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UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE

CENTRO DE ENGENHARIA ELEacuteTRICA E INFORMAacuteTICA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELEacuteTRICA

LABORATOacuteRIO DE ELETROcircNICA

Experimento 1

AMPLIFICADOR OPERACIONAL

Aplicaccedilotildees lineares e natildeo lineares com

amplificadores operacionais

Comparador de tensatildeo Geraccedilatildeo de sinal PWM amplificador

inversor amplificador natildeo inversor e integrador

LABORATOacuteRIO DE

ELETROcircNICA Guia de Experimentos

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EXPERIMENTO 1

INTRODUCcedilAtildeO

Aplicaccedilotildees lineares e natildeo 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

Associando-se estes dispositivos com outros componentes eacute possiacutevel realizar montagens

que desempenhem outras funccedilotildees sobre os sinais

O amplificador operacional recebe 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

2

EXPERIMENTO 1

INTRODUCcedilAtildeO

Aplicaccedilotildees lineares e natildeo 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

Associando-se estes dispositivos com outros componentes eacute possiacutevel realizar montagens

que desempenhem outras funccedilotildees sobre os sinais

O amplificador operacional recebe 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

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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

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Figura 1A - Comparador de tensatildeo simples

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

514710 01 kRekRkR

Meccedila e anote a tensatildeo sobre cada LED quando ele estiver aceso

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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

Figura 3 ndash COMPARADOR DE TENSAtildeO COM ZERO

Montagem 2 MODULADOR PWM amp INTEGRADOR

Pulse Width Modulation (PWM) Modulaccedilatildeo por Largura de Pulso

Uma aplicaccedilatildeo direta do amplificador operacional como comparador de

tensatildeo pode ser observada na montagem de um modulador PWM Sinais PWM satildeo amplamente usados para controle de luminosidade de

LEDs controle de velocidade de motores DC fontes chaveadas amplificadores classe D (aacuteudio) aleacutem de inuacutemeras outras aplicaccedilotildees

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

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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 5A 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 5A para se obter um sinal PWM com largura de pulso dependente de uma outra grandeza fiacutesica natildeo eleacutetrica [temperatura luz umidade aceleraccedilatildeo forccedila]

Figura 5A ndash Geraccedilatildeo de sinal PWM

Substitua o resistor R1 por um fotoresistor (LDR ndash Light Dependent Resistor) e observe a variaccedilatildeo da largura do pulso do sinal PWM em funccedilatildeo da intensidade luminosa incidente sobre o fotoresistor (LDR)

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Figura 5B ndash Geraccedilatildeo de sinal PWM proporcional a intensidade luminosa

Acrescente na saiacuteda do sinal PWM gerado 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= 10ke C= 100nF

GERACcedilAtildeO DO SINAL PWM INTEGRADOR

Figura 6 ndash Geraccedilatildeo de sinal PWM com circuito Integrador

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Montagem 3 INTEGRADOR PASSIVO

Circuitos integradores fazem parte de muitos projetos de sistemas eletrocircnicos 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 frequecircncia 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 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= 10ke C= 100nF Utilize os dois canais do osciloscoacutepio para observar a entrada e a saiacuteda simultaneamente

Figura 7 ndash Integrador Passivo

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INTEGRADOR PASSIVO

Diversas aplicaccedilotildees em eletrocircnica recorrem ao uso de circuitos integradores para a implementaccedilatildeo desta funcionalidade

CIRCUITO INTEGRADOR PASSIVO

Um circuito integrador eacute caracterizado por realizar a operaccedilatildeo matemaacutetica da integral Efetivamente apresenta na sua saiacuteda um sinal que representa a integral do sinal aplicado na sua entrada O integrador pode ser utilizado na implementaccedilatildeo de circuitos analoacutegicos onde se deseja obter a integral de um sinal ou seja

dttVtV )()( 12

A equaccedilatildeo apresentada a seguir correspondente ao circuito RC integrador mostra que o mesmo pode ser utilizado como um integrador ideal desde que a relaccedilatildeo

RC

1 seja satisfeita

sRCsV

sVsH

1

1

)(

)()(

1

2

1sRCSe ou seja RC

1

sRCV

VsH

1)(

1

2

Observa-se que desta forma a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) representa um integrador ideal

Portanto uma onda quadrada aplicada na sua entrada produz uma onda

triangular na saiacuteda com ganho igual a RCV

VsH

1)(

1

2

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Considerando-se que a tensatildeo aplicada na entrada V1 seraacute dividida em parte

sobre o resistor R e parte sobre o capacitor C CXRse entatildeo a tensatildeo da entrada

estaraacute aplicada predominantemente sobre o resistor R Desta forma a corrente no circuito seraacute determinada predominantemente em funccedilatildeo da tensatildeo aplicada na entrada V1 e do resistor R

R

tVtientatildeoXRSe C

)()( 1

dttVRC

dttiCC

tqtV )(

1)(

1)()( 12

RCsejaou

CRentatildeoXRquedoConsideran C

1

1

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

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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 M 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 incidente Repita o experimento alternando 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

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Fotoresistor

Montagem 6 AMPLIFICADOR NAtildeO INVERSOR Monte o circuito amplificador natildeo inversor mostrado na figura 11A

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 11A ndash Amplificador Natildeo Inversor

O uso da realimentaccedilatildeo negativa associado ao alto ganho do

amplificador operacional faz com que as entradas inversora e natildeo inversoras assumam

tensotildees praticamente iguais operando na regiatildeo linear ou seja VV

Coloque um dos canais do osciloscoacutepio na entrada inversora e o outro canal na entrada natildeo inversora e observe essa afirmativa variando-se a frequecircncia a amplitude e a forma de onda aplicada na entrada SV dentro da regiatildeo linear (antes de

atingir a regiatildeo de saturaccedilatildeo) conforme mostrado na figura 11B

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Figura 11B 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

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) Observe que o integrador passivo ao contraacuterio do integrador ativo natildeo exige

fonte de alimentaccedilatildeo para operar consequentemente natildeo apresentando problema de saturaccedilatildeo do sinal na saiacuteda

Sugira algumas aplicaccedilotildees onde se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de circuitos integradores

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FOTORESISTOR LDR (light Dependent Resistor)

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 A resistecircncia dos terminais do LDR eacute inversamente proporcional agrave luz recebida em outras palavras quanto mais luz (energia luminosa) menor a resistecircncia e vice-versa

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

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 associado a um foto diodo A tensatildeo na saiacuteda Vo eacute proporcional a intensidade da energia luminosa incidente sobre o foto diodo A corrente IS aumenta com o aumento da luz incidente

