N4007) ou de sinal (1N914 ou 1N4148), com finalidade de limitar o sinal de entrada. Também torna-se possível tornar o sinal de saída compatível a nível TTL, inserindo-se na saída somente um diodo zener. Nesta condição pode-se observar que existirá uma pequena tensão negativa (0,7V) na saída do circuito.

(a)

(c)

(b)

PRÉ-RELATÓRIO 34 5) Explique como funcionam os dois diodos na entrada do circuito da figura (B); ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 6) Porque existe uma tensão negativa de 0,7V no sinal de saída no circuito da figura (C); ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 7) Quais as diferenças entre Op Amps convencionais e Op Amps comparadores? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 8) Mostre dois CIs Comparadores (modelos e pinagens)

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ELETRÔNICA

EXPERIMENTO 34 Lista de materiais Amplificador operacional comparador – 2 unidades; Resistor 10k – 1/4W – 3 unidades; Diodo Zener – 5V1 – 1W – 3 unidades;


9) Montar o circuito comparador simples como detector de passagem por zero. Ajustar o gerador de funções para fornecer um sinal senoidal de 2VPP e freqüência de 500Hz, em seguida mude para 10kHz;

10) Anotar os valores de tensões de pico negativo e positivo na saída do circuito; ______________________________________________________________________________________________________ 11) Com base nas formas de onda observadas, explique por que este circuito é também conhecido como detector de passagem por zero; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 12) Montar o circuito comparador simples como detector de passagem por zero. Ajustar o gerador de funções para fornecer um sinal senoidal de 2VPP e freqüência de 500Hz, em seguida mude para 5kHz;

13) Com base nas formas de onda observadas, explique o que ocorreu com o nível de tensão de saída do circuito? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 14) O que ocorre se um dos diodos zener do circuito acima entrar em curto? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA

OSCILADORES Em Física, qualquer sistema que apresente movimento harmônico é um oscilador, pelo simples fato de oscilar. Este movimento chama-se harmônico e é descrito por uma função harmônica no tempo. Em Eletrônica, osciladores são circuitos que geram um sinal de saída sem a necessidade de um sinal de entrada. Estes circuitos osciladores são utilizados em vários equipamentos eletrônicos. Diversos tipos de osciladores produzem diferentes tipos de sinais de saída que são: senoidais, quadrados, triangulares e dente de serra. O funcionamento do oscilador senoidal é baseado no princípio da realimentação positiva, onde uma parte do sinal de saída é re-inserido na entrada não inversora do amplificador operacional de forma a manter o sinal de saída. Aplicações: Entre as várias aplicações de um oscilador, uma delas é o Oscilador de Áudio, Osciladores de RF. HP200-Audio Oscillator: Primeiro oscilador de áudio produzido por Bill Hewlett, apresentado na defesa da sua tese de doutorado na Stanford University em 1938. O circuito consiste de um oscilador com resistência variável para cobertura de 35 cps (a unidade de freqüência naquele período era o ciclo) a 35.000 cps em três faixas. O principal problema era o ajuste do resistor e capacitor da Ponte Wien ajustados para obter um nível de saída constante sobre uma ampla gama década de freqüência. Bill Hewlett resolveu o problema introduzindo um elemento não-linear na malha de realimentação do oscilador. Este elemento controla a realimentação (feedback), de acordo com a amplitude de oscilação e, conseqüentemente, mantém o ponto de operação adequada do sistema. E o que torna a idéia de um gênio é que o elemento não-linear nada mais foi do que uma simples lâmpada de 3 watts.

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 35 OSCILADOR HARMONICO EM PONTE WIEN Um dos muitos tipos de osciladores harmônicos, ou seja, oscilador senoidal é o Oscilador em Ponte Wien. Oscilador em Ponte Wien, utiliza uma malha de avanço/atraso (Lead/Lag network) no circuito de realimentação (feedback), quando utiliza-se Op-Amps para esta finalidade. A curva de resposta para uma malha avanço/atraso, mostrada na figura abaixo, indica que a tensão de saída, chamada de freqüência de ressonância (fr), é dada por Vout/Vin = 1/3, isto se R1 for igual a R2 e XC1 igual a XC2. Logo o valor da freqüência de ressonância será dado por: fr = 1/2πRC

PRÉ-RELATÓRIO 35 1) Dado o circuito abaixo, calcular a freqüência de oscilação e o ganho de malha fechada, lembrando que o ganho deverá ser igual a 3 para que o circuito oscile;

R1 = 20k R2 = 10k R3 = 10k R4 = 10k R5 = 10k C1 = 1nF C2 = 1nF D1 = 4,7V D2 = 4,7V D1=D2=6,8V (para a questão 5)

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ELETRÔNICA EXPERIMENTO 35 Lista de materiais Amplificador operacional TL082 – 2 unidades; Resistores; Capacitores disco cerâmico; Diodo Zener.

Fonte de alimentação; Osciloscópio dois canais; Proto-board.

2) Montar o circuito oscilador em Ponte Wien e mostrar as formas de ondas nas condições do item 1 e item 5

3) Compare o resultado teórico com o experimental. ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

4) O que ocorre se o ganho de malha fechada do circuito for menor que 3? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

5) Substitua os diodos Zener D1 e D2 por valores de 6,8V. Justifique o que ocorre com esta mudança; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 36 OSCILADOR HARMONICO POR DESLOCAMENTO DE FASE (PHASE SHIFT OSCILLATOR) Phase-Shift Oscillator ou Oscilador Deslocador de Fase é o termo dado a um circuito oscilador particular que gera sinais harmônicos (senoidal) e usa uma topologia de rede RC na realimentação positiva de um Op Amp. Gera a mudança necessária a uma fase da freqüência para sustentar oscilações. Eles são moderadamente estáveis em freqüência e amplitude e muito fácil de projetar e construir. Acesse http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/Electronic/oscphas.html, para obter auxílio no projeto do Phase-Shift Oscillator.

