Experimento 5 Amplificadores Operacionais - Osciladores.

Disciplina: EN2709 – Eletrônica Aplicada.

Discentes: Fernando Henrique Gomes Zucatelli

Turma: A2/Diurno

Profº Dr. Carlos Eduardo Capovilla.

Santo André, 10 de Abril 2012

1

1. OBJETIVOS

Os objetivos deste experimento são verificar o funcionamento de um circuito

oscilador comparador, astável e com controle automático de ganho. Alterar o

oscilador para obter a relação x:4x nos tempos de nível alto e nível baixo.

2. PARTE EXPERIMENTAL

2.1. Materiais e equipamentos

• Multímetro digital bancada 8045A;

• Multímetro digital Minipa® ET-2510;

• Fonte de Tensão Marca Minipa® MPL-3303;

• Osciloscópio Digital Tektronix® TDS 2022B;

• Resistores: 2x 1kΩ, 1x 2,2kΩ, 4x 3,3kΩ, 1x 5,6kΩ;

• Potenciômetro de 10kΩ;

• Diodos: 2x 1N4148;

• Capacitores: 1x 100nF; 2x 10nF;

• Amplificador Operacional LM741;

• Matriz de contatos (Protoboard);

• Cabos e fios para conexão.

2.2. Procedimentos

A Figura 1 apresenta o circuito do amplificador operacional como comparador.

Figura 1 – Circuito do amplificador operacional comparador.

A Figura 2 mostra o circuito do amplificador operacional na configuração

oscilador astável.

2

Figura 2 – Circuito do amplificador operacional configuração oscilador de meio período.

O período de oscilação é dado por (1):

1

1 2

12. . .ln ;

1

RT R C

R R

ββ

β

+= =

− + (1)

A Figura 3 apresenta o oscilador em ponte de Wien com uso de controle

automático de ganho.

Figura 3 – Circuito do amplificador operacional configuração ponte de Wien.

A frequência de oscilação desta configuração é dada por (2)

1

2 . .f

R Cπ= (2)

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A tensão de referência medida na entrada não-inversora é Vref=5,82V.

A Tabela 1 apresenta a tensão de saída Vo em função da tensão Vx na

entrada inversora do amplificador ajusta por meio do potenciômetro.

Quando o valor de Vx cruza o valor de Vref, a saída Vo é alterada de acordo

com os valores de saturação possíveis para o amplificador dado pelas fontes.

3

Tabela 1 – Medições para o circuito comparador.

Vx(V) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Vo(V) 10,37 10,368 10,364 10,363 10,380 10,378 -8,935 -8,923 -8,927 -8,930

A Tabela 2 resume os dados entre a Figura 4 e a Figura 7 para o oscilador

astável. O capacitor de 10nF foi inicialmente confundido com o de 100nF resultando

em uma onda próxima da forma triangular na saída em vez de uma onda mais

quadrada.

O período T teórico usando (1) para β = 0,5 (R1=R2)e C = 100nF é 2,197x10-4 s.

Tabela 2 – Medições para o circuito oscilador astável.

10 nF V1=13,0 Vpp

f = 14,60 kHz T = 0,686 x 10-4

s V2=10,0 Vpp

V0=19,4 Vpp

100 nF V1=10,6 Vpp

f = 4,20 kHz T = 2,38 x 10-4

s V2=10,0 Vpp

V0=19,6 Vpp

Figura 4 –CH1: Vo. CH2: V1. (Esq.). CH1: Vo. CH2: V2. (Dir.) Capacitor de 10nf.

Figura 5 – CH1: Vo. CH2: V2. Capacitor de 100 nF.

4

Figura 6 – CH1: Vo. CH2: V1. .TEK3. Capacitor de 100 nF.

Figura 7 – CH1: V2. CH2: V1. Capacitor de 100 nF.

A Tabela 3 resume as medições da Figura 8 e da Figura 9. A frequência é

calculada conforme (2) com os valores nominais dos componentes:

1 1

15,9152 . . 2 .1 .10

f kHzR C k nFπ π

= = =Ω

(3)

Tabela 3 – Medições para o circuito ponte de Wien.

Resistor R2 Vo(Vpp) Frequência (Hz) Figura

3k3 18,4 12,90 Figura 8

2k2 1,6 14,87 Figura 9

5

Figura 8 – Amplitude do oscilador em ponte de Wien com R2=3k3Ω. TEK6.

Figura 9 – Amplitude do oscilador em ponte de Wien com R2=2k2Ω. TEK7.

O desafio de se obter um circuito para ter a relação de x:4x do período foi

realizada no software Multisim®, cujos resultados encontram-se entre a Figura 10 e

a Figura 13. Após diversas tentativas combinando resistores e capacitores em

diversos locais, ficou clara a necessidade de que a nova constante de tempo

inserida deveria atuar somente em um ciclo da oscilação, assim as tentativas passar

a incluir um diodo. A primeira solução encontrada está na Figura 10.

