Apostila de Práticas Eletrônica Analógica e Digital

Departamento de Eletrônica/UFMG

ELT 006 (Eng. Automação e Controle)

Laboratório de Eletrônica Analógica e Digital

Prof. Maurílio Nunes Vieira

Título (conteúdo) pág Aula 01 – Apresentação; LTspice (conteúdo das práticas, projeto extra-classe, critérios

de avaliação. Apresentação dos instrumentos do laboratório: multímetro, osciloscópio, fonte de alimentação e gerador de sinais. Uso do simulador LTspice);

1

Aula 02 – Circuitos com diodos (diodos de junção: polarização direta e reversa; LEDs; matriz de decodificação; circuitos lógicos; limitadores de tensão);

4

Aula 03 – Arduino1 (apresentação; saídas digitais, LEDs: polarização direta/reversa; controle de brilho com PWM; display de 7 segmentos; comunicação serial);

11

Aula 04 – Arduino2 (entradas digitais/chaves táteis, display LCD alfanumérico; entradas analógicas);

32

Aula 05 – Fontes de alimentação lineares (circuitos retificadores, filtro capacitivo, reguladores integrados);

44

Aula 06 – Transistor de junção bipolar (BJT) como chave (polarização, corte e saturação; sensores de luz; acoplador óptico);

51

Aula 07 – Arduino3 (controle de motores CC; ponte H; motor de passo; servos); 57 Aula 08 – Amplificadores Operacionais I (comparadores com e sem histerese;

controlador liga-desliga); 71

Aula 09 – Amplificadores Operacionais II (circuitos lineares); 77

Aula 10 – Amplificadores Operacionais III (osciladores de relaxação); 84 Aula 11 – Amplificadores operacionais IV (filtros); 88 Aula 12 – Amplificadores operacionais V (conversor tensão-corrente: 0-5V 4-20 mA 92 Aula 13 – Amplificadores operacionais VI (osciladores senoidais) 95

2º. Sem 2014

Disciplina: ELT 006 – Eletrônica


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Uso do simulador LTspice

Objetivos

1. Apresentação do software LTspice

2. Simulações em um circuitos RC

Introdução

O LTspice (Linear Technology Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)

é um software para edição e simulação de circuitos eletrônicos desenvolvido pela

empresa Linear Technology. O programa, gratuito e sem restrições funcionais, pode ser

obtido em www.linear.com onde também há documentação sobre o produto.

Orientações iniciais para instalação e uso estão em LTspiceGettingStartedGuide.pdf . De

forma resumida, as etapas básicas o uso são:

1) Iniciar um novo diagrama esquemático [New Schematic];

2) Inserir, movimentar e interligar os componentes. O nó de referência (“terra”)

deverá ser obrigatoriamente incluído. Para girar os componentes; [CNTR] + [R];

Para mudar valores: [Simulate → → mouse/direita ...]; Salvar o arquivo com um

nome apropriado;

3) Configurar os parâmetros da simulação desejada [Simulate → Edit Simulation

Command ...];

4) Executar a simulação [Simulate → Run]e visualizar formas de onda de corrente e

tensão.

Para detalhes, leia as páginas 13-38 do LTspiceGettingStartedGuide.pdf

A. Transitório CC (corrente contínua) circuito RC

No sistema de 1ª. ordem da Fig. 1, a fonte de tensão pode ser configurada de diversas

formas. Para uma fonte contínua ,V a tensão instantânea no capacitor será dada por:

)1( /t

c eVv (1)

onde = R∙C é a constante de tempo do circuito.

Questão:

Na Eq. 1, determine o tempo, em número de constantes de tempo, para a tensão

atingir 99%, do valor máximo (isto é, faça Vvc 99,0 e resolva para t).

http://www.linear.com/

ELT 006 (LAB) – Aula 01: Uso do simulador LTspice

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Fig.1 – Circuito RC

Procedimentos

1. Edite o circuito e dê os seguintes valores aos componentes:

R = 10 k Ω; C = 47 F ;

V = bateria [Component → misc → battery ]: 10 VDC, rresistência = 0 Ω.

2. Ajuste o tempo de simulação [Simulate → Edit Simulation Cmd → Transient → Stop time = ... ]

para cerca de 2 5 .

Marque a opção “Start external DC suply voltages as 0V: ”

3. Faça simulações e apresente, em seu relatório, os seguintes resultados:

- Valor calculado e estimado (pelos gráficos) da constante de tempo ;

- Formas de onda (gráficos) da tensão no capacitor e corrente no circuito.

B. Análise em corrente alternada (AC)

Se a fonte da Fig. 1 for senoidal de tensão V e freqüência f, o valor da corrente no

circuito, I, e da tensão no capacitor, VC, serão, respectivamente,

ZVI / (2)

Cc XIV (3)

onde o módulo da impedância é 22

CXRZ , o módulo da reatância capacitiva é

1)( CX c e f 2 .

O ângulo de fase entre a tensão e a corrente no circuito é

)/(1 RXtg C

(4)

e a função de transferência, VVH c /)( , pode ser expressa como

1)(

1

)(

)()(

212

1

RCCR

CH

(5)

ELT 006 (LAB) – Aula 01: Uso do simulador LTspice

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Procedimentos

Transitório em corrente alternada

1. Configure o circuito da Fig. 1 com os seguintes parâmetros:

R = 10 k Ω; C = 0,47 F;

V = Fonte senoidal, 127 Vef, 60 Hz com 10 ciclos [SINE(...), Amplitude = 2127 , Freq

= 60, Ncycles = 20]. Atenção: o parâmetro de configuração do nível de tensão

alternada no LTspice é o valor de pico.

2. Ajuste o tempo de simulação para 20 ciclos [Simulate → Edit Simulation Cmd → Transient

→ Stop time = ... ]. Isto permitirá observar o comportamento do circuito após os 20 ciclos

de funcionamento da fonte.

3. Faça simulações [ ] e apresente, em seu relatório, as formas de onda (gráficos) da

tensão e corrente no capacitor em função do tempo. Relate o que observar nas

formas de onda.

