Experimento 1 AMPLIFICADOR...
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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE ENGENHARIA ELÉTRICA E INFORMÁTICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA Experimento #1 AMPLIFICADOR OPERACIONAL Aplicações lineares e não lineares com amplificadores operacionais Comparador de tensão, Geração de sinal PWM, amplificador inversor, amplificador não inversor e integrador LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA Guia de Experimentos
Transcript of Experimento 1 AMPLIFICADOR...
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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
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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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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
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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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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
3
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
4
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
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
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
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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
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
16
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
17
(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
3
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
4
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
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
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
16
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
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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
4
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
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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
16
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
17
(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
19
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
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
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
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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
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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
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
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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
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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
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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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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
19
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
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
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
16
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
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
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
16
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
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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
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
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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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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
17
(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
19
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
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
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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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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
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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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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
16
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
17
(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
18
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
19
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
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
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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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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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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
19
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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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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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
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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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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
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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
16
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
17
(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
18
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
19
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
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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
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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
18
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
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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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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
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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
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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
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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
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