Embed Size (px)
DESCRIPTION
Guia para a realização de experimentos em laboratório, da disciplina de eletrônica.
Citation preview
UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE
CENTRO DE ENGENHARIA ELEacuteTRICA E INFORMAacuteTICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELEacuteTRICA
LABORATOacuteRIO DE ELETROcircNICA
Experimento 1
AMPLIFICADOR OPERACIONAL
Aplicaccedilotildees lineares com amplificadores operacionais
Comparador de tensatildeo Geraccedilatildeo de sinal PWM amplificador
inversor amplificador natildeo inversor e integrador
1
LABORATOacuteRIO DE ELETROcircNICA
Guia de Experimentos
2
EXPERIMENTO 1
INTRODUCcedilAtildeO
Aplicaccedilotildees lineares com amplificadores operacionais Objetivos Gerais
Montagem e observaccedilatildeo experimental com diversos circuitos usando amplificador operacional Os experimentos de laboratoacuterio aqui apresentados tecircm por objetivo o estudo das caracteriacutesticas eleacutetricas dos amplificadores operacionais bem como familiarizar o aluno com algumas de suas principais aplicaccedilotildees tais como comparador de tensatildeo geraccedilatildeo de sinal modulado por largura de pulso PWM [Pulse Width Modulation] amplificador inversor amplificador natildeo inversor e integrador Objetivos Especiacuteficos
Apoacutes completar estas atividades de laboratoacuterio o aluno deveraacute ser capaz de
1 Identificar a pinagem de um circuito integrado padratildeo DIP (Dual-in-line Package)
2 Verificar a operaccedilatildeo do amplificador operacional em malha aberta (sem realimentaccedilatildeo) e malha fechada (com realimentaccedilatildeo)
3 Verificar a operaccedilatildeo do amplificador operacional como comparador de tensatildeo e amplificador de tensatildeo
4 Verificar o funcionamento de um gerador de sinal PWM 5 Determinar o ganho de um amplificador inversor e natildeo-inversor de
tensatildeo com amplificador operacional experimentalmente e teoricamente 6 Observar o funcionamento de um amplificador com ganho controlado
pela luz com a utilizaccedilatildeo de um fotoresistor como sensor de luz na malha de realimentaccedilatildeo
7 Verificar a operaccedilatildeo de um circuito integrador passivo e um circuito integrador ativo usando amplificador operacional
Amplificador Operacional A principal funccedilatildeo dos amplificadores operacionais eacute a de amplificar tensatildeo Conjugando estes dispositivos com outros componentes podem efetuar-se montagens que desempenhem outras funccedilotildees sobre os sinais O amplificador operacional recebeu este nome porque foi projetado inicialmente para realizar operaccedilotildees matemaacuteticas utilizando a tensatildeo como uma analogia de uma outra quantidade Esta eacute a base dos computadores analoacutegicos onde os amplificadores operacionais satildeo utilizados para realizar as operaccedilotildees matemaacuteticas baacutesicas (adiccedilatildeo subtraccedilatildeo integraccedilatildeo diferenciaccedilatildeo) A maioria dos amplificadores operacionais simples duplos ou quaacutedruplos disponiacuteveis comercialmente possuem uma pinagem padronizada que permite que um tipo seja substituiacutedo por outro sem mudanccedilas na pinagem A quantidade de circuitos que podem ser implementados com amplificadores operacionais eacute ilimitada Selecionamos para este experimento alguns circuitos mais comuns na praacutetica e agrupamos por categorias
PARTE EXPERIMENTAL
Amplificadores Operacionais - Pinagem do TL084 e LM324
LED
MONTAGENS EXPERIMENTAIS
ATENCcedilAtildeO Antes de ligar a fonte de alimentaccedilatildeo confira cuidadosamente todas as ligaccedilotildees do circuito principalmente observando a pinagem do circuito integrado e polaridade do LED
Montagem 1 COMPARADOR DE TENSAtildeO
Frequentemente no campo das aplicaccedilotildees eletrocircnicas
necessitamos comparar uma tensatildeo com outra para determinar qual delas eacute maior Normalmente esta tensatildeo corresponde a informaccedilatildeo contida no sinal de uma grandeza fiacutesica qualquer O circuito mostrado na figura 1A ilustra um comparador de tensatildeo com uma tensatildeo de referecircncia VR Sempre que o sinal de entrada for superior ou inferior a tensatildeo VR a tensatildeo na saiacuteda estaraacute saturada Observe que o circuito trabalha em malha aberta e na regiatildeo de saturaccedilatildeo
Figura 1A - Comparador de tensatildeo simples
3
Quando a tensatildeo natildeo-inversora Vi for superior a tensatildeo aplicada
na entrada inversora o comparador produz uma tensatildeo de saiacuteda alta (saturaccedilatildeo positiva) quando a entrada natildeo-inversora for inferior a tensatildeo na entrada inversora a saiacuteda seraacute baixa (saturaccedilatildeo negativa)
No circuito da figura 1B a tensatildeo de entrada aplicada na entrada natildeo inversora esta sendo comparada com a tensatildeo de referecircncia zero (entrada inversora)
Figura 1B - Comparador de tensatildeo com zero
Aplique uma tensatildeo variaacutevel Vi na entrada do circuito mostrado na figura 2 e observe a saiacuteda (LEDs) do circuito comparador de tensatildeo enquanto varia o sinal na entrada Vi Meccedila a tensatildeo de saturaccedilatildeo positiva e negativa na saiacuteda do amplificador operacional Meccedila com um multiacutemetro digital na escala de tensatildeo DC o valor da tensatildeo Vi no instante em que ocorre a transiccedilatildeo ou seja quando um LED apaga e o outro acende Qual o valor esperado para esta tensatildeo
Os LEDs servem para indicar visualmente quando ocorre a saturaccedilatildeo positiva ou negativa na saiacuteda ou seja quando o sinal de entrada Vi torna-se superior ou inferior a tensatildeo de referecircncia VR neste caso a tensatildeo zero (entrada inversora aterrada) ou seja VR=0
14710 01 Ω=Ω=Ω= kRekRkR Meccedila e anote a tensatildeo sobre cada LED quando ele estiver aceso
Figura 2 ndash COMPARADOR DE TENSAtildeO
Monte o circuito comparador de tensatildeo mostrado na figura 3 Aplique um sinal senoidal e observe com o osciloscoacutepio os sinais de entrada e saiacuteda Esboce as formas de ondas dos dois sinais Repita o procedimento aplicando um sinal triangular Compare os resultados nas duas situaccedilotildees e comente
4
Figura 3 ndash COMPARADOR DE TENSAtildeO COM ZERO
Montagem 2 MODULADOR PWM + INTEGRADOR Pulse Width Modulation Modulaccedilatildeo por Largura de Pulso
Uma aplicaccedilatildeo direta do amplificador operacional como comparador de tensatildeo pode ser observada na montagem de um modulador PWM
O objetivo desta montagem eacute verificar a funcionalidade de um modulador PWM
A modulaccedilatildeo por largura de pulso (PWM) consiste em uma onda quadrada cuja largura de pulso eacute variaacutevel segundo o valor do sinal aplicado Em outras palavras a largura do pulso eacute modificada de acordo com a amplitude do sinal modulador Isto faz com que o valor meacutedio do sinal resultante seja proporcional ao sinal que se deseja modular Em outras palavras obtecircm-se pulsos cujas larguras (tempo) satildeo proporcionais a uma tensatildeo (amplitude) aplicada
O sinal PWM eacute facilmente obtido atraveacutes da comparaccedilatildeo do sinal modulante (modulador) com uma onda triangular (portadora) Desta forma sempre que a amplitude do sinal modulador for inferior ao valor da amplitude da onda triangular a saiacuteda do comparador estaraacute em niacutevel alto conforme mostrado nas figuras 4 e 5 Dessa forma podemos utilizar de uma maneira simples e direta o comparador de tensatildeo na geraccedilatildeo de um sinal PWM
Figura 4 ndash Configuraccedilatildeo baacutesica de um circuito PWM
Monte o circuito da figura 5 Aplique um sinal triangular com 10V10kHz
na entrada inversora do amplificador operacional varie o sinal de entrada Vi e observe simultaneamente usando os dois canais do osciloscoacutepio o sinal de entrada Vi aplicado e a saiacuteda PWM gerada na saiacuteda do comparador de tensatildeo Explique a funcionalidade do circuito Como vocecirc modificaria o circuito da figura 5 para se obter um sinal PWM com largura de pulso dependente de uma outra grandeza fiacutesica natildeo eleacutetrica [temperatura luz umidade aceleraccedilatildeo forccedila]
5
Figura 5 ndash Geraccedilatildeo de sinal PWM
Acrescente a saiacuteda do amplificador operacional um circuito RC funcionando como circuito integrador conforme ilustrado na figura 6 Aplique um sinal triangular com 10V10kHz na entrada inversora do amplificador operacional varie o sinal de entrada Vi e observe simultaneamente usando os dois canais do osciloscoacutepio a saiacuteda PWM e a saiacuteda do circuito integrador Explique o princiacutepio de funcionamento do circuito completo e sugira algumas aplicaccedilotildees Considere R= 10kΩ e C= 100nF
GERACcedilAtildeO DO SINAL PWM INTEGRADOR
Figura 6
Montagem 3 INTEGRADOR PASSIVO
Alguns projetos de sistemas eletrocircnicos necessitam de integradores Diversas aplicaccedilotildees em eletrocircnica recorrem ao uso de circuitos integradores para
implementar esta funcionalidade Neste experimento seraacute observado o funcionamento de um circuito passivo RC
operando como um circuito integrador Escreva a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) para o circuito RC apresentado na Figura
7 e mostre que o mesmo pode ser utilizado como um integrador ideal Determine os valores de R C e a correspondente faixa de frequumlecircncia de operaccedilatildeo para que esta condiccedilatildeo seja satisfeita
Aplique uma onda quadrada com frequecircncia de 10 kHz na entrada do circuito mostrado na Figura 7 e observe a onda triangular resultante da integraccedilatildeo na saiacuteda 6
Aplique uma onda senoidal e verifique a correspondente onda cossenoidal (em quadratura) na saiacuteda Varie a amplitude do sinal de entrada e observe a saiacuteda Considere R= 10kΩ e C= 100nF
Figura 7 ndash Integrador Passivo
Montagem 4 AMPLIFICADOR INVERSOR Os amplificadores de tensatildeo por definiccedilatildeo representam uma classe de circuitos destinados a elevar o niacutevel de tensatildeo de um sinal fornecido por uma unidade geradora a fim de condicionaacute-lo ou seja adequaacute-lo ao estaacutegio seguinte de amplificaccedilatildeo
Monte o circuito amplificador inversor mostrado na figura 8 Aplique um sinal senoidal e triangular com frequumlecircncia de 1 kHz no
circuito amplificador inversor mostrado na figura a seguir e observe com o osciloscoacutepio os sinais de entrada e saiacuteda Meccedila o ganho em tensatildeo e compare-o com o valor teoacuterico esperado Varie a amplitude do sinal de entrada e observe o amplificador operando na regiatildeo linear e na regiatildeo de saturaccedilatildeo RF = 100k e RS = 4k7
Figura 8 ndash Amplificador Inversor
Substitua o resistor RF por um potenciocircmetro e observe a
variaccedilatildeo do ganho em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da resistecircncia conforme mostrado na figura 9
7
Figura 9 ndash Amplificador Inversor com ganho variaacutevel
Montagem 5 AMPLIFICADOR INVERSOR COM GANHO CONTROLADO PELA LUZ
Monte o circuito amplificador inversor mostrado na figura 10 com um fotoresistor na malha de realimentaccedilatildeo e observe o seu funcionamento Aplique um sinal senoidal e observe com o osciloscoacutepio a variaccedilatildeo na amplitude do sinal de saiacuteda em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da intensidade luminosa sobre o fotoresistor Considere o fotoresistor como um dispositivo cuja resistecircncia eleacutetrica que varia inversamente proporcional agrave quantidade de luz que incide sobre o mesmo Estes fotoresistores satildeo tambeacutem conhecidos como LDR (Light Dependent Resistor) No escuro os fotoresistores tecircm resistecircncia elevada tipicamente na faixa de MΩ Quando satildeo expostos agrave luz a resistecircncia diminui por ordens de magnitude Note que este dispositivo fotoeleacutetrico opera de modo similar a um resistor variaacutevel dependente da luminosidade Repita o experimento trocando as posiccedilotildees dos resistores ou seja colocando RS na malha de realimentaccedilatildeo
Explique o funcionamento deste circuito com o fotoresistor colocado na malha de realimentaccedilatildeo e na entrada Sugira algumas aplicaccedilotildees para este circuito
Figura 10 ndash Amplificador Inversor com ganho dependente da luz
8
Fotoresistor
Montagem 6 AMPLIFICADOR NAtildeO INVERSOR
Monte o circuito amplificador natildeo inversor mostrado na figura 11 aplique um sinal senoidal e triangular na entrada VS
(300mV1kHz) e observe com o osciloscoacutepio os sinais de entrada e saiacuteda
RF = 100k e RS = 4k7 Determine o ganho teoacuterico e experimental Note que a impedacircncia de entrada eacute bastante elevada Aleacutem da
natildeo inversatildeo de fase desta configuraccedilatildeo a impedacircncia de entrada elevada eacute a principal diferenccedila para o amplificador inversor
Substitua o resistor RF por um potenciocircmetro e observe a variaccedilatildeo do ganho em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da resistecircncia
Figura 11 ndash Amplificador Natildeo Inversor
INTEGRADOR ATIVO
Os circuitos integradores encontram muitas aplicaccedilotildees nas simulaccedilotildees
de sistemas fiacutesicos representados por equaccedilotildees diferenciais e integrais O circuito integrador realiza a operaccedilatildeo matemaacutetica da integraccedilatildeo O integrador eacute um dos principais circuitos utilizados na implementaccedilatildeo de computadores analoacutegicos aplicados a soluccedilatildeo de equaccedilotildees diferenciais Um circuito integrador utilizando um elemento ativo como por exemplo um amplificador operacional eacute denominado de integrador ativo para distingui-lo do integrador passivo composto apenas de elementos passivos (R e C) Justifique usando a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) porque o circuito mostrado na figura 12 pode ser considerado como um integrador ativo
9
Figura 12 ndash Integrador Ativo
Compare a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) do integrador passivo (Figura 7) com a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) do integrador ativo (Figura 12)
Cite duas vantagens do integrador passivo quando comparado com o integrador ativo
Sugira algumas aplicaccedilotildees onde se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de circuitos integradores
FOTORESISTORES
LDR
Existem muitos dispositivos fotossensiacuteveis disponiacuteveis comercialmente Neste item abordaremos os fotoresistores e os fotodiodos
Fotoresistores apresentam uma variaccedilatildeo da resistecircncia com niacutevel de luz incidente
Fotoresistores ou ceacutelulas fotocondutivas satildeo dispositivos semicondutores cuja condutividade varia de acordo com a incidecircncia de radiaccedilatildeo eletromagneacutetica em sua superfiacutecie Ceacutelulas fotocondutivas satildeo conhecidas tambeacutem como fotoresistores ou resistores dependentes da luz (LDR ndash Light Dependente Resistor) Quando iluminados os fotoresistores apresentam uma variaccedilatildeo na sua resistecircncia proporcional agrave intensidade luminosa incidente O LDR eacute um dispositivo eleacutetrico que tem sua resistecircncia alterada pela luz
Quando um foacuteton tem energia suficiente para quebrar a ligaccedilatildeo eleacutetron-lacuna um eleacutetron torna-se livre podendo fluir pelo circuito A energia luminosa desloca eleacutetrons da camada de valecircncia para a de conduccedilatildeo (mais longe do nuacutecleo) aumentando o nuacutemero de eleacutetrons livres o que diminui a resistecircncia e aumenta a condutividade
Os fotoresistores satildeo constituiacutedos normalmente por CdS (Sulfeto de Caacutedmio) Esse material tem a propriedade de diminuir sua resistecircncia agrave passagem da corrente eleacutetrica quando a luminosidade sobre ele aumenta
10
FOTODIODOS
Quando a luz eacute absorvida por um semicondutor cada foacuteton pode em princiacutepio criar um par lacuna-eleacutetron que pode ser detectado eletricamente Dispositivos fotodiodos exploram esta possibilidade Na realidade satildeo diodos de junccedilatildeo PN otimizados para uso como detectores de luz
Uma fotoceacutelula semicondutora de junccedilatildeo apresenta uma curva caracteriacutestica semelhante agrave de um diodo semicondutor Nesta funcionalidade a junccedilatildeo eacute polarizada inversamente Quando iluminado o fotodiodo apresenta um crescimento da corrente reversa IS podendo desenvolver uma diferenccedila de potencial (tensatildeo) em um resistor Tal tensatildeo eacute proporcional agrave intensidade luminosa incidente na junccedilatildeo do dispositivo
Foacutetons absorvidos pela junccedilatildeo criam pares eleacutetrons-lacunas que causam uma corrente proporcional ao fluxo luminoso Essa corrente pode entatildeo ser amplificada obtendo-se uma tensatildeo de saiacuteda proporcional ao fluxo oacuteptico incidente
O circuito a seguir ilustra uma aplicaccedilatildeo do amplificador operacional
FOacuteTONS amp LEDS
Os foacutetons satildeo partiacuteculas elementares que viajam com a velocidade da luz A emissatildeo de um foacuteton ocorre durante a transiccedilatildeo de um eleacutetron de um aacutetomo
entre dois estados energeacuteticos diferentes pois quando ele recebe energia ele passa de uma camada mais interna para uma mais externa do aacutetomo e quando ele retorna para seu estado original ele emite a energia correspondente a esta diferenccedila sob a forma de um foacuteton
O efeito fotoeleacutetrico eacute a emissatildeo de eleacutetrons por um material quando exposto a uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (como a luz)
A luz pode se comportar natildeo apenas como ondas contiacutenuas mas tambeacutem como
feixes discretos de energia chamados de foacutetons A energia de um foacuteton eacute calculada atraveacutes da relaccedilatildeo E=hf onde h eacute a constante de Planck e f eacute a frequumlecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica
Um foacuteton azul por exemplo conteacutem mais energia do que um foacuteton vermelho pois a frequumlecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequumlecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha
11
12
O LED [Light-Emitting Diode] eacute um dispositivo semicondutor (Junccedilatildeo PN) que quando energizado emite luz (foacutetons) Normalmente trabalha com a junccedilatildeo PN polarizada diretamente Os LEDs satildeo fabricados especialmente para liberar um grande nuacutemero de foacutetons
Haacute muitas formas de se produzirem foacutetons mas todas elas usam o mesmo mecanismo dentro de um aacutetomo Este mecanismo envolve a energizaccedilatildeo dos eleacutetrons que estatildeo orbitando ao redor do nuacutecleo de cada aacutetomo
O processo de emissatildeo de luz pela aplicaccedilatildeo de uma fonte eleacutetrica de energia eacute chamado eletroluminescecircncia
Um eleacutetron ocupa uma oacuterbita natural mas se vocecirc energizar um aacutetomo pode movecirc-lo para orbitais maiores Um foacuteton de luz eacute produzido sempre que um eleacutetron que estaacute numa oacuterbita maior do que a normal volta para sua oacuterbita normal Durante a queda da alta energia para a energia normal o eleacutetron emite um foacuteton (um pacote de energia) com caracteriacutesticas bastante especiacuteficas
Foi Albert Einstein usando a ideacuteia de Max Planck que conseguiu demonstrar que um feixe de luz eacute constituiacutedo por pequenos pacotes de energia denominados de foacutetons explicando assim o fenocircmeno da emissatildeo fotoeleacutetrica
A confirmaccedilatildeo da descoberta de Einstein se deu no ano de 1911 quando Arthur Compton demonstrou que quando um foacuteton colide com um eleacutetron ambos comportam-se como corpos materiaisrdquo
A experiecircncia comprova que a cor de um feixe de luz monocromaacutetico natildeo se altera quando ele passa de um meio transparente para outro O que ocorre eacute que quando o feixe de luz passa de um meio para outro tanto o comprimento de onda quanto a velocidade tem seus valores alterados mas a frequecircncia natildeo se altera e portanto permanece sempre a mesma Eacute por esse motivo que se recomenda que um feixe de luz seja caracterizado pela sua frequecircncia e natildeo por seu comprimento de onda ou velocidade com que se propaga
