TE052 Laboratório de Engenharia Elétrica III

MI
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
SETOR DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
TE052
Laboratório de Engenharia Elétrica III
Prof. Alessandro L. Koerich
2014
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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
SETOR DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
SUMÁRIO
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Experimento 1: Amplificador Inversor e Não-Inversor com AmpOp
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Simulação 1: Amplificador Inversor e Não-Inversor com AmpOp
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Experimento 2: Integrador e Derivador com AmpOp
•
Simulação 2: Integrador e Derivador com AmpOp
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Experimento 3: Portas Lógicas com Transistores MOSFET
•
Simulação 3: Portas Lógicas com Transistores MOSFET
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Experimento 4: Amplificadores Logarítmicos e Anti-logaritmicos
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Simulação 4: Amplificadores Logarítmicos e Anti-logaritmicos
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Experimento 5: Retificador de Precisão
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Simulação 5: Retificador de Precisão
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Experimento 6: Schmitt Trigger
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Simulação 6: Schmitt Trigger
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Experimento 7: Multivibradores com 555
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Simulação 7: Multivibradores com 555
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Experimento 8: PWM com 555
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Simulação 8: PWM com 555
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Experimento 9: PPM com 555
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Simulação 9: PPM com 555
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Simulação 10: Capacitor Chaveado
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DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
COMPONENTES
Experiência
Componentes
1
TL082, 100kΩ, 51kΩ
2
TL082, 470Ω, 2 x 10kΩ, 1MΩ, 2 x 1nF
3
CD4007
4
TL082, 1N4148, 10kΩ, 1kΩ, 100Ω
5
TL082, 4 x 10kΩ, 1μF
6
TL082, 1kΩ, 2 x 10kΩ
7
LM555, 2 x 470Ω, 10kΩ, 22μF, 10nF, Led Vermelho, Led Verde, Resistores Calculados
8
LM555, 4,3kΩ, 2 x 100nF, 10μF
9
LM555, 3kΩ, 3,9kΩ, 10nF
10
Somente simulação
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Experimento 1
Amplificador Inversor e Não-Inversor com AmpOp
Objetivo
Familiarizar-se com as propriedades básicas e aplicações do circuito integrado amplificador operacional (AmpOp),
um dos blocos construtivos mais versáteis disponíveis atualmente para os projetistas de circuitos. A ênfase será
nas características quase ideais do dispositivo.
Componentes e Instrumentação
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Resistores: 51 kΩ, 100kΩ
AmpOp: TL082
Protoboard
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Osciloscópio digital e duas ponteiras
Gerador de funções e cabo BNC-jacaré
Fonte de alimentação simétrica 12V.
Montagem
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Monte os circuitos de acordo com as figuras abaixo.
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•
Ajuste o gerador de funções (Vi) para fornecer uma onda senoidal de 1kHz e amplitude de 1V pico a pico.
Esboce nos gráficos abaixo de maneira sobreposta, as ondas em Vi e em Vo.
Aumente gradualmente a amplitude da onda senoidal e anote o valor de Vi onde pode se observar
distorção na onda em Vo.
Tempo
Tempo
Tempo
Tempo
Tempo
Tempo
Tempo
Tempo
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Experimento 2
Integrador e Derivador com AmpOp
Objetivo
Um amplificador operacional na configuração integrador simula a operação matemática de integração que é
basicamente um processo de soma que determina a área total sob uma função, ou seja, o integrador faz a
integração da forma de onda da tensão de entrada. Um amplificador operacional na configuração derivador simula
a operação matemática de derivação que é o processo de determinar a taxa instantânea de mudança de uma
função. O diferenciador realiza a operação inversa da operação integradora. A forma de onda de saída é a
derivada da forma de onda da entrada.
Componentes e Instrumentação
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Resistores: 470Ω, 2 x 10kΩ, 1MΩ
Capacitores Cerâm./Poli.: 2 x 1nF (102)
AmpOp: TL082
Protoboard
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Osciloscópio digital e duas ponteiras
Gerador de funções e cabo BNC-jacaré
Fonte de alimentação simétrica 12V.
