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Instrumentação I
9º Semestre
da Licenciatura em Engenharia Física
e da Licenciatura em Engenharia Biomédica
Objectivos
Consideram-se como sendo os objectivos principais desta disciplina os seguintes:
• Consolidar os conhecimentos de electrónica já aquiridos numa perpectiva de projecto, teste eaperfeiçoamento de instrumentos electrónicos em geral.
• Estender os conhecimentos dos alunos a soluções de problemas menos típicos como aprodução de alta tensão e a aquisição de pequeno sinal, que são frequentes no contexto dasaplicações da Física em laboratórios ou em aplicações biomédicas.
Em resultado, não se desenvolverá demasiado aspectos teóricos relacionados com a análise de circuitose com teoria de sistemas, visto que esses tópicos consideram-se dados em disciplinas anteriores. Aênfase será em aspectos práticos directamente realcionados com o projecto de equipamentoelectrónico.
Concordo com o autor do livro de referência recomendado, que ‘a electrónica moderna é basicamenteuma simples arte, uma combinação de algumas leis básicas, regras semi-empíricas e um grande saco detruques’. Este tipo de conhecimento em electrónica apenas pode ser transmitido aos alunos através daexperimentação contínua, deixando que eles projetem, construam e testem circuitos electrónicos.
Por este motivo, esta disciplina será primariamente uma disciplina de mãos na massa (hands-on) ondeos alunos irão experimentar os desafios, a frustação e a posterior satisfação de produzirem um circuitoelectrónico que funciona!
Estrutura
A disciplina está organizada em 2 sessões por semana de 3 horas cada. Todas as sessões serãoteórico-práticas e terão lugar no laboratório de Instrumentação.
A turma deverá ter no máximo 12 alunos organizados em 6 grupos de 2. Cada um destes grupostrabalhará em torno de cada um dos 6 postos de trabalho do laboratório.
Alguns aspectos teóricos serão desenvolvidos para toda a turma seguindo-se o acompanhamento decada grupo durante a montagem e teste dos circuitos propostos. Depois de montados os circuitosserão avaliados e discutidos.
Todos os trabalhos realizados darão origem a um relatório escrito do grupo.
Programa
1. Fontes de alimentação— Reguladores em paralelo
Dimensionamento dos componentes comuns
Regulador com díodo Zener
Regulador com transistor em paralelo
2. Fontes de alimentação— Reguladores série
Regulador série simples
Protecção contra curto-circuito
A série 78XX
Reguladores ajustáveis— LM317
Regulação em corrente constante
3. Fontes de alimentação de alta tensão
Elevadores de tensão
Multiplicadores de tensão
Multiplicador de tensão com regulação
4. Fontes de alimentação com pré-regulador
Regulação em tensão
Regulação em corrente
O pré-regulador
Dispositivos de protecção
5. Realimentação, Comparadores e Osciladores
Comparador com histerese
Multivibrador astável
Limitações dos Amplificadores Operacionais
Slew rate
Largura de banda
6. Filtros activos
Filtros de variáveis de estado
Aplicação a um oscilador de onda quadrada
7. Amplificadores de com mais corrente e mais tensão
Mais corrente
A montagem push-pull
Amplificador de alta tensão
8. Amplificadores de instrumentação
Características particulares
Medição de temperatura com termopar
Conteúdo (por sessão)
Sessão 1— Apresentação, objectivos, materiais de apoio e método de avaliação de conhecimentos.
Sessão 2— O equipamento do laboratório de Instrumentação— Osciposcópio digital, mesa de ensaios,geradores de sinal e fontes de alimentação. Identificação dos componentes electrónicos.
Soldaduras de componentes electrónicos.
Sessão 3— Generalidades sobre fontes alimentação. Regulação em linha, regulação em carga erejeição de ondulação (ripple).
Montagem uma fonte não regulada.
Sessão 4— Reguladores paralelo. As suas vantagens e desvantagens. Os vários tipos de regulador.Realização do Trabalho 1.
Sessão 5— Reguladores série. As vantagens e as desvantagens deste tipo de reguladores. Asprotecções contra curto-circuito. Os reguladores monolíticos fixos e ajustáveis.
Sessão 6— Fontes de corrente constante. Realização do trabalho 2.