PRÉ-RELATÓRIO 36 1) Dado o circuito abaixo, definir a freqüência de oscilação fr;

fr = _________________ 2) Calcular o valor de Rf, uma vez que B=1/29. Fixe o valor de R1=R2=R3=R=10k, C1=C2=C3=C= 1nF e calcular a frequência de oscilação do circuito.

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ELETRÔNICA 3) Prove porque o valor de B na malha RC acima (item 1) é 1/29 (modelo AC);

4) Qual é o tipo do filtro utilizado no circuito? ______________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIMENTO 36 Lista de materiais Amplificador operacional TL082 – 2 unidades; Resistor 10k – 1/4W – 5 unidades; Resistor 8k2 – 1/4W – 5 unidades; Capacitores disco cerâmico.

Fonte de alimentação; Osciloscópio dois canais; Protoboard.

5) Montar o circuito Phase-Shift Oscillator do item 1, com os cálculos do item 2. Medir freqüência e amplitude e desenhar no gráfico 1. 6) Trocar os resistores R1=R2=R3=R=10k por 8k2 e determinar a nova freqüência. Qual valor de fr encontrado. Desenhar o resultado no gráfico 2.

7) Compare o resultado teórico com o experimental. ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

8) Como o filtro do circuito é triplo, quantos graus defasam cada um para o funcionamento do oscilador? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 37 OSCILADOR HARMÔNICO DUPLO T (TWIN-T OSCILLATOR) Tal qual o oscilador harmônico em Ponte Wien, o oscilador harmônico Duplo T, utiliza dois filtros RC tipo T, operando em paralelo. Os dois filtros são distintos, sendo um passa-baixas e outro passa-altas, ambos usando a configuração dos filtros T. O filtro passa-baixas é um circuito R-C-R "T", O filtro passa-altas é um circuito C-R-C "T". Ambos circuitos formam uma ponte que está sintonizado na freqüência de oscilação desejada. O sinal no ramo do C-R-C - Twin T filtro avança o sinal, e no R-C-R – atrasa o sinal de forma que ambos se cancelam comportando-se como um filtro NOTCH, fazendo com que se obtenha neste ponto a frequência de oscilação. Para que o circuito oscile a realimentação neste caso deve ser pela entrada inversora do OpAmp, ou seja, utiliza a realimentação negativa (negative feedback). Por outro lado a realimentação positiva (positive feedback) determina o ganho do oscilador.

A frequência de oscilação é calculada a partir da expressão: X=2, logo o ganho do amplificador terá que ser X>2, para R1 e R2.

, onde C=C2=C3, R=R3=R4, e C1= C.X e R5=R/X, onde se

PRÉ-RELATÓRIO 37 1) Construir um oscilador senoidal duplo T, para uma freqüência de sua escolha. Freqüência: ____________ Apresentar os cálculos da freqüência e os respectivos valores dos seus componentes R1: ____________ R2: ____________ R3: ____________ R4: ____________ R5: ____________ C1: ____________ C2: ____________ C3: ____________

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ELETRÔNICA

EXPERIMENTO 37 Lista de materiais Amplificador operacional TL082 – 2 unidades;


2) Montar o circuito oscilador duplo T, inserindo os valores calculados. Mostrar o sinal de saída obtido.

3) Os valores corresponderam a freqüência desejada. ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

4) No lugar do resistor de realimentação positiva, associe um trimpot em R2 varie o seu valor. Comente o resultado obtido. ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

5) Variando-se a tensão de alimentação, variou a freqüência de saída. ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 38 OSCILADOR HARMONICO COLPITTS (COLPITTS OSCILLATOR) Osciladores harmônicos Colpitts são geralmente para aplicações em freqüências fixas. Neste experimento, projetar e calcular a freqüência de um oscilador duplo T. Indicar a referência da consulta.

PRÉ-RELATÓRIO 38 1) Construir um oscilador senoidal duplo T, para uma freqüência de sua escolha. Freqüência: ____________ Apresentar os cálculos da freqüência e os respectivos valores de R1 e C1. R1: ____________ C1: ____________

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ELETRÔNICA



2) Montar o circuito oscilador colpitts, inserindo os valores de R1 e C1 calculados. Mostrar o sinal de saída obtido.


4) No lugar do resistor de realimentação positiva, associe um trimpot e varie freqüência. Comente o resultado obtido. ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________


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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 39 OSCILADOR HARMONICO CLAPP (THE CLAPP OSCILLATOR) Osciladores senoidais tipo Clapp são geralmente para aplicações em freqüências fixas. Neste experimento, projetar e calcular a freqüência de um oscilador duplo T. Indicar a referência da consulta.


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ELETRÔNICA



2) Montar o circuito oscilador Clapp, inserindo os valores de R1 e C1 calculados. Mostrar o sinal de saída obtido.




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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 40 OSCILADOR HARMONICO HARTLEY (THE HARTLEY OSCILLATOR) Osciladores senoidais Hartley são geralmente para aplicações em freqüências fixas. Neste experimento, projetar e calcular a freqüência de um oscilador duplo T. Indicar a referência da consulta.


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2) Montar o circuito oscilador duplo T, inserindo os valores de R1 e C1 calculados. Mostrar o sinal de saída obtido.




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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 41 OSCILADOR HARMONICO ARMSTRONG (THE ARMSTRONG OSCILLATOR) Osciladores senoidais Armstrong são geralmente para aplicações em freqüências fixas. Neste experimento, projetar e calcular a freqüência de um oscilador duplo T. Indicar a referência da consulta.