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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 frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha

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

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Figura 1A - Comparador de tensatildeo simples

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

514710 01 kRekRkR

Meccedila e anote a tensatildeo sobre cada LED quando ele estiver aceso

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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

Figura 3 ndash COMPARADOR DE TENSAtildeO COM ZERO

Montagem 2 MODULADOR PWM amp INTEGRADOR

Pulse Width Modulation (PWM) Modulaccedilatildeo por Largura de Pulso

Uma aplicaccedilatildeo direta do amplificador operacional como comparador de

tensatildeo pode ser observada na montagem de um modulador PWM Sinais PWM satildeo amplamente usados para controle de luminosidade de

LEDs controle de velocidade de motores DC fontes chaveadas amplificadores classe D (aacuteudio) aleacutem de inuacutemeras outras aplicaccedilotildees

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

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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 5A 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 5A para se obter um sinal PWM com largura de pulso dependente de uma outra grandeza fiacutesica natildeo eleacutetrica [temperatura luz umidade aceleraccedilatildeo forccedila]

Figura 5A ndash Geraccedilatildeo de sinal PWM

Substitua o resistor R1 por um fotoresistor (LDR ndash Light Dependent Resistor) e observe a variaccedilatildeo da largura do pulso do sinal PWM em funccedilatildeo da intensidade luminosa incidente sobre o fotoresistor (LDR)

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Figura 5B ndash Geraccedilatildeo de sinal PWM proporcional a intensidade luminosa

Acrescente na saiacuteda do sinal PWM gerado 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= 10ke C= 100nF

GERACcedilAtildeO DO SINAL PWM INTEGRADOR

Figura 6 ndash Geraccedilatildeo de sinal PWM com circuito Integrador

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Montagem 3 INTEGRADOR PASSIVO

Circuitos integradores fazem parte de muitos projetos de sistemas eletrocircnicos 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 frequecircncia 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 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= 10ke C= 100nF Utilize os dois canais do osciloscoacutepio para observar a entrada e a saiacuteda simultaneamente

Figura 7 ndash Integrador Passivo

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INTEGRADOR PASSIVO

Diversas aplicaccedilotildees em eletrocircnica recorrem ao uso de circuitos integradores para a implementaccedilatildeo desta funcionalidade

CIRCUITO INTEGRADOR PASSIVO

Um circuito integrador eacute caracterizado por realizar a operaccedilatildeo matemaacutetica da integral Efetivamente apresenta na sua saiacuteda um sinal que representa a integral do sinal aplicado na sua entrada O integrador pode ser utilizado na implementaccedilatildeo de circuitos analoacutegicos onde se deseja obter a integral de um sinal ou seja

dttVtV )()( 12

A equaccedilatildeo apresentada a seguir correspondente ao circuito RC integrador mostra que o mesmo pode ser utilizado como um integrador ideal desde que a relaccedilatildeo

RC

1 seja satisfeita

sRCsV

sVsH

1

1

)(

)()(

1

2

1sRCSe ou seja RC

1

sRCV

VsH

1)(

1

2

Observa-se que desta forma a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) representa um integrador ideal

Portanto uma onda quadrada aplicada na sua entrada produz uma onda

triangular na saiacuteda com ganho igual a RCV

VsH

1)(

1

2

10

Considerando-se que a tensatildeo aplicada na entrada V1 seraacute dividida em parte

sobre o resistor R e parte sobre o capacitor C CXRse entatildeo a tensatildeo da entrada

estaraacute aplicada predominantemente sobre o resistor R Desta forma a corrente no circuito seraacute determinada predominantemente em funccedilatildeo da tensatildeo aplicada na entrada V1 e do resistor R

R

tVtientatildeoXRSe C

)()( 1

dttVRC

dttiCC

tqtV )(

1)(

1)()( 12

RCsejaou

CRentatildeoXRquedoConsideran C

1

1

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

11

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 M 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 incidente Repita o experimento alternando 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

12

Fotoresistor

Montagem 6 AMPLIFICADOR NAtildeO INVERSOR Monte o circuito amplificador natildeo inversor mostrado na figura 11A

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 11A ndash Amplificador Natildeo Inversor

O uso da realimentaccedilatildeo negativa associado ao alto ganho do

amplificador operacional faz com que as entradas inversora e natildeo inversoras assumam

tensotildees praticamente iguais operando na regiatildeo linear ou seja VV

Coloque um dos canais do osciloscoacutepio na entrada inversora e o outro canal na entrada natildeo inversora e observe essa afirmativa variando-se a frequecircncia a amplitude e a forma de onda aplicada na entrada SV dentro da regiatildeo linear (antes de

atingir a regiatildeo de saturaccedilatildeo) conforme mostrado na figura 11B

13

Figura 11B 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

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) Observe que o integrador passivo ao contraacuterio do integrador ativo natildeo exige

fonte de alimentaccedilatildeo para operar consequentemente natildeo apresentando problema de saturaccedilatildeo do sinal na saiacuteda

Sugira algumas aplicaccedilotildees onde se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de circuitos integradores

14

FOTORESISTOR LDR (light Dependent Resistor)

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 A resistecircncia dos terminais do LDR eacute inversamente proporcional agrave luz recebida em outras palavras quanto mais luz (energia luminosa) menor a resistecircncia e vice-versa

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

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 associado a um foto diodo A tensatildeo na saiacuteda Vo eacute proporcional a intensidade da energia luminosa incidente sobre o foto diodo A corrente IS aumenta com o aumento da luz incidente

15

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 frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha

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

5

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

Figura 3 ndash COMPARADOR DE TENSAtildeO COM ZERO

Montagem 2 MODULADOR PWM amp INTEGRADOR

Pulse Width Modulation (PWM) Modulaccedilatildeo por Largura de Pulso

Uma aplicaccedilatildeo direta do amplificador operacional como comparador de

tensatildeo pode ser observada na montagem de um modulador PWM Sinais PWM satildeo amplamente usados para controle de luminosidade de

LEDs controle de velocidade de motores DC fontes chaveadas amplificadores classe D (aacuteudio) aleacutem de inuacutemeras outras aplicaccedilotildees

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

6

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 5A 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 5A para se obter um sinal PWM com largura de pulso dependente de uma outra grandeza fiacutesica natildeo eleacutetrica [temperatura luz umidade aceleraccedilatildeo forccedila]