Sessão 7— Fontes alimentação de alta-tensão. O chuto dos condensadores para aumentar ou invertera tensão Os multiplicadores de tensão e as suas vantagens
Sessão 8— O rendimento nas fontes de alimentação. As fontes comutadas. Regulação por largura deimpulso— vantagens e desvantagens. Realização do trabalho 3. Os conversores DC-DC.
Sessão 9— Fontes reguladas em tensão e em corrente. Discussão do projecto de uma fonte.
Sessão 10— A associação de fontes comutadas com reguladores em série. Os pré-reguladores.
Sessão 11— Os tiristores e as suas vantagens como rectificadores controlados. O disparo dostiristores.
Sessão 12— Realização do trabalho 4, regulação em tensão.
Sessão 13— Continuação da realização do trabalho 4, regulação em corrente.
Sessão 14— Continuação da realização do trabalho 4, montagem do pré-regulador.
Sessão 15— Comparadores com e sem histerese. A suas características principais. Realimentaçãopositiva e negativa. Oscilações e osciladores.
Sessão 16— O amplificador operacional não ideal— as suas limitações. Montagem do trabalho 5.
Sessão 17— Continuação da montagem do trabalho 5. Determinação de algumas características dosamplificadores.
Sessão 18— Filtros activos, os vários tipos e as suas aplicações. O factor de qualidade.
Sessão 19— Aplicação de um filtro activo a um gerador de onda quadrada.
Sessão 20— Realização do trabalho 6
Sessão 21— Aumento da corrente num amplificador operacional. O uso de transistores na saída. Amontagem push-pull.
Sessão 22— Amplificadores de alta tensão e as suas aplicações. Projecto de um amplificador de altatensão. Os limites de frequência.
Sessão 23— Realização do trabalho 7
Sessão 24— O desafio de amplificar sinais pequenos. Os amplificadores diferencias e deinstrumentação. As suas características.
Sessão 25— Comparação de um amplificador operacional mau com outros melhores. A sua aplicação aum termopar.
Sessão 26— Realização do trabalho 8
Sessão 27— Teste de avaliação de conhecimentos.
Sessão 28— Revisões e feedback dos alunos sobre a disciplina.
Avaliação
Haverá um teste final para avaliação individual de conhecimentos.
Todos os trabalhos práticos darão origem a um breve relatório escrito. Estes relatórios serão realizadosem grupo. Será dada atenção especial às medidas efectuadas e à sua discussão bem como àcompreensão demonstrada do trabalho realizado.
Ponderação:
20%— avaliação subjectiva do desempenho individual dos alunos durante as sessões tendo em conta afrequência da sua presença.
40%— avaliação dos relatórios.
Os relatórios poderão ser discutidos com os respectivos grupos no caso de se suspeitar degrande assimetria nos conhecimentos entre os elementos dos grupos.
40%— teste final. (Este teste pode ser substituído, se o aluno preferir, pelos exames de época normal
Os alunos têm de obter uma classificação superior a 10 valores (9,5) em qualquer das fracções.
A nota de frequência é calculada com base nas duas primeiras fracções e, sendo positiva, permitirá oacesso directo ao exame.
Uma classificação inferior a 10 valores (9,5) excluirá os alunos de aproveitamento.
A nota da frequência (se superior ou igual a 10) poderá ser usada pelo alunos apenas no ano seguinte.
Bibliografia
• The Art of Electronics, 2ª edição, Paul Horowitz e Winfield Hill, CambridgePress, 1989.
• Princípios de Electrónica 1, A.P. Malvino, 6ª edição, McGraw Hill 1999
• Princípios de Electrónica 2, A.P. Malvino, 6ª edição, McGraw Hill 2000
• Textos dos trabalhos práticos, disponíveis em http://www.df.fct.unl.pt
• National Semiconductor Application Notes and Datasheets Informationdisponível em http://www.national.com/catalog/. Também as seguintesnotas de aplicação:
o AN20: An Applications Guide for OpAmps.