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7) Montar o circuito oscilador duplo T, inserindo os valores de R1 e C1 calculados. Mostrar o sinal de saída obtido.




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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 42 OSCILADOR DE RELAXAÇÃO Osciladores de Relaxação são geralmente para aplicações em freqüências fixas. Neste experimento, projetar e calcular a freqüência de um oscilador duplo T. Indicar a referência da consulta.


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12) Montar o circuito oscilador de Relaxação, inserindo os valores de R1 e C1 calculados. Mostrar o sinal de saída obtido.




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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 43 OSCILADOR PWM Modulação por largura de pulso (Pulse Width Modulation), conhecida como PWM é uma técnica utilizada para controlar circuitos analógicos em várias aplicações. Dentre elas, temos o controle de velocidade de motores DC, motores de passo e intensidade luminosa através do disparo de Triacs. O circuito PWM gera um sinal quadrado, com a largura do pulso variável. Estas larguras variam desde 5% até 95%.

PRÉ-RELATÓRIO 43 1) Utilizando o CI NE555, projetar um controlador PWM variável;

2) Utilizando um Op Amp, projetar um controlador PWM variável, inserir um acoplador óptico (MOC3033) para controlar um TRIAC TIC236M. Utilizar como carga uma lâmpada 127V – 100W

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ELETRÔNICA

EXPERIMENTO 43 Lista de materiais Oscilador NE555 – 3 unidades; Amplificador Operacional TL082 – 3 unidades; Diodo 1N4148 – 5 unidades; Resistores; Capacitores; Trimpots ou potenciômetros

Multímetro; Fonte de alimentação; Osciloscópio dois canais; Gerador de funções; Protoboard.

3) Implementar o circuito do item 1. Colocar na saída um circuito Open Collector ou Seguidor de Emissor ou Totem Pole, para controlar um motor DC. Comente os resultados. _________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________

4) Implementar o circuito do item 2. Colocar na saída um circuito Open Collector ou Seguidor de Emissor ou Totem Pole, para controlar um motor DC. Comente os resultados. _________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 44 CIRCUITO GERADOR DE BURST Geradores de Burst são utilizados para envio de informações em forma de pacotes. Quando se trata de utilizar o protocolo IrDA (The Infrared Data Association), este tipo de circuito é apropriado, uma vez que a transmissão é feita através de fototransmissores e capturada através de fotorreceptores.

Circuitos osciladores utilizando o CI NE555, do tipo ASTÁVEL e MONOESTÁVEL (one shot) e suas respectivas expressões para cálculo dos intervalos.

Circuito ASTÁVEL

Circuito MONOESTÁVEL

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ELETRÔNICA

PRÉ-RELATÓRIO 44 1) Implementar o circuito abaixo para funcionar como um circuito astável para 10 Hz;

2) Implementar o circuito abaixo para funcionar como um circuito astável para 38 kHz.

3) Defina o que vem a ser Protocolo IrDA e quais sua principais características? ______________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIMENTO 44 Lista de materiais CI NE555 – 3 unidades; Foto-transmissor TIL38 (ou equivalente) – 3 unidades; Foto-receptor IRM-8751-1; Resistores; Capacitores.


4) Montar o circuito abaixo, utilizando os cálculos executados nos itens 1 e 2 do pré-relatório 27 (U1=10Hz, U2=38kHz);

5) Verificar as freqüências em ambos os circuitos (U1 e U2);

6) Inserir na saída do circuito um foto-emissor (fotodiodo) modelo TIL38;

7) Construir um circuito receptor utilizando o IRM-8751 (Infrared Remote-control Receiver Module) e mostrar a forma de onda obtida (envoltório), uma vez que este circuito possui um filtro passivo passa-baixas;

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ELETRÔNICA 8) Mude a freqüência de U1 para 5Hz e mostre o sinal de saída;

9) Mostre o esquema elétrico do circuito receptor utilizando o IRM-8751.

10) Cite e descreva uma aplicação para este tipo de circuito ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA

GERADORES DE FUNÇÕES Amplificadores operacionais em configuração circuitos comparador e integrador permitem a construção de geradores de funções. As funções usuais são onda quadrada, triangular e senoidal. Completando o segmento as funções dente de serra que usualmente são à esquerda e a direita. A combinação ou associação destes circuitos permite a construção de um gerador de funções, como pode-se ver no circuito abaixo (Integrated Circuits Applications – Forrest M Mims III) descrito.

Várias são as configurações de geradores de funções. O circuito abaixo mostra um gerador de funções com saídas senoidal, triangular e quadrada com ajustes de freqüência, utilizando o CI XR2206 da EXAR. Este gerador vai de 0,1Hz a 1MHz. Gera sinais senoidal, triangular e quadrado. Impulso positivo e impulso negativo.

CI1 – XR2206, CI2 – 74LS13, CI3 – 74LS90, CI4 – 74LS121; Alimentação V+ = 18V, CI‟s TTL = 5V.

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 45 GERADOR DE ONDA QUADRADA O circuito abaixo representa um circuito gerador de onda quadrada a partir de um oscilador RC, e o gráfico ao lado mostra a forma de onda de saída e a de carga e descarga do capacitor.