Montagem
•
Monte o circuito de acordo com a figura abaixo.
•
Ajuste o gerador de funções (V1) para fornecer uma onda quadrada de 10kHz e amplitude de 2V pico a
pico.
Determine o ganho dos circuitos.
Esboce nos gráficos abaixo de maneira sobreposta e na mesma escala, as ondas em V1 e Vo1 e em V1 e
em Vo2.
Qual função cada circuito executa?
Varie a frequência e verifique como os circuitos se comportam em baixas e altas frequências.
•
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•
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•
Conecte agora um resistor de 1MΩ em paralelo com o capacitor do integrador e um resistor de 470Ω entre
a fonte e o capacitor do derivador. Varie novamente a frequência e analise os efeitos das resistências
introduzidas no circuito.
Refaça o experimento aplicando em V1 uma onda triangular e uma onda senoidal.
Tempo
Tempo
Tempo
Tempo
Tempo
Tempo
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Experimento 3
Portas Lógicas CMOS
Objetivo
A tecnologia CMOS emprega transistores NMOS juntamente com transistores PMOS para implementar funções
lógicas. A dissipação estática de potência media é praticamente zero, pois não há fluxo de correntes.
.
Componentes e Instrumentação
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CI CD4007
Protoboard
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•
Osciloscópio digital e duas ponteiras
multímetro digital.
Fonte de alimentação simétrica 15V.
ou
Montagem
•
Monte os circuitos de acordo com as figuras a seguir. Indique os números dos terminais do CD4007 dentro
dos círculos.
15V
Circuito I
•
Circuito II
Circuito III
Teste cada um dos circuitos e identifique qual função lógica cada circuito implementa preenchendo a
tabela abaixo.
Circuito I
Vi
Vo
VA
Circuito II
VB
VY
VA
Circuito III
VB
VY
Função Lógica?
•
Baseado nos circuitos acima, implemente a função lógica 𝑉𝑌 = 𝑉𝐴(𝑉𝐵 + 𝑉𝐶) e preencha o quadro abaixo
VA
VB
VC
VY
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Experimento 4
Amplificador Exponencial e Logarítmico
Objetivo
Amplificadores logarítmicos são amplamente utilizados para aplicações de compressão de sinais analógicos.
Quando um diodo colocado no laço de realimentação de um amplificador operacional é diretamente polarizado,
uma diferença de potencial surge sobre o diodo. Se considerarmos a tensão sobre o diodo como a tensão de
saída, então a entrada e a saída estarão relacionadas de maneira logarítmica. Amplificadores exponenciais ou
antilogarítmicos (antilog) fazem a operação inversa do amplificador logarítmico. Amplificadores exponenciais
podem ser construídos apenas trocando a posição do resistor e diodo em um amplificador logarítmico.
Componentes e Instrumentação
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Resistores: 10 kΩ, 1 kΩ, 100Ω
Diodo: 1N4148
AmpOp: TL082
Protoboard
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Multímetro ou Osciloscópio digital e duas
ponteiras
Fonte de alimentação simétrica 12V.
Montagem
•
Monte os circuitos de acordo com as figuras abaixo.
•
Aplique uma tensão contínua da ordem de milivolts na entrada (Vi) do amplificador logaritmo e avalie a
tensão na saída (Vo).
Aumente gradualmente a tensão de entrada (Vi) e continue avaliando a tensão na saída (Vo).
Esboce nos gráficos abaixo de maneira sobreposta, as tensões de entrada (Vi) e saída (Vo)
Mude a polaridade do diodo e avalie o efeito na saída do amplificador logarítmico.
Repita o mesmo procedimento para o amplificador exponencial (antilog), entretanto, aplique uma tensão
contínua inicial da ordem de milivolts e aumente gradualmente até 1V.
Como você poderia utilizar os circuitos acima para construir um multiplicador analógico de sinais?
Represente através de um diagrama de blocos.
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Tempo
Tempo
Tempo
Tempo
Tempo
Tempo
Tempo
Tempo
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Baseado no Material dos Profs. Waldomiro Yuan e Márlio Bonfim
Experimento 5
Retificador de Precisão de Onda Completa
Objetivo
Um retificador de precisão pode ser utilizado para retificar pequenos sinais sem a perda dos 0,7V devido a queda
de tensão sobre os diodos. O objetivo é montar e testa um retificador de precisão de onda completa.