Resposta em freqüência (AC Analysis)

Será feito uma simulação do comportamento em freqüência (Eq. 4 e 5)

1. Configure o circuito da Fig. 1 com os seguintes parâmetros:

R = 1 k Ω; C = 47 nF;

Fonte de tensão:

No quadro ‘Functions” : none

No quadro “Small signal AC analysis (AC)”: AC amplitude = 1, AC phase = 0

2. Configure a simulação [Simulate → Edit Simulation Cmd → AC Analysis... ]

Type of Sweep: Linear

Number of points: 500

Start frequency: 100

Stop frequency: 100k (isto é, 100000)

3. Faça simulações [ ] e observe atentamente as figuras. A curva contínua

corresponde à Eq. (5) e a curva tracejada à Eq. (4). Procure entender o significado

destas curvas.

As escalas logarítmicas utilizadas são mais convenientes. Coloque o cursor sobre os

eixos horizontais e verticais e clique quando o ele mudar de forma. Observe o que

ocorre com uma escala vertical linear. Veja agora como há uma mudança visual

significativa quando a escala horizontal é linear.

Calcule a “freqüência de corte” do circuito, 1)2( RCfc , e relacione-a com o

comportamento das curvas.

Bibliografia

1) Linear Technology (2008), LTspice Getting Started Guide

<http://ltspice.linear.com/software/LTspiceGettingStartedGuide.pdf> (acesso em 09/03/2012),

53p.

2) J H Mikkelsen (2005), LTspice – An introduction

<http://kom.aau.dk/~hmi/Teaching/LTspice/restrict/LTspicedoc/LTspice_guide.pdf> (acesso em

09/03/2012), 15p.

http://ltspice.linear.com/software/LTspiceGettingStartedGuide.pdf

http://kom.aau.dk/~hmi/Teaching/LTspice/restrict/LTspicedoc/LTspice_guide.pdf



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2. Introdução aos diodos semicondutores

Objetivos

1. Conhecer os principais tipos de diodos de junção

2. Realizar montagens básicas

1. Introdução

O diodo semicondutor é um dispositivo com dois terminais (A = anodo e K = catodo),

construído a partir de uma junção PN.

A junção PN apresenta

várias propriedades

utilizadas em diversos

diodos (retificador,

zener, diodo emissor de

luz – LED -, fotodiodo,

varicap, etc.):

As principais carac-

terísticas dos diodos

retificadores são a

corrente máxima direta

(IF), a tensão reversa

máxima (VR) e a queda

de tensão em

polarização direta (VF).

Os símbolos, condições de testes e valores variam de acordo com as condições de teste e

fabricantes.

Diodos retificadores: família 1N4001-1N4007

Os principais parâmetros (tensão reversa, corrente direta e queda

de tensão em polarização direta) estão ilustrados, de forma reduzida, na figura.

ELT 006 (LAB) – Aula 02: Introdução aos diodos semicondutores

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Diodos “de sinal”: diodos retificadores para correntes da ordem de

mA. Ex: 1N4148 (IF = 300 mA, VR = 75V).

Diodos emissores de luz (LEDs)

Construídos para aproveitar a luz emitida na recombinação de pares elétrons-lacunas de

uma junção PN polarizada diretamente. A quantidade de luz emitida, que é

insignificante para diodos de silício ou germânio, é intensa em outros materiais, como o

fosfeto de gálio (GaP). Variando-se características do semicondutor,

obtém-se LEDs de cores variadas. A tensão de corte varia com a cor.

Em LEDs de “baixa” potência, a corrente máxima é tipicamente IF =

20 mA e a tensão reversa máxima VR = 5 V. LEDs de potência

suportam correntes da ordem de 1A e requerem o uso de dissipadores

de calor.

Diodo zener: construído a partir de

uma junção PN dopada

adequadamente para trabalhar em

polarização reversa e na região de

ruptura. Na “zona de trabalho”, a

variação da tensão é relativamente

baixa em função de variações na sua

corrente. Quando polarizado

diretamente, funciona como um

diodo de sinal.

Fotodiodo: também trabalha em

polarização reversa e gera uma

“pequena” corrente proporcional à

intensidade da luz incidente. A corrente é sensível ao

comprimento de onda. Utilizado em controles remotos.


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2. Parte Experimental

2.1 LED

a) Você receberá LED 5mm. Com o multímetro,

identifique o anodo e o catodo.

b) Determine o resistor limitador de corrente (resistência e

potência) para acender o LED com uma corrente I = 10

mA. Monte o circuito e verifique o valor da corrente (a

partir da tensão sobre o resistor R) e da tensão sobre o

LED.

2.2 Display de 7 segmentos

Estes componentes são arranjos de LEDs que podem ter ou o anodo

ou o catodo em comum, como indicam as figuras abaixo. Os resistores

limitam a corrente no LED de cada segmento.

a) Com o multímetro, identifique os pinos do display fornecido;

b) Monte o circuito correspondente ao seu display, conforme a figura

abaixo; meça a corrente e tensão nos LEDs.


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2.3 Decodificador

Uma matriz de diodos pode ser utilizada para decodificar as posições de uma chave. No

exemplo (que pode ser estendido para uma chave com mais posições), pode-se

visualizar as posições “1” ou “2” da chave S.

a) Complete o circuito para a posição “3”;

b) Dimensione os resistores R para uma corrente de 10 mA;

c) Monte o circuito e verifique o funcionamento.

2.4 Funções lógicas

No circuito ao lado, um relé

eletromecânico é controlado por duas

chaves “A” e “B” (a quantidade pode ser

aumentada).

a) Explique o funcionamento do

circuito;

c) Qual a função de D3?

b) Com o multímetro, identifique os

terminais dos diodos e do relé

fornecidos;

c) Monte o circuito e verifique o

funcionamento.