o AN31: Op Amp Circuit Collection
o AN A: The Monolitic Operational Amplifier- A Tutorial Study
o AN4: Monolitic Op Amp— The Universal Component
o AN779: A Basic Introduction to Filters— Active, Passive and Switched-Capacitor
o LB22: Low Drift Amplifiers
o AN301: Signal Conditioning for Sophisticated Transducers
Trabalhos de Instrumentação I
1. Fontes de alimentação— Reguladores em paralelo............................................................. 7
2. Fontes de alimentação— Reguladores série........................................................................ 9
3. Fontes de alimentação de alta tensão............................................................................... 12
4. Fontes de alimentação com pré-regulador ........................................................................ 14
5. Realimentação, Comparadores e Osciladores .................................................................... 20
6. Filtros activos ..................................................................................................................... 22
7. Mais corrente e mais tensão nos Amplificadores .............................................................. 24
8. Amplificadores de Instrumentação..................................................................................... 27
1 . Fontes de alimentação— Reguladores em
paralelo
Objectivo
• Aprender a dimensionar os elementos básicos de uma fonte de alimentação como otransformador, fusível, ponte rectificadora, sinalizador e filtro.
• Conhecer as vantagens e as desvantagens das fontes com regulação em paralelo.
Recomenda-se estudar as páginas 44-47 e 325-340 do livro The Art of Electronics e 907-916 dePrincípios de Electrónica 2.
1 .1 Dimensionamento dos componentes comuns
Monte o seguinte circuito:
220V/12V-0,5A
Ponte
F1SW1
1. Dimensione F1 de modo a que a proteger o transformador (12V- 0,5A).
2. Explique porque se usa o díodo D1 em série com o LED. Que características deve ter?
3. Dimensione R1 de modo a que passe uma corrente média de 10 mA pelo LED.
4. Que características deve ter a ponte rectificadora?
5. Coloque uma resistência de carga na saída de modo a que a fonte forneça aproximadamente100 mA.
6. Antes de montar C1 observe no osciloscópio a tensão de saída.
7. Dimensione C1 de modo a que a tensão não seja inferior a 8V quando a fonte está a fornecer acorrente máxima (0,5 A).
8. Monte C1 e observe de novo a tensão de saída (mantendo a mesma resistência de carga).
1 .2 Regulador com díodo Zener
220V/12V-0,5A
Ponte
F1SW1
R2
1. Introduza os componentes indicados. Use para D2 um Zener de 7,5V e 1/2W.
2. Calcule R2 de modo a que o Zener não exceda a sua capacidade de dissipação (potência) e demodo a que a fonte seja capaz de fornecer até 50 mA.
3. Meça a regulação de carga para 50, 30, 10 e 1 mA.
4. Meça também a rejeição de ripple.
1 .3 Regulador com transistor em paralelo
220V/12V-0,5A
Ponte
F1SW1
R2
Q1
1. Faça a alteração representada. Use para Q1 um transistor BC109C ou equivalente.
2. Meça a tensão de saída. Explique porque é diferente do valor anterior.
3. Meça de novo a regulação de carga e a rejeição de ripple para as mesmas resistências de carga.
4. Se fizer um curto-circuito a esta fonte o que acontecerá?
5. Como se compara a energia que é dissipada no transitor com a energia que é fornecida à carga.
2 . Fontes de alimentação— Reguladores série
Objectivo
• Conhecer o princípio de funcionamento de reguladores em série. Aprender adimensionar protecções contra curto-circuito.
• Saber dimensionar fontes de alimentação com reguladores em série.
Recomenda-se estudar as páginas 341 a 355 do livro The Art of Electronics e 917 a 934 de Princípiosde Electrónica 2.
2 .1 Regulador em série simples
Ponte
220V/12V-0,5A
1. Monte o circuito indicado. Mantenha os componentes que calculou no trabalho 1 para estamontagem. Use para D1 um zener de 4,7V e para Q1 um transistor de 1A e VCEO> 20V (porex. BD139). Dimensione R2.
2. Calcule a tensão de saída.
3. Meça a regulação de carga até 0,5 A de corrente de saída.
4. Discuta as vantagens e as desvantagens deste regulador em relação a um regulador paralelo
2 .2 Protecção contra curto-circuito
Ponte
220V/12V-0,5A
Rs
1. Use para Q2 o BC109 ou equivalente. Calcule Rs de modo a que a corrente máxima estejalimitada a 0,5A.
2. Explique o funcionamento da protecção contra curto-circuito.
3. Faça um curto-circuito com um amperímetro e meça a corrente. Verifique se Q1 aquece. Senecessário utilize um dissipador.