A saída VO é grampeada por dois diodos zener (back to back) e o sinal de saída limitado por +VZ e –VZ. O valor de é dado por: = R3/ (R2 + R3). A tensão de entrada é definida por: Vi = Vc - VO. Sendo a topologia deste circuito a de um comparador, temos que, quando Vi for positivo, VO = VZ, por outro lado, quando Vi for negativo, VO = +VZ. Considerando um instante de tempo onde Vi < 0 ou Vc < VO = VZ, o capacitor C carregará exponencialmente na direção de +Vz, através da combinação R‟C enquanto V C. A saída permanece constante em +Vz até que VC se iguale a + Vz. Neste momento a saída do comparador mudará de estado indo para –VZ. No momento t=0, onde VC = - VZ, para o t/R’C primeiro meio ciclo (T/2), teremos: VC(t) = VZ [1 – (1 + ] (para +VZ = VZ = VZ). Dessa forma o período da saída (VO) será dado por: T =2R’C ln (1 + Note que T independe do valor de VZ.

PRÉ-RELATÓRIO 45 1) De posse das expressões acima, calcular os componentes para uma freqüência de 5kHz e 10kHz respectivamente;

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ELETRÔNICA

EXPERIMENTO 45 2) Montar o circuito do item 1. 3) Verifique o funcionamento do circuito e mostre os sinais de saída (VO) e carga do capacitor (VC);

4) Qual a finalidade do resistor R1 no circuito? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 5) Retire os diodos zener do circuito e descreva o que ocorre? Qual a finalidade destes dois diodos? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 6) Mostre o resultado com retirada dos diodos zener?

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EXPERIÊNCIA 46 GERADOR DE ONDA TRIANGULAR Para que se possa gerar uma onda triangular é necessária a utilização a utilização de um gerador de onda quadrada (experiência 45). Pode-se observar no gráfico abaixo que o gerador de onda quadrada é obtido de uma onda triangular, sedo que esta onda triangular apresenta em suas bordas uma forma exponencial, originada pela carga e descarga do capacitor.

Para linearizar a forma triangular, é necessário que C (capacitor) carregue de forma constante. No circuito abaixo um segundo Op Amp é utilizado para manter a corrente de C constante e obter uma saída linear. Uma vez que o integrador é utilizado na forma inversora, a realimentação ao diferenciador é positiva (positive feedback).

Quando o comparador atinge tanto o estado de saturação positivo como o negativo, os diodos zener atuam como grampeadores (clamping), limitando a tensão V, entre +VZ e –VZ. Assumindo que V= –VZ para t = t0, logo a corrente circulando através do integrador será: I+ = VZ / (R3 + R4) e a saída do integrador começa a mostrar uma rampa descendente, e o sinal de saída é dado por: t

VOUT(t) = VOUT(t0) – 1/C to∫ I+ dt = VOUT(t0) – I+/C(t – t0) A tensão no pino não inversor do comparador é dada por: V3(t) = {R5VZ / R1 + R2 + R5} + {(R1 + R2)VOUT(t)/R1 + R2 + R5} Quando V3 vai para zero e se torna negativo, a saída do comparador muda para o estado de saída negativo e V = –VZ. Neste ponto t = t1 e V3 em t1 = 0V, logo VOUT(t1) = – [R5/R1 + R2)] VZ e em t2, VOUT = +[R5/R1 + R2)] VZ. A freqüência da onda triangular é determinada pela expressão f = R1 + R2 / 4(R3 + R4)R5C

PRÉ-RELATÓRIO 46 1) De posse das expressões abaixo, calcular os componentes para uma freqüência de 5kHz e 10kHz respectivamente, em seguida adicione potenciômetros variáveis, e observe a variação das freqüências;

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ELETRÔNICA

EXPERIMENTO 46 2) Montar o circuito do item 1. 3) Verifique o funcionamento do circuito e mostre os sinais de saída (VOUT) e carga do capacitor (VC);

4) Qual a finalidade do resistor R5 no circuito? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 5) Retire os diodos zener do circuito e descreva o que ocorre? Qual a finalidade destes dois diodos? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 6) Mostre o resultado com retirada dos diodos zener?

7) Coloque em curto um dos diodos zener e descreva o que acontece com o sinal de saída. Mostre a forma de onda; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 47 GERADOR DE ONDA SENOIDAL A PARTIR DE ONDA TRIANGULAR Sinais senoidais são obtidos a partir de osciladores harmônicos. Nas experiências anteriores foram mostrados três tipos de osciladores que permitem gerar sinais senoidais. Outra forma de se obter um sinal senoidal é a partir de um sinal triangular que pode ser obtido através de uma matriz de diodos ou transistores. Este tipo de técnica dispensa a utilização de um dos tipos de osciladores acima citados. O conformador a matriz de diodos é o mais utilizado para obtenção de sinal senoidal. Este circuito consiste de uma rede de resistores e diodos. O diodo faz o papel da chave. Seu funcionamento ocorre da seguinte forma: no ponto T é inserido um sinal triangular proveniente do circuito integrador. No instante em que o sinal triangular sair de 0 para V+, e aparecer uma tensão diferente de 0V, aparecerá no ponto A uma tensão menor dada por VA = [RY/(RX + RY)]VT, ou seja a tensão dada pelo divisor de tensão formado por RX e RY. No instante seguinte (t2) a tensão será um pouco maior que V1 + VD, e o diodo D1 conduzirá, colocando R3 em paralelo com RY. O valor de RD é desprezível em relação a R3 e com isto aparecerá um divisor de tensão formado por RX mais RY em paralelo com R3, dada pela expressão (RY//R3) e VA(t2) = [(RY//R3)/ RX + (RY//R3)]VX. A tensão de saída sofrerá uma atenuação em relação ao sinal de entrada e terá um ligeiro achatamento. No instante (t3), quando a tensão no ponto A for maior que V2 + VD, o diodo D2 conduzirá e colocará R2 em paralelo com R3, que por sua vez já se encontra em paralelo com RY. Neste instante a forma de onda sofrerá um novo achatamento em função ao novo divisor e VA(t3)= [(RY//R3//R2)/ RX + (RY//R3//R2)]VX. Da mesma maneira no instante (t4), D3 entrará em condução e a tensão será VA(t4)=[(RY//R3//R2//R1)/ RX + (RY//R3//R2//R1)]VX.