Figura 10 – Simulação Multisim amplificador x:4x.

R11kΩ

R21kΩ

LM741

3

2

4

7

6

51

XSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _R310kΩ

C1100nF

D21N4148

VCC

12V

VEE

-12V

C2400nF

R410kΩ

6

Figura 11 – Simulação Multisim amplificador x:4x. Trecho T1=257 µs.

Figura 12 – Simulação Multisim amplificador x:4x. T2= 1,042 ms = 1042 µs ≈ 4T1.

7

Na Figura 11 verifica-se que o tempo em nível alto é de aproximadamente 250

µs e na Figura 12 o tempo em nível baixo é de aproximadamente 1ms, i.e., 4 vezes

maior que o de nível alto. Para se obter a relação de 4x:x, i.e. 4 vezes mais tempo

em nível alto do que em nível baixo por período, deve-se apenas inverter a posição

do diodo (Figura 13).

Figura 13 – Simulação Multisim amplificador 4x:x. Trecho T1=257 µs. Diodo invertido.

Continuando a simular o circuito percebeu-se que o início da oscilação não

estava exatamente na proporção x:4x, então optou-se por retirar o capacitor de

400nF, o proporção do período obtido foi de x:x, então foi calculado qual seria o

resistor R4 para que em paralelo com R3 resultasse em um resistor 4 vezes menor

que R3 ou seja em 2,5kΩ.

3 4 4

3 4 4 4

3 4 4

10 10; 2,5 3,3

10 10

R R kR kRR R R R R k R k

R R k R k R= = = ⇒ = = ⇒ =

+ + − (4)

O circuito resultante é o apresentado na Figura 14. A Figura 15 exibe o tempo

em nível alto e a Figura 16 o tempo em nível baixo. Para obter a relação de 4x:x

troca-se o sentido do diodo tal como na 1ª solução.

8

Figura 14 – Simulação Multisim amplificador com proporções de período de x:4x. 2ª solução.

Figura 15 – Simulação Multisim amplificador 4x:x. Trecho T1=255 µs. 2ª solução.

R11kΩ

R2

1kΩ

LM741

3

2

4

7

6

51

XSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _

R310kΩ

C1100nF

D21N4148

VCC

12V

VEE

-12VR43.3kΩ

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Figura 16 – Simulação Multisim amplificador 4x:x. T2= 1,038 ms = 1038 µs ≈ 4T1. 2ª solução.

Figura 17 – Simulação Multisim amplificador 4x:x. Trecho T1=255 µs. Diodo invertido.

Os resultados são semelhantes ao da 1ª solução que continha um capacitor.

As inclinações nas ondas quadradas conhecidas como slew rate são intrínsecas do

amplificador, poder-se-ia alterar a frequência de oscilação do circuito para reduzir

este efeito.

10

4. CONCLUSÃO

O circuito base responsável pelos circuitos osciladores é o comparador, no qual

toda vez que a tensão na entrada inversora cruza a referência na entrada não

inversora a saída satura em uma das extremidades de tensão definidas pela(s)

fonte(s) de tensão do amplificador.

A partir desta base de comparação cria-se o oscilador astável com uso de um

circuito RC, de forma que a tensão sobre o capacitor seja a mesma da entrada

inversora. Quando o capacitor carrega e cruza a referência na entrada não inversora

o circuito troca de estado, invertendo a saída e fazendo o capacitor descarregar,

quando o valor de sua tensão cruzar novamente a referência a saída troca

novamente e assim por diante.

Na configuração da ponte de Wien foi possível obter oscilações senoidais

devido ao uso do filtro passa-faixa criado com as combinações de R4,C1 e R5,C2.

Assim a onda quadrada, que na análise em frequência é o somatório de infinitas

senoides, é filtrada na frequência definida pelo filtro, restante a oscilação senoidal

em vez da quadrada.

A introdução de uma combinação de resistor e capacitor no circuito de forma

que seus efeitos estejam presentes somente em um ciclo de operação permite que a

onda quadrada gerada inicialmente simétrica nos tempos de nível alto e baixo no

período seja reconfigurados para diferentes proporções de tempo em nível alto e em

nível baixo. Para isso foi usado um diodo, para trabalhar em somente um ciclo, e um

capacitor associado com outro resistor. Outra forma de se obter o mesmo resultado

porém com 1 componente a menos é calcular o resistor em série com o diodo de

forma que seu equivalente dele com o resistor em paralelo quando o diodo conduz

seja de ¼ do valor quando o diodo está em corte.

Com estes tipos de osciladores podem-se criar diversos tipos de componentes

geradores de funções, tal como as ondas quadradas usadas em clock’s de circuitos

digitais.