2 .3 A série 78XX
Ponte
220V/12V-0,5A
1 3
7805
1. Altere a montagem usando um regulador monolítico 7805.
2. Meça a regulação de carga até 1 A e a rejeição de ripple.
3. Use um gerador de funções para substituir a saída do transformador e meça a regulação delinha para uma corrente de carga constante de 50 mA.
4. Discuta a importância de C1 nos valores medidos.
2 .4 Reguladores ajustáveis
Ponte
220V/12V-0,5A
1 3
LM317
R1
A tensão de saída do LM317 é dada por
UR R
RRout = + × + × × −1 2
1
2
61 25 50 10,
1. Calcule R1 e R2 de modo a obter uma tensão de saída de entre 1,25V e 8V aproximadamente.
2. Meça a regulação de carga para uma tensão de 5V.
2 .5 Reguladores ajustáveis em modo de corrente constante.
Ponte
220V/12V-0,5A
1 3
LM317Rs
1. Calcule Rs de modo a que o regulador forneça uma corrente de 0,1A aproximadamente.
2. Verifique o funcionamento da fonte em modo de corrente constante. Altere as resistências decarga de 0Ω até 80Ω.
3. Meça a regulação de carga neste modo.
3 . Fontes de alimentação de alta tensão
Objectivo
• Conhecer o princípio de funcionamento das fontes de alta e de muito alta tensão.
• Compreender o funcionamento dos conversores DC-DC.
Recomenda-se estudar as páginas 355-9 do livro The Art of Electronics e 944-5 de Princípios deElectrónica 2 bem como os dados técnicos do integrado MAX773.
3 .1 Elevadores de tensão
100V, 10mA
12
4
5
67
8
1 0
1 1
1 2
1 3
1 4MAX773
500µH
MUR115Q1
15V
1. Monte o circuito da figura. Use para Q1 o BUK455/200 ou equivalente. Considere R1=10 kΩ eR2 dado por
R RVout
2 1 1 51= −
,
5. Meça a amplitude e a frequência do ripple com uma carga que solicite 10mA à fonte (use umaponta para o osciloscópio de 10x).
6. Meça a regulação de carga até 10mA.
7. Substitua R2 por uma potenciómetro de valor equivalente e verifique o efeito de variar a suaresistência.
8. Explique o funcionamento deste tipo de fontes elevadoras de tensão.
3 .2 Multiplicadores de tensão
t ensão alte rnada
Vout
C1 C2 C3
C4 C5 C6
1 . Monte o multiplicador de tensão conforme indicado na montagem. Use díodos 1N4148 econdensadores de 1µF cerâmicos.
2 . Ligue o circuito a um gerador de funções com uma saída quadrada ou sinusoidal, umafrequência de 10 kHz e com a amplitude máxima.
3 . Use um multímetro para medir a tensão de saída do circuito. Compare o valor máximo datensão de entrada com o valor da tensão de saída.
4 . Ligue uma resitência de carga que solicite 1mA de corrente ao circuito. Observe noosciloscópio a tensão de saída e verifique o efeito da frequência na amplitude média da tensãode saída.
5 . Meça a amplitude do ripple e a sua frequência e compare esses valores com a tensão deentrada.
3 .3 Multiplicador de tensão com regulação
Vout12
4
5
67
8
1 0
1 1
1 2
1 3
1 4MAX773
500µH
Q1
15V
C1 C2 C3
C4 C5 C6
R2
R4
MUR115
1. Associe os dois circuitos conforme indicado.
2. Verifique qual a tensão de saída máxima e mínima.
3. Meça a regulação de carga com uma saída de 1 mA.
4. Discuta as vantagens e as desvantagens de se usar um multiplicador de tensão.
4 . Fontes de alimentação com pré-regulador
Objectivo
• Aprender a projectar fontes reguladas em corrente e em tensão.
• Compreender o funcionamento dos pré-reguladores.
• Demonstrar o ganho de rendimento introduzido pelo pré-regulador.
Recomenda-se estudar as páginas 323-5 do livro The Art of Electronics e 495-516 de Princípios deElectrónica 1.