A maioria dos controles remotos de aparelhos eletrocircnicos transmite informaccedilatildeo atraveacutes da codificaccedilatildeo de sinais por emissatildeo de radiaccedilatildeo na faixa do infravermelho
A energia de um uacutenico foacuteton eacute calculada por E = hf = hcλ onde f eacute a frequumlecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica correspondente λ eacute o comprimento de onda e h a constante de Planck
QUESTOtildeES
Consulte a folha de dados (DATA SHEET) do Amplificador Operacional TL084 e LM324 fornecida pelo fabricante e utilizado neste experimento para responder as questotildees a seguir (1) Qual a tensatildeo maacutexima de alimentaccedilatildeo +VCC e ndashVCC especificada pelo fabricante (2) Qual o tipo de transistor utilizado como amplificador diferencial na entrada dos amplificadores operacionais TL084 e LM324 (3) O amplificador operacional TL084 possui proteccedilatildeo contra curto circuito na saiacuteda (4) Qual o valor da resistecircncia de entrada do TL084 (5) Qual o ganho em tensatildeo tiacutepico para o TL084 (6) Qual a frequecircncia de operaccedilatildeo maacutexima para o TL084 e LM324 (7) Qual dos dois amplificadores operacionais (TL084LM324) pode operar com fonte unipolar (8) Calcule a energia em eleacutetron-volts de um foacuteton de radiaccedilatildeo infravermelha cujo comprimento de onda eacute 3microm Repita o caacutelculo para cada uma das cores do espectro eletromagneacutetico e compare com a tensatildeo necessaacuteria para operar cada LED na cor correspondente [vermelho verde amarelo azul violeta] Associe os valores determinados teoricamente nesta questatildeo com os valores das tensotildees medidas sobre os LEDs durante a montagem 1 (9) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando os amplificadores operacionais (10) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando LDRs LEDs e Fotodiodos
2
EXPERIMENTO 1
INTRODUCcedilAtildeO
Aplicaccedilotildees lineares com amplificadores operacionais Objetivos Gerais
Montagem e observaccedilatildeo experimental com diversos circuitos usando amplificador operacional Os experimentos de laboratoacuterio aqui apresentados tecircm por objetivo o estudo das caracteriacutesticas eleacutetricas dos amplificadores operacionais bem como familiarizar o aluno com algumas de suas principais aplicaccedilotildees tais como comparador de tensatildeo geraccedilatildeo de sinal modulado por largura de pulso PWM [Pulse Width Modulation] amplificador inversor amplificador natildeo inversor e integrador Objetivos Especiacuteficos
Apoacutes completar estas atividades de laboratoacuterio o aluno deveraacute ser capaz de
1 Identificar a pinagem de um circuito integrado padratildeo DIP (Dual-in-line Package)
2 Verificar a operaccedilatildeo do amplificador operacional em malha aberta (sem realimentaccedilatildeo) e malha fechada (com realimentaccedilatildeo)
3 Verificar a operaccedilatildeo do amplificador operacional como comparador de tensatildeo e amplificador de tensatildeo
4 Verificar o funcionamento de um gerador de sinal PWM 5 Determinar o ganho de um amplificador inversor e natildeo-inversor de
tensatildeo com amplificador operacional experimentalmente e teoricamente 6 Observar o funcionamento de um amplificador com ganho controlado
pela luz com a utilizaccedilatildeo de um fotoresistor como sensor de luz na malha de realimentaccedilatildeo
7 Verificar a operaccedilatildeo de um circuito integrador passivo e um circuito integrador ativo usando amplificador operacional
Amplificador Operacional A principal funccedilatildeo dos amplificadores operacionais eacute a de amplificar tensatildeo Conjugando estes dispositivos com outros componentes podem efetuar-se montagens que desempenhem outras funccedilotildees sobre os sinais O amplificador operacional recebeu este nome porque foi projetado inicialmente para realizar operaccedilotildees matemaacuteticas utilizando a tensatildeo como uma analogia de uma outra quantidade Esta eacute a base dos computadores analoacutegicos onde os amplificadores operacionais satildeo utilizados para realizar as operaccedilotildees matemaacuteticas baacutesicas (adiccedilatildeo subtraccedilatildeo integraccedilatildeo diferenciaccedilatildeo) A maioria dos amplificadores operacionais simples duplos ou quaacutedruplos disponiacuteveis comercialmente possuem uma pinagem padronizada que permite que um tipo seja substituiacutedo por outro sem mudanccedilas na pinagem A quantidade de circuitos que podem ser implementados com amplificadores operacionais eacute ilimitada Selecionamos para este experimento alguns circuitos mais comuns na praacutetica e agrupamos por categorias
PARTE EXPERIMENTAL
Amplificadores Operacionais - Pinagem do TL084 e LM324
LED
MONTAGENS EXPERIMENTAIS
ATENCcedilAtildeO Antes de ligar a fonte de alimentaccedilatildeo confira cuidadosamente todas as ligaccedilotildees do circuito principalmente observando a pinagem do circuito integrado e polaridade do LED
Montagem 1 COMPARADOR DE TENSAtildeO
Frequentemente no campo das aplicaccedilotildees eletrocircnicas
necessitamos comparar uma tensatildeo com outra para determinar qual delas eacute maior Normalmente esta tensatildeo corresponde a informaccedilatildeo contida no sinal de uma grandeza fiacutesica qualquer O circuito mostrado na figura 1A ilustra um comparador de tensatildeo com uma tensatildeo de referecircncia VR Sempre que o sinal de entrada for superior ou inferior a tensatildeo VR a tensatildeo na saiacuteda estaraacute saturada Observe que o circuito trabalha em malha aberta e na regiatildeo de saturaccedilatildeo
Figura 1A - Comparador de tensatildeo simples
3
Quando a tensatildeo natildeo-inversora Vi for superior a tensatildeo aplicada
na entrada inversora o comparador produz uma tensatildeo de saiacuteda alta (saturaccedilatildeo positiva) quando a entrada natildeo-inversora for inferior a tensatildeo na entrada inversora a saiacuteda seraacute baixa (saturaccedilatildeo negativa)
No circuito da figura 1B a tensatildeo de entrada aplicada na entrada natildeo inversora esta sendo comparada com a tensatildeo de referecircncia zero (entrada inversora)
Figura 1B - Comparador de tensatildeo com zero
Aplique uma tensatildeo variaacutevel Vi na entrada do circuito mostrado na figura 2 e observe a saiacuteda (LEDs) do circuito comparador de tensatildeo enquanto varia o sinal na entrada Vi Meccedila a tensatildeo de saturaccedilatildeo positiva e negativa na saiacuteda do amplificador operacional Meccedila com um multiacutemetro digital na escala de tensatildeo DC o valor da tensatildeo Vi no instante em que ocorre a transiccedilatildeo ou seja quando um LED apaga e o outro acende Qual o valor esperado para esta tensatildeo
Os LEDs servem para indicar visualmente quando ocorre a saturaccedilatildeo positiva ou negativa na saiacuteda ou seja quando o sinal de entrada Vi torna-se superior ou inferior a tensatildeo de referecircncia VR neste caso a tensatildeo zero (entrada inversora aterrada) ou seja VR=0
14710 01 Ω=Ω=Ω= kRekRkR Meccedila e anote a tensatildeo sobre cada LED quando ele estiver aceso
Figura 2 ndash COMPARADOR DE TENSAtildeO
Monte o circuito comparador de tensatildeo mostrado na figura 3 Aplique um sinal senoidal e observe com o osciloscoacutepio os sinais de entrada e saiacuteda Esboce as formas de ondas dos dois sinais Repita o procedimento aplicando um sinal triangular Compare os resultados nas duas situaccedilotildees e comente
4
Figura 3 ndash COMPARADOR DE TENSAtildeO COM ZERO
Montagem 2 MODULADOR PWM + INTEGRADOR Pulse Width Modulation Modulaccedilatildeo por Largura de Pulso
Uma aplicaccedilatildeo direta do amplificador operacional como comparador de tensatildeo pode ser observada na montagem de um modulador PWM
O objetivo desta montagem eacute verificar a funcionalidade de um modulador PWM
A modulaccedilatildeo por largura de pulso (PWM) consiste em uma onda quadrada cuja largura de pulso eacute variaacutevel segundo o valor do sinal aplicado Em outras palavras a largura do pulso eacute modificada de acordo com a amplitude do sinal modulador Isto faz com que o valor meacutedio do sinal resultante seja proporcional ao sinal que se deseja modular Em outras palavras obtecircm-se pulsos cujas larguras (tempo) satildeo proporcionais a uma tensatildeo (amplitude) aplicada
O sinal PWM eacute facilmente obtido atraveacutes da comparaccedilatildeo do sinal modulante (modulador) com uma onda triangular (portadora) Desta forma sempre que a amplitude do sinal modulador for inferior ao valor da amplitude da onda triangular a saiacuteda do comparador estaraacute em niacutevel alto conforme mostrado nas figuras 4 e 5 Dessa forma podemos utilizar de uma maneira simples e direta o comparador de tensatildeo na geraccedilatildeo de um sinal PWM
Figura 4 ndash Configuraccedilatildeo baacutesica de um circuito PWM
Monte o circuito da figura 5 Aplique um sinal triangular com 10V10kHz
na entrada inversora do amplificador operacional varie o sinal de entrada Vi e observe simultaneamente usando os dois canais do osciloscoacutepio o sinal de entrada Vi aplicado e a saiacuteda PWM gerada na saiacuteda do comparador de tensatildeo Explique a funcionalidade do circuito Como vocecirc modificaria o circuito da figura 5 para se obter um sinal PWM com largura de pulso dependente de uma outra grandeza fiacutesica natildeo eleacutetrica [temperatura luz umidade aceleraccedilatildeo forccedila]
5
Figura 5 ndash Geraccedilatildeo de sinal PWM
Acrescente a saiacuteda do amplificador operacional um circuito RC funcionando como circuito integrador conforme ilustrado na figura 6 Aplique um sinal triangular com 10V10kHz na entrada inversora do amplificador operacional varie o sinal de entrada Vi e observe simultaneamente usando os dois canais do osciloscoacutepio a saiacuteda PWM e a saiacuteda do circuito integrador Explique o princiacutepio de funcionamento do circuito completo e sugira algumas aplicaccedilotildees Considere R= 10kΩ e C= 100nF
GERACcedilAtildeO DO SINAL PWM INTEGRADOR
Figura 6
Montagem 3 INTEGRADOR PASSIVO
Alguns projetos de sistemas eletrocircnicos necessitam de integradores Diversas aplicaccedilotildees em eletrocircnica recorrem ao uso de circuitos integradores para
implementar esta funcionalidade Neste experimento seraacute observado o funcionamento de um circuito passivo RC
operando como um circuito integrador Escreva a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) para o circuito RC apresentado na Figura
7 e mostre que o mesmo pode ser utilizado como um integrador ideal Determine os valores de R C e a correspondente faixa de frequumlecircncia de operaccedilatildeo para que esta condiccedilatildeo seja satisfeita
Aplique uma onda quadrada com frequecircncia de 10 kHz na entrada do circuito mostrado na Figura 7 e observe a onda triangular resultante da integraccedilatildeo na saiacuteda 6
Aplique uma onda senoidal e verifique a correspondente onda cossenoidal (em quadratura) na saiacuteda Varie a amplitude do sinal de entrada e observe a saiacuteda Considere R= 10kΩ e C= 100nF
Figura 7 ndash Integrador Passivo
Montagem 4 AMPLIFICADOR INVERSOR Os amplificadores de tensatildeo por definiccedilatildeo representam uma classe de circuitos destinados a elevar o niacutevel de tensatildeo de um sinal fornecido por uma unidade geradora a fim de condicionaacute-lo ou seja adequaacute-lo ao estaacutegio seguinte de amplificaccedilatildeo
Monte o circuito amplificador inversor mostrado na figura 8 Aplique um sinal senoidal e triangular com frequumlecircncia de 1 kHz no
circuito amplificador inversor mostrado na figura a seguir e observe com o osciloscoacutepio os sinais de entrada e saiacuteda Meccedila o ganho em tensatildeo e compare-o com o valor teoacuterico esperado Varie a amplitude do sinal de entrada e observe o amplificador operando na regiatildeo linear e na regiatildeo de saturaccedilatildeo RF = 100k e RS = 4k7
Figura 8 ndash Amplificador Inversor
Substitua o resistor RF por um potenciocircmetro e observe a
variaccedilatildeo do ganho em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da resistecircncia conforme mostrado na figura 9
7
Figura 9 ndash Amplificador Inversor com ganho variaacutevel
Montagem 5 AMPLIFICADOR INVERSOR COM GANHO CONTROLADO PELA LUZ
Monte o circuito amplificador inversor mostrado na figura 10 com um fotoresistor na malha de realimentaccedilatildeo e observe o seu funcionamento Aplique um sinal senoidal e observe com o osciloscoacutepio a variaccedilatildeo na amplitude do sinal de saiacuteda em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da intensidade luminosa sobre o fotoresistor Considere o fotoresistor como um dispositivo cuja resistecircncia eleacutetrica que varia inversamente proporcional agrave quantidade de luz que incide sobre o mesmo Estes fotoresistores satildeo tambeacutem conhecidos como LDR (Light Dependent Resistor) No escuro os fotoresistores tecircm resistecircncia elevada tipicamente na faixa de MΩ Quando satildeo expostos agrave luz a resistecircncia diminui por ordens de magnitude Note que este dispositivo fotoeleacutetrico opera de modo similar a um resistor variaacutevel dependente da luminosidade Repita o experimento trocando as posiccedilotildees dos resistores ou seja colocando RS na malha de realimentaccedilatildeo
Explique o funcionamento deste circuito com o fotoresistor colocado na malha de realimentaccedilatildeo e na entrada Sugira algumas aplicaccedilotildees para este circuito
Figura 10 ndash Amplificador Inversor com ganho dependente da luz
8
Fotoresistor
Montagem 6 AMPLIFICADOR NAtildeO INVERSOR
Monte o circuito amplificador natildeo inversor mostrado na figura 11 aplique um sinal senoidal e triangular na entrada VS
(300mV1kHz) e observe com o osciloscoacutepio os sinais de entrada e saiacuteda
RF = 100k e RS = 4k7 Determine o ganho teoacuterico e experimental Note que a impedacircncia de entrada eacute bastante elevada Aleacutem da
natildeo inversatildeo de fase desta configuraccedilatildeo a impedacircncia de entrada elevada eacute a principal diferenccedila para o amplificador inversor
Substitua o resistor RF por um potenciocircmetro e observe a variaccedilatildeo do ganho em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da resistecircncia
Figura 11 ndash Amplificador Natildeo Inversor
INTEGRADOR ATIVO
Os circuitos integradores encontram muitas aplicaccedilotildees nas simulaccedilotildees
de sistemas fiacutesicos representados por equaccedilotildees diferenciais e integrais O circuito integrador realiza a operaccedilatildeo matemaacutetica da integraccedilatildeo O integrador eacute um dos principais circuitos utilizados na implementaccedilatildeo de computadores analoacutegicos aplicados a soluccedilatildeo de equaccedilotildees diferenciais Um circuito integrador utilizando um elemento ativo como por exemplo um amplificador operacional eacute denominado de integrador ativo para distingui-lo do integrador passivo composto apenas de elementos passivos (R e C) Justifique usando a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) porque o circuito mostrado na figura 12 pode ser considerado como um integrador ativo
9
Figura 12 ndash Integrador Ativo
Compare a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) do integrador passivo (Figura 7) com a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) do integrador ativo (Figura 12)
Cite duas vantagens do integrador passivo quando comparado com o integrador ativo
Sugira algumas aplicaccedilotildees onde se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de circuitos integradores
FOTORESISTORES
LDR
Existem muitos dispositivos fotossensiacuteveis disponiacuteveis comercialmente Neste item abordaremos os fotoresistores e os fotodiodos
Fotoresistores apresentam uma variaccedilatildeo da resistecircncia com niacutevel de luz incidente
Fotoresistores ou ceacutelulas fotocondutivas satildeo dispositivos semicondutores cuja condutividade varia de acordo com a incidecircncia de radiaccedilatildeo eletromagneacutetica em sua superfiacutecie Ceacutelulas fotocondutivas satildeo conhecidas tambeacutem como fotoresistores ou resistores dependentes da luz (LDR ndash Light Dependente Resistor) Quando iluminados os fotoresistores apresentam uma variaccedilatildeo na sua resistecircncia proporcional agrave intensidade luminosa incidente O LDR eacute um dispositivo eleacutetrico que tem sua resistecircncia alterada pela luz
Quando um foacuteton tem energia suficiente para quebrar a ligaccedilatildeo eleacutetron-lacuna um eleacutetron torna-se livre podendo fluir pelo circuito A energia luminosa desloca eleacutetrons da camada de valecircncia para a de conduccedilatildeo (mais longe do nuacutecleo) aumentando o nuacutemero de eleacutetrons livres o que diminui a resistecircncia e aumenta a condutividade
Os fotoresistores satildeo constituiacutedos normalmente por CdS (Sulfeto de Caacutedmio) Esse material tem a propriedade de diminuir sua resistecircncia agrave passagem da corrente eleacutetrica quando a luminosidade sobre ele aumenta
10
FOTODIODOS
Quando a luz eacute absorvida por um semicondutor cada foacuteton pode em princiacutepio criar um par lacuna-eleacutetron que pode ser detectado eletricamente Dispositivos fotodiodos exploram esta possibilidade Na realidade satildeo diodos de junccedilatildeo PN otimizados para uso como detectores de luz
Uma fotoceacutelula semicondutora de junccedilatildeo apresenta uma curva caracteriacutestica semelhante agrave de um diodo semicondutor Nesta funcionalidade a junccedilatildeo eacute polarizada inversamente Quando iluminado o fotodiodo apresenta um crescimento da corrente reversa IS podendo desenvolver uma diferenccedila de potencial (tensatildeo) em um resistor Tal tensatildeo eacute proporcional agrave intensidade luminosa incidente na junccedilatildeo do dispositivo
Foacutetons absorvidos pela junccedilatildeo criam pares eleacutetrons-lacunas que causam uma corrente proporcional ao fluxo luminoso Essa corrente pode entatildeo ser amplificada obtendo-se uma tensatildeo de saiacuteda proporcional ao fluxo oacuteptico incidente
O circuito a seguir ilustra uma aplicaccedilatildeo do amplificador operacional
FOacuteTONS amp LEDS
Os foacutetons satildeo partiacuteculas elementares que viajam com a velocidade da luz A emissatildeo de um foacuteton ocorre durante a transiccedilatildeo de um eleacutetron de um aacutetomo
entre dois estados energeacuteticos diferentes pois quando ele recebe energia ele passa de uma camada mais interna para uma mais externa do aacutetomo e quando ele retorna para seu estado original ele emite a energia correspondente a esta diferenccedila sob a forma de um foacuteton
O efeito fotoeleacutetrico eacute a emissatildeo de eleacutetrons por um material quando exposto a uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (como a luz)
A luz pode se comportar natildeo apenas como ondas contiacutenuas mas tambeacutem como
feixes discretos de energia chamados de foacutetons A energia de um foacuteton eacute calculada atraveacutes da relaccedilatildeo E=hf onde h eacute a constante de Planck e f eacute a frequumlecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica
Um foacuteton azul por exemplo conteacutem mais energia do que um foacuteton vermelho pois a frequumlecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequumlecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha
11
12
O LED [Light-Emitting Diode] eacute um dispositivo semicondutor (Junccedilatildeo PN) que quando energizado emite luz (foacutetons) Normalmente trabalha com a junccedilatildeo PN polarizada diretamente Os LEDs satildeo fabricados especialmente para liberar um grande nuacutemero de foacutetons
Haacute muitas formas de se produzirem foacutetons mas todas elas usam o mesmo mecanismo dentro de um aacutetomo Este mecanismo envolve a energizaccedilatildeo dos eleacutetrons que estatildeo orbitando ao redor do nuacutecleo de cada aacutetomo
O processo de emissatildeo de luz pela aplicaccedilatildeo de uma fonte eleacutetrica de energia eacute chamado eletroluminescecircncia
Um eleacutetron ocupa uma oacuterbita natural mas se vocecirc energizar um aacutetomo pode movecirc-lo para orbitais maiores Um foacuteton de luz eacute produzido sempre que um eleacutetron que estaacute numa oacuterbita maior do que a normal volta para sua oacuterbita normal Durante a queda da alta energia para a energia normal o eleacutetron emite um foacuteton (um pacote de energia) com caracteriacutesticas bastante especiacuteficas