PRÉ-RELATÓRIO 47 1) Mostre o mesmo circuito, utilizando transistores ao invés e diodos como chaves;

2) Projete o circuito acima descrito (matriz de diodos) e implemente o mesmo.

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ELETRÔNICA

EXPERIMENTO 47 3) Montar o circuito do item 1. Aplicar um sinal triangular de 1KHz. 4) Verifique o funcionamento do circuito e mostre os sinais de saída (VT) e carga do capacitor (VS);

5) É possível melhorar a forma do sinal de saída? Explique como? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 48 GERADOR DE IMPULSOS Circuito gerador de impulsos a partir do CI NE555. Este circuito permite controlar o intervalo dos pulsos assim como a largura dos mesmos através de décadas capacitivas, conforme figura abaixo.

PRÉ-RELATÓRIO 48 1) Explique a diferença entre um gerador de funções e um gerador de impulsos; ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 2) Descreva o que vem a ser “rise-time”? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 3) Descreva o que vem a ser “fall-time”? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 4) Descreva o que vem a ser “delay”? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA EXPERIMENTO 48 Lista de materiais Oscilador NE555; Resistores e Capacitores;


5) Montar o circuito gerador de impulsos abaixo.

6) Verifique com auxílio do osciloscópio as variações das freqüências e duração dos pulsos, para cada um dos capacitores do circuito; Freqüência

Período

Pos 1

C1

Pos 1

C6

Pos 2

C2

Pos 2

C7

Pos 3

C3

Pos 3

C8

Pos 4

C4

Pos 4

C9

Pos 5

C5

Pos 5

C10

7) Qual a amplitude mínima e qual a amplitude máxima de saída do circuito gerador de pulsos; ______________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 49 GERADOR DE FUNÇÕES - DIGITAL Osciladores analógicos produzem excelentes geradores de sinais, principalmente para sinais senoidais, porém, projetá-los requer um bom conhecimento em circuitos analógicos. Uma solução é projetar um circuito digital que permita gerar uma forma de onda senoidal a partir de registradores de deslocamento e a utilização de um filtro passa-baixas de segunda ordem na sua saída, conforme diagrama de blocos abaixo. Utilizando flip-flops e um filtro passa-baixas na sua saída, projetar um gerador de sinais senoidal, triangular e quadrada. 1) Abaixo, o exemplo de um gerador de sinal senoidal:

sinal antes do filtro PB

sinal senoidal filtrado

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ELETRÔNICA 2) Esquemático do circuito projetado:

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 50 GERADOR DE FUNÇÕES - ANALÓGICO Osciladores analógicos produzem excelentes geradores de sinais, principalmente para sinais senoidais, porém, projetá-los requer um bom conhecimento em circuitos analógicos. Utilizando um integrador e um comparador pode-se construir um gerador de funções para produzir sinais triangular, quadrado, dente de serra para direita e para esquerda, com variação de ângulo. Para gerar sinal senoidal, utiliza-se uma matriz de diodos sobre o sinal triangular, transformando este sinal em senoidal. Para que a saída do gerador possa fornecer uma boa corrente utiliza-se um circuito “totem-pole”, muito comum para estes tipos de aplicações. 1) Abaixo, o exemplo de um gerador de funções:

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ELETRÔNICA 2) Esquemático do circuito projetado:

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ELETRÔNICA

FILTROS

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 51 PLL – PHASE LOOKED-LOOP Geradores PLL são os conhecidos conversores tensão-freqüência, muito utilizados na transmissão de dados em meios tais como rádios FSK ou fibras ópticas. O circuito gerador e recuperador de informação usa o CI CD4046, que é um CI PLL.

EXPERIMENTO 51 Implementar utilizando o CI CD4046 um transmissor PLL e um recuperador de informação PLL. O meio de comunicação será com fibra óptica plástica. Utilizar como meio de comunicação o kit abaixo.

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 52 REGULADORES DE TENSÃO Reguladores de Tensão são utilizados em fontes de alimentação e tem por finalidade manter a tensão de saída constante, mesmo havendo variações na tensão Contínua de entrada. Neste experimento será visto a utilização e aplicação de reguladores de Tensão para saídas positiva e negativa. PRÉ-RELATÓRIO 52 1) De posse do datasheet do regulador de Tensão LM7805, preencher a tabela de características abaixo.

2) Existem reguladores de Tensão da família LM78XX, para várias tensões de saída. Preencha a tabela ao lado, mostrando os valores de tensão

Tipo LM7805

VOUT 5V

3) Qual a tensão máxima de entrada de um regulador de Tensão LM7805? ______________________________________________________________________________________________________ 4) Qual tensão mínima de entrada para um regulador de Tensão LM7812? ______________________________________________________________________________________________________

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Lista de materiais Regulador de tensão 7805, 7812; Regulador de tensão 7912; Capacitor 470uF x 50V; Capacitor 1000uF x 50V; Capacitor 100nF x 50V (disco cerâmico); LED Vermelho (5mm); Resistor 330R, 1k; Resistor de fio 47R (5W).

Multímetro; Proto-board; Datasheet reguladores de tensão.