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2.5 Limitador de tensão

Há diversos circuitos com diodos para limitar a

variação de sinais em determinado ponto de um

circuito.

a) Monte o circuito e aplique um sinal senoidal

(1 kHz, 10 Vpico) na entrada Vin . Veja

orientações, anexas, sobre as configurações

da fonte de tensão e do gerador de sinais.

b) Observe a saída e explique o funcionamento

do circuito.

3 Análise de circuitos (atividade extra-classe)

3.1) Determinar as tensões, correntes e resistências como solicitado nos circuitos

abaixo. No item (e) as chaves A e B assumem as duas posições indicadas; no item (e),

as entradas A e B são selecionadas da forma indicada no item (e); no item (i), obtenha a

forma de onda da tensão sobre o diodo.

3.2) Explique seu funcionamento do

circuito ao lado, onde os diodos zener têm

tensão nominal de 5,6V. Simule o circuito

no LTspice e apresente as formas de onda

na entrada (gerador) e na saída (V) do

circuito (sobrepostas).


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Anexo A

Fonte Simétrica

Esta fonte regulada possui dois canais, que podem ser configurados para operar

independentemente ou não (veja posições das teclas de configuração). No modo

tracking, os ajustes de tensão e corrente do canal 1 (mestre) são acompanhados pelo

canal 2 (escravo). No modo tracking, os canais também podem estar em paralelo ou

em série (veja tecla de configuração). Na foto, os canais estão em série,

caracterizando uma fonte simétrica; note como o terminal comum (“terra”) interliga

internamente os canais. É importante, ainda, certificar-se que o ajuste de limite de

corrente não seja ultrapassado, pois, neste caso, a fonte será transformada numa

fonte de corrente e não de tensão. As indicações de tensão e corrente dadas pelos

medidores da fonte podem não ser confiáveis. Em particular, certifique-se do valor

das tensões com um voltímetro externo.


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Anexo B

Gerador de sinais

Anexo C

Relatórios

1) Título da prática.

2) Cabeçalho: nome, número de matrícula, turma; nome do professor.

3) Objetivos.

4) Método: apresentar diagramas esquemáticos, fotos de montagens, com texto

explicativo.

5) Resultados e discussão: apresentar gráficos, resultados de simulações, etc., com

comentários pertinentes.

Este gerador de funções, entre outros recursos, pode gerar sinais com formas

diferentes (triangular, quadrada ou senoidal) controlando-se parâmetros como a

freqüência (teclas FREQUENCY RANGE e botão FREQUENCY) e amplitude

(botão AMPL.). Também pode-se ajustar o nível contínuo do sinal, puxando e

girando o botão DC offset PULL. Há opões de saída adequadas para circuitos

digitais (OUTPUT TTL/CMOS) ou analógicos (OUTPUT 50). A saída pode ser

atenuada por um fator 10 (ou -20 dB) pressionando-se a tecla“-20 dB ATT.

Introdução ao Arduino

Prof. Fernando Esquírio Torres e Prof. Maurílio Nunes Apostila criada para fins didáticos. Proibido qualquer reprodução ou uso não autorizado.

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1. Introdução ao Arduino

O Arduino é uma plataforma programável de fonte aberta (open-source1) que utiliza uma

placa micro controlada que possui pinos de entrada e saída (input/output, ou I/O) para conectar-se

dispositivos eletroeletrônicos externos. Você pode adaptar, compartilhar, copiar, distribuir e transmitir

trabalhos de terceiros desde que dê crédito ao trabalho original na forma especificada pelo autor.

O Arduino pode ser utilizado para desenvolver equipamentos que funcionam de forma

autônoma ou conectados a um computador. É uma plataforma interessante devido a fatores como:

Ambiente de desenvolvimento compatível com Windows, Macintosh e Linux;

Programação via cabo USB;

Hardware e software de fonte aberta;

Hardware de baixo custo;

Programação na linguagem Wiring que é baseada em C/C++ .

Existem diversas placas (boards) de Arduino, como mostra a Figura 1, além de inúmeros

circuitos periféricos (shields) para realizar variadas funções, como sensores de temperatura, pressão,

força, acionamento de motores, etc. Nas nossas práticas, utilizaremos o Arduino UNO REV3, cujas

principais caraterísticas elétricas estão resumidas na Tabela 1.

Figura 1. Official Boards. Veja lista completa em: http://arduino.cc/en/Main/Products

1 GNU Operationg System. Hardware e Software: GNU GPL. Documentação: Creative Commons. Attribution-

ShareAlike 2.5 Generic (CC BY-SA 2.5). Disponível em: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/

http://arduino.cc/en/Main/Products

http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/



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Tabela 1. Características principais do Arduino UNO. Outras características são arquitetura de 8 bits, 20 MIPS, 1 KB de EEPROM, conversor analógico/digital de 10 bits, comunicação serial

SPI / I2C / UART.

A placa do Arduino possui vários pinos de entrada/saída (I/0), que podem ser utilizados para

sinais analógicos ou digitais. Nos pinos de I/O (Figura 2), podemos conectar diversos componentes

externos, como LEDs, botões, relés, sensores, motores, etc.

A programação do Arduino é feito em um ambiente de desenvolvimento integrado (Integrated

Development Environment, IDE) disponibilizado gratuitamente (http://arduino.cc/en/Main/Software). O

software da IDE (arduino.exe) não requer instalação (portable) e está pronto para ser executado de

qualquer diretório. Por outro lado, o driver da placa deve ser previamente baixado do site oficial e

instalado no computador por um usuário com prerrogativas de administrador.

Figura 2. Pinos de I/0 do Arduino.

http://arduino.cc/en/Main/Software



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2. Experimentos

2.1 Montagem 01 - Piscando um LED interno

Vamos explorar a interface de desenvolvimento. Inicialmente, vamos piscar o LED localizado na

placa ARDUINO UNO REV3 que está ligado internamente ao pino 13, como destacado na Figura 3.

Figura 3. LED conectado no PINO 13 do Arduino UNO.