Foi Albert Einstein usando a ideacuteia de Max Planck que conseguiu demonstrar que um feixe de luz eacute constituiacutedo por pequenos pacotes de energia denominados de foacutetons explicando assim o fenocircmeno da emissatildeo fotoeleacutetrica
A confirmaccedilatildeo da descoberta de Einstein se deu no ano de 1911 quando Arthur Compton demonstrou que quando um foacuteton colide com um eleacutetron ambos comportam-se como corpos materiaisrdquo
A experiecircncia comprova que a cor de um feixe de luz monocromaacutetico natildeo se altera quando ele passa de um meio transparente para outro O que ocorre eacute que quando o feixe de luz passa de um meio para outro tanto o comprimento de onda quanto a velocidade tem seus valores alterados mas a frequecircncia natildeo se altera e portanto permanece sempre a mesma Eacute por esse motivo que se recomenda que um feixe de luz seja caracterizado pela sua frequecircncia e natildeo por seu comprimento de onda ou velocidade com que se propaga
A maioria dos controles remotos de aparelhos eletrocircnicos transmite informaccedilatildeo atraveacutes da codificaccedilatildeo de sinais por emissatildeo de radiaccedilatildeo na faixa do infravermelho
A energia de um uacutenico foacuteton eacute calculada por E = hf = hcλ onde f eacute a frequumlecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica correspondente λ eacute o comprimento de onda e h a constante de Planck
QUESTOtildeES
Consulte a folha de dados (DATA SHEET) do Amplificador Operacional TL084 e LM324 fornecida pelo fabricante e utilizado neste experimento para responder as questotildees a seguir (1) Qual a tensatildeo maacutexima de alimentaccedilatildeo +VCC e ndashVCC especificada pelo fabricante (2) Qual o tipo de transistor utilizado como amplificador diferencial na entrada dos amplificadores operacionais TL084 e LM324 (3) O amplificador operacional TL084 possui proteccedilatildeo contra curto circuito na saiacuteda (4) Qual o valor da resistecircncia de entrada do TL084 (5) Qual o ganho em tensatildeo tiacutepico para o TL084 (6) Qual a frequecircncia de operaccedilatildeo maacutexima para o TL084 e LM324 (7) Qual dos dois amplificadores operacionais (TL084LM324) pode operar com fonte unipolar (8) Calcule a energia em eleacutetron-volts de um foacuteton de radiaccedilatildeo infravermelha cujo comprimento de onda eacute 3microm Repita o caacutelculo para cada uma das cores do espectro eletromagneacutetico e compare com a tensatildeo necessaacuteria para operar cada LED na cor correspondente [vermelho verde amarelo azul violeta] Associe os valores determinados teoricamente nesta questatildeo com os valores das tensotildees medidas sobre os LEDs durante a montagem 1 (9) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando os amplificadores operacionais (10) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando LDRs LEDs e Fotodiodos
PARTE EXPERIMENTAL
Amplificadores Operacionais - Pinagem do TL084 e LM324
LED
MONTAGENS EXPERIMENTAIS
ATENCcedilAtildeO Antes de ligar a fonte de alimentaccedilatildeo confira cuidadosamente todas as ligaccedilotildees do circuito principalmente observando a pinagem do circuito integrado e polaridade do LED
Montagem 1 COMPARADOR DE TENSAtildeO
Frequentemente no campo das aplicaccedilotildees eletrocircnicas
necessitamos comparar uma tensatildeo com outra para determinar qual delas eacute maior Normalmente esta tensatildeo corresponde a informaccedilatildeo contida no sinal de uma grandeza fiacutesica qualquer O circuito mostrado na figura 1A ilustra um comparador de tensatildeo com uma tensatildeo de referecircncia VR Sempre que o sinal de entrada for superior ou inferior a tensatildeo VR a tensatildeo na saiacuteda estaraacute saturada Observe que o circuito trabalha em malha aberta e na regiatildeo de saturaccedilatildeo
Figura 1A - Comparador de tensatildeo simples
3
Quando a tensatildeo natildeo-inversora Vi for superior a tensatildeo aplicada
na entrada inversora o comparador produz uma tensatildeo de saiacuteda alta (saturaccedilatildeo positiva) quando a entrada natildeo-inversora for inferior a tensatildeo na entrada inversora a saiacuteda seraacute baixa (saturaccedilatildeo negativa)
No circuito da figura 1B a tensatildeo de entrada aplicada na entrada natildeo inversora esta sendo comparada com a tensatildeo de referecircncia zero (entrada inversora)
Figura 1B - Comparador de tensatildeo com zero
Aplique uma tensatildeo variaacutevel Vi na entrada do circuito mostrado na figura 2 e observe a saiacuteda (LEDs) do circuito comparador de tensatildeo enquanto varia o sinal na entrada Vi Meccedila a tensatildeo de saturaccedilatildeo positiva e negativa na saiacuteda do amplificador operacional Meccedila com um multiacutemetro digital na escala de tensatildeo DC o valor da tensatildeo Vi no instante em que ocorre a transiccedilatildeo ou seja quando um LED apaga e o outro acende Qual o valor esperado para esta tensatildeo
Os LEDs servem para indicar visualmente quando ocorre a saturaccedilatildeo positiva ou negativa na saiacuteda ou seja quando o sinal de entrada Vi torna-se superior ou inferior a tensatildeo de referecircncia VR neste caso a tensatildeo zero (entrada inversora aterrada) ou seja VR=0
14710 01 Ω=Ω=Ω= kRekRkR Meccedila e anote a tensatildeo sobre cada LED quando ele estiver aceso
Figura 2 ndash COMPARADOR DE TENSAtildeO
Monte o circuito comparador de tensatildeo mostrado na figura 3 Aplique um sinal senoidal e observe com o osciloscoacutepio os sinais de entrada e saiacuteda Esboce as formas de ondas dos dois sinais Repita o procedimento aplicando um sinal triangular Compare os resultados nas duas situaccedilotildees e comente
4
Figura 3 ndash COMPARADOR DE TENSAtildeO COM ZERO
Montagem 2 MODULADOR PWM + INTEGRADOR Pulse Width Modulation Modulaccedilatildeo por Largura de Pulso
Uma aplicaccedilatildeo direta do amplificador operacional como comparador de tensatildeo pode ser observada na montagem de um modulador PWM
O objetivo desta montagem eacute verificar a funcionalidade de um modulador PWM
A modulaccedilatildeo por largura de pulso (PWM) consiste em uma onda quadrada cuja largura de pulso eacute variaacutevel segundo o valor do sinal aplicado Em outras palavras a largura do pulso eacute modificada de acordo com a amplitude do sinal modulador Isto faz com que o valor meacutedio do sinal resultante seja proporcional ao sinal que se deseja modular Em outras palavras obtecircm-se pulsos cujas larguras (tempo) satildeo proporcionais a uma tensatildeo (amplitude) aplicada
O sinal PWM eacute facilmente obtido atraveacutes da comparaccedilatildeo do sinal modulante (modulador) com uma onda triangular (portadora) Desta forma sempre que a amplitude do sinal modulador for inferior ao valor da amplitude da onda triangular a saiacuteda do comparador estaraacute em niacutevel alto conforme mostrado nas figuras 4 e 5 Dessa forma podemos utilizar de uma maneira simples e direta o comparador de tensatildeo na geraccedilatildeo de um sinal PWM
Figura 4 ndash Configuraccedilatildeo baacutesica de um circuito PWM
Monte o circuito da figura 5 Aplique um sinal triangular com 10V10kHz
na entrada inversora do amplificador operacional varie o sinal de entrada Vi e observe simultaneamente usando os dois canais do osciloscoacutepio o sinal de entrada Vi aplicado e a saiacuteda PWM gerada na saiacuteda do comparador de tensatildeo Explique a funcionalidade do circuito Como vocecirc modificaria o circuito da figura 5 para se obter um sinal PWM com largura de pulso dependente de uma outra grandeza fiacutesica natildeo eleacutetrica [temperatura luz umidade aceleraccedilatildeo forccedila]
5
Figura 5 ndash Geraccedilatildeo de sinal PWM
Acrescente a saiacuteda do amplificador operacional um circuito RC funcionando como circuito integrador conforme ilustrado na figura 6 Aplique um sinal triangular com 10V10kHz na entrada inversora do amplificador operacional varie o sinal de entrada Vi e observe simultaneamente usando os dois canais do osciloscoacutepio a saiacuteda PWM e a saiacuteda do circuito integrador Explique o princiacutepio de funcionamento do circuito completo e sugira algumas aplicaccedilotildees Considere R= 10kΩ e C= 100nF
GERACcedilAtildeO DO SINAL PWM INTEGRADOR
Figura 6
Montagem 3 INTEGRADOR PASSIVO
Alguns projetos de sistemas eletrocircnicos necessitam de integradores Diversas aplicaccedilotildees em eletrocircnica recorrem ao uso de circuitos integradores para
implementar esta funcionalidade Neste experimento seraacute observado o funcionamento de um circuito passivo RC
operando como um circuito integrador Escreva a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) para o circuito RC apresentado na Figura
7 e mostre que o mesmo pode ser utilizado como um integrador ideal Determine os valores de R C e a correspondente faixa de frequumlecircncia de operaccedilatildeo para que esta condiccedilatildeo seja satisfeita
Aplique uma onda quadrada com frequecircncia de 10 kHz na entrada do circuito mostrado na Figura 7 e observe a onda triangular resultante da integraccedilatildeo na saiacuteda 6
Aplique uma onda senoidal e verifique a correspondente onda cossenoidal (em quadratura) na saiacuteda Varie a amplitude do sinal de entrada e observe a saiacuteda Considere R= 10kΩ e C= 100nF
Figura 7 ndash Integrador Passivo
Montagem 4 AMPLIFICADOR INVERSOR Os amplificadores de tensatildeo por definiccedilatildeo representam uma classe de circuitos destinados a elevar o niacutevel de tensatildeo de um sinal fornecido por uma unidade geradora a fim de condicionaacute-lo ou seja adequaacute-lo ao estaacutegio seguinte de amplificaccedilatildeo
Monte o circuito amplificador inversor mostrado na figura 8 Aplique um sinal senoidal e triangular com frequumlecircncia de 1 kHz no
circuito amplificador inversor mostrado na figura a seguir e observe com o osciloscoacutepio os sinais de entrada e saiacuteda Meccedila o ganho em tensatildeo e compare-o com o valor teoacuterico esperado Varie a amplitude do sinal de entrada e observe o amplificador operando na regiatildeo linear e na regiatildeo de saturaccedilatildeo RF = 100k e RS = 4k7
Figura 8 ndash Amplificador Inversor
Substitua o resistor RF por um potenciocircmetro e observe a
variaccedilatildeo do ganho em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da resistecircncia conforme mostrado na figura 9
7
Figura 9 ndash Amplificador Inversor com ganho variaacutevel
Montagem 5 AMPLIFICADOR INVERSOR COM GANHO CONTROLADO PELA LUZ
Monte o circuito amplificador inversor mostrado na figura 10 com um fotoresistor na malha de realimentaccedilatildeo e observe o seu funcionamento Aplique um sinal senoidal e observe com o osciloscoacutepio a variaccedilatildeo na amplitude do sinal de saiacuteda em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da intensidade luminosa sobre o fotoresistor Considere o fotoresistor como um dispositivo cuja resistecircncia eleacutetrica que varia inversamente proporcional agrave quantidade de luz que incide sobre o mesmo Estes fotoresistores satildeo tambeacutem conhecidos como LDR (Light Dependent Resistor) No escuro os fotoresistores tecircm resistecircncia elevada tipicamente na faixa de MΩ Quando satildeo expostos agrave luz a resistecircncia diminui por ordens de magnitude Note que este dispositivo fotoeleacutetrico opera de modo similar a um resistor variaacutevel dependente da luminosidade Repita o experimento trocando as posiccedilotildees dos resistores ou seja colocando RS na malha de realimentaccedilatildeo
Explique o funcionamento deste circuito com o fotoresistor colocado na malha de realimentaccedilatildeo e na entrada Sugira algumas aplicaccedilotildees para este circuito
Figura 10 ndash Amplificador Inversor com ganho dependente da luz
8
Fotoresistor
Montagem 6 AMPLIFICADOR NAtildeO INVERSOR
Monte o circuito amplificador natildeo inversor mostrado na figura 11 aplique um sinal senoidal e triangular na entrada VS
(300mV1kHz) e observe com o osciloscoacutepio os sinais de entrada e saiacuteda
RF = 100k e RS = 4k7 Determine o ganho teoacuterico e experimental Note que a impedacircncia de entrada eacute bastante elevada Aleacutem da
natildeo inversatildeo de fase desta configuraccedilatildeo a impedacircncia de entrada elevada eacute a principal diferenccedila para o amplificador inversor
Substitua o resistor RF por um potenciocircmetro e observe a variaccedilatildeo do ganho em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da resistecircncia
Figura 11 ndash Amplificador Natildeo Inversor
INTEGRADOR ATIVO
Os circuitos integradores encontram muitas aplicaccedilotildees nas simulaccedilotildees
de sistemas fiacutesicos representados por equaccedilotildees diferenciais e integrais O circuito integrador realiza a operaccedilatildeo matemaacutetica da integraccedilatildeo O integrador eacute um dos principais circuitos utilizados na implementaccedilatildeo de computadores analoacutegicos aplicados a soluccedilatildeo de equaccedilotildees diferenciais Um circuito integrador utilizando um elemento ativo como por exemplo um amplificador operacional eacute denominado de integrador ativo para distingui-lo do integrador passivo composto apenas de elementos passivos (R e C) Justifique usando a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) porque o circuito mostrado na figura 12 pode ser considerado como um integrador ativo
9
Figura 12 ndash Integrador Ativo
Compare a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) do integrador passivo (Figura 7) com a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) do integrador ativo (Figura 12)
Cite duas vantagens do integrador passivo quando comparado com o integrador ativo
Sugira algumas aplicaccedilotildees onde se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de circuitos integradores
FOTORESISTORES
LDR
Existem muitos dispositivos fotossensiacuteveis disponiacuteveis comercialmente Neste item abordaremos os fotoresistores e os fotodiodos
Fotoresistores apresentam uma variaccedilatildeo da resistecircncia com niacutevel de luz incidente
Fotoresistores ou ceacutelulas fotocondutivas satildeo dispositivos semicondutores cuja condutividade varia de acordo com a incidecircncia de radiaccedilatildeo eletromagneacutetica em sua superfiacutecie Ceacutelulas fotocondutivas satildeo conhecidas tambeacutem como fotoresistores ou resistores dependentes da luz (LDR ndash Light Dependente Resistor) Quando iluminados os fotoresistores apresentam uma variaccedilatildeo na sua resistecircncia proporcional agrave intensidade luminosa incidente O LDR eacute um dispositivo eleacutetrico que tem sua resistecircncia alterada pela luz
Quando um foacuteton tem energia suficiente para quebrar a ligaccedilatildeo eleacutetron-lacuna um eleacutetron torna-se livre podendo fluir pelo circuito A energia luminosa desloca eleacutetrons da camada de valecircncia para a de conduccedilatildeo (mais longe do nuacutecleo) aumentando o nuacutemero de eleacutetrons livres o que diminui a resistecircncia e aumenta a condutividade
Os fotoresistores satildeo constituiacutedos normalmente por CdS (Sulfeto de Caacutedmio) Esse material tem a propriedade de diminuir sua resistecircncia agrave passagem da corrente eleacutetrica quando a luminosidade sobre ele aumenta
10
FOTODIODOS
Quando a luz eacute absorvida por um semicondutor cada foacuteton pode em princiacutepio criar um par lacuna-eleacutetron que pode ser detectado eletricamente Dispositivos fotodiodos exploram esta possibilidade Na realidade satildeo diodos de junccedilatildeo PN otimizados para uso como detectores de luz
Uma fotoceacutelula semicondutora de junccedilatildeo apresenta uma curva caracteriacutestica semelhante agrave de um diodo semicondutor Nesta funcionalidade a junccedilatildeo eacute polarizada inversamente Quando iluminado o fotodiodo apresenta um crescimento da corrente reversa IS podendo desenvolver uma diferenccedila de potencial (tensatildeo) em um resistor Tal tensatildeo eacute proporcional agrave intensidade luminosa incidente na junccedilatildeo do dispositivo
Foacutetons absorvidos pela junccedilatildeo criam pares eleacutetrons-lacunas que causam uma corrente proporcional ao fluxo luminoso Essa corrente pode entatildeo ser amplificada obtendo-se uma tensatildeo de saiacuteda proporcional ao fluxo oacuteptico incidente
O circuito a seguir ilustra uma aplicaccedilatildeo do amplificador operacional
FOacuteTONS amp LEDS
Os foacutetons satildeo partiacuteculas elementares que viajam com a velocidade da luz A emissatildeo de um foacuteton ocorre durante a transiccedilatildeo de um eleacutetron de um aacutetomo
entre dois estados energeacuteticos diferentes pois quando ele recebe energia ele passa de uma camada mais interna para uma mais externa do aacutetomo e quando ele retorna para seu estado original ele emite a energia correspondente a esta diferenccedila sob a forma de um foacuteton
O efeito fotoeleacutetrico eacute a emissatildeo de eleacutetrons por um material quando exposto a uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (como a luz)
A luz pode se comportar natildeo apenas como ondas contiacutenuas mas tambeacutem como
feixes discretos de energia chamados de foacutetons A energia de um foacuteton eacute calculada atraveacutes da relaccedilatildeo E=hf onde h eacute a constante de Planck e f eacute a frequumlecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica
Um foacuteton azul por exemplo conteacutem mais energia do que um foacuteton vermelho pois a frequumlecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequumlecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha
11
12
O LED [Light-Emitting Diode] eacute um dispositivo semicondutor (Junccedilatildeo PN) que quando energizado emite luz (foacutetons) Normalmente trabalha com a junccedilatildeo PN polarizada diretamente Os LEDs satildeo fabricados especialmente para liberar um grande nuacutemero de foacutetons
Haacute muitas formas de se produzirem foacutetons mas todas elas usam o mesmo mecanismo dentro de um aacutetomo Este mecanismo envolve a energizaccedilatildeo dos eleacutetrons que estatildeo orbitando ao redor do nuacutecleo de cada aacutetomo
O processo de emissatildeo de luz pela aplicaccedilatildeo de uma fonte eleacutetrica de energia eacute chamado eletroluminescecircncia
Um eleacutetron ocupa uma oacuterbita natural mas se vocecirc energizar um aacutetomo pode movecirc-lo para orbitais maiores Um foacuteton de luz eacute produzido sempre que um eleacutetron que estaacute numa oacuterbita maior do que a normal volta para sua oacuterbita normal Durante a queda da alta energia para a energia normal o eleacutetron emite um foacuteton (um pacote de energia) com caracteriacutesticas bastante especiacuteficas
Foi Albert Einstein usando a ideacuteia de Max Planck que conseguiu demonstrar que um feixe de luz eacute constituiacutedo por pequenos pacotes de energia denominados de foacutetons explicando assim o fenocircmeno da emissatildeo fotoeleacutetrica
A confirmaccedilatildeo da descoberta de Einstein se deu no ano de 1911 quando Arthur Compton demonstrou que quando um foacuteton colide com um eleacutetron ambos comportam-se como corpos materiaisrdquo
A experiecircncia comprova que a cor de um feixe de luz monocromaacutetico natildeo se altera quando ele passa de um meio transparente para outro O que ocorre eacute que quando o feixe de luz passa de um meio para outro tanto o comprimento de onda quanto a velocidade tem seus valores alterados mas a frequecircncia natildeo se altera e portanto permanece sempre a mesma Eacute por esse motivo que se recomenda que um feixe de luz seja caracterizado pela sua frequecircncia e natildeo por seu comprimento de onda ou velocidade com que se propaga
A maioria dos controles remotos de aparelhos eletrocircnicos transmite informaccedilatildeo atraveacutes da codificaccedilatildeo de sinais por emissatildeo de radiaccedilatildeo na faixa do infravermelho
A energia de um uacutenico foacuteton eacute calculada por E = hf = hcλ onde f eacute a frequumlecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica correspondente λ eacute o comprimento de onda e h a constante de Planck