4 .1 Montagem do circuito de regulação em tensão
Q1
50V/1A
+15V+15V
V+ out
V- out
-
+
2
3
1LM358AN
R4
47Ω
R6470Ω
220V/12-0-12V, 0.5A
V
Voltímetro
+15V
C2
1nF
R3
5,6K1K
1K
1. Use para Q1 o BUK445/200 ou equivalente.
2. Verifique qual a tensão máxima em que a fonte é capaz de fornecer sem carga.
3. Monte uma carga que solicite 100mA a 20V e meça a regulação de carga e a rejeição deripple.
4. Desligue o condensador C2 ou a resistência R9 e meça de novo a rejeição de ripple. Discuta oefeito desta malha de realimentação.
5. Que componentes necessitaria de alterar se necessitasse de 100V na saída?
4 .2 Regulação em corrente
Q1
50V/1A
+15V+15V
-Vout
R4
47Ω
R6
470Ω
R3
5,6K
220V/12-0-12V, 0.5A
C2
1nF
+Vout
R13
22 Ω
-
+
6
5
7LM358AN
C4
1nF
R12
470Ω
R11
470Ω
A
Amperímetro
-
+
2
3
1LM358AN
+15V V
1K
1K
1 . Monte o segundo amplificador operacional conforme está representado. Os LEDs passam aindicar se a fonte está limitada em tensão ou em corrente. Calcule a resistência de shunt para oamperímetro de modo a que ele meça 100mA no máximo da escala.
2. Ligue uma carga de 100Ω. Ajuste o potenciómetro que controla a tensão para o máximo e useapenas o potenciómetro que regula (ou limita) a corrente para 50mA
3. Sem desligar a carga de 100Ω coloque outra igual em paralelo. O que aconteceu à corrente?
4. Faça um curto circuito na saída da fonte. Qual o valor da corrente?
5. Com várias cargas meça a regulação em carga (neste modo de corrente constante) e a rejeiçãode ripple.
6. Qual a tensão máxima a que a fonte consegue fornecer 100 mA regulados (com pouco ripple)?Que componentes teria que alterar se quisesse aumentar essa tensão?
7. Que componentes teria de alterar se necessitasse que a fonte fornecesse 1A?
4 .3 Uma carga ‘inteligente’
Q1
50V/1A
+15V+15V
-V out
R4
47Ω
R6
470Ω
R3
5,6K
220V/12-0-12V, 0.5A
C2
1nF
+V out
R13
22 Ω
-
+
6
5
7LM358AN
C4
1nF
R12
470Ω
R11
470Ω
A
Amperímetro
-
+
2
3
1LM358AN
+15V
Q2 V
1K
1K
7V5
D3
1. Monte R14, Q2, D3 e de novo R8.
2. A resistência R8 nas montagens anteriores solicitava a passagem de corrente eléctrica desdea donte de +15V (flutuante) até à saída negativa da fonte. O objectivo é polarizardevidamente os componentes alimentados a 0-15V em relação à tensão negativa da fonte.Esta resistência é particularmente importante quando a tensão de saída é bastante elevada oque obriga a que R5 também seja elevado. Nessa situação, a potência dissipada na resistênciapode-se tornar demasiado elevada. A alteração introduzida neste circuito permite que essacorrente de polarização seja constante (aproximadamente), para qualquer tensão de saída.
3. Calcule a corrente que este circuito solicita de +15V até –Vout.
4. Verifique que essa corrente é independente da tensão de saída.
4 .4 O pré-regulador
- Vout
+Vou t
Q4
BT151
Q3
BT151
e b2
b1
2N2646
Q5
R15
3K3
R16
220KR19
1K
R20
68K
C5 10nF
BC558
Q5
4V7
18Ω
R18
1. Mantenha a montagem anterior alterando apenas a parte do transformador e rectificador.Monte os demais componentes conforme o esquema.
2. Os tiristores Q3 e Q4 fazem parte da ponte rectificadora e só conduzem quando o transistorde unijunção Q5 dispara e descarrega C5. A tensão de carga de C5 é superior à tensão nasource de Q1 devido aos rectificadores 1N4007 que fornecem a tensão de pico da saída dotransformador.