Execute o programa “arduino.exe” e familiariza-se com a interface de desenvolvimento

(Figura 4). Ela permite que os programas sejam escritos, compilados e transferidos (via cabo USB) ao

Arduino. Há duas funções principais:

setup() – configurações de hardware e software;

loop() – programa a ser executado em um loop infinito.

Figura 4. Ambiente de programação do Arduino.



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1) Estude o programa (sketch) da Figura 5 para piscar o LED interno ligado ao pino 13. Em

laranja, aparecem funções da biblioteca padrão do dispositivo e, em azul, variáveis pré-definidas e

autoexplicativas, da biblioteca. Veja os comentários no código.

2) Digite o código da e habitue-se a incluir comentários, como boa prática de programação.

Figura 5. Primeiro Programa Piscar o LED.

3) Salve o programa com um nome representativo, como PRATICA_1_PISCAR_LED.

4) Compile ou “verifique” () o código. No caso de sucesso, será exibida uma mensagem

escrita com a cor branca na Área de Status (Figura 6). Caso contrário, haverá uma mensagem de

erro em cor alaranjada.

Figura 6. Verificação com sucesso.



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5) Configure a porta de comunicação e o tipo de hardware Arduino.

i) Porta serial: conecte o Arduino em uma das portas USB e consulte “Painel de controle

Gerenciador de Dispositivos Portas (COM e LPT)” e descubra qual a porta de

comunicação (por exemplo, COM5) utilizada. Em seguida, configure a porta de

comunicação na IDE do Arduino em “Tools Serial Port”.

ii) modelo de placa Arduino. No computador que você está trabalhando já foi instalado o

driver (para usar o a plataforma Arduino em outro computador instale o driver conforme

tutorial do Windows 7 ou Windows 8. Para configurar a placa Arduino, na IDE faça

““Tools Board Arduino Uno ”.

6) Grave o programa compilado na placa do Arduino, clicando no botão UPLOAD ().

Ao final da transferência do código para o Arduino, uma mensagem branca irá aparecer e os

LEDs TX e RX (Figura 7) irão piscar algumas vezes indicando a transferência correta do código

compilado para a placa. Caso apareça alguma mensagem da cor alaranjada, houve algum erro. Você

verá que o LED interno ligado pino 13 ficará acesso enquanto a placa Arduino estiver energizada.

Figura 7. LEDs TX e RX.

Melhorias no código

O uso da diretiva #define é aconselhável para maior clareza e facilidade de programação:

#define NOME_DA_MACRO sequencia_de_caracteres

Por exemplo:

#define LED_AMARELO 13

Uma boa dica de programação é usar o NOME_DA_MACRO escrito apenas em

MAIÚSCULAS para diferenciar de nome de variáveis. Durante a compilação, NOME_DA_MACRO

será substituído pela sequencia_de_caracteres. Veja o exemplo da Figura 8.



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Figura 8. Comparação de códigos com e sem #define.

Como exemplo, se hardware for alterado e o LED ligado ao pino 2, modificaremos o código

em um único lugar, isto é, na diretiva #define. Além disso, o seu uso reduz o uso de memória, que

pode ser crítico em microcontroladores, pois não se usa espaço de memória de dados para

armazenar variáveis e constantes. Ao longo das práticas daremos mais dicas de programação.

2.2 Montagem 02 – Polarização direta e reversa de LEDs

Considere a montagem da Figura 9. Os LEDs acenderão dependendo das tensões colocadas

nos pinos D2 e D3, a serem configurados como saídas digitais. Estas tensões poderão ser de 5 V

(HIGH) ou 0 V (LOW).

Figura 9. Montagem 02 - Diagrama Esquemático do Circuito.



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1) Estude o código abaixo (Figura 10). Em seguida digite-o, salve o arquivo com um nome

representativo, compile e grave seu código no Arduino, verificando seu funcionamento,

fazendo alterações que achar interessante.

Figura 10. Programa polaridade LED.

2.3 Montagem 03 – controle de brilho de um LED

A Modulação por Largura de Pulso (Pulse Width Modulation, PWM) é uma técnica usada para

obter-se variáveis analógicas por meio do controle da duração (ou largura) dos pulsos de uma onda

quadrada, como ilustrado na Figura 11. No Arduino, os pulsos repetem-se na taxa de 490 Hz (valor

default). A largura do pulso (duty dycle) pode ser variada de 0% a 100% 256 níveis discretos (isto é, 8

bits de resolução) através da função analogWrite(nível).



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O Arduino UNO possui 6 pinos (3, 5, 6, 9, 10 e 11) que podem ser configurados como saída

PWM (ou “analógica). Eles estão marcados com o símbolo “~” na placa de circuito impresso.

Figura 11. Saídas PWM. O eixo horizontal é o tempo. Note que a frequência dos pulsos é

constante mas o ciclo ativo varia.

1) Estude o circuito da Figura 12. Justifique a escolha do resistor de 330Ω para polarizar o

LED.

2) Monte o circuito tomando o cuidado de ter linhas de alimentação (+Vcc e GND) como

sugeridas na figura. Esta maneira de organizar a alimentação ao protoboard deverá ser

adotada em todas as suas montagens.

Figura 12. Montagem 02-Diagrama Esquemático PWM.



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3) Estude o programa de controle de brilho do LED (Figura 13). Em particular, tendo-se em

mente que o tipo unsigned char assume valores de 0-255, veja que o teste na estrutura

for não pode ser “i < 256”.

4) Em seguida, digite o código, salve e compile (). Por fim, carregue o código () na placa

do Arduino. Verifique o funcionamento ligando um osciloscópio ao pino de saída e

observando o que ocorre com os pulsos de saída.

Figura 13. Código LED PWM.

5) Faça alterações que julgar interessante. Por exemplo, varia o duty cicle em valores

correspondentes a 0%, 25%, 50%, 75 e 100%, para obter mudanças mais perceptíveis no brilho do

LED. Outra sugestão é colocar, no início cada loop, uma piscada curta do LED.