QUESTOtildeES
Consulte a folha de dados (DATA SHEET) do Amplificador Operacional TL084 e LM324 fornecida pelo fabricante e utilizado neste experimento para responder as questotildees a seguir (1) Qual a tensatildeo maacutexima de alimentaccedilatildeo +VCC e ndashVCC especificada pelo fabricante (2) Qual o tipo de transistor utilizado como amplificador diferencial na entrada dos amplificadores operacionais TL084 e LM324 (3) O amplificador operacional TL084 possui proteccedilatildeo contra curto circuito na saiacuteda (4) Qual o valor da resistecircncia de entrada do TL084 (5) Qual o ganho em tensatildeo tiacutepico para o TL084 (6) Qual a frequecircncia de operaccedilatildeo maacutexima para o TL084 e LM324 (7) Qual dos dois amplificadores operacionais (TL084LM324) pode operar com fonte unipolar (8) Calcule a energia em eleacutetron-volts de um foacuteton de radiaccedilatildeo infravermelha cujo comprimento de onda eacute 3microm Repita o caacutelculo para cada uma das cores do espectro eletromagneacutetico e compare com a tensatildeo necessaacuteria para operar cada LED na cor correspondente [vermelho verde amarelo azul violeta] Associe os valores determinados teoricamente nesta questatildeo com os valores das tensotildees medidas sobre os LEDs durante a montagem 1 (9) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando os amplificadores operacionais (10) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando LDRs LEDs e Fotodiodos
Quando a tensatildeo natildeo-inversora Vi for superior a tensatildeo aplicada
na entrada inversora o comparador produz uma tensatildeo de saiacuteda alta (saturaccedilatildeo positiva) quando a entrada natildeo-inversora for inferior a tensatildeo na entrada inversora a saiacuteda seraacute baixa (saturaccedilatildeo negativa)
No circuito da figura 1B a tensatildeo de entrada aplicada na entrada natildeo inversora esta sendo comparada com a tensatildeo de referecircncia zero (entrada inversora)
Figura 1B - Comparador de tensatildeo com zero
Aplique uma tensatildeo variaacutevel Vi na entrada do circuito mostrado na figura 2 e observe a saiacuteda (LEDs) do circuito comparador de tensatildeo enquanto varia o sinal na entrada Vi Meccedila a tensatildeo de saturaccedilatildeo positiva e negativa na saiacuteda do amplificador operacional Meccedila com um multiacutemetro digital na escala de tensatildeo DC o valor da tensatildeo Vi no instante em que ocorre a transiccedilatildeo ou seja quando um LED apaga e o outro acende Qual o valor esperado para esta tensatildeo
Os LEDs servem para indicar visualmente quando ocorre a saturaccedilatildeo positiva ou negativa na saiacuteda ou seja quando o sinal de entrada Vi torna-se superior ou inferior a tensatildeo de referecircncia VR neste caso a tensatildeo zero (entrada inversora aterrada) ou seja VR=0
14710 01 Ω=Ω=Ω= kRekRkR Meccedila e anote a tensatildeo sobre cada LED quando ele estiver aceso
Figura 2 ndash COMPARADOR DE TENSAtildeO
Monte o circuito comparador de tensatildeo mostrado na figura 3 Aplique um sinal senoidal e observe com o osciloscoacutepio os sinais de entrada e saiacuteda Esboce as formas de ondas dos dois sinais Repita o procedimento aplicando um sinal triangular Compare os resultados nas duas situaccedilotildees e comente
4
Figura 3 ndash COMPARADOR DE TENSAtildeO COM ZERO
Montagem 2 MODULADOR PWM + INTEGRADOR Pulse Width Modulation Modulaccedilatildeo por Largura de Pulso
Uma aplicaccedilatildeo direta do amplificador operacional como comparador de tensatildeo pode ser observada na montagem de um modulador PWM
O objetivo desta montagem eacute verificar a funcionalidade de um modulador PWM
A modulaccedilatildeo por largura de pulso (PWM) consiste em uma onda quadrada cuja largura de pulso eacute variaacutevel segundo o valor do sinal aplicado Em outras palavras a largura do pulso eacute modificada de acordo com a amplitude do sinal modulador Isto faz com que o valor meacutedio do sinal resultante seja proporcional ao sinal que se deseja modular Em outras palavras obtecircm-se pulsos cujas larguras (tempo) satildeo proporcionais a uma tensatildeo (amplitude) aplicada
O sinal PWM eacute facilmente obtido atraveacutes da comparaccedilatildeo do sinal modulante (modulador) com uma onda triangular (portadora) Desta forma sempre que a amplitude do sinal modulador for inferior ao valor da amplitude da onda triangular a saiacuteda do comparador estaraacute em niacutevel alto conforme mostrado nas figuras 4 e 5 Dessa forma podemos utilizar de uma maneira simples e direta o comparador de tensatildeo na geraccedilatildeo de um sinal PWM
Figura 4 ndash Configuraccedilatildeo baacutesica de um circuito PWM
Monte o circuito da figura 5 Aplique um sinal triangular com 10V10kHz
na entrada inversora do amplificador operacional varie o sinal de entrada Vi e observe simultaneamente usando os dois canais do osciloscoacutepio o sinal de entrada Vi aplicado e a saiacuteda PWM gerada na saiacuteda do comparador de tensatildeo Explique a funcionalidade do circuito Como vocecirc modificaria o circuito da figura 5 para se obter um sinal PWM com largura de pulso dependente de uma outra grandeza fiacutesica natildeo eleacutetrica [temperatura luz umidade aceleraccedilatildeo forccedila]
5
Figura 5 ndash Geraccedilatildeo de sinal PWM
Acrescente a saiacuteda do amplificador operacional um circuito RC funcionando como circuito integrador conforme ilustrado na figura 6 Aplique um sinal triangular com 10V10kHz na entrada inversora do amplificador operacional varie o sinal de entrada Vi e observe simultaneamente usando os dois canais do osciloscoacutepio a saiacuteda PWM e a saiacuteda do circuito integrador Explique o princiacutepio de funcionamento do circuito completo e sugira algumas aplicaccedilotildees Considere R= 10kΩ e C= 100nF
GERACcedilAtildeO DO SINAL PWM INTEGRADOR
Figura 6
Montagem 3 INTEGRADOR PASSIVO
Alguns projetos de sistemas eletrocircnicos necessitam de integradores Diversas aplicaccedilotildees em eletrocircnica recorrem ao uso de circuitos integradores para
implementar esta funcionalidade Neste experimento seraacute observado o funcionamento de um circuito passivo RC
operando como um circuito integrador Escreva a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) para o circuito RC apresentado na Figura
7 e mostre que o mesmo pode ser utilizado como um integrador ideal Determine os valores de R C e a correspondente faixa de frequumlecircncia de operaccedilatildeo para que esta condiccedilatildeo seja satisfeita
Aplique uma onda quadrada com frequecircncia de 10 kHz na entrada do circuito mostrado na Figura 7 e observe a onda triangular resultante da integraccedilatildeo na saiacuteda 6
Aplique uma onda senoidal e verifique a correspondente onda cossenoidal (em quadratura) na saiacuteda Varie a amplitude do sinal de entrada e observe a saiacuteda Considere R= 10kΩ e C= 100nF
Figura 7 ndash Integrador Passivo
Montagem 4 AMPLIFICADOR INVERSOR Os amplificadores de tensatildeo por definiccedilatildeo representam uma classe de circuitos destinados a elevar o niacutevel de tensatildeo de um sinal fornecido por uma unidade geradora a fim de condicionaacute-lo ou seja adequaacute-lo ao estaacutegio seguinte de amplificaccedilatildeo
Monte o circuito amplificador inversor mostrado na figura 8 Aplique um sinal senoidal e triangular com frequumlecircncia de 1 kHz no
circuito amplificador inversor mostrado na figura a seguir e observe com o osciloscoacutepio os sinais de entrada e saiacuteda Meccedila o ganho em tensatildeo e compare-o com o valor teoacuterico esperado Varie a amplitude do sinal de entrada e observe o amplificador operando na regiatildeo linear e na regiatildeo de saturaccedilatildeo RF = 100k e RS = 4k7
Figura 8 ndash Amplificador Inversor
Substitua o resistor RF por um potenciocircmetro e observe a
variaccedilatildeo do ganho em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da resistecircncia conforme mostrado na figura 9
7
Figura 9 ndash Amplificador Inversor com ganho variaacutevel
Montagem 5 AMPLIFICADOR INVERSOR COM GANHO CONTROLADO PELA LUZ
Monte o circuito amplificador inversor mostrado na figura 10 com um fotoresistor na malha de realimentaccedilatildeo e observe o seu funcionamento Aplique um sinal senoidal e observe com o osciloscoacutepio a variaccedilatildeo na amplitude do sinal de saiacuteda em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da intensidade luminosa sobre o fotoresistor Considere o fotoresistor como um dispositivo cuja resistecircncia eleacutetrica que varia inversamente proporcional agrave quantidade de luz que incide sobre o mesmo Estes fotoresistores satildeo tambeacutem conhecidos como LDR (Light Dependent Resistor) No escuro os fotoresistores tecircm resistecircncia elevada tipicamente na faixa de MΩ Quando satildeo expostos agrave luz a resistecircncia diminui por ordens de magnitude Note que este dispositivo fotoeleacutetrico opera de modo similar a um resistor variaacutevel dependente da luminosidade Repita o experimento trocando as posiccedilotildees dos resistores ou seja colocando RS na malha de realimentaccedilatildeo
Explique o funcionamento deste circuito com o fotoresistor colocado na malha de realimentaccedilatildeo e na entrada Sugira algumas aplicaccedilotildees para este circuito
Figura 10 ndash Amplificador Inversor com ganho dependente da luz
8
Fotoresistor
Montagem 6 AMPLIFICADOR NAtildeO INVERSOR
Monte o circuito amplificador natildeo inversor mostrado na figura 11 aplique um sinal senoidal e triangular na entrada VS
(300mV1kHz) e observe com o osciloscoacutepio os sinais de entrada e saiacuteda
RF = 100k e RS = 4k7 Determine o ganho teoacuterico e experimental Note que a impedacircncia de entrada eacute bastante elevada Aleacutem da
natildeo inversatildeo de fase desta configuraccedilatildeo a impedacircncia de entrada elevada eacute a principal diferenccedila para o amplificador inversor
Substitua o resistor RF por um potenciocircmetro e observe a variaccedilatildeo do ganho em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da resistecircncia
Figura 11 ndash Amplificador Natildeo Inversor
INTEGRADOR ATIVO
Os circuitos integradores encontram muitas aplicaccedilotildees nas simulaccedilotildees
de sistemas fiacutesicos representados por equaccedilotildees diferenciais e integrais O circuito integrador realiza a operaccedilatildeo matemaacutetica da integraccedilatildeo O integrador eacute um dos principais circuitos utilizados na implementaccedilatildeo de computadores analoacutegicos aplicados a soluccedilatildeo de equaccedilotildees diferenciais Um circuito integrador utilizando um elemento ativo como por exemplo um amplificador operacional eacute denominado de integrador ativo para distingui-lo do integrador passivo composto apenas de elementos passivos (R e C) Justifique usando a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) porque o circuito mostrado na figura 12 pode ser considerado como um integrador ativo
9
Figura 12 ndash Integrador Ativo
Compare a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) do integrador passivo (Figura 7) com a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) do integrador ativo (Figura 12)
Cite duas vantagens do integrador passivo quando comparado com o integrador ativo
Sugira algumas aplicaccedilotildees onde se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de circuitos integradores
FOTORESISTORES
LDR
Existem muitos dispositivos fotossensiacuteveis disponiacuteveis comercialmente Neste item abordaremos os fotoresistores e os fotodiodos
Fotoresistores apresentam uma variaccedilatildeo da resistecircncia com niacutevel de luz incidente
Fotoresistores ou ceacutelulas fotocondutivas satildeo dispositivos semicondutores cuja condutividade varia de acordo com a incidecircncia de radiaccedilatildeo eletromagneacutetica em sua superfiacutecie Ceacutelulas fotocondutivas satildeo conhecidas tambeacutem como fotoresistores ou resistores dependentes da luz (LDR ndash Light Dependente Resistor) Quando iluminados os fotoresistores apresentam uma variaccedilatildeo na sua resistecircncia proporcional agrave intensidade luminosa incidente O LDR eacute um dispositivo eleacutetrico que tem sua resistecircncia alterada pela luz
Quando um foacuteton tem energia suficiente para quebrar a ligaccedilatildeo eleacutetron-lacuna um eleacutetron torna-se livre podendo fluir pelo circuito A energia luminosa desloca eleacutetrons da camada de valecircncia para a de conduccedilatildeo (mais longe do nuacutecleo) aumentando o nuacutemero de eleacutetrons livres o que diminui a resistecircncia e aumenta a condutividade
Os fotoresistores satildeo constituiacutedos normalmente por CdS (Sulfeto de Caacutedmio) Esse material tem a propriedade de diminuir sua resistecircncia agrave passagem da corrente eleacutetrica quando a luminosidade sobre ele aumenta
10
FOTODIODOS
Quando a luz eacute absorvida por um semicondutor cada foacuteton pode em princiacutepio criar um par lacuna-eleacutetron que pode ser detectado eletricamente Dispositivos fotodiodos exploram esta possibilidade Na realidade satildeo diodos de junccedilatildeo PN otimizados para uso como detectores de luz
Uma fotoceacutelula semicondutora de junccedilatildeo apresenta uma curva caracteriacutestica semelhante agrave de um diodo semicondutor Nesta funcionalidade a junccedilatildeo eacute polarizada inversamente Quando iluminado o fotodiodo apresenta um crescimento da corrente reversa IS podendo desenvolver uma diferenccedila de potencial (tensatildeo) em um resistor Tal tensatildeo eacute proporcional agrave intensidade luminosa incidente na junccedilatildeo do dispositivo
Foacutetons absorvidos pela junccedilatildeo criam pares eleacutetrons-lacunas que causam uma corrente proporcional ao fluxo luminoso Essa corrente pode entatildeo ser amplificada obtendo-se uma tensatildeo de saiacuteda proporcional ao fluxo oacuteptico incidente
O circuito a seguir ilustra uma aplicaccedilatildeo do amplificador operacional
FOacuteTONS amp LEDS
Os foacutetons satildeo partiacuteculas elementares que viajam com a velocidade da luz A emissatildeo de um foacuteton ocorre durante a transiccedilatildeo de um eleacutetron de um aacutetomo
entre dois estados energeacuteticos diferentes pois quando ele recebe energia ele passa de uma camada mais interna para uma mais externa do aacutetomo e quando ele retorna para seu estado original ele emite a energia correspondente a esta diferenccedila sob a forma de um foacuteton
O efeito fotoeleacutetrico eacute a emissatildeo de eleacutetrons por um material quando exposto a uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (como a luz)
A luz pode se comportar natildeo apenas como ondas contiacutenuas mas tambeacutem como
feixes discretos de energia chamados de foacutetons A energia de um foacuteton eacute calculada atraveacutes da relaccedilatildeo E=hf onde h eacute a constante de Planck e f eacute a frequumlecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica
Um foacuteton azul por exemplo conteacutem mais energia do que um foacuteton vermelho pois a frequumlecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequumlecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha
11
12
O LED [Light-Emitting Diode] eacute um dispositivo semicondutor (Junccedilatildeo PN) que quando energizado emite luz (foacutetons) Normalmente trabalha com a junccedilatildeo PN polarizada diretamente Os LEDs satildeo fabricados especialmente para liberar um grande nuacutemero de foacutetons
Haacute muitas formas de se produzirem foacutetons mas todas elas usam o mesmo mecanismo dentro de um aacutetomo Este mecanismo envolve a energizaccedilatildeo dos eleacutetrons que estatildeo orbitando ao redor do nuacutecleo de cada aacutetomo
O processo de emissatildeo de luz pela aplicaccedilatildeo de uma fonte eleacutetrica de energia eacute chamado eletroluminescecircncia
Um eleacutetron ocupa uma oacuterbita natural mas se vocecirc energizar um aacutetomo pode movecirc-lo para orbitais maiores Um foacuteton de luz eacute produzido sempre que um eleacutetron que estaacute numa oacuterbita maior do que a normal volta para sua oacuterbita normal Durante a queda da alta energia para a energia normal o eleacutetron emite um foacuteton (um pacote de energia) com caracteriacutesticas bastante especiacuteficas
Foi Albert Einstein usando a ideacuteia de Max Planck que conseguiu demonstrar que um feixe de luz eacute constituiacutedo por pequenos pacotes de energia denominados de foacutetons explicando assim o fenocircmeno da emissatildeo fotoeleacutetrica
A confirmaccedilatildeo da descoberta de Einstein se deu no ano de 1911 quando Arthur Compton demonstrou que quando um foacuteton colide com um eleacutetron ambos comportam-se como corpos materiaisrdquo
A experiecircncia comprova que a cor de um feixe de luz monocromaacutetico natildeo se altera quando ele passa de um meio transparente para outro O que ocorre eacute que quando o feixe de luz passa de um meio para outro tanto o comprimento de onda quanto a velocidade tem seus valores alterados mas a frequecircncia natildeo se altera e portanto permanece sempre a mesma Eacute por esse motivo que se recomenda que um feixe de luz seja caracterizado pela sua frequecircncia e natildeo por seu comprimento de onda ou velocidade com que se propaga
A maioria dos controles remotos de aparelhos eletrocircnicos transmite informaccedilatildeo atraveacutes da codificaccedilatildeo de sinais por emissatildeo de radiaccedilatildeo na faixa do infravermelho
A energia de um uacutenico foacuteton eacute calculada por E = hf = hcλ onde f eacute a frequumlecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica correspondente λ eacute o comprimento de onda e h a constante de Planck
QUESTOtildeES
Consulte a folha de dados (DATA SHEET) do Amplificador Operacional TL084 e LM324 fornecida pelo fabricante e utilizado neste experimento para responder as questotildees a seguir (1) Qual a tensatildeo maacutexima de alimentaccedilatildeo +VCC e ndashVCC especificada pelo fabricante (2) Qual o tipo de transistor utilizado como amplificador diferencial na entrada dos amplificadores operacionais TL084 e LM324 (3) O amplificador operacional TL084 possui proteccedilatildeo contra curto circuito na saiacuteda (4) Qual o valor da resistecircncia de entrada do TL084 (5) Qual o ganho em tensatildeo tiacutepico para o TL084 (6) Qual a frequecircncia de operaccedilatildeo maacutexima para o TL084 e LM324 (7) Qual dos dois amplificadores operacionais (TL084LM324) pode operar com fonte unipolar (8) Calcule a energia em eleacutetron-volts de um foacuteton de radiaccedilatildeo infravermelha cujo comprimento de onda eacute 3microm Repita o caacutelculo para cada uma das cores do espectro eletromagneacutetico e compare com a tensatildeo necessaacuteria para operar cada LED na cor correspondente [vermelho verde amarelo azul violeta] Associe os valores determinados teoricamente nesta questatildeo com os valores das tensotildees medidas sobre os LEDs durante a montagem 1 (9) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando os amplificadores operacionais (10) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando LDRs LEDs e Fotodiodos
Figura 3 ndash COMPARADOR DE TENSAtildeO COM ZERO
Montagem 2 MODULADOR PWM + INTEGRADOR Pulse Width Modulation Modulaccedilatildeo por Largura de Pulso
Uma aplicaccedilatildeo direta do amplificador operacional como comparador de tensatildeo pode ser observada na montagem de um modulador PWM
O objetivo desta montagem eacute verificar a funcionalidade de um modulador PWM
A modulaccedilatildeo por largura de pulso (PWM) consiste em uma onda quadrada cuja largura de pulso eacute variaacutevel segundo o valor do sinal aplicado Em outras palavras a largura do pulso eacute modificada de acordo com a amplitude do sinal modulador Isto faz com que o valor meacutedio do sinal resultante seja proporcional ao sinal que se deseja modular Em outras palavras obtecircm-se pulsos cujas larguras (tempo) satildeo proporcionais a uma tensatildeo (amplitude) aplicada