3. Os tiristores são impedidos de disparar quando D4 está à condução que por sua vez faz comque Q5 conduza e descarregue C5.
4. Verifique se os tiristores estão a disparar e qual a frequência do disparo (observe a tensão em+Vout no osciloscópio) com uma carga de 100Ω.
5. Verifique o que acontece quando o zener D4 está ligado a +Vout (ou desligado) e quandoestá ligado a –Vout. Explique o que acontece.
6 . Verifique um efeito semelhante quando liga directamente um fio aos extremos de C5(mantendo D4 desligado).
7 . Ligue um potenciómetro de 100K entre +Vout e –Vout. Ligue o terminal variável a D4.Registe o que acontece quando varia a tensão aplicada a D4 (mantenha a resistência de100Ω ligada).
8. Tente medir a velocidade com que o tiristor entra à condução.
9. Se a fonte pudesse fornecer 10A, qual seria a dissipação de potência nos tiristores?
10. Com a ponta de prova atenuadora de 100x observe a tensão no primário do transformador.Consegue saber quando os tiristores estão a começar a conduzir?
4 .5 Montagem completa (opcional)
220V/12-0-12V, 0.5A
Q4
BT151
Q3
BT151
e b2
b1
2N2646
Q5
R15
3K3
R16
220KR19
1K
R20
68K
C5 1nF
BC558
Q54V7
18Ω
R18
Q1
+15V+15V
R4
47Ω
R3
5,6K
C2
1nF
V+ out
R13
22 Ω
C4
1nF
R12
470Ω
R11
470Ω
A
Amperímetro
7V5
D3
+15V
D10, D111N4148
F1
Q2
V
R6
470Ω
-
+
2
3
1LM358AN
D8, D91N4148
-
+
6
5
7LM358AN
1K
1K
F2
V- out
10nF
2,2K
1. Montagem de dispositivos para protecção e para aumento da estabilidade:
• Fusíveis F1 e F2
• O diodo D5 impede que Q1 fique acidentalmente polarizado inversamente (quando se liga afonte a uma carga já com tensão, por ex. um condensador carregado)
• O diodo D6 impede que toda a fonte fique sujeita a uma tensão negativa (por exemploquando se liga fonte a um condensador carregado com tensão negativa)
• O diodo D7 impede que picos de tensão superiores à tensão de alimentação atinjam asentradas dos amplificadores operacionais.
• Os diodos D8 a D11 limitam as diferenças de tensão nas mesmas entradas.
• Os condensadores C6 e C7 juntamente com R6 e R11 limitam a velocidade de variação dastensões de entrada, aumentando a estabilidade do circuito.
• O condensador C8 acumula alguma carga pronta a ser fornecida à carga quando assolicitações de corrente forem muito rápidas, melhorando a resposta em frequência dafonte.
• A resitência de 2,2K e o condensador de 10nF no secundário do transformador filtram ospicos de tensão que possam ser produzidos pelos tiristores para a rede eléctrica.
5 . Realimentação, Comparadores e Osciladores
Objectivo
• Relembrar o efeito da realimentação positiva e negativa.
• Saber projectar comparadores.
• Saber montar osciladores simples.
• Constatar algumas da limitações dos amplificadores operacionais.
Recomenda-se estudar as páginas 175-195, 229-31 e 284-5 do livro The Art of Electronics e 617-634e 679-81 e 821-5 de Princípios de Electrónica 2.
5 .1 Comparador com histerese
-
+
2
3
1
LM358AN
R1
R2
R3
15V
-15V
-15V
1. Monte o circuito da figura. Calcule R1 e R2 de modo a ter 1% de realimentação positiva.
2 . Ajuste R3 para fornecer 0V. Seleccione o gerador de funções para fornecer uma tensãosinusoidal com aproximadamente 1kHz, 5V.
3. Observe a saída do amplificador e compare-a com a da entrada.
4. Varie a tensão fornecida por R3 e verifique o efeito na saída.
5. Retire a resistência de realimentação positiva R2. Selecione uma frequência de entrada baixa eobserve a saída. Introduza de novo R2 e verifique a diferença.