2.4 Montagem 03 – Entrada Digital – Botão.

Quando um pino de I/O é programado como entrada digital, o programa, em um dado

momento, deverá verificar o nível lógico da entrada. O nível pode ser controlado através de uma

chave conforme a Figura 14. Há duas possibilidades: com um resistor ligado a +Vcc (pull-up, Figura

14a) ou ao terra (pull-down, Figura 14b). O resistor evita que a entrada fique flutuando e sujeita a

ruídos elétricos.

(i=0;i≤255;i+=10)

//0 ≤ i ≤ 255



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(a) (b) (c)

Figura 14. a) pull-up externo; (b) pull-down externo; (c). pull-up interno

O Arduino UNO baseado no microcontrolador ATMega possui resistores de pull-up

internos(Figura 14c) nas entradas digitais, permitindo simplificar as montagens. Para ativá-los, deve-

se usar o comando pinMode(pino, INPUT_PULLUP) no setup().

Com relação às chaves, interruptor momentâneo de uso comum é a “chave tátil” de contato

momentâneo. A Figura 15 mostra as conexões internas para chaves de 4 terminais. Esta chave (ou

similar) será utilizada como um dispositivo de entrada digital no Arduino

Figura 15. Chave Táctil (push-button).

1) Altere o circuito visto anteriormente na Figura 9, ligando uma chave tátil ao pino 07 do

Arduino na configuração pull-up.

2) Estude o código da Figura 16. Veja como a chave táctil controlará qual dos LEDs ligados

entre os pinos D2 e D3 acenderá.

3) Monte o circuito, digite o código, salve e compile () e carregue o código () na placa do

Arduino, verificando o funcionamento.

4) Altere seu circuito e o código da Figura 16 para utilizar entrada com pull-up interno. Faça

outras alterações que julgar interessante. Por exemplo, executar uma sequência de

acendimento dos LED ao apertar o botão.



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Figura 16. Código da montagem do Botão.

2.5 Montagem 04 – Leitura de uma entrada analógica

O Arduino UNO tem 6 canais de conversão analógica-digital, identificados por A0, A1, A2, A3,

A4 e A5. O conversor AD do Arduino tem a resolução de 10 bits e converte os dados lidos pela

entrada analógica em valores na faixa de 0 a 1023. A frequência de amostragem da conversão é de

até 10 MHz.

Nesta montagem, vamos usar o potenciômetro ou um trimpot (Figura 17) que é um

componente que possui resistência elétrica ajustável. Possui tipicamente três terminais onde a

conexão central é deslizante ou rotativa, dependendo da construção mecânica. A variação da

resistência pode ocorrer linearmente ou de forma exponencial com a rotação do cursor, dependendo

da fabricação. Na Figura 17, o potenciômetro é usado como um divisor de tensão ajustável.

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Verifica status do BOTAO_1



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2

Figura 17. Trimpots e potenciômetro. Existem várias outras formas de construção.

A saída do divisor de tensão é usada como sinal de entrada analógica para o Arduino na

Figura 18. A tensão na saída do divisor será lida e quantizada com 10 bits, isto é, os valores

assumirão níveis entre 0 e 1023, isto é, 210

– 1. Os valores lidos serão mostrados no computador

através do “monitor serial”.

1) Monte o circuito da Figura 18, que mostra o diagrama esquemático do circuito com o

potenciômetro, ligado no pino analógico 0 (A0).

2) Estude a o código da Figura 19. Em seguida digite, compile, carregue.

3) Para verificar o funcionamento e visualizar os valores lidos na entrada analógica, abra o

monitor serial da sua IDE em: Menu → Ferramentas → Monitor Serial. Gire o

potenciômetro e veja o que ocorre. Desejavelmente, ao aumentar-se o ângulo de rotação,

a tensão deverá aumentar. Se isto não ocorrer, inverta a conexão dos terminais fixos do

potenciômetro.

Figura 18. Montagem 04-Diagrama esquemático do Potenciômetro.



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Figura 19. Código para leitura de entrada analógica.

2.6 Montagem 05 – Display de 7 segmentos.

O Display de 7 segmentos é usado para visualizar

dígtos de 0 a 9 além de outros símbolos. É formado por LEDs

(segmentos) que podem ser ligados individualmente obtendo o

símbolo desejado. Os segmentos são identificados de forma

padronizada pelas letras A, B, C, D, E, F, G (Figura 20),

podendo haver ainda um ponto decimal.

Figura 20. Segmentos de 'a' a 'g' do display de 7 segmentos.

Internamente, os LEDs têm uma conexão comum, que define o tipo de display: catodo comum ou

anodo comum (Figura 21).

Figura 21. Tipos de Display de 7 segmentos.

Figura 22. Ligação do pino comum nos displays catodo comum e anodo comum.



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Figura 23, Montagem 05-Display de 7 Segmentos.

.

1) Analise e monte o circuito da Figura 23, como sugerido. Note que há um resistor para

cada segmento. Que tipo de display é usado?

2) Estude o código da Figura 24, Em seguida digite-o, completando as partes do código que

não estão na figura (#defines, e demais “cases” do switch). Salve o arquivo com um nome

representativo, compile e grave seu código no Arduino, verificando seu funcionamento,

fazendo alterações que achar interessante.

ATENÇÃO: retire o fio de alimentação do Display [Pino 3 ou 8 do Display ligado ao pino

de 5V do Arduino] antes de gravar o código, senão o código não será gravado no seu

Arduino.