O sinal PWM eacute facilmente obtido atraveacutes da comparaccedilatildeo do sinal modulante (modulador) com uma onda triangular (portadora) Desta forma sempre que a amplitude do sinal modulador for inferior ao valor da amplitude da onda triangular a saiacuteda do comparador estaraacute em niacutevel alto conforme mostrado nas figuras 4 e 5 Dessa forma podemos utilizar de uma maneira simples e direta o comparador de tensatildeo na geraccedilatildeo de um sinal PWM
Figura 4 ndash Configuraccedilatildeo baacutesica de um circuito PWM
Monte o circuito da figura 5 Aplique um sinal triangular com 10V10kHz
na entrada inversora do amplificador operacional varie o sinal de entrada Vi e observe simultaneamente usando os dois canais do osciloscoacutepio o sinal de entrada Vi aplicado e a saiacuteda PWM gerada na saiacuteda do comparador de tensatildeo Explique a funcionalidade do circuito Como vocecirc modificaria o circuito da figura 5 para se obter um sinal PWM com largura de pulso dependente de uma outra grandeza fiacutesica natildeo eleacutetrica [temperatura luz umidade aceleraccedilatildeo forccedila]
5
Figura 5 ndash Geraccedilatildeo de sinal PWM
Acrescente a saiacuteda do amplificador operacional um circuito RC funcionando como circuito integrador conforme ilustrado na figura 6 Aplique um sinal triangular com 10V10kHz na entrada inversora do amplificador operacional varie o sinal de entrada Vi e observe simultaneamente usando os dois canais do osciloscoacutepio a saiacuteda PWM e a saiacuteda do circuito integrador Explique o princiacutepio de funcionamento do circuito completo e sugira algumas aplicaccedilotildees Considere R= 10kΩ e C= 100nF
GERACcedilAtildeO DO SINAL PWM INTEGRADOR
Figura 6
Montagem 3 INTEGRADOR PASSIVO
Alguns projetos de sistemas eletrocircnicos necessitam de integradores Diversas aplicaccedilotildees em eletrocircnica recorrem ao uso de circuitos integradores para
implementar esta funcionalidade Neste experimento seraacute observado o funcionamento de um circuito passivo RC
operando como um circuito integrador Escreva a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) para o circuito RC apresentado na Figura
7 e mostre que o mesmo pode ser utilizado como um integrador ideal Determine os valores de R C e a correspondente faixa de frequumlecircncia de operaccedilatildeo para que esta condiccedilatildeo seja satisfeita
Aplique uma onda quadrada com frequecircncia de 10 kHz na entrada do circuito mostrado na Figura 7 e observe a onda triangular resultante da integraccedilatildeo na saiacuteda 6
Aplique uma onda senoidal e verifique a correspondente onda cossenoidal (em quadratura) na saiacuteda Varie a amplitude do sinal de entrada e observe a saiacuteda Considere R= 10kΩ e C= 100nF
Figura 7 ndash Integrador Passivo
Montagem 4 AMPLIFICADOR INVERSOR Os amplificadores de tensatildeo por definiccedilatildeo representam uma classe de circuitos destinados a elevar o niacutevel de tensatildeo de um sinal fornecido por uma unidade geradora a fim de condicionaacute-lo ou seja adequaacute-lo ao estaacutegio seguinte de amplificaccedilatildeo
Monte o circuito amplificador inversor mostrado na figura 8 Aplique um sinal senoidal e triangular com frequumlecircncia de 1 kHz no
circuito amplificador inversor mostrado na figura a seguir e observe com o osciloscoacutepio os sinais de entrada e saiacuteda Meccedila o ganho em tensatildeo e compare-o com o valor teoacuterico esperado Varie a amplitude do sinal de entrada e observe o amplificador operando na regiatildeo linear e na regiatildeo de saturaccedilatildeo RF = 100k e RS = 4k7
Figura 8 ndash Amplificador Inversor
Substitua o resistor RF por um potenciocircmetro e observe a
variaccedilatildeo do ganho em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da resistecircncia conforme mostrado na figura 9
7
Figura 9 ndash Amplificador Inversor com ganho variaacutevel
Montagem 5 AMPLIFICADOR INVERSOR COM GANHO CONTROLADO PELA LUZ
Monte o circuito amplificador inversor mostrado na figura 10 com um fotoresistor na malha de realimentaccedilatildeo e observe o seu funcionamento Aplique um sinal senoidal e observe com o osciloscoacutepio a variaccedilatildeo na amplitude do sinal de saiacuteda em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da intensidade luminosa sobre o fotoresistor Considere o fotoresistor como um dispositivo cuja resistecircncia eleacutetrica que varia inversamente proporcional agrave quantidade de luz que incide sobre o mesmo Estes fotoresistores satildeo tambeacutem conhecidos como LDR (Light Dependent Resistor) No escuro os fotoresistores tecircm resistecircncia elevada tipicamente na faixa de MΩ Quando satildeo expostos agrave luz a resistecircncia diminui por ordens de magnitude Note que este dispositivo fotoeleacutetrico opera de modo similar a um resistor variaacutevel dependente da luminosidade Repita o experimento trocando as posiccedilotildees dos resistores ou seja colocando RS na malha de realimentaccedilatildeo
Explique o funcionamento deste circuito com o fotoresistor colocado na malha de realimentaccedilatildeo e na entrada Sugira algumas aplicaccedilotildees para este circuito
Figura 10 ndash Amplificador Inversor com ganho dependente da luz
8
Fotoresistor
Montagem 6 AMPLIFICADOR NAtildeO INVERSOR
Monte o circuito amplificador natildeo inversor mostrado na figura 11 aplique um sinal senoidal e triangular na entrada VS
(300mV1kHz) e observe com o osciloscoacutepio os sinais de entrada e saiacuteda
RF = 100k e RS = 4k7 Determine o ganho teoacuterico e experimental Note que a impedacircncia de entrada eacute bastante elevada Aleacutem da
natildeo inversatildeo de fase desta configuraccedilatildeo a impedacircncia de entrada elevada eacute a principal diferenccedila para o amplificador inversor
Substitua o resistor RF por um potenciocircmetro e observe a variaccedilatildeo do ganho em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da resistecircncia
Figura 11 ndash Amplificador Natildeo Inversor
INTEGRADOR ATIVO
Os circuitos integradores encontram muitas aplicaccedilotildees nas simulaccedilotildees
de sistemas fiacutesicos representados por equaccedilotildees diferenciais e integrais O circuito integrador realiza a operaccedilatildeo matemaacutetica da integraccedilatildeo O integrador eacute um dos principais circuitos utilizados na implementaccedilatildeo de computadores analoacutegicos aplicados a soluccedilatildeo de equaccedilotildees diferenciais Um circuito integrador utilizando um elemento ativo como por exemplo um amplificador operacional eacute denominado de integrador ativo para distingui-lo do integrador passivo composto apenas de elementos passivos (R e C) Justifique usando a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) porque o circuito mostrado na figura 12 pode ser considerado como um integrador ativo
9
Figura 12 ndash Integrador Ativo
Compare a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) do integrador passivo (Figura 7) com a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) do integrador ativo (Figura 12)
Cite duas vantagens do integrador passivo quando comparado com o integrador ativo
Sugira algumas aplicaccedilotildees onde se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de circuitos integradores
FOTORESISTORES
LDR
Existem muitos dispositivos fotossensiacuteveis disponiacuteveis comercialmente Neste item abordaremos os fotoresistores e os fotodiodos
Fotoresistores apresentam uma variaccedilatildeo da resistecircncia com niacutevel de luz incidente
Fotoresistores ou ceacutelulas fotocondutivas satildeo dispositivos semicondutores cuja condutividade varia de acordo com a incidecircncia de radiaccedilatildeo eletromagneacutetica em sua superfiacutecie Ceacutelulas fotocondutivas satildeo conhecidas tambeacutem como fotoresistores ou resistores dependentes da luz (LDR ndash Light Dependente Resistor) Quando iluminados os fotoresistores apresentam uma variaccedilatildeo na sua resistecircncia proporcional agrave intensidade luminosa incidente O LDR eacute um dispositivo eleacutetrico que tem sua resistecircncia alterada pela luz
Quando um foacuteton tem energia suficiente para quebrar a ligaccedilatildeo eleacutetron-lacuna um eleacutetron torna-se livre podendo fluir pelo circuito A energia luminosa desloca eleacutetrons da camada de valecircncia para a de conduccedilatildeo (mais longe do nuacutecleo) aumentando o nuacutemero de eleacutetrons livres o que diminui a resistecircncia e aumenta a condutividade
Os fotoresistores satildeo constituiacutedos normalmente por CdS (Sulfeto de Caacutedmio) Esse material tem a propriedade de diminuir sua resistecircncia agrave passagem da corrente eleacutetrica quando a luminosidade sobre ele aumenta
10
FOTODIODOS
Quando a luz eacute absorvida por um semicondutor cada foacuteton pode em princiacutepio criar um par lacuna-eleacutetron que pode ser detectado eletricamente Dispositivos fotodiodos exploram esta possibilidade Na realidade satildeo diodos de junccedilatildeo PN otimizados para uso como detectores de luz
Uma fotoceacutelula semicondutora de junccedilatildeo apresenta uma curva caracteriacutestica semelhante agrave de um diodo semicondutor Nesta funcionalidade a junccedilatildeo eacute polarizada inversamente Quando iluminado o fotodiodo apresenta um crescimento da corrente reversa IS podendo desenvolver uma diferenccedila de potencial (tensatildeo) em um resistor Tal tensatildeo eacute proporcional agrave intensidade luminosa incidente na junccedilatildeo do dispositivo
Foacutetons absorvidos pela junccedilatildeo criam pares eleacutetrons-lacunas que causam uma corrente proporcional ao fluxo luminoso Essa corrente pode entatildeo ser amplificada obtendo-se uma tensatildeo de saiacuteda proporcional ao fluxo oacuteptico incidente
O circuito a seguir ilustra uma aplicaccedilatildeo do amplificador operacional
FOacuteTONS amp LEDS
Os foacutetons satildeo partiacuteculas elementares que viajam com a velocidade da luz A emissatildeo de um foacuteton ocorre durante a transiccedilatildeo de um eleacutetron de um aacutetomo
entre dois estados energeacuteticos diferentes pois quando ele recebe energia ele passa de uma camada mais interna para uma mais externa do aacutetomo e quando ele retorna para seu estado original ele emite a energia correspondente a esta diferenccedila sob a forma de um foacuteton
O efeito fotoeleacutetrico eacute a emissatildeo de eleacutetrons por um material quando exposto a uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (como a luz)
A luz pode se comportar natildeo apenas como ondas contiacutenuas mas tambeacutem como
feixes discretos de energia chamados de foacutetons A energia de um foacuteton eacute calculada atraveacutes da relaccedilatildeo E=hf onde h eacute a constante de Planck e f eacute a frequumlecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica
Um foacuteton azul por exemplo conteacutem mais energia do que um foacuteton vermelho pois a frequumlecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequumlecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha
11
12
O LED [Light-Emitting Diode] eacute um dispositivo semicondutor (Junccedilatildeo PN) que quando energizado emite luz (foacutetons) Normalmente trabalha com a junccedilatildeo PN polarizada diretamente Os LEDs satildeo fabricados especialmente para liberar um grande nuacutemero de foacutetons
Haacute muitas formas de se produzirem foacutetons mas todas elas usam o mesmo mecanismo dentro de um aacutetomo Este mecanismo envolve a energizaccedilatildeo dos eleacutetrons que estatildeo orbitando ao redor do nuacutecleo de cada aacutetomo
O processo de emissatildeo de luz pela aplicaccedilatildeo de uma fonte eleacutetrica de energia eacute chamado eletroluminescecircncia
Um eleacutetron ocupa uma oacuterbita natural mas se vocecirc energizar um aacutetomo pode movecirc-lo para orbitais maiores Um foacuteton de luz eacute produzido sempre que um eleacutetron que estaacute numa oacuterbita maior do que a normal volta para sua oacuterbita normal Durante a queda da alta energia para a energia normal o eleacutetron emite um foacuteton (um pacote de energia) com caracteriacutesticas bastante especiacuteficas
Foi Albert Einstein usando a ideacuteia de Max Planck que conseguiu demonstrar que um feixe de luz eacute constituiacutedo por pequenos pacotes de energia denominados de foacutetons explicando assim o fenocircmeno da emissatildeo fotoeleacutetrica
A confirmaccedilatildeo da descoberta de Einstein se deu no ano de 1911 quando Arthur Compton demonstrou que quando um foacuteton colide com um eleacutetron ambos comportam-se como corpos materiaisrdquo
A experiecircncia comprova que a cor de um feixe de luz monocromaacutetico natildeo se altera quando ele passa de um meio transparente para outro O que ocorre eacute que quando o feixe de luz passa de um meio para outro tanto o comprimento de onda quanto a velocidade tem seus valores alterados mas a frequecircncia natildeo se altera e portanto permanece sempre a mesma Eacute por esse motivo que se recomenda que um feixe de luz seja caracterizado pela sua frequecircncia e natildeo por seu comprimento de onda ou velocidade com que se propaga
A maioria dos controles remotos de aparelhos eletrocircnicos transmite informaccedilatildeo atraveacutes da codificaccedilatildeo de sinais por emissatildeo de radiaccedilatildeo na faixa do infravermelho
A energia de um uacutenico foacuteton eacute calculada por E = hf = hcλ onde f eacute a frequumlecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica correspondente λ eacute o comprimento de onda e h a constante de Planck
QUESTOtildeES
Consulte a folha de dados (DATA SHEET) do Amplificador Operacional TL084 e LM324 fornecida pelo fabricante e utilizado neste experimento para responder as questotildees a seguir (1) Qual a tensatildeo maacutexima de alimentaccedilatildeo +VCC e ndashVCC especificada pelo fabricante (2) Qual o tipo de transistor utilizado como amplificador diferencial na entrada dos amplificadores operacionais TL084 e LM324 (3) O amplificador operacional TL084 possui proteccedilatildeo contra curto circuito na saiacuteda (4) Qual o valor da resistecircncia de entrada do TL084 (5) Qual o ganho em tensatildeo tiacutepico para o TL084 (6) Qual a frequecircncia de operaccedilatildeo maacutexima para o TL084 e LM324 (7) Qual dos dois amplificadores operacionais (TL084LM324) pode operar com fonte unipolar (8) Calcule a energia em eleacutetron-volts de um foacuteton de radiaccedilatildeo infravermelha cujo comprimento de onda eacute 3microm Repita o caacutelculo para cada uma das cores do espectro eletromagneacutetico e compare com a tensatildeo necessaacuteria para operar cada LED na cor correspondente [vermelho verde amarelo azul violeta] Associe os valores determinados teoricamente nesta questatildeo com os valores das tensotildees medidas sobre os LEDs durante a montagem 1 (9) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando os amplificadores operacionais (10) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando LDRs LEDs e Fotodiodos
Figura 5 ndash Geraccedilatildeo de sinal PWM
Acrescente a saiacuteda do amplificador operacional um circuito RC funcionando como circuito integrador conforme ilustrado na figura 6 Aplique um sinal triangular com 10V10kHz na entrada inversora do amplificador operacional varie o sinal de entrada Vi e observe simultaneamente usando os dois canais do osciloscoacutepio a saiacuteda PWM e a saiacuteda do circuito integrador Explique o princiacutepio de funcionamento do circuito completo e sugira algumas aplicaccedilotildees Considere R= 10kΩ e C= 100nF
GERACcedilAtildeO DO SINAL PWM INTEGRADOR
Figura 6
Montagem 3 INTEGRADOR PASSIVO
Alguns projetos de sistemas eletrocircnicos necessitam de integradores Diversas aplicaccedilotildees em eletrocircnica recorrem ao uso de circuitos integradores para
implementar esta funcionalidade Neste experimento seraacute observado o funcionamento de um circuito passivo RC
operando como um circuito integrador Escreva a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) para o circuito RC apresentado na Figura
7 e mostre que o mesmo pode ser utilizado como um integrador ideal Determine os valores de R C e a correspondente faixa de frequumlecircncia de operaccedilatildeo para que esta condiccedilatildeo seja satisfeita
Aplique uma onda quadrada com frequecircncia de 10 kHz na entrada do circuito mostrado na Figura 7 e observe a onda triangular resultante da integraccedilatildeo na saiacuteda 6
Aplique uma onda senoidal e verifique a correspondente onda cossenoidal (em quadratura) na saiacuteda Varie a amplitude do sinal de entrada e observe a saiacuteda Considere R= 10kΩ e C= 100nF
Figura 7 ndash Integrador Passivo
Montagem 4 AMPLIFICADOR INVERSOR Os amplificadores de tensatildeo por definiccedilatildeo representam uma classe de circuitos destinados a elevar o niacutevel de tensatildeo de um sinal fornecido por uma unidade geradora a fim de condicionaacute-lo ou seja adequaacute-lo ao estaacutegio seguinte de amplificaccedilatildeo
Monte o circuito amplificador inversor mostrado na figura 8 Aplique um sinal senoidal e triangular com frequumlecircncia de 1 kHz no
circuito amplificador inversor mostrado na figura a seguir e observe com o osciloscoacutepio os sinais de entrada e saiacuteda Meccedila o ganho em tensatildeo e compare-o com o valor teoacuterico esperado Varie a amplitude do sinal de entrada e observe o amplificador operando na regiatildeo linear e na regiatildeo de saturaccedilatildeo RF = 100k e RS = 4k7
Figura 8 ndash Amplificador Inversor
Substitua o resistor RF por um potenciocircmetro e observe a
variaccedilatildeo do ganho em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da resistecircncia conforme mostrado na figura 9
7
Figura 9 ndash Amplificador Inversor com ganho variaacutevel
Montagem 5 AMPLIFICADOR INVERSOR COM GANHO CONTROLADO PELA LUZ
Monte o circuito amplificador inversor mostrado na figura 10 com um fotoresistor na malha de realimentaccedilatildeo e observe o seu funcionamento Aplique um sinal senoidal e observe com o osciloscoacutepio a variaccedilatildeo na amplitude do sinal de saiacuteda em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da intensidade luminosa sobre o fotoresistor Considere o fotoresistor como um dispositivo cuja resistecircncia eleacutetrica que varia inversamente proporcional agrave quantidade de luz que incide sobre o mesmo Estes fotoresistores satildeo tambeacutem conhecidos como LDR (Light Dependent Resistor) No escuro os fotoresistores tecircm resistecircncia elevada tipicamente na faixa de MΩ Quando satildeo expostos agrave luz a resistecircncia diminui por ordens de magnitude Note que este dispositivo fotoeleacutetrico opera de modo similar a um resistor variaacutevel dependente da luminosidade Repita o experimento trocando as posiccedilotildees dos resistores ou seja colocando RS na malha de realimentaccedilatildeo
Explique o funcionamento deste circuito com o fotoresistor colocado na malha de realimentaccedilatildeo e na entrada Sugira algumas aplicaccedilotildees para este circuito
Figura 10 ndash Amplificador Inversor com ganho dependente da luz
8
Fotoresistor
Montagem 6 AMPLIFICADOR NAtildeO INVERSOR
Monte o circuito amplificador natildeo inversor mostrado na figura 11 aplique um sinal senoidal e triangular na entrada VS
(300mV1kHz) e observe com o osciloscoacutepio os sinais de entrada e saiacuteda
RF = 100k e RS = 4k7 Determine o ganho teoacuterico e experimental Note que a impedacircncia de entrada eacute bastante elevada Aleacutem da
natildeo inversatildeo de fase desta configuraccedilatildeo a impedacircncia de entrada elevada eacute a principal diferenccedila para o amplificador inversor
Substitua o resistor RF por um potenciocircmetro e observe a variaccedilatildeo do ganho em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da resistecircncia
Figura 11 ndash Amplificador Natildeo Inversor
INTEGRADOR ATIVO
Os circuitos integradores encontram muitas aplicaccedilotildees nas simulaccedilotildees
de sistemas fiacutesicos representados por equaccedilotildees diferenciais e integrais O circuito integrador realiza a operaccedilatildeo matemaacutetica da integraccedilatildeo O integrador eacute um dos principais circuitos utilizados na implementaccedilatildeo de computadores analoacutegicos aplicados a soluccedilatildeo de equaccedilotildees diferenciais Um circuito integrador utilizando um elemento ativo como por exemplo um amplificador operacional eacute denominado de integrador ativo para distingui-lo do integrador passivo composto apenas de elementos passivos (R e C) Justifique usando a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) porque o circuito mostrado na figura 12 pode ser considerado como um integrador ativo