Figura 5A ndash Geraccedilatildeo de sinal PWM

Substitua o resistor R1 por um fotoresistor (LDR ndash Light Dependent Resistor) e observe a variaccedilatildeo da largura do pulso do sinal PWM em funccedilatildeo da intensidade luminosa incidente sobre o fotoresistor (LDR)

7

Figura 5B ndash Geraccedilatildeo de sinal PWM proporcional a intensidade luminosa

Acrescente na saiacuteda do sinal PWM gerado 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= 10ke C= 100nF

GERACcedilAtildeO DO SINAL PWM INTEGRADOR

Figura 6 ndash Geraccedilatildeo de sinal PWM com circuito Integrador

8

Montagem 3 INTEGRADOR PASSIVO

Circuitos integradores fazem parte de muitos projetos de sistemas eletrocircnicos 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 frequecircncia 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 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= 10ke C= 100nF Utilize os dois canais do osciloscoacutepio para observar a entrada e a saiacuteda simultaneamente

Figura 7 ndash Integrador Passivo

9

INTEGRADOR PASSIVO

Diversas aplicaccedilotildees em eletrocircnica recorrem ao uso de circuitos integradores para a implementaccedilatildeo desta funcionalidade

CIRCUITO INTEGRADOR PASSIVO

Um circuito integrador eacute caracterizado por realizar a operaccedilatildeo matemaacutetica da integral Efetivamente apresenta na sua saiacuteda um sinal que representa a integral do sinal aplicado na sua entrada O integrador pode ser utilizado na implementaccedilatildeo de circuitos analoacutegicos onde se deseja obter a integral de um sinal ou seja

dttVtV )()( 12

A equaccedilatildeo apresentada a seguir correspondente ao circuito RC integrador mostra que o mesmo pode ser utilizado como um integrador ideal desde que a relaccedilatildeo

RC

1 seja satisfeita

sRCsV

sVsH

1

1

)(

)()(

1

2

1sRCSe ou seja RC

1

sRCV

VsH

1)(

1

2

Observa-se que desta forma a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) representa um integrador ideal

Portanto uma onda quadrada aplicada na sua entrada produz uma onda

triangular na saiacuteda com ganho igual a RCV

VsH

1)(

1

2

10

Considerando-se que a tensatildeo aplicada na entrada V1 seraacute dividida em parte

sobre o resistor R e parte sobre o capacitor C CXRse entatildeo a tensatildeo da entrada

estaraacute aplicada predominantemente sobre o resistor R Desta forma a corrente no circuito seraacute determinada predominantemente em funccedilatildeo da tensatildeo aplicada na entrada V1 e do resistor R

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RCsejaou

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1

1

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

11

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 M 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 incidente Repita o experimento alternando 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

12

Fotoresistor

Montagem 6 AMPLIFICADOR NAtildeO INVERSOR Monte o circuito amplificador natildeo inversor mostrado na figura 11A

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 11A ndash Amplificador Natildeo Inversor

O uso da realimentaccedilatildeo negativa associado ao alto ganho do

amplificador operacional faz com que as entradas inversora e natildeo inversoras assumam

tensotildees praticamente iguais operando na regiatildeo linear ou seja VV

Coloque um dos canais do osciloscoacutepio na entrada inversora e o outro canal na entrada natildeo inversora e observe essa afirmativa variando-se a frequecircncia a amplitude e a forma de onda aplicada na entrada SV dentro da regiatildeo linear (antes de

atingir a regiatildeo de saturaccedilatildeo) conforme mostrado na figura 11B

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Figura 11B 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

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) Observe que o integrador passivo ao contraacuterio do integrador ativo natildeo exige

fonte de alimentaccedilatildeo para operar consequentemente natildeo apresentando problema de saturaccedilatildeo do sinal na saiacuteda

Sugira algumas aplicaccedilotildees onde se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de circuitos integradores

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FOTORESISTOR LDR (light Dependent Resistor)

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 A resistecircncia dos terminais do LDR eacute inversamente proporcional agrave luz recebida em outras palavras quanto mais luz (energia luminosa) menor a resistecircncia e vice-versa

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

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 associado a um foto diodo A tensatildeo na saiacuteda Vo eacute proporcional a intensidade da energia luminosa incidente sobre o foto diodo A corrente IS aumenta com o aumento da luz incidente

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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 frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha

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

6

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 5A 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 5A para se obter um sinal PWM com largura de pulso dependente de uma outra grandeza fiacutesica natildeo eleacutetrica [temperatura luz umidade aceleraccedilatildeo forccedila]

Figura 5A ndash Geraccedilatildeo de sinal PWM

Substitua o resistor R1 por um fotoresistor (LDR ndash Light Dependent Resistor) e observe a variaccedilatildeo da largura do pulso do sinal PWM em funccedilatildeo da intensidade luminosa incidente sobre o fotoresistor (LDR)

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Figura 5B ndash Geraccedilatildeo de sinal PWM proporcional a intensidade luminosa

Acrescente na saiacuteda do sinal PWM gerado 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= 10ke C= 100nF

GERACcedilAtildeO DO SINAL PWM INTEGRADOR

Figura 6 ndash Geraccedilatildeo de sinal PWM com circuito Integrador

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Montagem 3 INTEGRADOR PASSIVO

Circuitos integradores fazem parte de muitos projetos de sistemas eletrocircnicos 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 frequecircncia 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 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= 10ke C= 100nF Utilize os dois canais do osciloscoacutepio para observar a entrada e a saiacuteda simultaneamente

Figura 7 ndash Integrador Passivo

9

INTEGRADOR PASSIVO

Diversas aplicaccedilotildees em eletrocircnica recorrem ao uso de circuitos integradores para a implementaccedilatildeo desta funcionalidade

CIRCUITO INTEGRADOR PASSIVO

Um circuito integrador eacute caracterizado por realizar a operaccedilatildeo matemaacutetica da integral Efetivamente apresenta na sua saiacuteda um sinal que representa a integral do sinal aplicado na sua entrada O integrador pode ser utilizado na implementaccedilatildeo de circuitos analoacutegicos onde se deseja obter a integral de um sinal ou seja

dttVtV )()( 12

A equaccedilatildeo apresentada a seguir correspondente ao circuito RC integrador mostra que o mesmo pode ser utilizado como um integrador ideal desde que a relaccedilatildeo

RC

1 seja satisfeita

sRCsV

sVsH

1

1

)(

)()(

1

2

1sRCSe ou seja RC

1

sRCV

VsH

1)(

1

2

Observa-se que desta forma a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) representa um integrador ideal