5) Monte no proto-board o circuito regulador positivo de 5VCC. Adicione ao circuito os capacitores e o resistor de carga. Conecte a fonte de alimentação e proceda conforme a tabela ao lado;

6) A partir de que valor de tensão de entrada o regulador passou a fornecer a tensão nominal (5VCC)? ________________________________

INPUT E(V) 2VDC 3VDC 4VDC 5VDC 6VDC 7VDC 8VDC 9VDC 10VDC 12VDC 15VDC 20VDC

OUTPUT E(V) I(A)

7) Aplique um curto momentâneo na saída OUTPUT. Descreva o que foi observado no Amperímetro e no Voltímetro durante o curto e depois da retirada do curto. ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

8) Substitua o regulador de 5VCC pelo de 12VCC. Adicione ao circuito os capacitores e o resistor de carga. Conecte a fonte de alimentação e proceda conforme a tabela ao lado;

9) A partir de que valor de tensão de entrada o regulador passou a fornecer a tensão nominal (12VCC)? ________________________________

INPUT E(V) 6VDC 8VDC 10VDC 12VDC 13VDC 14VDC 15VDC 18VDC 19VDC 20VDC 25VDC 30VDC

OUTPUT E(V) I(A)

10) Em que faixa de tensão de entrada, a saída do regulador de tensão 7812 mostrou-se estável? ______________________________________________________________________________________________________ 11) Quais as vantagens que um regulador de tensão apresenta quando utilizado em fontes de alimentação? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 182

ELETRÔNICA 12) Monte no proto-board o circuito regulador negativo de 12V CC. Adicione ao circuito os capacitores e o resistor de carga. Conecte a fonte de alimentação e proceda conforme a tabela ao lado;

13) A partir de que valor de tensão de entrada o regulador passou a fornecer a tensão nominal (-12VCC)? ________________________________

INPUT E(V) -6VDC -8VDC -10VDC -12VDC -13VDC -14VDC -15VDC -18VDC -19VDC -20VDC -25VDC -30VDC

OUTPUT E(V) I(A)

14) Aplique um curto momentâneo na saída OUTPUT. Descreva o que foi observado no Amperímetro e no Voltímetro durante o curto e depois da retirada do curto. ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

15) Em que faixa de tensão de entrada, a saída do regulador de tensão 7912 mostrou-se estável? ______________________________________________________________________________________________________

16) Caso a fonte que alimenta o regulador de tensão variar, o que ocorrerá com a tensão de saída? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ 17) Descreva o conceito de regulador de tensão “low-dropout”, conhecidos como LDO‟s: ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 53 REGULADORES DE CORRENTE Reguladores de corrente ou fontes de corrente são amplamente utilizadas na alimentação de circuitos que exijam um bom controle no seu ponto de operação. Por exemplo, a utilização de LED‟s associados, ou então para pequenos carregadores de baterias do tipo NiCd e NiHi.

EXPERIMENTO 53

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 54 PRÉ-AMPLIFICADOR DE ÁUDIO INTEGRADO

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 55 PRÉ-AMPLIFICADOR DE ÁUDIO DISCRETO

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 56 EXPANSOR LINEAR DE VOLUME

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 57 AGC – CONTROLE AUTOMÁTICO DE GANHO Circuito CAG – Controle Automático de Ganho (do inglês, AGC – Automatic Gain Control), é um circuito utilizado em vários equipamentos eletrônicos, desde áudio, televisores até telefones celulares. Seu papel é o de manter o nível de sinal estável, sem saturá-lo assim como não deixá-lo ir ao corte, ou seja, este circuito procura manter o sinal sempre em uma região linear. O funcionamento deste tipo de circuito pode ser visto no diagrama elétrico abaixo de forma simplificada, onde o ganho é dado por AV = - Rf / Ri. Nesta configuração o correto para que o ganho seja alterado seria o ajuste de R f, porém neste circuito o ganho é ajustado de modo automático pela variação da resistência de canal de um transistor MOSFET canal P em paralelo com um resistor RX.

Funcionamento do Circuito CAG: O ganho deste circuito é ajustado mediante a variação do valor da resistência interna de M 1. Este ajuste é obtido pela variação da resistência de canal do MOSFET, conhecida como RDS (resistência Dreno-Fonte, ou Drain-Source), que é controlada pela polarização da Porta-Fonte (Gate-Source). Quando não há sinal aplicado à entrada do circuito, o transistor Q1 (BC548C) está saturado, conseqüentemente M1 (BSS84) recebe a máxima polarização. Isto coloca o amplificador operacional no seu estado de máximo ganho. Ao aplicar um sinal de entrada, a saída do amplificador operacional leva transistor Q 1 ao estado de condução, fazendo com que a tensão de porta de M1 diminua, aumentando a resistência de canal (RDS), fazendo com que o sinal de entrada seja reduzido e por sua vez reduzindo o sinal de saída. Ao diminuir o sinal de entrada, o transistor Q1, começa a se deslocar para a região de corte, fazendo com que tensão de coletor aumente, aumentando a tensão de porta de M1, fazendo com que RDS diminua e o sinal de entrada seja amplificado.

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 58 CURRENT DUMPING AMPLIFIER Current Dumping Amplifier, é uma invenção da empresa Quad (http://quad405.com/history.html), e descreve a primeira aplicação de sucesso de um circuito realimentado para correção de erro em amplificadores de áudio. O Current Dumping Amplifier consiste de um amplificador alta potência, onde nas baixas potências apresenta também alta qualidade. Seu circuito de pré-estágio foi desenvolvido de modo a monitorar tanto o sinal de entrada como o de saída. Este circuito detecta qualquer diferença e realimenta com a necessária correção a saída do estágio de potência. A qualidade é exclusivamente dependente do desempenho do pré-estágio do amplificador, juntamente com quatro componentes passivos. Quando montado corretamente, a distorção do estágio de saída é reduzida a zero. Com esta técnica é possível produzir um amplificador com alto desempenho e componentes de saída robustos. Não existe problema de tensão de “bias” na saída, assim como não é necessário nenhum ajuste para o melhor desempenho deste tipo de amplificador. Em caso de falha de algum componente, o mesmo pode ser substituído até mesmo por um equivalente O artigo do "Current Dumping" foi originalmente apresentado na AES 50th Convention. O princípio básico de um Current Damping Amplifier explora o fato de que, devido ao efeito das quatro componentes passivos R2, R3, L e C mostrado na figura ao lado, onde a característica de nãolinearidade da fase de saída torna-se desprezível. Assim é possível usar um estágio de saída tipo Classe B, onde os transistores de saída são polarizados no ponto de corte onde não haja corrente quiescente de saída, com todas as vantagens e nenhuma desvantagem para esta configuração. Por exemplo, não existe distorção na saída (crossover distortion).