5 .2 Multivibrador astável
-
+
2
3
1
LM358AN
R1
R2
15V
-15V-15V
R4
+15V
1. Monte o circuito conforme indicado. Calcule as resistências de modo a obter uma frequênciade 10 kHz sabendo que o período da oscilação é dado por:
T R C
R
RR
R
=+
−
21
12
112
4ln
2. Ajuste R3 para fornecer uma tensão de aproximadamente zero e observe as oscilações noosciloscópio.
3. Ajuste R3 e verifique o que acontece na saída.
5 .3 Limitações d os Amplificadores Operacionais
5.3.1 Taxa de salto (Slew rate)
1. Altere R4 de modo a produzir uma frequência da ordem dos MHz.
2. Meça o slew rate do amplificador.
3. Se continuar a aumentar a frequência o que acontece à onda quadrada?
4. Substitua o integrado pelo LM2903 e verifique a diferença.
5.3.2 Largura de banda
1. Monte um amplificador (com o LM358) numa montagem inversora com ganho unitário.
2. Introduza uma tensão sinusoidal na entrada e verifique se a amplitude à saída é igual à daentrada.
3. Aumente a frequência e determine a que frequência o sinal de saída tem uma amplitude de70% do valor inicial (3dB).
4. Repita o procedimento para um ganho de tensão de 10, 100 e 1000 e construa uma gráficoque revele a largura de banda disponível para cada um dos ganhos.
6 . Filtros activos
Objectivo
• Ilustrar o funcionamento dos filtros activos.
• Aprender a projectar um tipo de filtros activos.
• Demonstrar uma aplicação de filtros activos passa banda.
Recomenda-se estudar as páginas 272-283 do livro The Art of Electronics e 796-9 de Princípios deElectrónica 2.
6 .1 Filtro de variáveis de estado (KHN)
saída passa-banda
saída passa-alto
saída passa-baixo
-
+
2
3
1
LF353N
-
+
2
3
1
LF353N
-
+
6
5
7
LF353N
R R R
R
R
C
-15V -15V
+15V+15V
R2
C
1. Calcule os valores de R, R1, R2 e C sabendo que:
GanhoR
R
Q Ganho
fRC
= +
=
=
13
21
1
120 π
para uma frequência de 10kHz e um ganho de 1.
2. Introduza um sinal à entrada e verifique o funcionamento do filtro.
3. Meça valores de modo a obter um gráfico que descreva o comportamento de cada uma dassaídas do filtro em função da frequência.
4. Meça o factor de qualidade a partir do gráfico e compare com o ganho.
6 .2 Aplicação a um oscilador de onda quadrada
saída passa-banda
saída passa-alto
saída passa-baixo
R5
R4
R3
-
+
2
3
1
LF353N
R R
R
C
-15V
+15V
R2
C
-
+
6
5
7
LF353N
-
+
2
3
1LF353N
R
R
-15V
+15V
-
+
6
5
7LF353N
R6
1. Monte o oscilador que usou no t rabalho anterior. Calcule os valores dos componentes para teruma frequência central igual à do filtro (10kHz). Use o potenciómetro R6 para ajustar umpouco a frequência.
2. Verifique se a saída do filtro não está saturada. Nesse caso, diminua a amplitude do sinal dooscilador no potenciómetro de 1KΩ.
3. Observe as várias saídas do filtro e registe o que observa. Explique as diferenças.
4. Altere o factor de qualidade do filtro e observe o efeito na saída passa-banda. (É necessárioajustar a amplitude do sinal de entrada).
7 . Mais corrente e mais tensão nos Amplificadores
Objectivo
• Aprender a usar amplificadores operacionais quando é necessário mais corrente à saída ouuma tensão de saída mais elevada do que a sua tensão de alimentação.
Recomenda-se estudar as páginas 720-2 de Princípios de Electrónica 2.
7 .1 Mais corrente
Vout
Q1
R1
R2
C1
R3
-15V
+15V
-
+
2
3
1LM358
+15V
-15V
1. Monte o circuito representado. Use um transistor BC550 ou equivalente. Calcule R1 e R2 demodo a obter um ganho de 10. Optimize R3 em função de R1 e R2.
2. Ligue o gerador de funções e ajuste para uma frequência de 10kHz e uma amplitude de 100mV. Observe a tensão à saída.
3. Aumente a tensão do gerador. Qual a amplitude máxima à saída? Este valor é determinadopor qual factor?
4 . Qual a corrente máxima que é possível fornecer a uma carga exterior? E qual a correntemáxima que é possível ‘puxar’ de uma carga?