Portanto uma onda quadrada aplicada na sua entrada produz uma onda

triangular na saiacuteda com ganho igual a RCV

VsH

1)(

1

2

10

Considerando-se que a tensatildeo aplicada na entrada V1 seraacute dividida em parte

sobre o resistor R e parte sobre o capacitor C CXRse entatildeo a tensatildeo da entrada

estaraacute aplicada predominantemente sobre o resistor R Desta forma a corrente no circuito seraacute determinada predominantemente em funccedilatildeo da tensatildeo aplicada na entrada V1 e do resistor R

R

tVtientatildeoXRSe C

)()( 1

dttVRC

dttiCC

tqtV )(

1)(

1)()( 12

RCsejaou

CRentatildeoXRquedoConsideran C

1

1

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

11

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 M 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 incidente Repita o experimento alternando 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

12

Fotoresistor

Montagem 6 AMPLIFICADOR NAtildeO INVERSOR Monte o circuito amplificador natildeo inversor mostrado na figura 11A

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 11A ndash Amplificador Natildeo Inversor

O uso da realimentaccedilatildeo negativa associado ao alto ganho do

amplificador operacional faz com que as entradas inversora e natildeo inversoras assumam

tensotildees praticamente iguais operando na regiatildeo linear ou seja VV

Coloque um dos canais do osciloscoacutepio na entrada inversora e o outro canal na entrada natildeo inversora e observe essa afirmativa variando-se a frequecircncia a amplitude e a forma de onda aplicada na entrada SV dentro da regiatildeo linear (antes de

atingir a regiatildeo de saturaccedilatildeo) conforme mostrado na figura 11B

13

Figura 11B 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

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) Observe que o integrador passivo ao contraacuterio do integrador ativo natildeo exige

fonte de alimentaccedilatildeo para operar consequentemente natildeo apresentando problema de saturaccedilatildeo do sinal na saiacuteda

Sugira algumas aplicaccedilotildees onde se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de circuitos integradores

14

FOTORESISTOR LDR (light Dependent Resistor)

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 A resistecircncia dos terminais do LDR eacute inversamente proporcional agrave luz recebida em outras palavras quanto mais luz (energia luminosa) menor a resistecircncia e vice-versa

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

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 associado a um foto diodo A tensatildeo na saiacuteda Vo eacute proporcional a intensidade da energia luminosa incidente sobre o foto diodo A corrente IS aumenta com o aumento da luz incidente

15

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 frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha

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

7

Figura 5B ndash Geraccedilatildeo de sinal PWM proporcional a intensidade luminosa

Acrescente na saiacuteda do sinal PWM gerado 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= 10ke C= 100nF

GERACcedilAtildeO DO SINAL PWM INTEGRADOR

Figura 6 ndash Geraccedilatildeo de sinal PWM com circuito Integrador

8

Montagem 3 INTEGRADOR PASSIVO

Circuitos integradores fazem parte de muitos projetos de sistemas eletrocircnicos 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 frequecircncia 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 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= 10ke C= 100nF Utilize os dois canais do osciloscoacutepio para observar a entrada e a saiacuteda simultaneamente

Figura 7 ndash Integrador Passivo

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INTEGRADOR PASSIVO

Diversas aplicaccedilotildees em eletrocircnica recorrem ao uso de circuitos integradores para a implementaccedilatildeo desta funcionalidade

CIRCUITO INTEGRADOR PASSIVO

Um circuito integrador eacute caracterizado por realizar a operaccedilatildeo matemaacutetica da integral Efetivamente apresenta na sua saiacuteda um sinal que representa a integral do sinal aplicado na sua entrada O integrador pode ser utilizado na implementaccedilatildeo de circuitos analoacutegicos onde se deseja obter a integral de um sinal ou seja

dttVtV )()( 12

A equaccedilatildeo apresentada a seguir correspondente ao circuito RC integrador mostra que o mesmo pode ser utilizado como um integrador ideal desde que a relaccedilatildeo

RC

1 seja satisfeita

sRCsV

sVsH

1

1

)(

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1

2

1sRCSe ou seja RC

1

sRCV

VsH

1)(

1

2

Observa-se que desta forma a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) representa um integrador ideal

Portanto uma onda quadrada aplicada na sua entrada produz uma onda

triangular na saiacuteda com ganho igual a RCV

VsH

1)(

1

2

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Considerando-se que a tensatildeo aplicada na entrada V1 seraacute dividida em parte

sobre o resistor R e parte sobre o capacitor C CXRse entatildeo a tensatildeo da entrada

estaraacute aplicada predominantemente sobre o resistor R Desta forma a corrente no circuito seraacute determinada predominantemente em funccedilatildeo da tensatildeo aplicada na entrada V1 e do resistor R

R

tVtientatildeoXRSe C

)()( 1

dttVRC

dttiCC

tqtV )(

1)(

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RCsejaou

CRentatildeoXRquedoConsideran C

1

1

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

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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 M 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 incidente Repita o experimento alternando 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

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Fotoresistor

Montagem 6 AMPLIFICADOR NAtildeO INVERSOR Monte o circuito amplificador natildeo inversor mostrado na figura 11A

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 11A ndash Amplificador Natildeo Inversor

O uso da realimentaccedilatildeo negativa associado ao alto ganho do

amplificador operacional faz com que as entradas inversora e natildeo inversoras assumam

tensotildees praticamente iguais operando na regiatildeo linear ou seja VV

Coloque um dos canais do osciloscoacutepio na entrada inversora e o outro canal na entrada natildeo inversora e observe essa afirmativa variando-se a frequecircncia a amplitude e a forma de onda aplicada na entrada SV dentro da regiatildeo linear (antes de

atingir a regiatildeo de saturaccedilatildeo) conforme mostrado na figura 11B

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Figura 11B 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

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) Observe que o integrador passivo ao contraacuterio do integrador ativo natildeo exige

fonte de alimentaccedilatildeo para operar consequentemente natildeo apresentando problema de saturaccedilatildeo do sinal na saiacuteda

Sugira algumas aplicaccedilotildees onde se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de circuitos integradores

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FOTORESISTOR LDR (light Dependent Resistor)

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 A resistecircncia dos terminais do LDR eacute inversamente proporcional agrave luz recebida em outras palavras quanto mais luz (energia luminosa) menor a resistecircncia e vice-versa

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

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 associado a um foto diodo A tensatildeo na saiacuteda Vo eacute proporcional a intensidade da energia luminosa incidente sobre o foto diodo A corrente IS aumenta com o aumento da luz incidente

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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 frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha

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

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Montagem 3 INTEGRADOR PASSIVO