9
Figura 12 ndash Integrador Ativo
Compare a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) do integrador passivo (Figura 7) com a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) do integrador ativo (Figura 12)
Cite duas vantagens do integrador passivo quando comparado com o integrador ativo
Sugira algumas aplicaccedilotildees onde se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de circuitos integradores
FOTORESISTORES
LDR
Existem muitos dispositivos fotossensiacuteveis disponiacuteveis comercialmente Neste item abordaremos os fotoresistores e os fotodiodos
Fotoresistores apresentam uma variaccedilatildeo da resistecircncia com niacutevel de luz incidente
Fotoresistores ou ceacutelulas fotocondutivas satildeo dispositivos semicondutores cuja condutividade varia de acordo com a incidecircncia de radiaccedilatildeo eletromagneacutetica em sua superfiacutecie Ceacutelulas fotocondutivas satildeo conhecidas tambeacutem como fotoresistores ou resistores dependentes da luz (LDR ndash Light Dependente Resistor) Quando iluminados os fotoresistores apresentam uma variaccedilatildeo na sua resistecircncia proporcional agrave intensidade luminosa incidente O LDR eacute um dispositivo eleacutetrico que tem sua resistecircncia alterada pela luz
Quando um foacuteton tem energia suficiente para quebrar a ligaccedilatildeo eleacutetron-lacuna um eleacutetron torna-se livre podendo fluir pelo circuito A energia luminosa desloca eleacutetrons da camada de valecircncia para a de conduccedilatildeo (mais longe do nuacutecleo) aumentando o nuacutemero de eleacutetrons livres o que diminui a resistecircncia e aumenta a condutividade
Os fotoresistores satildeo constituiacutedos normalmente por CdS (Sulfeto de Caacutedmio) Esse material tem a propriedade de diminuir sua resistecircncia agrave passagem da corrente eleacutetrica quando a luminosidade sobre ele aumenta
10
FOTODIODOS
Quando a luz eacute absorvida por um semicondutor cada foacuteton pode em princiacutepio criar um par lacuna-eleacutetron que pode ser detectado eletricamente Dispositivos fotodiodos exploram esta possibilidade Na realidade satildeo diodos de junccedilatildeo PN otimizados para uso como detectores de luz
Uma fotoceacutelula semicondutora de junccedilatildeo apresenta uma curva caracteriacutestica semelhante agrave de um diodo semicondutor Nesta funcionalidade a junccedilatildeo eacute polarizada inversamente Quando iluminado o fotodiodo apresenta um crescimento da corrente reversa IS podendo desenvolver uma diferenccedila de potencial (tensatildeo) em um resistor Tal tensatildeo eacute proporcional agrave intensidade luminosa incidente na junccedilatildeo do dispositivo
Foacutetons absorvidos pela junccedilatildeo criam pares eleacutetrons-lacunas que causam uma corrente proporcional ao fluxo luminoso Essa corrente pode entatildeo ser amplificada obtendo-se uma tensatildeo de saiacuteda proporcional ao fluxo oacuteptico incidente
O circuito a seguir ilustra uma aplicaccedilatildeo do amplificador operacional
FOacuteTONS amp LEDS
Os foacutetons satildeo partiacuteculas elementares que viajam com a velocidade da luz A emissatildeo de um foacuteton ocorre durante a transiccedilatildeo de um eleacutetron de um aacutetomo
entre dois estados energeacuteticos diferentes pois quando ele recebe energia ele passa de uma camada mais interna para uma mais externa do aacutetomo e quando ele retorna para seu estado original ele emite a energia correspondente a esta diferenccedila sob a forma de um foacuteton
O efeito fotoeleacutetrico eacute a emissatildeo de eleacutetrons por um material quando exposto a uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (como a luz)
A luz pode se comportar natildeo apenas como ondas contiacutenuas mas tambeacutem como
feixes discretos de energia chamados de foacutetons A energia de um foacuteton eacute calculada atraveacutes da relaccedilatildeo E=hf onde h eacute a constante de Planck e f eacute a frequumlecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica
Um foacuteton azul por exemplo conteacutem mais energia do que um foacuteton vermelho pois a frequumlecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequumlecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha
11
12
O LED [Light-Emitting Diode] eacute um dispositivo semicondutor (Junccedilatildeo PN) que quando energizado emite luz (foacutetons) Normalmente trabalha com a junccedilatildeo PN polarizada diretamente Os LEDs satildeo fabricados especialmente para liberar um grande nuacutemero de foacutetons
Haacute muitas formas de se produzirem foacutetons mas todas elas usam o mesmo mecanismo dentro de um aacutetomo Este mecanismo envolve a energizaccedilatildeo dos eleacutetrons que estatildeo orbitando ao redor do nuacutecleo de cada aacutetomo
O processo de emissatildeo de luz pela aplicaccedilatildeo de uma fonte eleacutetrica de energia eacute chamado eletroluminescecircncia
Um eleacutetron ocupa uma oacuterbita natural mas se vocecirc energizar um aacutetomo pode movecirc-lo para orbitais maiores Um foacuteton de luz eacute produzido sempre que um eleacutetron que estaacute numa oacuterbita maior do que a normal volta para sua oacuterbita normal Durante a queda da alta energia para a energia normal o eleacutetron emite um foacuteton (um pacote de energia) com caracteriacutesticas bastante especiacuteficas
Foi Albert Einstein usando a ideacuteia de Max Planck que conseguiu demonstrar que um feixe de luz eacute constituiacutedo por pequenos pacotes de energia denominados de foacutetons explicando assim o fenocircmeno da emissatildeo fotoeleacutetrica
A confirmaccedilatildeo da descoberta de Einstein se deu no ano de 1911 quando Arthur Compton demonstrou que quando um foacuteton colide com um eleacutetron ambos comportam-se como corpos materiaisrdquo
A experiecircncia comprova que a cor de um feixe de luz monocromaacutetico natildeo se altera quando ele passa de um meio transparente para outro O que ocorre eacute que quando o feixe de luz passa de um meio para outro tanto o comprimento de onda quanto a velocidade tem seus valores alterados mas a frequecircncia natildeo se altera e portanto permanece sempre a mesma Eacute por esse motivo que se recomenda que um feixe de luz seja caracterizado pela sua frequecircncia e natildeo por seu comprimento de onda ou velocidade com que se propaga
A maioria dos controles remotos de aparelhos eletrocircnicos transmite informaccedilatildeo atraveacutes da codificaccedilatildeo de sinais por emissatildeo de radiaccedilatildeo na faixa do infravermelho
A energia de um uacutenico foacuteton eacute calculada por E = hf = hcλ onde f eacute a frequumlecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica correspondente λ eacute o comprimento de onda e h a constante de Planck
QUESTOtildeES
Consulte a folha de dados (DATA SHEET) do Amplificador Operacional TL084 e LM324 fornecida pelo fabricante e utilizado neste experimento para responder as questotildees a seguir (1) Qual a tensatildeo maacutexima de alimentaccedilatildeo +VCC e ndashVCC especificada pelo fabricante (2) Qual o tipo de transistor utilizado como amplificador diferencial na entrada dos amplificadores operacionais TL084 e LM324 (3) O amplificador operacional TL084 possui proteccedilatildeo contra curto circuito na saiacuteda (4) Qual o valor da resistecircncia de entrada do TL084 (5) Qual o ganho em tensatildeo tiacutepico para o TL084 (6) Qual a frequecircncia de operaccedilatildeo maacutexima para o TL084 e LM324 (7) Qual dos dois amplificadores operacionais (TL084LM324) pode operar com fonte unipolar (8) Calcule a energia em eleacutetron-volts de um foacuteton de radiaccedilatildeo infravermelha cujo comprimento de onda eacute 3microm Repita o caacutelculo para cada uma das cores do espectro eletromagneacutetico e compare com a tensatildeo necessaacuteria para operar cada LED na cor correspondente [vermelho verde amarelo azul violeta] Associe os valores determinados teoricamente nesta questatildeo com os valores das tensotildees medidas sobre os LEDs durante a montagem 1 (9) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando os amplificadores operacionais (10) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando LDRs LEDs e Fotodiodos
Aplique uma onda senoidal e verifique a correspondente onda cossenoidal (em quadratura) na saiacuteda Varie a amplitude do sinal de entrada e observe a saiacuteda Considere R= 10kΩ e C= 100nF
Figura 7 ndash Integrador Passivo
Montagem 4 AMPLIFICADOR INVERSOR Os amplificadores de tensatildeo por definiccedilatildeo representam uma classe de circuitos destinados a elevar o niacutevel de tensatildeo de um sinal fornecido por uma unidade geradora a fim de condicionaacute-lo ou seja adequaacute-lo ao estaacutegio seguinte de amplificaccedilatildeo
Monte o circuito amplificador inversor mostrado na figura 8 Aplique um sinal senoidal e triangular com frequumlecircncia de 1 kHz no
circuito amplificador inversor mostrado na figura a seguir e observe com o osciloscoacutepio os sinais de entrada e saiacuteda Meccedila o ganho em tensatildeo e compare-o com o valor teoacuterico esperado Varie a amplitude do sinal de entrada e observe o amplificador operando na regiatildeo linear e na regiatildeo de saturaccedilatildeo RF = 100k e RS = 4k7
Figura 8 ndash Amplificador Inversor
Substitua o resistor RF por um potenciocircmetro e observe a
variaccedilatildeo do ganho em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da resistecircncia conforme mostrado na figura 9
7
Figura 9 ndash Amplificador Inversor com ganho variaacutevel
Montagem 5 AMPLIFICADOR INVERSOR COM GANHO CONTROLADO PELA LUZ
Monte o circuito amplificador inversor mostrado na figura 10 com um fotoresistor na malha de realimentaccedilatildeo e observe o seu funcionamento Aplique um sinal senoidal e observe com o osciloscoacutepio a variaccedilatildeo na amplitude do sinal de saiacuteda em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da intensidade luminosa sobre o fotoresistor Considere o fotoresistor como um dispositivo cuja resistecircncia eleacutetrica que varia inversamente proporcional agrave quantidade de luz que incide sobre o mesmo Estes fotoresistores satildeo tambeacutem conhecidos como LDR (Light Dependent Resistor) No escuro os fotoresistores tecircm resistecircncia elevada tipicamente na faixa de MΩ Quando satildeo expostos agrave luz a resistecircncia diminui por ordens de magnitude Note que este dispositivo fotoeleacutetrico opera de modo similar a um resistor variaacutevel dependente da luminosidade Repita o experimento trocando as posiccedilotildees dos resistores ou seja colocando RS na malha de realimentaccedilatildeo
Explique o funcionamento deste circuito com o fotoresistor colocado na malha de realimentaccedilatildeo e na entrada Sugira algumas aplicaccedilotildees para este circuito
Figura 10 ndash Amplificador Inversor com ganho dependente da luz
8
Fotoresistor
Montagem 6 AMPLIFICADOR NAtildeO INVERSOR
Monte o circuito amplificador natildeo inversor mostrado na figura 11 aplique um sinal senoidal e triangular na entrada VS
(300mV1kHz) e observe com o osciloscoacutepio os sinais de entrada e saiacuteda
RF = 100k e RS = 4k7 Determine o ganho teoacuterico e experimental Note que a impedacircncia de entrada eacute bastante elevada Aleacutem da
natildeo inversatildeo de fase desta configuraccedilatildeo a impedacircncia de entrada elevada eacute a principal diferenccedila para o amplificador inversor
Substitua o resistor RF por um potenciocircmetro e observe a variaccedilatildeo do ganho em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da resistecircncia
Figura 11 ndash Amplificador Natildeo Inversor
INTEGRADOR ATIVO
Os circuitos integradores encontram muitas aplicaccedilotildees nas simulaccedilotildees
de sistemas fiacutesicos representados por equaccedilotildees diferenciais e integrais O circuito integrador realiza a operaccedilatildeo matemaacutetica da integraccedilatildeo O integrador eacute um dos principais circuitos utilizados na implementaccedilatildeo de computadores analoacutegicos aplicados a soluccedilatildeo de equaccedilotildees diferenciais Um circuito integrador utilizando um elemento ativo como por exemplo um amplificador operacional eacute denominado de integrador ativo para distingui-lo do integrador passivo composto apenas de elementos passivos (R e C) Justifique usando a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) porque o circuito mostrado na figura 12 pode ser considerado como um integrador ativo
9
Figura 12 ndash Integrador Ativo
Compare a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) do integrador passivo (Figura 7) com a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) do integrador ativo (Figura 12)
Cite duas vantagens do integrador passivo quando comparado com o integrador ativo
Sugira algumas aplicaccedilotildees onde se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de circuitos integradores
FOTORESISTORES
LDR
Existem muitos dispositivos fotossensiacuteveis disponiacuteveis comercialmente Neste item abordaremos os fotoresistores e os fotodiodos
Fotoresistores apresentam uma variaccedilatildeo da resistecircncia com niacutevel de luz incidente
Fotoresistores ou ceacutelulas fotocondutivas satildeo dispositivos semicondutores cuja condutividade varia de acordo com a incidecircncia de radiaccedilatildeo eletromagneacutetica em sua superfiacutecie Ceacutelulas fotocondutivas satildeo conhecidas tambeacutem como fotoresistores ou resistores dependentes da luz (LDR ndash Light Dependente Resistor) Quando iluminados os fotoresistores apresentam uma variaccedilatildeo na sua resistecircncia proporcional agrave intensidade luminosa incidente O LDR eacute um dispositivo eleacutetrico que tem sua resistecircncia alterada pela luz
Quando um foacuteton tem energia suficiente para quebrar a ligaccedilatildeo eleacutetron-lacuna um eleacutetron torna-se livre podendo fluir pelo circuito A energia luminosa desloca eleacutetrons da camada de valecircncia para a de conduccedilatildeo (mais longe do nuacutecleo) aumentando o nuacutemero de eleacutetrons livres o que diminui a resistecircncia e aumenta a condutividade
Os fotoresistores satildeo constituiacutedos normalmente por CdS (Sulfeto de Caacutedmio) Esse material tem a propriedade de diminuir sua resistecircncia agrave passagem da corrente eleacutetrica quando a luminosidade sobre ele aumenta
10
FOTODIODOS
Quando a luz eacute absorvida por um semicondutor cada foacuteton pode em princiacutepio criar um par lacuna-eleacutetron que pode ser detectado eletricamente Dispositivos fotodiodos exploram esta possibilidade Na realidade satildeo diodos de junccedilatildeo PN otimizados para uso como detectores de luz
Uma fotoceacutelula semicondutora de junccedilatildeo apresenta uma curva caracteriacutestica semelhante agrave de um diodo semicondutor Nesta funcionalidade a junccedilatildeo eacute polarizada inversamente Quando iluminado o fotodiodo apresenta um crescimento da corrente reversa IS podendo desenvolver uma diferenccedila de potencial (tensatildeo) em um resistor Tal tensatildeo eacute proporcional agrave intensidade luminosa incidente na junccedilatildeo do dispositivo
Foacutetons absorvidos pela junccedilatildeo criam pares eleacutetrons-lacunas que causam uma corrente proporcional ao fluxo luminoso Essa corrente pode entatildeo ser amplificada obtendo-se uma tensatildeo de saiacuteda proporcional ao fluxo oacuteptico incidente
O circuito a seguir ilustra uma aplicaccedilatildeo do amplificador operacional
FOacuteTONS amp LEDS
Os foacutetons satildeo partiacuteculas elementares que viajam com a velocidade da luz A emissatildeo de um foacuteton ocorre durante a transiccedilatildeo de um eleacutetron de um aacutetomo
entre dois estados energeacuteticos diferentes pois quando ele recebe energia ele passa de uma camada mais interna para uma mais externa do aacutetomo e quando ele retorna para seu estado original ele emite a energia correspondente a esta diferenccedila sob a forma de um foacuteton
O efeito fotoeleacutetrico eacute a emissatildeo de eleacutetrons por um material quando exposto a uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (como a luz)
A luz pode se comportar natildeo apenas como ondas contiacutenuas mas tambeacutem como
feixes discretos de energia chamados de foacutetons A energia de um foacuteton eacute calculada atraveacutes da relaccedilatildeo E=hf onde h eacute a constante de Planck e f eacute a frequumlecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica
Um foacuteton azul por exemplo conteacutem mais energia do que um foacuteton vermelho pois a frequumlecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequumlecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha
11
12
O LED [Light-Emitting Diode] eacute um dispositivo semicondutor (Junccedilatildeo PN) que quando energizado emite luz (foacutetons) Normalmente trabalha com a junccedilatildeo PN polarizada diretamente Os LEDs satildeo fabricados especialmente para liberar um grande nuacutemero de foacutetons
Haacute muitas formas de se produzirem foacutetons mas todas elas usam o mesmo mecanismo dentro de um aacutetomo Este mecanismo envolve a energizaccedilatildeo dos eleacutetrons que estatildeo orbitando ao redor do nuacutecleo de cada aacutetomo
O processo de emissatildeo de luz pela aplicaccedilatildeo de uma fonte eleacutetrica de energia eacute chamado eletroluminescecircncia
Um eleacutetron ocupa uma oacuterbita natural mas se vocecirc energizar um aacutetomo pode movecirc-lo para orbitais maiores Um foacuteton de luz eacute produzido sempre que um eleacutetron que estaacute numa oacuterbita maior do que a normal volta para sua oacuterbita normal Durante a queda da alta energia para a energia normal o eleacutetron emite um foacuteton (um pacote de energia) com caracteriacutesticas bastante especiacuteficas
Foi Albert Einstein usando a ideacuteia de Max Planck que conseguiu demonstrar que um feixe de luz eacute constituiacutedo por pequenos pacotes de energia denominados de foacutetons explicando assim o fenocircmeno da emissatildeo fotoeleacutetrica
A confirmaccedilatildeo da descoberta de Einstein se deu no ano de 1911 quando Arthur Compton demonstrou que quando um foacuteton colide com um eleacutetron ambos comportam-se como corpos materiaisrdquo
A experiecircncia comprova que a cor de um feixe de luz monocromaacutetico natildeo se altera quando ele passa de um meio transparente para outro O que ocorre eacute que quando o feixe de luz passa de um meio para outro tanto o comprimento de onda quanto a velocidade tem seus valores alterados mas a frequecircncia natildeo se altera e portanto permanece sempre a mesma Eacute por esse motivo que se recomenda que um feixe de luz seja caracterizado pela sua frequecircncia e natildeo por seu comprimento de onda ou velocidade com que se propaga
A maioria dos controles remotos de aparelhos eletrocircnicos transmite informaccedilatildeo atraveacutes da codificaccedilatildeo de sinais por emissatildeo de radiaccedilatildeo na faixa do infravermelho
A energia de um uacutenico foacuteton eacute calculada por E = hf = hcλ onde f eacute a frequumlecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica correspondente λ eacute o comprimento de onda e h a constante de Planck
QUESTOtildeES