EXPERIMENTO 52 O circuito mostrado na figura abaixo mostra um amplificador de áudio com estágio de saída Classe B, com potência de saída de 100WRMS a 4Ohms e distorção harmônica de 0.006% em 1 kHz, com uma alimentação simétrica de ±30VDC. Para diminuir mais ainda sua distorção harmônica, basta ajustar o valor de C3. O resistor R9 é uma carga fantasma. O estágio de potência é controlado pelos transistores T1 e T4, através de T2 e T5, que são conectados em série com as fontes de alimentação positiva e negativa, que por sua vez alimentam IC1. A escolha de um amplificador operacional de bom desempenho (alto SlewRate) permite um melhor funcionamento do Current Damping Amplifier. O circuito original extraído da revista ELEKTOR edição de julho/agosto de 1979, página 7-37, utiliza um amplificador operacional LM741. Como mencionado acima, o amplificador operacional pode ser substituído por um de melhor desempenho, podendo ser um LM144 ou então um Op Amp da família TLV (Texas Instruments) Montar o circuito especificado e levantar suas características funcionais.

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 59 LM12 – AMPLIFICADOR DE POTÊNCIA O Amplificador Operacional LM12 (A Monolithic Power Op Amp), é um amplificador operacional de potência capaz de suprir uma corrente de 10A a 35V. Este circuito é todo integrado, construindo em tecnologia de silício no modo single chip. Suporta picos de potência a taxa de 800W. O circuito abaixo mostra um amplificador mono de 80WRMS a 8ohms. Sua alimentação é simétrica para 35VDC. Seu circuito interno é mostrado na figura seguinte. Montar o circuito abaixo e levantar as características do amplificador

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 60 LM12 – AMPLIFICADOR EM PONTE (BRIDGE AMPLIFIER) Amplificadores em ponte apresentam um rendimento maior. Estes amplificadores são montados a partir de amplificadores mono. O circuito abaixo é uma configuração em ponte (bridge), utilizando o OpAmp LM12. Podemos observar que a saída para o alto falante utiliza as saídas positivas, não havendo neste caso a referência a terra. A saída positiva amplifica o semi-ciclo positivo e a saída negativa, o semi-ciclo negativo. Desta maneira o sinal é multiplicado por quatro. Montar o circuito abaixo e levantar as características do amplificador

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 61 FONTE DE ALIMENTAÇÃO LINEAR – VARIÁVEL 2 A 30VDC Fontes de alimentação para bancadas são essenciais em se tratando de desenvolvimento de projetos. De um modo geral fontes para este tipo de aplicação necessitam de proteção contra curtos ou sobre correntes. A fonte da alimentação apresentada fornece 1A, podendo ser alterada para 3A, trocando-se o transformador e ajustando-se o resistor limitador de corrente, uma vez que o transistor de potência suporta tal corrente. Fonte de alimentação variável: 2 a 30VDC; Corrente máxima: 1 A Proteção contra sobrecorrente; Regulação: 0,6%; Ripple: < 3mV;

EXPERIMENTO 51 Lista de materiais T1 Trafo 127/220V – 30V – 1A; D1,D2,D3,D4 1N4007; D5 Led Verde; D6 1N914; D7 Led Vermelho; D8 Zener 6,2V – 1W; C1 4700uF x 50V; C2 220nF x 50V; C3 470uF x 50V; C4 100nF x 64V;

Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8

2N2905; BC408; 2N3053; 2N2905; 2N3055; 3k9; 3k9; 1,2R – 2W; 2k7; 5k6; 22k – linear; 2k7; 680R

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 62 CIRCUITO SEQÜÊNCIAL DE 16 CANAIS – UP/DOWN Circuito flash de 16 canais crescente/decrescente com clear e circuito de clock astável.

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 63 CONTADOR SEQÜÊNCIAL Circuito seqüencial utilizando o CI CD4017, podendo fazer contagem de 0 a 10, com reset aplicável a qualquer valor da contagem. Utiliza como gerador de clock um circuito astável a partir do CI NE555. O componente POT é um potenciômetro que permite o ajuste da velocidade de clock.

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 64 FOTOCÉLULA INTELIGENTE Projetar uma fotocélula programável que funcione a partir do seu acionamento, por 6 horas e se desligue. Através de pontos de entrada, inserir sensores que permitam estarem integrados a portões, portas ou demais locais, que ao serem utilizados façam as lâmpadas se acenderem por um determinado tempo e depois serem desligadas. Esta função só poderá funcionar após a fotocélula ter completado o seu ciclo normal de funcionamento. O ciclo normal de funcionamento poderá ser programável, devido a sazonalidade das estações do ano, podendo assim funcionar por 4, 5 ou 6 horas. O acionamento temporário poderá ser programável também, variando de 5, 10 ou 15 minutos. 1) Esquemático do circuito projetado: O circuito sensor da fotocélula é composto de um foto-receptor, polarizado reversamente, de um resistor para o controle de histerese, associado a um capacitor. Incidindo luz sobre o foto-receptor, este estará em condução e a saída em VCC. Na ausência ou diminuição do nível de iluminamento, este irá para corte, levando o circuito para tensão baixa na sua saída. Por norma uma fotocélula deve operar nas faixas de 3 LUXES (para acionar a carga) e 6 LUXES (para desacionar a carga). O restante do circuito pode utilizar OpAmps, um Microcontrolador ou uma CPLD.