Circuitos integradores fazem parte de muitos projetos de sistemas eletrocircnicos 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 frequecircncia 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 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= 10ke C= 100nF Utilize os dois canais do osciloscoacutepio para observar a entrada e a saiacuteda simultaneamente

Figura 7 ndash Integrador Passivo

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INTEGRADOR PASSIVO

Diversas aplicaccedilotildees em eletrocircnica recorrem ao uso de circuitos integradores para a implementaccedilatildeo desta funcionalidade

CIRCUITO INTEGRADOR PASSIVO

Um circuito integrador eacute caracterizado por realizar a operaccedilatildeo matemaacutetica da integral Efetivamente apresenta na sua saiacuteda um sinal que representa a integral do sinal aplicado na sua entrada O integrador pode ser utilizado na implementaccedilatildeo de circuitos analoacutegicos onde se deseja obter a integral de um sinal ou seja

dttVtV )()( 12

A equaccedilatildeo apresentada a seguir correspondente ao circuito RC integrador mostra que o mesmo pode ser utilizado como um integrador ideal desde que a relaccedilatildeo

RC

1 seja satisfeita

sRCsV

sVsH

1

1

)(

)()(

1

2

1sRCSe ou seja RC

1

sRCV

VsH

1)(

1

2

Observa-se que desta forma a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) representa um integrador ideal

Portanto uma onda quadrada aplicada na sua entrada produz uma onda

triangular na saiacuteda com ganho igual a RCV

VsH

1)(

1

2

10

Considerando-se que a tensatildeo aplicada na entrada V1 seraacute dividida em parte

sobre o resistor R e parte sobre o capacitor C CXRse entatildeo a tensatildeo da entrada

estaraacute aplicada predominantemente sobre o resistor R Desta forma a corrente no circuito seraacute determinada predominantemente em funccedilatildeo da tensatildeo aplicada na entrada V1 e do resistor R

R

tVtientatildeoXRSe C

)()( 1

dttVRC

dttiCC

tqtV )(

1)(

1)()( 12

RCsejaou

CRentatildeoXRquedoConsideran C

1

1

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

11

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 M 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 incidente Repita o experimento alternando 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

12

Fotoresistor

Montagem 6 AMPLIFICADOR NAtildeO INVERSOR Monte o circuito amplificador natildeo inversor mostrado na figura 11A

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 11A ndash Amplificador Natildeo Inversor

O uso da realimentaccedilatildeo negativa associado ao alto ganho do

amplificador operacional faz com que as entradas inversora e natildeo inversoras assumam

tensotildees praticamente iguais operando na regiatildeo linear ou seja VV

Coloque um dos canais do osciloscoacutepio na entrada inversora e o outro canal na entrada natildeo inversora e observe essa afirmativa variando-se a frequecircncia a amplitude e a forma de onda aplicada na entrada SV dentro da regiatildeo linear (antes de

atingir a regiatildeo de saturaccedilatildeo) conforme mostrado na figura 11B

13

Figura 11B 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

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) Observe que o integrador passivo ao contraacuterio do integrador ativo natildeo exige

fonte de alimentaccedilatildeo para operar consequentemente natildeo apresentando problema de saturaccedilatildeo do sinal na saiacuteda

Sugira algumas aplicaccedilotildees onde se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de circuitos integradores

14

FOTORESISTOR LDR (light Dependent Resistor)

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 A resistecircncia dos terminais do LDR eacute inversamente proporcional agrave luz recebida em outras palavras quanto mais luz (energia luminosa) menor a resistecircncia e vice-versa

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

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 associado a um foto diodo A tensatildeo na saiacuteda Vo eacute proporcional a intensidade da energia luminosa incidente sobre o foto diodo A corrente IS aumenta com o aumento da luz incidente

15

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 frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha

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

9

INTEGRADOR PASSIVO

Diversas aplicaccedilotildees em eletrocircnica recorrem ao uso de circuitos integradores para a implementaccedilatildeo desta funcionalidade

CIRCUITO INTEGRADOR PASSIVO

Um circuito integrador eacute caracterizado por realizar a operaccedilatildeo matemaacutetica da integral Efetivamente apresenta na sua saiacuteda um sinal que representa a integral do sinal aplicado na sua entrada O integrador pode ser utilizado na implementaccedilatildeo de circuitos analoacutegicos onde se deseja obter a integral de um sinal ou seja

dttVtV )()( 12

A equaccedilatildeo apresentada a seguir correspondente ao circuito RC integrador mostra que o mesmo pode ser utilizado como um integrador ideal desde que a relaccedilatildeo

RC

1 seja satisfeita

sRCsV

sVsH

1

1

)(

)()(

1

2

1sRCSe ou seja RC

1

sRCV

VsH

1)(

1

2

Observa-se que desta forma a funccedilatildeo de transferecircncia H(s) representa um integrador ideal

Portanto uma onda quadrada aplicada na sua entrada produz uma onda

triangular na saiacuteda com ganho igual a RCV

VsH

1)(

1

2

10

Considerando-se que a tensatildeo aplicada na entrada V1 seraacute dividida em parte

sobre o resistor R e parte sobre o capacitor C CXRse entatildeo a tensatildeo da entrada

estaraacute aplicada predominantemente sobre o resistor R Desta forma a corrente no circuito seraacute determinada predominantemente em funccedilatildeo da tensatildeo aplicada na entrada V1 e do resistor R

R

tVtientatildeoXRSe C

)()( 1

dttVRC

dttiCC

tqtV )(

1)(

1)()( 12

RCsejaou

CRentatildeoXRquedoConsideran C

1

1

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

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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 M 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 incidente Repita o experimento alternando 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

12

Fotoresistor

Montagem 6 AMPLIFICADOR NAtildeO INVERSOR Monte o circuito amplificador natildeo inversor mostrado na figura 11A

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 11A ndash Amplificador Natildeo Inversor

O uso da realimentaccedilatildeo negativa associado ao alto ganho do

amplificador operacional faz com que as entradas inversora e natildeo inversoras assumam

tensotildees praticamente iguais operando na regiatildeo linear ou seja VV

Coloque um dos canais do osciloscoacutepio na entrada inversora e o outro canal na entrada natildeo inversora e observe essa afirmativa variando-se a frequecircncia a amplitude e a forma de onda aplicada na entrada SV dentro da regiatildeo linear (antes de

atingir a regiatildeo de saturaccedilatildeo) conforme mostrado na figura 11B

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Figura 11B 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

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) Observe que o integrador passivo ao contraacuterio do integrador ativo natildeo exige

fonte de alimentaccedilatildeo para operar consequentemente natildeo apresentando problema de saturaccedilatildeo do sinal na saiacuteda