Componentes e Instrumentação
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Resistores: 4 x 10kΩ
Capacitores: 1 µF eletrolítico
AmpOp: TL082
Protoboard
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Osciloscópio digital e duas ponteiras
Gerador de funções e cabo BNC-jacaré
Fonte de alimentação simétrica 10V.
Montagem
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Monte o circuito de acordo com a figura abaixo.
•
Ajuste o gerador de funções (V1) para fornecer uma onda senoidal de 20Hz e amplitude de 1V de pico a
pico.
Esboce nos gráficos abaixo de maneira sobreposta, as ondas em V1, V2, V3, V4 e V5.
Meça a ondulação pico a pico da saída (ripple) para as frequências de entrada 20Hz e 200Hz. Explique
por que há uma redução para maiores frequências.
Determine a máxima frequência de operação do circuito considerando um erro no valor de pico de 30%
em relação ao valor de pico em baixas frequências (20Hz). Analise a onda em V4.
Qual o principal parâmetro dos componentes usados que limita a máxima frequência?
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Tempo
Tempo
Tempo
Tempo
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Experimento 6
Schimitt Trigger
Objetivo
Schmitt trigger é um circuito comparador de tensão com histerese que emprega realimentação positiva. Um
comparador de tensão fornecerá em sua saída duas tensões: +Vcc e –Vcc, dependendo do valor da tensão de
referência.
Componentes e Instrumentação
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Resistores: 1 kΩ, 2 x 10kΩ
AmpOp: TL082
Protoboard
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Osciloscópio digital e duas ponteiras
Gerador de funções e cabo BNC-jacaré
Fonte de alimentação simétrica 12V.
Montagem
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Monte o circuito de acordo com a figura abaixo.
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Ajuste a fonte de tensão contínua para fornecer Vref = 1V.
Ajuste o gerador de funções (Vin) para fornecer uma onda senoidal de 1kHz e amplitude de 10V pico a
pico.
Esboce nos gráficos abaixo de maneira sobreposta, as ondas em Vref, Vin e Vout.
Trace a curva de transferência do circuito e identifique os pontos de transição.
Altere o valor de Vref e verifique o efeito em Vout.
Aumente a frequência e verifique o efeito em Vout.
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Tempo
Vout
Vout
Tempo
Vin
Tempo
Vin
Tempo
Tempo
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Experimento 7
Multivibradores Astável e Monoestável com 555
Objetivo
Implementar multivibradores astável e monoestável usando o CI temporizador 555. O 555 possui dois modos
operacionais básicos: disparo único e astável. No modo disparo único, o 555 é chamado de multivibrador
monoestável. O circuito monoestável gera um pulso único de duração fixada por uma rede RC cada vez que ele
recebe um pulso de entrada de disparo. No modo astável o 555 funciona como um oscilador. O multivibrador
astável gera um feixe contínuo de pulsos retangulares que são chaveados entre dois nível de tensão. A frequência
dos pulsos e seu ciclo de trabalho dependem também de uma rede RC.
Componentes e Instrumentação
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Resistores: 2 x 470Ω, 10kΩ, e os calculados
Capacitores: 22µF (eletrolítico), 10nF (cerâmico/poliéster)
CI: LM555
Leds: Vermelho e Verde.
Protoboard
Osciloscópio digital e duas ponteiras
Fonte de alimentação simétrica 15V.
Montagem
•
Monte os circuitos de acordo com as figuras abaixo.
Multivibrador Astável
Tcarga = 0,693(RA+RB)CT Tdescarga = 0,693RBCT
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Multivibrador Monoestável
Tduração = 1,1 RTCT
Para o Multivibrador Monoestável:
o Encontre o valor teórico para a resistência RT para uma duração de 6, 15 e 30 segundos.
o Escolha o resistor de valor comercial mais próximo.
o Meça e anote o valor do resistor na tabela a seguir. Anote também a duração calculada.
o Monte o circuito e complete a tabela .
o Note que o jumper/chave não deve ficar ligada na referência. Dar somente um pulso para ativar o
ciclo de temporização.
o Use a duração medida para estimar o valor real do capacitor.
o Repita a medida da duração três vezes para o tempo de 30 segundos.
o Esboce nos gráficos abaixo de maneira sobreposta, as ondas em (Vo) e (Dis).