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#define SEG_PONT0 2 // pino 2 #define SEG_A 0 // pino 0 // complete os outros defines... // veja circuito na Figura 23 void setup() //Configura saídas digitais pinMode (SEG_PONTO, OUTPUT); pinMode (SEG_A, OUTPUT); pinMode (SEG_B, OUTPUT); pinMode (SEG_C, OUTPUT); pinMode (SEG_D, OUTPUT); pinMode (SEG_E, OUTPUT); pinMode (SEG_F, OUTPUT); pinMode (SEG_G, OUTPUT); //Apaga display anodo comum digitalWrite (SEG_PONTO, HIGH); digitalWrite (SEG_A, HIGH); digitalWrite (SEG_B, HIGH); digitalWrite (SEG_C, HIGH); digitalWrite (SEG_D, HIGH); digitalWrite (SEG_E, HIGH); digitalWrite (SEG_F, HIGH); digitalWrite (SEG_G, HIGH); // Fim da função setup void loop() // caracteres 0 a 9 for (int i = 0; i < 10; i++) EscreveDisplay(i); delay (1000); // aguarda 1s // Fim da função loop /* Nome da função: EscreveDisplay Entrada: char num Saída: nenhuma (void) Descrição: escreve de 0 a 9.*/

/* Nome da função: EscreveDisplay Entrada: char num Saída: nenhuma (void) Descrição: escreve de 0 a 9.*/ void EscreveDisplay(char num) // Desliga todos os segmentos digitalWrite (SEG_A, HIGH); digitalWrite (SEG_B, HIGH); digitalWrite (SEG_C, HIGH); digitalWrite (SEG_D, HIGH); digitalWrite (SEG_E, HIGH); digitalWrite (SEG_F, HIGH); digitalWrite (SEG_G, HIGH); switch(num) case 0: digitalWrite (SEG_A, LOW); digitalWrite (SEG_B, LOW); digitalWrite (SEG_C, LOW); digitalWrite (SEG_D, LOW); digitalWrite (SEG_E, LOW); digitalWrite (SEG_F, LOW); break; case 1: // complete!!! // liga segmentos B, C break; // cases 2 a 9: complete!!! default: // diferente de 0-9 // Erro apenas liga segmento G digitalWrite (SEG_G, LOW); break; // Fim do switch-case // Fim da função Escreve display

Figura 24. Código para o acionamento do display de 7 segmentos anodo comum.

2.7 Informações complementares

1) No Anexo I, você vai encontrar como criar uma biblioteca para o display de 7 segmentos.

Isto tornará o código mais legível e facilitará a utilização da função EscreveDisplay() em

outros programas.

2) No sítio http://123d.circuits.io há um simulador para o Arduino.

http://123d.circuits.io/



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Anexo I

A prática do Display de 7 segmentos será bem mais útil se criarmos uma biblioteca exclusiva

para ele e assim sempre que precisarmos reutilizar o código podemos copiar a biblioteca para a pasta

do nosso novo projeto. Para criarmos nossa biblioteca é importante que você siga todos os passos

listados abaixo atentamente, em caso de acontecer algum erro, refaça-os um a um com mais

atenção:

1º. Abra o programa do Arduino.

2º. Salve o sketch abre com um nome representativo, como por exemplo,

DISPLAY_7_SEG_BIBLIOTECA.

3º. Feche o programa Arduino. E vamos criar a nossa biblioteca. Começamos a criação de uma

biblioteca pelo arquivo cabeçalho (header file, arquivo com extensão .h). No arquivo

cabeçalho devemos colocar os protótipos das funções que criaremos e os defines que serão

usados.

4º. Vamos, então, criar nosso arquivo cabeçalho. Abra o bloco de notas o seu computador.

5º. Digite o código mostrado na Figura 25.

#include "Arduino.h" /****************************** D E F I N E S ********************************/ /* Hardware utilizado para ligar o display de segmentos */ //******************************// #define SEG_PONTO 2 // SEG_A // #define SEG_A 0 // ------- // #define SEG_B 1 // SEG_F | | SEG_B // #define SEG_C 3 // | SEG_G | // #define SEG_D 4 // ------- // #define SEG_E 5 // | | // #define SEG_F 6 // SEG_E | | SEG_C // #define SEG_G 7 // ------- // // SEG_D // //******************************// /*************** P R O T O T I P O S D E F U N Ç Õ E S ********************/ /****************************************************************************** * Função: void ConfiguraDisplay7seg (void) * Entrada: Nenhuma (void) * Saída: Nenhuma (void) * Descrição: Configura portas do Arduino que estão conectadas ao display de * 7 segmentos como saídas digitais e desliga todos os segmentos do display. *****************************************************************************/ void ConfigDisplay7Seg(); /****************************************************************************** * Função: void EscreveDisplay(char numero,char pto) * Entrada: char numero: valor decimal de 0 a 9 a ser apresentado no display * de 7 segmentos. Se esse valor estiver acima de 9 ou abaixo * de 0 será mostrado o símbolo de erro -. * char pto: pto decimal do display * HIGH - Desliga o ponto LOW - Liga o ponto * Saída: Nenhuma (void) * Descrição: Escreve valor decimal de 0 a 9 nos display de 7 segmentos. * Liga/desliga o ponto decimal. *****************************************************************************/ void EscreveDisplay(char numero, char pto);

Figura 25. Código do arquivo cabeçalho da biblioteca.



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6º. Após digitar o código idêntico ao mostrado na Figura 25, clique no MENU Arquivo, em

seguida Salvar como. Na janela que irá se abrir, selecione o diretório onde você salvou o

sketch (DISPLAY_7_SEG_BIBLIOTECA) e salve o arquivo cabeçalho com o nome mostrado

na Figura 26. (MUITO IMPORTANTE: Certifique-se que o diretório onde você vai salvar seja

o diretório do seu projeto. O nome do arquivo deve ser salvo sem espaços e entre aspas

duplas “ ”).

Figura 26. Salvar arquivo cabeçalho.

7º. Uma vez criado o arquivo cabeçalho vamos criar o arquivo fonte com o código das funções

prototipadas no arquivo cabeçalho (.h).

Verifique se no diretório da sua prática (C:\Documentos\Arduino\

DISPLAY_7_SEG_BIBLIOTECA) lá estão os dois arquivos: um arquivo do seu sketch (.ino) e outros

arquivo do cabeçalho da sua biblioteca (.h).

Uma vez criado o arquivo cabeçalho (.h), precisamos criar o arquivo com as funções todas

definidas, arquivo .cpp. Siga os passos abaixo para criarmos esse arquivo.