Sugira algumas aplicaccedilotildees onde se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de circuitos integradores

14

FOTORESISTOR LDR (light Dependent Resistor)

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 A resistecircncia dos terminais do LDR eacute inversamente proporcional agrave luz recebida em outras palavras quanto mais luz (energia luminosa) menor a resistecircncia e vice-versa

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

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 associado a um foto diodo A tensatildeo na saiacuteda Vo eacute proporcional a intensidade da energia luminosa incidente sobre o foto diodo A corrente IS aumenta com o aumento da luz incidente

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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 frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha

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

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Considerando-se que a tensatildeo aplicada na entrada V1 seraacute dividida em parte

sobre o resistor R e parte sobre o capacitor C CXRse entatildeo a tensatildeo da entrada

estaraacute aplicada predominantemente sobre o resistor R Desta forma a corrente no circuito seraacute determinada predominantemente em funccedilatildeo da tensatildeo aplicada na entrada V1 e do resistor R

R

tVtientatildeoXRSe C

)()( 1

dttVRC

dttiCC

tqtV )(

1)(

1)()( 12

RCsejaou

CRentatildeoXRquedoConsideran C

1

1

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

11

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 M 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 incidente Repita o experimento alternando 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

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Fotoresistor

Montagem 6 AMPLIFICADOR NAtildeO INVERSOR Monte o circuito amplificador natildeo inversor mostrado na figura 11A

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 11A ndash Amplificador Natildeo Inversor

O uso da realimentaccedilatildeo negativa associado ao alto ganho do

amplificador operacional faz com que as entradas inversora e natildeo inversoras assumam

tensotildees praticamente iguais operando na regiatildeo linear ou seja VV

Coloque um dos canais do osciloscoacutepio na entrada inversora e o outro canal na entrada natildeo inversora e observe essa afirmativa variando-se a frequecircncia a amplitude e a forma de onda aplicada na entrada SV dentro da regiatildeo linear (antes de

atingir a regiatildeo de saturaccedilatildeo) conforme mostrado na figura 11B

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Figura 11B 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

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) Observe que o integrador passivo ao contraacuterio do integrador ativo natildeo exige

fonte de alimentaccedilatildeo para operar consequentemente natildeo apresentando problema de saturaccedilatildeo do sinal na saiacuteda

Sugira algumas aplicaccedilotildees onde se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de circuitos integradores

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FOTORESISTOR LDR (light Dependent Resistor)

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 A resistecircncia dos terminais do LDR eacute inversamente proporcional agrave luz recebida em outras palavras quanto mais luz (energia luminosa) menor a resistecircncia e vice-versa

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

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 associado a um foto diodo A tensatildeo na saiacuteda Vo eacute proporcional a intensidade da energia luminosa incidente sobre o foto diodo A corrente IS aumenta com o aumento da luz incidente

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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 frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha

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

11

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 M 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 incidente Repita o experimento alternando 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

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Fotoresistor

Montagem 6 AMPLIFICADOR NAtildeO INVERSOR Monte o circuito amplificador natildeo inversor mostrado na figura 11A

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 11A ndash Amplificador Natildeo Inversor

O uso da realimentaccedilatildeo negativa associado ao alto ganho do

amplificador operacional faz com que as entradas inversora e natildeo inversoras assumam

tensotildees praticamente iguais operando na regiatildeo linear ou seja VV

Coloque um dos canais do osciloscoacutepio na entrada inversora e o outro canal na entrada natildeo inversora e observe essa afirmativa variando-se a frequecircncia a amplitude e a forma de onda aplicada na entrada SV dentro da regiatildeo linear (antes de

atingir a regiatildeo de saturaccedilatildeo) conforme mostrado na figura 11B

13

Figura 11B 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

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) Observe que o integrador passivo ao contraacuterio do integrador ativo natildeo exige

fonte de alimentaccedilatildeo para operar consequentemente natildeo apresentando problema de saturaccedilatildeo do sinal na saiacuteda

Sugira algumas aplicaccedilotildees onde se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de circuitos integradores

14

FOTORESISTOR LDR (light Dependent Resistor)

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 A resistecircncia dos terminais do LDR eacute inversamente proporcional agrave luz recebida em outras palavras quanto mais luz (energia luminosa) menor a resistecircncia e vice-versa

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

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 associado a um foto diodo A tensatildeo na saiacuteda Vo eacute proporcional a intensidade da energia luminosa incidente sobre o foto diodo A corrente IS aumenta com o aumento da luz incidente

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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 frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha

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

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Fotoresistor

Montagem 6 AMPLIFICADOR NAtildeO INVERSOR Monte o circuito amplificador natildeo inversor mostrado na figura 11A

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 11A ndash Amplificador Natildeo Inversor

O uso da realimentaccedilatildeo negativa associado ao alto ganho do

amplificador operacional faz com que as entradas inversora e natildeo inversoras assumam

tensotildees praticamente iguais operando na regiatildeo linear ou seja VV

Coloque um dos canais do osciloscoacutepio na entrada inversora e o outro canal na entrada natildeo inversora e observe essa afirmativa variando-se a frequecircncia a amplitude e a forma de onda aplicada na entrada SV dentro da regiatildeo linear (antes de

atingir a regiatildeo de saturaccedilatildeo) conforme mostrado na figura 11B

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Figura 11B 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

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) Observe que o integrador passivo ao contraacuterio do integrador ativo natildeo exige

fonte de alimentaccedilatildeo para operar consequentemente natildeo apresentando problema de saturaccedilatildeo do sinal na saiacuteda

Sugira algumas aplicaccedilotildees onde se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de circuitos integradores

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FOTORESISTOR LDR (light Dependent Resistor)

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 A resistecircncia dos terminais do LDR eacute inversamente proporcional agrave luz recebida em outras palavras quanto mais luz (energia luminosa) menor a resistecircncia e vice-versa

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

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 associado a um foto diodo A tensatildeo na saiacuteda Vo eacute proporcional a intensidade da energia luminosa incidente sobre o foto diodo A corrente IS aumenta com o aumento da luz incidente

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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 frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha

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

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Figura 11B 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

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) Observe que o integrador passivo ao contraacuterio do integrador ativo natildeo exige

fonte de alimentaccedilatildeo para operar consequentemente natildeo apresentando problema de saturaccedilatildeo do sinal na saiacuteda

Sugira algumas aplicaccedilotildees onde se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de circuitos integradores

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FOTORESISTOR LDR (light Dependent Resistor)