T
6 seg
15 seg
30 seg
30 seg
30 seg
•
Rteórica
Rcomercial
Rmedido
Tcalculada
Tmedida
Ccalculado
Para o Multivibrador astável:
o Dado um ciclo de trabalho (duty cycle) D=2/3 uma frequência f = 0,167Hz e o capacitor CT=22µF,
encontre RA e RB (onde RA > 100kΩ). Escolha valores comerciais mais próximos.
o Meça e anote o valor dos resistores na tabela a seguir. Anote também os períodos medidos e
calculados, bem como o ciclo de trabalho.
o Monte o circuito e complete a tabela.
RA medido
RB medido
Tteórico
Tmedido
Dteórico
Dcalculado
Tempo
Tempo
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Baseado no Material do Prof. Waldomiro S. Yuan
Experimento 8
Modulador de Largura de Pulso (PWM) com 555
Objetivo
PWM é um processo no qual a largura do pulso portador varia de acordo com a mudança instantânea na
amplitude do sinal modulador. Quando o temporizador 555 está conectado no modo monoestável e disparado com
um trem de pulsos contínuo, a largura do pulso de saída pode ser modulada por um sinal aplicado no pino de
controle de tensão.
Componentes e Instrumentação
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Resistores: 4,3kΩ
Capacitor: 2 x 100nF (cer/pol), 10uF (eletrol)
CI: LM555
Protoboard
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Osciloscópio digital e duas ponteiras
2 x Gerador de funções e cabo BNC-jacaré
Fonte de alimentação 5V.
Montagem
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Monte o circuito de acordo com a figura abaixo.
•
Ajuste o gerador de funções (Mod) para fornecer uma onda senoidal de 100Hz com amplitude de 1V e
tensão de offset de 2V.
Aplique uma onda padrão TTL de 1kHz com ciclo de trabalho de 90% (0,9ms alto e 0,1ms baixo).
Esboce nos gráficos abaixo de maneira sobreposta, as ondas em Mod, Clock e Out.
Reduza gradualmente a frequência da onda senoidal (Mod) e verifique o efeito na saída (Out)
Esboce nos gráficos abaixo de maneira sobreposta, as ondas em Mod, Ctr e Out para uma frequência
inferior a 100Hz.
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Tempo
Tempo
Tempo
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Prof. Alessandro L. Koerich
Baseado no Material do Prof. Waldomiro S. Yuan
Experimento 9
Modulador de Posição de Pulso (PPM) com 555
Objetivo
PPM é um tipo de modulação na qual a posição dos pulsos muda de acordo com o valor instantâneo da amplitude
do sinal modulante. Quando o temporizador 555 está conectado no modo astável com um sinal modulante
aplicado no terminal de controle de tensão. A posição do pulso de saída varia com o sinal modulante, pois a
tensão de limiar e portanto o tempo de atraso é alterado.
Componentes e Instrumentação
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Resistores: 3kΩ, 3,9kΩ
Capacitor: 10nF
CI: LM555
Protoboard
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Osciloscópio digital e duas ponteiras
Gerador de funções e cabo BNC-jacaré
Fonte de alimentação 5V.
Montagem
•
Monte o circuito de acordo com a figura abaixo.
•
Ajuste o gerador de funções (Mod) para fornecer uma onda triangular de 1,5kHz com amplitude de 1,5V
e tensão de offset de 2V.
Esboce nos gráficos abaixo de maneira sobreposta, as ondas em Mod, Ctr e Out.
Altere gradualmente a frequência da onda triangular (Mod) e verifique o efeito na saída (Out)
Esboce nos gráficos abaixo de maneira sobreposta, as ondas em Mod, Ctr e Out para outras frequências.
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Tempo
Tempo
Tempo