1º. Abra novo arquivo em branco no seu bloco de notas. Digite o código mostrado na Figura 27.



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#include "Arduino.h" #include "Display7Seg.h" /*************************************** * Função: void ConfiguraDisplay7seg (void) * Entrada: Nenhuma (void) * Saída: Nenhuma (void) * Descrição: Configura portas do Arduino conectadas ao display de 7 segmentos como saídas digitais e desliga todos os segmentos do display após a configuração. ****************************************/ void ConfigDisplay7Seg() //Configura cada pino como saída digital pinMode(SEG_A, OUTPUT); pinMode(SEG_B, OUTPUT); pinMode(SEG_C, OUTPUT); pinMode(SEG_D, OUTPUT); pinMode(SEG_E, OUTPUT); pinMode(SEG_F, OUTPUT); pinMode(SEG_G, OUTPUT); pinMode(SEG_PONTO, OUTPUT); //Apaga tudo (estado inicial) digitalWrite(SEG_A, HIGH); digitalWrite(SEG_B, HIGH); digitalWrite(SEG_C, HIGH); digitalWrite(SEG_D, HIGH); digitalWrite(SEG_E, HIGH); digitalWrite(SEG_F, HIGH); digitalWrite(SEG_G, HIGH); digitalWrite(SEG_PONTO, HIGH); // Fim da função ConfigDisplay /********************************************* * Função: void EscreveDisplay(char numero,char pto) * Entrada: char numero: decimal de 0 a 9 Se esse valor estiver for da faixa será mostrado o símbolo de erro -. char pto: pto decimal do display LOW - Liga o ponto HIGH - Desliga o ponto * Saída: Nenhuma (void) * Descrição: Escreve 0 a 9 no display. Liga/desliga o ponto decimal. *******************************************/ void EscreveDisplay(char numero, char pto) if (pto == LOW) digitalWrite(SEG_PONTO, LOW); else digitalWrite(SEG_PONTO, HIGH); switch(numero) //Apaga o display digitalWrite(SEG_A, HIGH); digitalWrite(SEG_B, HIGH); digitalWrite(SEG_C, HIGH); digitalWrite(SEG_D, HIGH); digitalWrite(SEG_E, HIGH); digitalWrite(SEG_F, HIGH); digitalWrite(SEG_G, HIGH); digitalWrite(SEG_PONTO, HIGH); default: digitalWrite (SEG_G, LOW); //”-“ break; // cases 0-9 na coluna ao lado

case 0: digitalWrite (SEG_A, LOW); digitalWrite (SEG_B, LOW); digitalWrite (SEG_C, LOW); digitalWrite (SEG_D, LOW); digitalWrite (SEG_E, LOW); digitalWrite (SEG_F, LOW); break; case 1: digitalWrite (SEG_B, LOW); digitalWrite (SEG_C, LOW); break; case 2: digitalWrite (SEG_A, LOW); digitalWrite (SEG_B, LOW); digitalWrite (SEG_D, LOW); digitalWrite (SEG_E, LOW); digitalWrite (SEG_G, LOW); break; case 3: digitalWrite (SEG_A, LOW); digitalWrite (SEG_B, LOW); digitalWrite (SEG_C, LOW); digitalWrite (SEG_D, LOW); digitalWrite (SEG_G, LOW); break; case 4: digitalWrite (SEG_B, LOW); digitalWrite (SEG_C, LOW); digitalWrite (SEG_F, LOW); digitalWrite (SEG_G, LOW); break; case 5: digitalWrite (SEG_A, LOW); digitalWrite (SEG_C, LOW); digitalWrite (SEG_D, LOW); digitalWrite (SEG_F, LOW); digitalWrite (SEG_G, LOW); break; case 6: digitalWrite (SEG_A, LOW); digitalWrite (SEG_C, LOW); digitalWrite (SEG_D, LOW); digitalWrite (SEG_E, LOW); digitalWrite (SEG_F, LOW); digitalWrite (SEG_G, LOW); break; case 7: digitalWrite (SEG_A, LOW); digitalWrite (SEG_B, LOW); digitalWrite (SEG_C, LOW); break; case 8: digitalWrite (SEG_A, LOW); digitalWrite (SEG_B, LOW); digitalWrite (SEG_C, LOW); digitalWrite (SEG_D, LOW); digitalWrite (SEG_E, LOW); digitalWrite (SEG_F, LOW); digitalWrite (SEG_G, LOW); break; case 9: digitalWrite (SEG_A, LOW); digitalWrite (SEG_B, LOW); digitalWrite (SEG_C, LOW); digitalWrite (SEG_F, LOW); digitalWrite (SEG_G, LOW); break; // Fim do switch-case // Fim da função EscreveDisplay

Figura 27. Código da Biblioteca.



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2º. Após digitar o código idêntico ao mostrado na Figura 27, clique no MENU Arquivo, em

seguida Salvar como. Na janela que irá se abrir, selecione o diretório onde você salvou o

sketch (DISPLAY_7_SEG_BIBLIOTECA) e salve o arquivo cabeçalho com o nome mostrado

na Figura 28. (MUITO IMPORTANTE: Certifique-se que o diretório onde você vai salvar seja

o diretório do seu projeto. O nome do arquivo deve ser salvo sem espaços e entre aspas

duplas “ ”).

Figura 28. Salvar arquivo da biblioteca.

3º. Após a realização dos passos anteriores corretamente seu diretório

DISPLAY_7_SEG_BIBLIOTECA ficará com três arquivos, como mostrado na Figura 29.

Figura 29. Arquivo do diretório PRATICA_5.2_DISPLAY_7_SEG_BIBLIOTECA.

Agora podemos programar nosso código, ao abrir o sketch

(DISPLAY_7_SEG_BIBLIOTECA.ino) os arquivos cabeçalho (Display7Seg.h) e da biblioteca

(Display7Seg.cpp) também abrirão, como mostrado na Figura 30.



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Figura 30. Sketch e arquivos cabeçalho e da biblioteca.

Reproduza o código mostrado na

Figura 31.