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 A resistecircncia dos terminais do LDR eacute inversamente proporcional agrave luz recebida em outras palavras quanto mais luz (energia luminosa) menor a resistecircncia e vice-versa

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

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 associado a um foto diodo A tensatildeo na saiacuteda Vo eacute proporcional a intensidade da energia luminosa incidente sobre o foto diodo A corrente IS aumenta com o aumento da luz incidente

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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 frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha

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

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FOTORESISTOR LDR (light Dependent Resistor)

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 A resistecircncia dos terminais do LDR eacute inversamente proporcional agrave luz recebida em outras palavras quanto mais luz (energia luminosa) menor a resistecircncia e vice-versa

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

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 associado a um foto diodo A tensatildeo na saiacuteda Vo eacute proporcional a intensidade da energia luminosa incidente sobre o foto diodo A corrente IS aumenta com o aumento da luz incidente

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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 frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha

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

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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 frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz azul eacute maior do que a frequecircncia da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica f da luz vermelha

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

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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 frequecircncia de oscilaccedilatildeo da onda eletromagneacutetica correspondente λ eacute o comprimento de onda e h a constante de Planck Os eleacutetrons absorvem energia quando passam para a banda de conduccedilatildeo Esta quantidade de energia necessaacuteria para que o eleacutetron efetue essa transiccedilatildeo eacute chamada band gap energy E=hf=qV

Os eleacutetrons devolvem energia quando retornam da banda de conduccedilatildeo Ao retornar da banda de conduccedilatildeo a energia E eacute liberada com a criaccedilatildeo de um

foacuteton A energia E da luz emitida por um LED estaacute relacionada com a energia da banda (band gap energy) do semicondutor e a energia necessaacuteria para passar para a banda de conduccedilatildeo um eleacutetron com carga q (carga do eleacutetron) sob a aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo V pela expressatildeo E = hf = qV

Sabendo-se que um foacuteton azul por exemplo conteacutem mais energia do que um foacuteton vermelho a tensatildeo aplicada sobre um LED para emitir foacutetons azuis eacute maior do que a tensatildeo sobre um LED para emitir foacutetons vermelhos

Este fenocircmeno pode ser observado com o circuito mostrado na figura a seguir no qual se mede as tensotildees individuais sobre LEDs de diferentes cores (Vermelho Verde e Azul distintos f) quando submetidos a passagem de uma mesma corrente

fq

hV

Polarizaccedilatildeo de LEDs com corrente constante

QUESTOtildeES (Preparaccedilatildeo) Entregar no dia da realizaccedilatildeo do experimento

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

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(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 (9A) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando os amplificadores operacionais (9B) Sugira pelo menos 4 aplicaccedilotildees onde os sinais PWM satildeo usados (10) Sugira circuitos com aplicaccedilotildees usando LDRs LEDs e Fotodiodos

Roteiro para a redaccedilatildeo dos Relatoacuterios Observar os seguintes toacutepicos em seu conteuacutedo

bull Capa com Identificaccedilatildeo Nome da Instituiccedilatildeo Nome do aluno Tiacutetulo do Experimento (Nuacutemero do Experimento) Data da realizaccedilatildeo do Experimento

bull Objetivos bull Introduccedilatildeo Teoacuterica bull Desenvolvimento Teoacuterico bull Desenvolvimento Experimental bull Resultados de Simulaccedilotildees bull Montagens (Diagramas dos Circuitos) bull Lista de componentes (Material) bull Equipamentos e Instrumentos utilizados bull Resultados das mediccedilotildees efetuadas bull Anaacutelise de dados bull Tabelas graacuteficos e ilustraccedilotildees bull Interpretaccedilotildees dos resultados bull Aplicaccedilotildees bull Observaccedilotildees bull Sugestotildees bull Conclusotildees bull Anexos

bull Bibliografia

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GUIA DE MONTAGENS

MONTAGEM 1

COMPARADOR DE TENSAtildeO AC Usando um gerador de sinal aplique uma tensatildeo senoidal triangular e quadrada na entrada Varie a frequecircncia e a tensatildeo do sinal de entrada e observe com o osciloscoacutepio o comportamento da tensatildeo na saiacuteda Vo Use os dois canais

do osciloscoacutepio para observar simultaneamente a tensatildeo aplicada na entrada Vi e a tensatildeo na saiacuteda Vo Justifique o resultado observado

MONTAGEM 2

COMPARADOR DE TENSAtildeO DC

514710 01 kRekRkR

MONTAGEM 3

GERADOR DE SINAL PWM (Pulse Width Modulation) MODULACcedilAtildeO POR LARGURA DE PULSO

Onda triangular 10V10kHz

Observe com o uso de osciloscoacutepio simultaneamente o sinal PWM

gerado na saiacuteda Vo com a correspondente tensatildeo aplicada na entrada Vi

Observe que a largura do pulso eacute proporcional a tensatildeo na entrada Vi

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MONTAGEM 4

CIRCUITO INTEGRADOR PASSIVO RC Observe simultaneamente o sinal PWM gerado e a sua integraccedilatildeo em Vo

R= 10ke C= 100nF

MONTAGEM 5

AMPLIFICADOR INVERSOR

Aplique um sinal senoidal na entrada e meccedila o ganho experimentalmente

Compare o ganho experimental com o ganho teoacuterico esperado

Modifique a forma de onda para triangular variando a frequecircncia e amplitude

Observe que aumentando-se a amplitude do sinal de entrada o amplificador atinge a regiatildeo de saturaccedilatildeo com parte do sinal na regiatildeo linear

kRekR Sf 74100

MONTAGEM 6

AMPLIFICADOR INVERSOR COM GANHO VARIAacuteVEL

kR f 47

MONTAGEM 7

AMPLIFICADOR INVERSOR COM GANHO CONTROLADO PELA LUZ

20

MONTAGEM 8 AMPLIFICADOR NAtildeO INVERSOR

Aplique um sinal senoidal na entrada e meccedila o ganho experimentalmente

Compare o ganho experimental com o ganho teoacuterico esperado

Modifique a forma de onda para triangular variando a frequecircncia e amplitude

Aumente a amplitude da tensatildeo do sinal de entrada e observe que o amplificador entra na regiatildeo de saturaccedilatildeo

kRekR Sf 74100

MONTAGEM 9

Observe simultanemaente com o uso dos dois canais do osciloscoacutepio os sinais nas entradas inversora e natildeo inversora Compare-os Verifique que a realimentaccedilatildeo negativa faz com que as entradas inversora e natildeo inversora sejam praticamente iguais