7 .2 A montagem push-pull
Vout
+15V
Q1
-15V
R1-
+
2
3
1LM358
R2
C1
R3
-15V
+15V
Q2
1. Use agora um par NPN-PNP de transistores na saída conforme representado (por exemplo oBC550 e o BC560).
2. Ligue uma carga de 100Ω e verifique qual a diferença em relação à montagem anterior.
3. Observe a distorção do sinal daída ao passar por zero. Explique o motivo dessa distorção (édesignada por distorção de cross-over).
4. Qual é a corrente máxima que o circuito pode puxar agora? Percebe porque se chama push-pull (empurra e puxa)?
Vout
+15V
Q1
-15V
R1-
+
2
3
1LM358
R2
C1
R3
-15V
+15V
Q2
5. Ligue agora a realimentação conforme indicado. Observe de novo a tensão de saída. Existemdiferenças?
6. Aumente a frequência e verifique se existe alguma frequência acima da qual a distorção passaa ser de novo observada.
7 .3 Amplificador de alta tensão
Vout
+15V
Q1
-15V
R1-
+
2
3
1LM358
R2
C1
R3
Q2
+5V
+5V
1. Monte agora o circuito conforme está indicado. Repare que a alimentação do amplificadoroperacional é de 0 e 5V. Para centrar a tensão de entrada entre as alimentações usou-se odivisor ligado a R3. Os os mesmo transistores BC550 e BC560.
2. Use uma frequência de 100 Hz e uma amplitude de 100 mV. Aumente a tensão de entrada eobserve a tensão de saída. Qual o valor máximo que consegue atingir? O que limita esse valormáximo? Se pretendesse usar uma tensão saída até 100V, que componentes precisaria dealterar?
3. Aumente a frequência e verifique a que frequência o circuito altera a sua resposta.
8 . Amplificadores de Instrumentação
Objectivo
• Aprender a projectar amplificadores de baixo sinal.
• Demonstrar a aplicação destes amplificadores a um termopar.
Recomenda-se os dados dos estudar as páginas 323-5 do livro The Art of Electronics e 712-7 dePrincípios de Electrónica 2.
8 .1 Amplificador de instrumentação (mau)
Ter moparR3
-
+
2
3
6741
R1
A Amperímetro
R2
R6
1. Monte o amplificador diferencial conforme indicado, com um ganho de 500.
2. Calcule o valor de R5 de modo a poder transformar o amperímetro da mesa de teste para umaescala máxima de 1V.
3. Ajuste o potenciómetro R6 de modo a que a saída seja nula.
4. Aqueça o termopar entre os dedos e verifique se o medidor tem a polaridade correcta.
5 . Espere uns minutos e verifique se o amperímetro tem uma medida estável. Se necessárioaqueça um pouco o integrado. (Se necessário use um multímetro para medir a saída com maisprecisão). Que conclusões pode tirar?
6. Ligue a ponta do termopar a uma tensão da ordem de 10 a 100 mV (pode usar um divisor detensão). O valor medido é diferente? Devia ser?
8 .2 Amplificador de instrumentação (melhor)
TermoparR3
R1
A Amperímetro
R2
-
+
2
3
6OP07
+15V
-15V
1. Substitua o integrado 741 pelo OP07 e corrija as pequenas alterações nas ligações dos pinos.
2 . Repita o procedimento anterior (aqueça o termopar de depois o integrado) e verifique asdiferenças com o uso deste integrado. A que característica do amplificador se deve estadiferença?
3. Ligue de novo a ponta do termopar a uma tensão. É o comportamento deste amplificadordiferente do amplificador anterior? A que característica do amplificador se deve estadiferença?
8 .3 Bom amplificador de Instrumentação
Termopar
A Amperímetro
-
+
2
3
6OP07
R
R R
R-
+
2
3
6OP07
-
+
2
3
6OP07
1. Monte o circuito da figura. Repita os testes anteriores e verifique a diferença. Use R=10K,R1=100K e R2=2K. Discuta as diferenças observadas em relação às montagens anteriores.