Consulte a folha de dados (DATA SHEET) do Amplificador Operacional TL084 e LM324 fornecida pelo fabricante e utilizado neste experimento para responder as questotildees a seguir (1) Qual a tensatildeo maacutexima de alimentaccedilatildeo +VCC e ndashVCC especificada pelo fabricante (2) Qual o tipo de transistor utilizado como amplificador diferencial na entrada dos amplificadores operacionais TL084 e LM324 (3) O amplificador operacional TL084 possui proteccedilatildeo contra curto circuito na saiacuteda (4) Qual o valor da resistecircncia de entrada do TL084 (5) Qual o ganho em tensatildeo tiacutepico para o TL084 (6) Qual a frequecircncia de operaccedilatildeo maacutexima para o TL084 e LM324 (7) Qual dos dois amplificadores operacionais (TL084LM324) pode operar com fonte unipolar (8) Calcule a energia em eleacutetron-volts de um foacuteton de radiaccedilatildeo infravermelha cujo comprimento de onda eacute 3microm Repita o caacutelculo para cada uma das cores do espectro eletromagneacutetico e compare com a tensatildeo necessaacuteria para operar cada LED na cor correspondente [vermelho verde amarelo azul violeta] Associe os valores determinados teoricamente nesta questatildeo com os valores das tensotildees medidas sobre os LEDs durante a montagem 1 (9) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando os amplificadores operacionais (10) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando LDRs LEDs e Fotodiodos
Figura 9 ndash Amplificador Inversor com ganho variaacutevel
Montagem 5 AMPLIFICADOR INVERSOR COM GANHO CONTROLADO PELA LUZ
Monte o circuito amplificador inversor mostrado na figura 10 com um fotoresistor na malha de realimentaccedilatildeo e observe o seu funcionamento Aplique um sinal senoidal e observe com o osciloscoacutepio a variaccedilatildeo na amplitude do sinal de saiacuteda em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da intensidade luminosa sobre o fotoresistor Considere o fotoresistor como um dispositivo cuja resistecircncia eleacutetrica que varia inversamente proporcional agrave quantidade de luz que incide sobre o mesmo Estes fotoresistores satildeo tambeacutem conhecidos como LDR (Light Dependent Resistor) No escuro os fotoresistores tecircm resistecircncia elevada tipicamente na faixa de MΩ Quando satildeo expostos agrave luz a resistecircncia diminui por ordens de magnitude Note que este dispositivo fotoeleacutetrico opera de modo similar a um resistor variaacutevel dependente da luminosidade Repita o experimento trocando as posiccedilotildees dos resistores ou seja colocando RS na malha de realimentaccedilatildeo
Explique o funcionamento deste circuito com o fotoresistor colocado na malha de realimentaccedilatildeo e na entrada Sugira algumas aplicaccedilotildees para este circuito
Figura 10 ndash Amplificador Inversor com ganho dependente da luz
8
Fotoresistor
Montagem 6 AMPLIFICADOR NAtildeO INVERSOR
Monte o circuito amplificador natildeo inversor mostrado na figura 11 aplique um sinal senoidal e triangular na entrada VS
(300mV1kHz) e observe com o osciloscoacutepio os sinais de entrada e saiacuteda
RF = 100k e RS = 4k7 Determine o ganho teoacuterico e experimental Note que a impedacircncia de entrada eacute bastante elevada Aleacutem da
natildeo inversatildeo de fase desta configuraccedilatildeo a impedacircncia de entrada elevada eacute a principal diferenccedila para o amplificador inversor
Substitua o resistor RF por um potenciocircmetro e observe a variaccedilatildeo do ganho em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da resistecircncia
Figura 11 ndash Amplificador Natildeo Inversor
INTEGRADOR ATIVO
Os circuitos integradores encontram muitas aplicaccedilotildees nas simulaccedilotildees
de sistemas fiacutesicos representados por equaccedilotildees diferenciais e integrais O circuito integrador realiza a operaccedilatildeo matemaacutetica da integraccedilatildeo O integrador eacute um dos principais circuitos utilizados na implementaccedilatildeo de computadores analoacutegicos aplicados a soluccedilatildeo de equaccedilotildees diferenciais Um circuito integrador utilizando um elemento ativo como por exemplo um amplificador operacional eacute denominado de integrador ativo para distingui-lo do integrador passivo composto apenas de elementos passivos (R e C) Justifique usando a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) porque o circuito mostrado na figura 12 pode ser considerado como um integrador ativo
9
Figura 12 ndash Integrador Ativo
Compare a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) do integrador passivo (Figura 7) com a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) do integrador ativo (Figura 12)
Cite duas vantagens do integrador passivo quando comparado com o integrador ativo
Sugira algumas aplicaccedilotildees onde se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de circuitos integradores
FOTORESISTORES
LDR
Existem muitos dispositivos fotossensiacuteveis disponiacuteveis comercialmente Neste item abordaremos os fotoresistores e os fotodiodos
Fotoresistores apresentam uma variaccedilatildeo da resistecircncia com niacutevel de luz incidente
Fotoresistores ou ceacutelulas fotocondutivas satildeo dispositivos semicondutores cuja condutividade varia de acordo com a incidecircncia de radiaccedilatildeo eletromagneacutetica em sua superfiacutecie Ceacutelulas fotocondutivas satildeo conhecidas tambeacutem como fotoresistores ou resistores dependentes da luz (LDR ndash Light Dependente Resistor) Quando iluminados os fotoresistores apresentam uma variaccedilatildeo na sua resistecircncia proporcional agrave intensidade luminosa incidente O LDR eacute um dispositivo eleacutetrico que tem sua resistecircncia alterada pela luz
Quando um foacuteton tem energia suficiente para quebrar a ligaccedilatildeo eleacutetron-lacuna um eleacutetron torna-se livre podendo fluir pelo circuito A energia luminosa desloca eleacutetrons da camada de valecircncia para a de conduccedilatildeo (mais longe do nuacutecleo) aumentando o nuacutemero de eleacutetrons livres o que diminui a resistecircncia e aumenta a condutividade
Os fotoresistores satildeo constituiacutedos normalmente por CdS (Sulfeto de Caacutedmio) Esse material tem a propriedade de diminuir sua resistecircncia agrave passagem da corrente eleacutetrica quando a luminosidade sobre ele aumenta
10
FOTODIODOS
Quando a luz eacute absorvida por um semicondutor cada foacuteton pode em princiacutepio criar um par lacuna-eleacutetron que pode ser detectado eletricamente Dispositivos fotodiodos exploram esta possibilidade Na realidade satildeo diodos de junccedilatildeo PN otimizados para uso como detectores de luz
Uma fotoceacutelula semicondutora de junccedilatildeo apresenta uma curva caracteriacutestica semelhante agrave de um diodo semicondutor Nesta funcionalidade a junccedilatildeo eacute polarizada inversamente Quando iluminado o fotodiodo apresenta um crescimento da corrente reversa IS podendo desenvolver uma diferenccedila de potencial (tensatildeo) em um resistor Tal tensatildeo eacute proporcional agrave intensidade luminosa incidente na junccedilatildeo do dispositivo
Foacutetons absorvidos pela junccedilatildeo criam pares eleacutetrons-lacunas que causam uma corrente proporcional ao fluxo luminoso Essa corrente pode entatildeo ser amplificada obtendo-se uma tensatildeo de saiacuteda proporcional ao fluxo oacuteptico incidente
O circuito a seguir ilustra uma aplicaccedilatildeo do amplificador operacional
FOacuteTONS amp LEDS
Os foacutetons satildeo partiacuteculas elementares que viajam com a velocidade da luz A emissatildeo de um foacuteton ocorre durante a transiccedilatildeo de um eleacutetron de um aacutetomo
entre dois estados energeacuteticos diferentes pois quando ele recebe energia ele passa de uma camada mais interna para uma mais externa do aacutetomo e quando ele retorna para seu estado original ele emite a energia correspondente a esta diferenccedila sob a forma de um foacuteton
O efeito fotoeleacutetrico eacute a emissatildeo de eleacutetrons por um material quando exposto a uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (como a luz)
A luz pode se comportar natildeo apenas como ondas contiacutenuas mas tambeacutem como
feixes discretos de energia chamados de foacutetons A energia de um foacuteton eacute calculada atraveacutes da relaccedilatildeo E=hf onde h eacute a constante de Planck e f eacute a frequumlecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica
Um foacuteton azul por exemplo conteacutem mais energia do que um foacuteton vermelho pois a frequumlecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequumlecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha
11
12
O LED [Light-Emitting Diode] eacute um dispositivo semicondutor (Junccedilatildeo PN) que quando energizado emite luz (foacutetons) Normalmente trabalha com a junccedilatildeo PN polarizada diretamente Os LEDs satildeo fabricados especialmente para liberar um grande nuacutemero de foacutetons
Haacute muitas formas de se produzirem foacutetons mas todas elas usam o mesmo mecanismo dentro de um aacutetomo Este mecanismo envolve a energizaccedilatildeo dos eleacutetrons que estatildeo orbitando ao redor do nuacutecleo de cada aacutetomo
O processo de emissatildeo de luz pela aplicaccedilatildeo de uma fonte eleacutetrica de energia eacute chamado eletroluminescecircncia
Um eleacutetron ocupa uma oacuterbita natural mas se vocecirc energizar um aacutetomo pode movecirc-lo para orbitais maiores Um foacuteton de luz eacute produzido sempre que um eleacutetron que estaacute numa oacuterbita maior do que a normal volta para sua oacuterbita normal Durante a queda da alta energia para a energia normal o eleacutetron emite um foacuteton (um pacote de energia) com caracteriacutesticas bastante especiacuteficas
Foi Albert Einstein usando a ideacuteia de Max Planck que conseguiu demonstrar que um feixe de luz eacute constituiacutedo por pequenos pacotes de energia denominados de foacutetons explicando assim o fenocircmeno da emissatildeo fotoeleacutetrica
A confirmaccedilatildeo da descoberta de Einstein se deu no ano de 1911 quando Arthur Compton demonstrou que quando um foacuteton colide com um eleacutetron ambos comportam-se como corpos materiaisrdquo
A experiecircncia comprova que a cor de um feixe de luz monocromaacutetico natildeo se altera quando ele passa de um meio transparente para outro O que ocorre eacute que quando o feixe de luz passa de um meio para outro tanto o comprimento de onda quanto a velocidade tem seus valores alterados mas a frequecircncia natildeo se altera e portanto permanece sempre a mesma Eacute por esse motivo que se recomenda que um feixe de luz seja caracterizado pela sua frequecircncia e natildeo por seu comprimento de onda ou velocidade com que se propaga
A maioria dos controles remotos de aparelhos eletrocircnicos transmite informaccedilatildeo atraveacutes da codificaccedilatildeo de sinais por emissatildeo de radiaccedilatildeo na faixa do infravermelho
A energia de um uacutenico foacuteton eacute calculada por E = hf = hcλ onde f eacute a frequumlecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica correspondente λ eacute o comprimento de onda e h a constante de Planck
QUESTOtildeES
Consulte a folha de dados (DATA SHEET) do Amplificador Operacional TL084 e LM324 fornecida pelo fabricante e utilizado neste experimento para responder as questotildees a seguir (1) Qual a tensatildeo maacutexima de alimentaccedilatildeo +VCC e ndashVCC especificada pelo fabricante (2) Qual o tipo de transistor utilizado como amplificador diferencial na entrada dos amplificadores operacionais TL084 e LM324 (3) O amplificador operacional TL084 possui proteccedilatildeo contra curto circuito na saiacuteda (4) Qual o valor da resistecircncia de entrada do TL084 (5) Qual o ganho em tensatildeo tiacutepico para o TL084 (6) Qual a frequecircncia de operaccedilatildeo maacutexima para o TL084 e LM324 (7) Qual dos dois amplificadores operacionais (TL084LM324) pode operar com fonte unipolar (8) Calcule a energia em eleacutetron-volts de um foacuteton de radiaccedilatildeo infravermelha cujo comprimento de onda eacute 3microm Repita o caacutelculo para cada uma das cores do espectro eletromagneacutetico e compare com a tensatildeo necessaacuteria para operar cada LED na cor correspondente [vermelho verde amarelo azul violeta] Associe os valores determinados teoricamente nesta questatildeo com os valores das tensotildees medidas sobre os LEDs durante a montagem 1 (9) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando os amplificadores operacionais (10) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando LDRs LEDs e Fotodiodos
Fotoresistor
Montagem 6 AMPLIFICADOR NAtildeO INVERSOR
Monte o circuito amplificador natildeo inversor mostrado na figura 11 aplique um sinal senoidal e triangular na entrada VS
(300mV1kHz) e observe com o osciloscoacutepio os sinais de entrada e saiacuteda
RF = 100k e RS = 4k7 Determine o ganho teoacuterico e experimental Note que a impedacircncia de entrada eacute bastante elevada Aleacutem da
natildeo inversatildeo de fase desta configuraccedilatildeo a impedacircncia de entrada elevada eacute a principal diferenccedila para o amplificador inversor
Substitua o resistor RF por um potenciocircmetro e observe a variaccedilatildeo do ganho em funccedilatildeo da variaccedilatildeo da resistecircncia
Figura 11 ndash Amplificador Natildeo Inversor
INTEGRADOR ATIVO
Os circuitos integradores encontram muitas aplicaccedilotildees nas simulaccedilotildees
de sistemas fiacutesicos representados por equaccedilotildees diferenciais e integrais O circuito integrador realiza a operaccedilatildeo matemaacutetica da integraccedilatildeo O integrador eacute um dos principais circuitos utilizados na implementaccedilatildeo de computadores analoacutegicos aplicados a soluccedilatildeo de equaccedilotildees diferenciais Um circuito integrador utilizando um elemento ativo como por exemplo um amplificador operacional eacute denominado de integrador ativo para distingui-lo do integrador passivo composto apenas de elementos passivos (R e C) Justifique usando a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) porque o circuito mostrado na figura 12 pode ser considerado como um integrador ativo
9
Figura 12 ndash Integrador Ativo
Compare a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) do integrador passivo (Figura 7) com a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) do integrador ativo (Figura 12)
Cite duas vantagens do integrador passivo quando comparado com o integrador ativo
Sugira algumas aplicaccedilotildees onde se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de circuitos integradores
FOTORESISTORES
LDR
Existem muitos dispositivos fotossensiacuteveis disponiacuteveis comercialmente Neste item abordaremos os fotoresistores e os fotodiodos
Fotoresistores apresentam uma variaccedilatildeo da resistecircncia com niacutevel de luz incidente
Fotoresistores ou ceacutelulas fotocondutivas satildeo dispositivos semicondutores cuja condutividade varia de acordo com a incidecircncia de radiaccedilatildeo eletromagneacutetica em sua superfiacutecie Ceacutelulas fotocondutivas satildeo conhecidas tambeacutem como fotoresistores ou resistores dependentes da luz (LDR ndash Light Dependente Resistor) Quando iluminados os fotoresistores apresentam uma variaccedilatildeo na sua resistecircncia proporcional agrave intensidade luminosa incidente O LDR eacute um dispositivo eleacutetrico que tem sua resistecircncia alterada pela luz
Quando um foacuteton tem energia suficiente para quebrar a ligaccedilatildeo eleacutetron-lacuna um eleacutetron torna-se livre podendo fluir pelo circuito A energia luminosa desloca eleacutetrons da camada de valecircncia para a de conduccedilatildeo (mais longe do nuacutecleo) aumentando o nuacutemero de eleacutetrons livres o que diminui a resistecircncia e aumenta a condutividade
Os fotoresistores satildeo constituiacutedos normalmente por CdS (Sulfeto de Caacutedmio) Esse material tem a propriedade de diminuir sua resistecircncia agrave passagem da corrente eleacutetrica quando a luminosidade sobre ele aumenta
10
FOTODIODOS
Quando a luz eacute absorvida por um semicondutor cada foacuteton pode em princiacutepio criar um par lacuna-eleacutetron que pode ser detectado eletricamente Dispositivos fotodiodos exploram esta possibilidade Na realidade satildeo diodos de junccedilatildeo PN otimizados para uso como detectores de luz
Uma fotoceacutelula semicondutora de junccedilatildeo apresenta uma curva caracteriacutestica semelhante agrave de um diodo semicondutor Nesta funcionalidade a junccedilatildeo eacute polarizada inversamente Quando iluminado o fotodiodo apresenta um crescimento da corrente reversa IS podendo desenvolver uma diferenccedila de potencial (tensatildeo) em um resistor Tal tensatildeo eacute proporcional agrave intensidade luminosa incidente na junccedilatildeo do dispositivo
Foacutetons absorvidos pela junccedilatildeo criam pares eleacutetrons-lacunas que causam uma corrente proporcional ao fluxo luminoso Essa corrente pode entatildeo ser amplificada obtendo-se uma tensatildeo de saiacuteda proporcional ao fluxo oacuteptico incidente
O circuito a seguir ilustra uma aplicaccedilatildeo do amplificador operacional
FOacuteTONS amp LEDS
Os foacutetons satildeo partiacuteculas elementares que viajam com a velocidade da luz A emissatildeo de um foacuteton ocorre durante a transiccedilatildeo de um eleacutetron de um aacutetomo
entre dois estados energeacuteticos diferentes pois quando ele recebe energia ele passa de uma camada mais interna para uma mais externa do aacutetomo e quando ele retorna para seu estado original ele emite a energia correspondente a esta diferenccedila sob a forma de um foacuteton
O efeito fotoeleacutetrico eacute a emissatildeo de eleacutetrons por um material quando exposto a uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (como a luz)
A luz pode se comportar natildeo apenas como ondas contiacutenuas mas tambeacutem como
feixes discretos de energia chamados de foacutetons A energia de um foacuteton eacute calculada atraveacutes da relaccedilatildeo E=hf onde h eacute a constante de Planck e f eacute a frequumlecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica
Um foacuteton azul por exemplo conteacutem mais energia do que um foacuteton vermelho pois a frequumlecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequumlecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha
11
12
O LED [Light-Emitting Diode] eacute um dispositivo semicondutor (Junccedilatildeo PN) que quando energizado emite luz (foacutetons) Normalmente trabalha com a junccedilatildeo PN polarizada diretamente Os LEDs satildeo fabricados especialmente para liberar um grande nuacutemero de foacutetons
Haacute muitas formas de se produzirem foacutetons mas todas elas usam o mesmo mecanismo dentro de um aacutetomo Este mecanismo envolve a energizaccedilatildeo dos eleacutetrons que estatildeo orbitando ao redor do nuacutecleo de cada aacutetomo
O processo de emissatildeo de luz pela aplicaccedilatildeo de uma fonte eleacutetrica de energia eacute chamado eletroluminescecircncia
Um eleacutetron ocupa uma oacuterbita natural mas se vocecirc energizar um aacutetomo pode movecirc-lo para orbitais maiores Um foacuteton de luz eacute produzido sempre que um eleacutetron que estaacute numa oacuterbita maior do que a normal volta para sua oacuterbita normal Durante a queda da alta energia para a energia normal o eleacutetron emite um foacuteton (um pacote de energia) com caracteriacutesticas bastante especiacuteficas
Foi Albert Einstein usando a ideacuteia de Max Planck que conseguiu demonstrar que um feixe de luz eacute constituiacutedo por pequenos pacotes de energia denominados de foacutetons explicando assim o fenocircmeno da emissatildeo fotoeleacutetrica
A confirmaccedilatildeo da descoberta de Einstein se deu no ano de 1911 quando Arthur Compton demonstrou que quando um foacuteton colide com um eleacutetron ambos comportam-se como corpos materiaisrdquo
A experiecircncia comprova que a cor de um feixe de luz monocromaacutetico natildeo se altera quando ele passa de um meio transparente para outro O que ocorre eacute que quando o feixe de luz passa de um meio para outro tanto o comprimento de onda quanto a velocidade tem seus valores alterados mas a frequecircncia natildeo se altera e portanto permanece sempre a mesma Eacute por esse motivo que se recomenda que um feixe de luz seja caracterizado pela sua frequecircncia e natildeo por seu comprimento de onda ou velocidade com que se propaga
A maioria dos controles remotos de aparelhos eletrocircnicos transmite informaccedilatildeo atraveacutes da codificaccedilatildeo de sinais por emissatildeo de radiaccedilatildeo na faixa do infravermelho