MONTAGEM 10

LEDs POLARIZADOS COM CORRENTE CONSTANTE (FONTE DE CORRENTE)

Meccedila a tensatildeo sobre cada LED polarizado com a mesma corrente e observe a similaridade com os valores teoacutericos calculados pela teoria do efeito fotoeleacutetrico

mAikRVv 85112

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GUIA DE MONTAGENS

MONTAGEM 1

COMPARADOR DE TENSAtildeO AC Usando um gerador de sinal aplique uma tensatildeo senoidal triangular e quadrada na entrada Varie a frequecircncia e a tensatildeo do sinal de entrada e observe com o osciloscoacutepio o comportamento da tensatildeo na saiacuteda Vo Use os dois canais

do osciloscoacutepio para observar simultaneamente a tensatildeo aplicada na entrada Vi e a tensatildeo na saiacuteda Vo Justifique o resultado observado

MONTAGEM 2

COMPARADOR DE TENSAtildeO DC

514710 01 kRekRkR

MONTAGEM 3

GERADOR DE SINAL PWM (Pulse Width Modulation) MODULACcedilAtildeO POR LARGURA DE PULSO

Onda triangular 10V10kHz

Observe com o uso de osciloscoacutepio simultaneamente o sinal PWM

gerado na saiacuteda Vo com a correspondente tensatildeo aplicada na entrada Vi

Observe que a largura do pulso eacute proporcional a tensatildeo na entrada Vi

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MONTAGEM 4

CIRCUITO INTEGRADOR PASSIVO RC Observe simultaneamente o sinal PWM gerado e a sua integraccedilatildeo em Vo

R= 10ke C= 100nF

MONTAGEM 5

AMPLIFICADOR INVERSOR

Aplique um sinal senoidal na entrada e meccedila o ganho experimentalmente

Compare o ganho experimental com o ganho teoacuterico esperado

Modifique a forma de onda para triangular variando a frequecircncia e amplitude

Observe que aumentando-se a amplitude do sinal de entrada o amplificador atinge a regiatildeo de saturaccedilatildeo com parte do sinal na regiatildeo linear

kRekR Sf 74100

MONTAGEM 6

AMPLIFICADOR INVERSOR COM GANHO VARIAacuteVEL

kR f 47

MONTAGEM 7

AMPLIFICADOR INVERSOR COM GANHO CONTROLADO PELA LUZ

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MONTAGEM 8 AMPLIFICADOR NAtildeO INVERSOR

Aplique um sinal senoidal na entrada e meccedila o ganho experimentalmente

Compare o ganho experimental com o ganho teoacuterico esperado

Modifique a forma de onda para triangular variando a frequecircncia e amplitude

Aumente a amplitude da tensatildeo do sinal de entrada e observe que o amplificador entra na regiatildeo de saturaccedilatildeo

kRekR Sf 74100

MONTAGEM 9

Observe simultanemaente com o uso dos dois canais do osciloscoacutepio os sinais nas entradas inversora e natildeo inversora Compare-os Verifique que a realimentaccedilatildeo negativa faz com que as entradas inversora e natildeo inversora sejam praticamente iguais

MONTAGEM 10

LEDs POLARIZADOS COM CORRENTE CONSTANTE (FONTE DE CORRENTE)

Meccedila a tensatildeo sobre cada LED polarizado com a mesma corrente e observe a similaridade com os valores teoacutericos calculados pela teoria do efeito fotoeleacutetrico

mAikRVv 85112

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MONTAGEM 4

CIRCUITO INTEGRADOR PASSIVO RC Observe simultaneamente o sinal PWM gerado e a sua integraccedilatildeo em Vo

R= 10ke C= 100nF

MONTAGEM 5

AMPLIFICADOR INVERSOR

Aplique um sinal senoidal na entrada e meccedila o ganho experimentalmente

Compare o ganho experimental com o ganho teoacuterico esperado

Modifique a forma de onda para triangular variando a frequecircncia e amplitude

Observe que aumentando-se a amplitude do sinal de entrada o amplificador atinge a regiatildeo de saturaccedilatildeo com parte do sinal na regiatildeo linear

kRekR Sf 74100

MONTAGEM 6

AMPLIFICADOR INVERSOR COM GANHO VARIAacuteVEL

kR f 47

MONTAGEM 7

AMPLIFICADOR INVERSOR COM GANHO CONTROLADO PELA LUZ

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MONTAGEM 8 AMPLIFICADOR NAtildeO INVERSOR

Aplique um sinal senoidal na entrada e meccedila o ganho experimentalmente

Compare o ganho experimental com o ganho teoacuterico esperado

Modifique a forma de onda para triangular variando a frequecircncia e amplitude

Aumente a amplitude da tensatildeo do sinal de entrada e observe que o amplificador entra na regiatildeo de saturaccedilatildeo

kRekR Sf 74100

MONTAGEM 9

Observe simultanemaente com o uso dos dois canais do osciloscoacutepio os sinais nas entradas inversora e natildeo inversora Compare-os Verifique que a realimentaccedilatildeo negativa faz com que as entradas inversora e natildeo inversora sejam praticamente iguais

MONTAGEM 10

LEDs POLARIZADOS COM CORRENTE CONSTANTE (FONTE DE CORRENTE)

Meccedila a tensatildeo sobre cada LED polarizado com a mesma corrente e observe a similaridade com os valores teoacutericos calculados pela teoria do efeito fotoeleacutetrico

mAikRVv 85112

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MONTAGEM 8 AMPLIFICADOR NAtildeO INVERSOR

Aplique um sinal senoidal na entrada e meccedila o ganho experimentalmente

Compare o ganho experimental com o ganho teoacuterico esperado

Modifique a forma de onda para triangular variando a frequecircncia e amplitude

Aumente a amplitude da tensatildeo do sinal de entrada e observe que o amplificador entra na regiatildeo de saturaccedilatildeo

kRekR Sf 74100

MONTAGEM 9

Observe simultanemaente com o uso dos dois canais do osciloscoacutepio os sinais nas entradas inversora e natildeo inversora Compare-os Verifique que a realimentaccedilatildeo negativa faz com que as entradas inversora e natildeo inversora sejam praticamente iguais

MONTAGEM 10

LEDs POLARIZADOS COM CORRENTE CONSTANTE (FONTE DE CORRENTE)

Meccedila a tensatildeo sobre cada LED polarizado com a mesma corrente e observe a similaridade com os valores teoacutericos calculados pela teoria do efeito fotoeleacutetrico

mAikRVv 85112