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ELETRÔNICA

EXPERIÊNCIA 65 SENSOR DE TEMPERATURA Projeto de um sistema sensor de temperatura utilizando PTC100.

1. Características A tensão na saída atinge os extremos de 200mV e 5V em correspondência a resistências do sensor (Pt100) de 92,16R (-20oC) e 175,84R (200oC). Caso ocorra uma abertura do circuito do sensor (quebra do sensor ou da fiação) a tensão de saída sobe além de 5V. Caso ocorra o contrário, curto-circuito nos terminais do sensor, a tensão de saída assume valores da ordem de 50mV. A observação destes valores permite, portanto, o diagnóstico primário do sensor.

2. Característica peculiar do op-amp Os op-amps usados são do tipo Rail-to-Rail (TLV2404). Medidas mostraram que estes op-amps têm baixíssima capacidade de drive na saída! Por esta razão foram usados os transistores NPN (BC337) nas saídas de U1 e U2. Caso estes op-amps sejam substituídos por um outro op-amp sem esta limitação, então estes transistores podem ser omitidos. Nesta função, é fundamental que os op-amps tenham baixo drift de offset (menor que 3uV/oC) para assegurar a precisão do circuito.

3. Funcionamento

HI

Uma fonte de referência de tensão de 2,5V (LM336-2.5) é polarizada através de R12 com cerca de 1mA. O valor da tensão de referência que será efetivamente aplicada ao circuito pode ser ajustado em 10% (para menos) do seu valor. Como será mostrado em seguida, este ajuste da tensão de referência implementa o ajuste de ganho do circuito. Graças ao alto ganho do op-amp U1, a tensão sobre R4 é mantida em Vr, produzindo, então, uma corrente constante e termicamente estável que polariza o resistor Rzero.

9V

U1 R12 4.7k

Op-amps: TLV2404

Q1

Vdd

bc337

A

Rzero 90

LM336

R11 1k

R5

R4 1.64k

Vr

1k

40k

U3

9V

Vdd

HI

9V HI

2.5V

R9 10k

R6

R7

U2 Vdd

Q2 bc337

Rsensor {Rx} R2 1.64k

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1k

B

R8 40k

saida

ELETRÔNICA De maneira absolutamente idêntica, o sensor PTC100 que está indicado como RSENSOR é polarizado com uma corrente de mesmo valor. Conseqüentemente, as tensões nos pontos A e B serão dadas por:

VA VB

Rzero Vr R4 Rsensor Vr Vr R2 Vr

Como R2 = R4 (resistores de 1%), então a diferença entre estas tensões será:

VB VA

Vr Rsensor Rzero R2

Considerando que o sensor deve operar na faixa de –20oC a 200oC, a correspondente variação de resistência é de 83,68 . Portanto, a variação desta tensão diferencial é de 127,5mV. Para que isto corresponda à variação de 5V na saída o sinal deve ser ampliado de 40 vezes. Por esta razão é usado um amplificador diferencial, implementado como U3 e os resistores R5-R8. O ganho deste amplificador é dado pela razão R6/R5. É importante casar os pares de resistores R5-R7 e R6-R8 (usar resistores de 1%) para garantir alta rejeição aos sinais de modo comum. Desse modo, a função de transferência do circuito é dada por:

Vsaida

R6 Vr Rsensor Rzero) R5 R2

Os ajustes de Zero e de Fundo de Escala são independentes um do outro. 4. Conversão Tensão-Freqüência Considerando que esta tensão será convertida em freqüência para posterior transmissão via fibra-óptica, é importante verificar se esta conversão não introduz erros inaceitáveis na medida da temperatura. Para isto, um conversor V-F utilizando o CD4046 na configuração mostrada na figura seguinte foi caracterizado em temperatura, aplicando-se três valores distintos de tensão. O resultado obtido é mostrado abaixo.

4046

Ventrada 9

Fsaida

C1 20n

4

7 6 11

R13 10k

8

5

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O circuito (alimentado com 9VCC) foi colocado numa câmara climática, aplicando-se tensão em VENTRADA produzida por um gerador universal de tensão HP-3245A (alta precisão). O sinal de saída foi medido com ajuda de um osciloscópio. Os resultados obtidos estão condensados na tabela abaixo. 3.0V

5.0V

7.0V

0o C

1.256 KHz

2.632 KHz

3.905 KHz

o

20 C

1.289 KHz

2.659 KHz

3.906 KHz

40oC

1.322 KHz

2.659 KHz

3.846 KHz

o

60 C

1.344 KHz

2.688 KHz

3.845 KHz

80oC

1.374 KHz

2.688 KHz

3.676 KHz

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ELETRÔNICA Os correspondentes coeficientes térmicos são: 1175 ppm/oC em Ventrada=3V 266 ppm/oC em Ventrada=5V 778 ppm/oC em Ventrada=7V A estabilidade do VF é satisfatória para a aplicação.

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ELETRÔNICA

Rev. 0.4 – jan/2011 Rev. 0.3 – jan/2010 Rev. 0.2 – jan/2009 Rev. 0.1 – ago/2008 Rev. 0.0 – jan/2008

Elaborado por: Ivan Jorge Chueiri, MSc – Professor Assistente PUCPR – Pontifícia Universidade Católica do Paraná e-mail: [email protected] Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta apostila poderá ser reproduzida, sejam quais forem os meios empregados, sem a permissão dos autores. ijC/ijc 200

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