A energia de um uacutenico foacuteton eacute calculada por E = hf = hcλ onde f eacute a frequumlecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica correspondente λ eacute o comprimento de onda e h a constante de Planck
QUESTOtildeES
Consulte a folha de dados (DATA SHEET) do Amplificador Operacional TL084 e LM324 fornecida pelo fabricante e utilizado neste experimento para responder as questotildees a seguir (1) Qual a tensatildeo maacutexima de alimentaccedilatildeo +VCC e ndashVCC especificada pelo fabricante (2) Qual o tipo de transistor utilizado como amplificador diferencial na entrada dos amplificadores operacionais TL084 e LM324 (3) O amplificador operacional TL084 possui proteccedilatildeo contra curto circuito na saiacuteda (4) Qual o valor da resistecircncia de entrada do TL084 (5) Qual o ganho em tensatildeo tiacutepico para o TL084 (6) Qual a frequecircncia de operaccedilatildeo maacutexima para o TL084 e LM324 (7) Qual dos dois amplificadores operacionais (TL084LM324) pode operar com fonte unipolar (8) Calcule a energia em eleacutetron-volts de um foacuteton de radiaccedilatildeo infravermelha cujo comprimento de onda eacute 3microm Repita o caacutelculo para cada uma das cores do espectro eletromagneacutetico e compare com a tensatildeo necessaacuteria para operar cada LED na cor correspondente [vermelho verde amarelo azul violeta] Associe os valores determinados teoricamente nesta questatildeo com os valores das tensotildees medidas sobre os LEDs durante a montagem 1 (9) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando os amplificadores operacionais (10) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando LDRs LEDs e Fotodiodos
Figura 12 ndash Integrador Ativo
Compare a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) do integrador passivo (Figura 7) com a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) do integrador ativo (Figura 12)
Cite duas vantagens do integrador passivo quando comparado com o integrador ativo
Sugira algumas aplicaccedilotildees onde se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de circuitos integradores
FOTORESISTORES
LDR
Existem muitos dispositivos fotossensiacuteveis disponiacuteveis comercialmente Neste item abordaremos os fotoresistores e os fotodiodos
Fotoresistores apresentam uma variaccedilatildeo da resistecircncia com niacutevel de luz incidente
Fotoresistores ou ceacutelulas fotocondutivas satildeo dispositivos semicondutores cuja condutividade varia de acordo com a incidecircncia de radiaccedilatildeo eletromagneacutetica em sua superfiacutecie Ceacutelulas fotocondutivas satildeo conhecidas tambeacutem como fotoresistores ou resistores dependentes da luz (LDR ndash Light Dependente Resistor) Quando iluminados os fotoresistores apresentam uma variaccedilatildeo na sua resistecircncia proporcional agrave intensidade luminosa incidente O LDR eacute um dispositivo eleacutetrico que tem sua resistecircncia alterada pela luz
Quando um foacuteton tem energia suficiente para quebrar a ligaccedilatildeo eleacutetron-lacuna um eleacutetron torna-se livre podendo fluir pelo circuito A energia luminosa desloca eleacutetrons da camada de valecircncia para a de conduccedilatildeo (mais longe do nuacutecleo) aumentando o nuacutemero de eleacutetrons livres o que diminui a resistecircncia e aumenta a condutividade
Os fotoresistores satildeo constituiacutedos normalmente por CdS (Sulfeto de Caacutedmio) Esse material tem a propriedade de diminuir sua resistecircncia agrave passagem da corrente eleacutetrica quando a luminosidade sobre ele aumenta
10
FOTODIODOS
Quando a luz eacute absorvida por um semicondutor cada foacuteton pode em princiacutepio criar um par lacuna-eleacutetron que pode ser detectado eletricamente Dispositivos fotodiodos exploram esta possibilidade Na realidade satildeo diodos de junccedilatildeo PN otimizados para uso como detectores de luz
Uma fotoceacutelula semicondutora de junccedilatildeo apresenta uma curva caracteriacutestica semelhante agrave de um diodo semicondutor Nesta funcionalidade a junccedilatildeo eacute polarizada inversamente Quando iluminado o fotodiodo apresenta um crescimento da corrente reversa IS podendo desenvolver uma diferenccedila de potencial (tensatildeo) em um resistor Tal tensatildeo eacute proporcional agrave intensidade luminosa incidente na junccedilatildeo do dispositivo
Foacutetons absorvidos pela junccedilatildeo criam pares eleacutetrons-lacunas que causam uma corrente proporcional ao fluxo luminoso Essa corrente pode entatildeo ser amplificada obtendo-se uma tensatildeo de saiacuteda proporcional ao fluxo oacuteptico incidente
O circuito a seguir ilustra uma aplicaccedilatildeo do amplificador operacional
FOacuteTONS amp LEDS
Os foacutetons satildeo partiacuteculas elementares que viajam com a velocidade da luz A emissatildeo de um foacuteton ocorre durante a transiccedilatildeo de um eleacutetron de um aacutetomo
entre dois estados energeacuteticos diferentes pois quando ele recebe energia ele passa de uma camada mais interna para uma mais externa do aacutetomo e quando ele retorna para seu estado original ele emite a energia correspondente a esta diferenccedila sob a forma de um foacuteton
O efeito fotoeleacutetrico eacute a emissatildeo de eleacutetrons por um material quando exposto a uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (como a luz)
A luz pode se comportar natildeo apenas como ondas contiacutenuas mas tambeacutem como
feixes discretos de energia chamados de foacutetons A energia de um foacuteton eacute calculada atraveacutes da relaccedilatildeo E=hf onde h eacute a constante de Planck e f eacute a frequumlecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica
Um foacuteton azul por exemplo conteacutem mais energia do que um foacuteton vermelho pois a frequumlecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequumlecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha
11
12
O LED [Light-Emitting Diode] eacute um dispositivo semicondutor (Junccedilatildeo PN) que quando energizado emite luz (foacutetons) Normalmente trabalha com a junccedilatildeo PN polarizada diretamente Os LEDs satildeo fabricados especialmente para liberar um grande nuacutemero de foacutetons
Haacute muitas formas de se produzirem foacutetons mas todas elas usam o mesmo mecanismo dentro de um aacutetomo Este mecanismo envolve a energizaccedilatildeo dos eleacutetrons que estatildeo orbitando ao redor do nuacutecleo de cada aacutetomo
O processo de emissatildeo de luz pela aplicaccedilatildeo de uma fonte eleacutetrica de energia eacute chamado eletroluminescecircncia
Um eleacutetron ocupa uma oacuterbita natural mas se vocecirc energizar um aacutetomo pode movecirc-lo para orbitais maiores Um foacuteton de luz eacute produzido sempre que um eleacutetron que estaacute numa oacuterbita maior do que a normal volta para sua oacuterbita normal Durante a queda da alta energia para a energia normal o eleacutetron emite um foacuteton (um pacote de energia) com caracteriacutesticas bastante especiacuteficas
Foi Albert Einstein usando a ideacuteia de Max Planck que conseguiu demonstrar que um feixe de luz eacute constituiacutedo por pequenos pacotes de energia denominados de foacutetons explicando assim o fenocircmeno da emissatildeo fotoeleacutetrica
A confirmaccedilatildeo da descoberta de Einstein se deu no ano de 1911 quando Arthur Compton demonstrou que quando um foacuteton colide com um eleacutetron ambos comportam-se como corpos materiaisrdquo
A experiecircncia comprova que a cor de um feixe de luz monocromaacutetico natildeo se altera quando ele passa de um meio transparente para outro O que ocorre eacute que quando o feixe de luz passa de um meio para outro tanto o comprimento de onda quanto a velocidade tem seus valores alterados mas a frequecircncia natildeo se altera e portanto permanece sempre a mesma Eacute por esse motivo que se recomenda que um feixe de luz seja caracterizado pela sua frequecircncia e natildeo por seu comprimento de onda ou velocidade com que se propaga
A maioria dos controles remotos de aparelhos eletrocircnicos transmite informaccedilatildeo atraveacutes da codificaccedilatildeo de sinais por emissatildeo de radiaccedilatildeo na faixa do infravermelho
A energia de um uacutenico foacuteton eacute calculada por E = hf = hcλ onde f eacute a frequumlecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica correspondente λ eacute o comprimento de onda e h a constante de Planck
QUESTOtildeES
Consulte a folha de dados (DATA SHEET) do Amplificador Operacional TL084 e LM324 fornecida pelo fabricante e utilizado neste experimento para responder as questotildees a seguir (1) Qual a tensatildeo maacutexima de alimentaccedilatildeo +VCC e ndashVCC especificada pelo fabricante (2) Qual o tipo de transistor utilizado como amplificador diferencial na entrada dos amplificadores operacionais TL084 e LM324 (3) O amplificador operacional TL084 possui proteccedilatildeo contra curto circuito na saiacuteda (4) Qual o valor da resistecircncia de entrada do TL084 (5) Qual o ganho em tensatildeo tiacutepico para o TL084 (6) Qual a frequecircncia de operaccedilatildeo maacutexima para o TL084 e LM324 (7) Qual dos dois amplificadores operacionais (TL084LM324) pode operar com fonte unipolar (8) Calcule a energia em eleacutetron-volts de um foacuteton de radiaccedilatildeo infravermelha cujo comprimento de onda eacute 3microm Repita o caacutelculo para cada uma das cores do espectro eletromagneacutetico e compare com a tensatildeo necessaacuteria para operar cada LED na cor correspondente [vermelho verde amarelo azul violeta] Associe os valores determinados teoricamente nesta questatildeo com os valores das tensotildees medidas sobre os LEDs durante a montagem 1 (9) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando os amplificadores operacionais (10) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando LDRs LEDs e Fotodiodos
FOTODIODOS
Quando a luz eacute absorvida por um semicondutor cada foacuteton pode em princiacutepio criar um par lacuna-eleacutetron que pode ser detectado eletricamente Dispositivos fotodiodos exploram esta possibilidade Na realidade satildeo diodos de junccedilatildeo PN otimizados para uso como detectores de luz
Uma fotoceacutelula semicondutora de junccedilatildeo apresenta uma curva caracteriacutestica semelhante agrave de um diodo semicondutor Nesta funcionalidade a junccedilatildeo eacute polarizada inversamente Quando iluminado o fotodiodo apresenta um crescimento da corrente reversa IS podendo desenvolver uma diferenccedila de potencial (tensatildeo) em um resistor Tal tensatildeo eacute proporcional agrave intensidade luminosa incidente na junccedilatildeo do dispositivo
Foacutetons absorvidos pela junccedilatildeo criam pares eleacutetrons-lacunas que causam uma corrente proporcional ao fluxo luminoso Essa corrente pode entatildeo ser amplificada obtendo-se uma tensatildeo de saiacuteda proporcional ao fluxo oacuteptico incidente
O circuito a seguir ilustra uma aplicaccedilatildeo do amplificador operacional
FOacuteTONS amp LEDS
Os foacutetons satildeo partiacuteculas elementares que viajam com a velocidade da luz A emissatildeo de um foacuteton ocorre durante a transiccedilatildeo de um eleacutetron de um aacutetomo
entre dois estados energeacuteticos diferentes pois quando ele recebe energia ele passa de uma camada mais interna para uma mais externa do aacutetomo e quando ele retorna para seu estado original ele emite a energia correspondente a esta diferenccedila sob a forma de um foacuteton
O efeito fotoeleacutetrico eacute a emissatildeo de eleacutetrons por um material quando exposto a uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (como a luz)
A luz pode se comportar natildeo apenas como ondas contiacutenuas mas tambeacutem como
feixes discretos de energia chamados de foacutetons A energia de um foacuteton eacute calculada atraveacutes da relaccedilatildeo E=hf onde h eacute a constante de Planck e f eacute a frequumlecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica
Um foacuteton azul por exemplo conteacutem mais energia do que um foacuteton vermelho pois a frequumlecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequumlecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha
11
12
O LED [Light-Emitting Diode] eacute um dispositivo semicondutor (Junccedilatildeo PN) que quando energizado emite luz (foacutetons) Normalmente trabalha com a junccedilatildeo PN polarizada diretamente Os LEDs satildeo fabricados especialmente para liberar um grande nuacutemero de foacutetons
Haacute muitas formas de se produzirem foacutetons mas todas elas usam o mesmo mecanismo dentro de um aacutetomo Este mecanismo envolve a energizaccedilatildeo dos eleacutetrons que estatildeo orbitando ao redor do nuacutecleo de cada aacutetomo
O processo de emissatildeo de luz pela aplicaccedilatildeo de uma fonte eleacutetrica de energia eacute chamado eletroluminescecircncia
Um eleacutetron ocupa uma oacuterbita natural mas se vocecirc energizar um aacutetomo pode movecirc-lo para orbitais maiores Um foacuteton de luz eacute produzido sempre que um eleacutetron que estaacute numa oacuterbita maior do que a normal volta para sua oacuterbita normal Durante a queda da alta energia para a energia normal o eleacutetron emite um foacuteton (um pacote de energia) com caracteriacutesticas bastante especiacuteficas
Foi Albert Einstein usando a ideacuteia de Max Planck que conseguiu demonstrar que um feixe de luz eacute constituiacutedo por pequenos pacotes de energia denominados de foacutetons explicando assim o fenocircmeno da emissatildeo fotoeleacutetrica
A confirmaccedilatildeo da descoberta de Einstein se deu no ano de 1911 quando Arthur Compton demonstrou que quando um foacuteton colide com um eleacutetron ambos comportam-se como corpos materiaisrdquo
A experiecircncia comprova que a cor de um feixe de luz monocromaacutetico natildeo se altera quando ele passa de um meio transparente para outro O que ocorre eacute que quando o feixe de luz passa de um meio para outro tanto o comprimento de onda quanto a velocidade tem seus valores alterados mas a frequecircncia natildeo se altera e portanto permanece sempre a mesma Eacute por esse motivo que se recomenda que um feixe de luz seja caracterizado pela sua frequecircncia e natildeo por seu comprimento de onda ou velocidade com que se propaga
A maioria dos controles remotos de aparelhos eletrocircnicos transmite informaccedilatildeo atraveacutes da codificaccedilatildeo de sinais por emissatildeo de radiaccedilatildeo na faixa do infravermelho
A energia de um uacutenico foacuteton eacute calculada por E = hf = hcλ onde f eacute a frequumlecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica correspondente λ eacute o comprimento de onda e h a constante de Planck
QUESTOtildeES
Consulte a folha de dados (DATA SHEET) do Amplificador Operacional TL084 e LM324 fornecida pelo fabricante e utilizado neste experimento para responder as questotildees a seguir (1) Qual a tensatildeo maacutexima de alimentaccedilatildeo +VCC e ndashVCC especificada pelo fabricante (2) Qual o tipo de transistor utilizado como amplificador diferencial na entrada dos amplificadores operacionais TL084 e LM324 (3) O amplificador operacional TL084 possui proteccedilatildeo contra curto circuito na saiacuteda (4) Qual o valor da resistecircncia de entrada do TL084 (5) Qual o ganho em tensatildeo tiacutepico para o TL084 (6) Qual a frequecircncia de operaccedilatildeo maacutexima para o TL084 e LM324 (7) Qual dos dois amplificadores operacionais (TL084LM324) pode operar com fonte unipolar (8) Calcule a energia em eleacutetron-volts de um foacuteton de radiaccedilatildeo infravermelha cujo comprimento de onda eacute 3microm Repita o caacutelculo para cada uma das cores do espectro eletromagneacutetico e compare com a tensatildeo necessaacuteria para operar cada LED na cor correspondente [vermelho verde amarelo azul violeta] Associe os valores determinados teoricamente nesta questatildeo com os valores das tensotildees medidas sobre os LEDs durante a montagem 1 (9) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando os amplificadores operacionais (10) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando LDRs LEDs e Fotodiodos
12
O LED [Light-Emitting Diode] eacute um dispositivo semicondutor (Junccedilatildeo PN) que quando energizado emite luz (foacutetons) Normalmente trabalha com a junccedilatildeo PN polarizada diretamente Os LEDs satildeo fabricados especialmente para liberar um grande nuacutemero de foacutetons
Haacute muitas formas de se produzirem foacutetons mas todas elas usam o mesmo mecanismo dentro de um aacutetomo Este mecanismo envolve a energizaccedilatildeo dos eleacutetrons que estatildeo orbitando ao redor do nuacutecleo de cada aacutetomo
O processo de emissatildeo de luz pela aplicaccedilatildeo de uma fonte eleacutetrica de energia eacute chamado eletroluminescecircncia
Um eleacutetron ocupa uma oacuterbita natural mas se vocecirc energizar um aacutetomo pode movecirc-lo para orbitais maiores Um foacuteton de luz eacute produzido sempre que um eleacutetron que estaacute numa oacuterbita maior do que a normal volta para sua oacuterbita normal Durante a queda da alta energia para a energia normal o eleacutetron emite um foacuteton (um pacote de energia) com caracteriacutesticas bastante especiacuteficas
Foi Albert Einstein usando a ideacuteia de Max Planck que conseguiu demonstrar que um feixe de luz eacute constituiacutedo por pequenos pacotes de energia denominados de foacutetons explicando assim o fenocircmeno da emissatildeo fotoeleacutetrica
A confirmaccedilatildeo da descoberta de Einstein se deu no ano de 1911 quando Arthur Compton demonstrou que quando um foacuteton colide com um eleacutetron ambos comportam-se como corpos materiaisrdquo
A experiecircncia comprova que a cor de um feixe de luz monocromaacutetico natildeo se altera quando ele passa de um meio transparente para outro O que ocorre eacute que quando o feixe de luz passa de um meio para outro tanto o comprimento de onda quanto a velocidade tem seus valores alterados mas a frequecircncia natildeo se altera e portanto permanece sempre a mesma Eacute por esse motivo que se recomenda que um feixe de luz seja caracterizado pela sua frequecircncia e natildeo por seu comprimento de onda ou velocidade com que se propaga
A maioria dos controles remotos de aparelhos eletrocircnicos transmite informaccedilatildeo atraveacutes da codificaccedilatildeo de sinais por emissatildeo de radiaccedilatildeo na faixa do infravermelho
A energia de um uacutenico foacuteton eacute calculada por E = hf = hcλ onde f eacute a frequumlecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica correspondente λ eacute o comprimento de onda e h a constante de Planck
QUESTOtildeES
Consulte a folha de dados (DATA SHEET) do Amplificador Operacional TL084 e LM324 fornecida pelo fabricante e utilizado neste experimento para responder as questotildees a seguir (1) Qual a tensatildeo maacutexima de alimentaccedilatildeo +VCC e ndashVCC especificada pelo fabricante (2) Qual o tipo de transistor utilizado como amplificador diferencial na entrada dos amplificadores operacionais TL084 e LM324 (3) O amplificador operacional TL084 possui proteccedilatildeo contra curto circuito na saiacuteda (4) Qual o valor da resistecircncia de entrada do TL084 (5) Qual o ganho em tensatildeo tiacutepico para o TL084 (6) Qual a frequecircncia de operaccedilatildeo maacutexima para o TL084 e LM324 (7) Qual dos dois amplificadores operacionais (TL084LM324) pode operar com fonte unipolar (8) Calcule a energia em eleacutetron-volts de um foacuteton de radiaccedilatildeo infravermelha cujo comprimento de onda eacute 3microm Repita o caacutelculo para cada uma das cores do espectro eletromagneacutetico e compare com a tensatildeo necessaacuteria para operar cada LED na cor correspondente [vermelho verde amarelo azul violeta] Associe os valores determinados teoricamente nesta questatildeo com os valores das tensotildees medidas sobre os LEDs durante a montagem 1 (9) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando os amplificadores operacionais (10) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando LDRs LEDs e Fotodiodos