#include "Display7Seg.h" /* Função: void setup() * Entradas: Nenhuma (void) * Saídas: Nenhuma (void) * Descrição: Esta função é a primeira a rodar quando energizamos * o Arduino. Nela, fazemos as configurações do * hardware que utilizaremos em nosso programa. */

void setup() ConfigDisplay7Seg(); //Fim da void setup /* Função: void loop() * Entradas: Nenhuma (void) * Saídas: Nenhuma (void) * Descrição: Esta função é chamada após o término da função * função setup(). Ela contém a lógica principal do código. */

void loop() for(int i = 0;i<10;i++) EscreveDisplay(i,LOW); delay(1000); // Fim do for // Fim da void loop

Figura 31. Código do Display de 7 Segmentos com Biblioteca.



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Salve o programa. Compile o código (MUITO IMPORTANTE: verifique se você usou os

nomes das funções e dos arquivos da biblioteca como mostrados na prática, caso contrário você terá

problemas para compilar seu código). Grave seu código no Arduino. (MUITO IMPORTANTE: retire o

fio de alimentação do Display [Pino 3 ou 8 do Display ligado ao pino de 5V do Arduino] antes de

gravar o código, senão o código não será gravado no seu Arduino).

Referências Bibliográficas

[1] ARDUINO HOMEPAGE, DISPONÍVEL EM: HTTP://WWW.ARDUINO.CC/, ACESSADO EM: JANEIRO DE 2014.

[2] BRIAN EVANS, BEGINNING ARDUINO PROGRAMMING, 1ª EDIÇÃO, APRESS, 2011. NEW YORK CITY.

[3] FRITZING-ELETRONIC MADE EASY, DISPONÍVEL EM: HTTP://FRITZING.ORG/HOME/, ACESSADO EM:

JANEIRO DE 2014.

[4] HAROLD TIMMIS, PRACTICAL ARDUINO ENGINEERING, 1ª EDIÇÃO, APRESS, 2011. NEW YORK CITY.

[5] JACK PURDUM, BEGINNING C FOR ARDUINO-LEARN C PROGRAMMING FOR THE ARDUINO, 1ª EDIÇÃO,

APRESS, 2012. NEW YORK CITY.

[6] JULIEN BAYLE, C PROGRAMMING FOR ARDUINO, 1ª EDIÇÃO, PACKT PUBLISHING, 2013. BIRMINGHAM.

[7] MICHAEL MCROBERTS, ARDUINO BÁSICO, 1ª EDIÇÃO, EDITORA NOVATEC. 2011. SÃO PAULO-SP.

[8] MASSIMO BANZI, PRIMEIROS PASSOS COM O ARDUINO, 1ª EDIÇÃO, EDITORA NOVATEC, 2011. SÃO

PAULO-SP.

[9] SPARKFUN, DISPONÍVEL EM: HTTPS://LEARN.SPARKFUN.COM/TUTORIALS/, ACESSADO EM: JANEIRO DE

2014.

[10] UNICAMP-COMPONENTES SEMICONDUTORES RÁPIDOS DE POTÊNCIA, DISPONÍVEL EM:

HTTP://WWW.DSCE.FEE.UNICAMP.BR/~ANTENOR/HTMLFILE/HARMO/FPCAP3/CAP3.HTML, ACESSADO

EM: JANEIRO DE 2014.

Displays LCD


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3 Arduino: Uso de displays LCD

Existem diversos tipos e tamanhos de LCD alfanuméricos, identificados, normalmente, pelo seu

número de linhas e de colunas, a Figura 1 mostra o modelo 16x2 usado nas nossas aulas práticas.

Figura 1. Tipos comuns de display 16x2.

Vamos trabalhar com um display 16x2 (linhas x colunas). O display de LCD se diferencia do

display de 7 segmentos por possuir um controlador embutido no display. Esse controlador, por

exemplo, identifica se o conjunto de bits enviado ao display é um dado a ser escrito no LCD ou um

comando para controlar alguma característica do display.

Figura 2. Controlador do Display.

Cada “elemento” (linha e coluna) é chamado de célula do LCD. A “célula” (caractere) do LCD

é composto de 8 pixels (Dot) na horizontal e 5 pixels na vertical.

Figura 3. Célula do LCD.

Geralmente, ao ligar o LCD na alimentação (~5V), a primeira linha fica toda preenchida, para

facilitar o ajuste de contraste. Para que ele fique operacional, precisamos inicializá-lo, passando por

algumas etapas de configuração. Para isso vamos usar a biblioteca disponibilizada pelo Arduino, isso

vai facilitar muito o nosso desenvolvimento de programas.

Figura 4. Display de LCD energizado.

Laboratório de Eletrônica Analógica e Digital - Displays LCD – Display LCD


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Os displays LCDs alfanuméricos geralmente seguem um mesmo padrão de conexão, onde

podem estar presentes: Conexão com 14 pinos (para os LCDs sem iluminação de fundo, "back-

light") Ou conexão com 16 pinos (sendo 2 para iluminação de fundo, "back-light"). Identifique a

sequência dos pinos na parte da frente ou na parte de trás do seu LCD.

Figura 5. Pinos do LCD. Note que a ordem (e não a numeração) pode alterar entre modelos.

Cada pino tem uma função específica resumida de acordo com a tabela a seguir.

Complementando as informações na Tabela 1,

Pino 4: RS – Seleciona o Tipo de Dado: Nível lógico 0: Interpreta os dados como comando,

Nível lógico 1: Interpreta os dados com caractere.

Pino 5: R/ – Seleciona leitura/escrita dos dados: 1 → Leitura (Read), 0 → Escrita (Write).

Pino 6: E – Pino de Sincronismo (Enable): Na borda de descida (↓), habilita a leitura/escrita

dos Dados pelo controlador do LCD.

A maioria dos controladores LCDs alfanuméricos é baseada no controlador Hitachi HD44780. Nele, o

modo de comunicação paralela pode ser feito de duas formas:

a. Modo 8 bits: 11 vias de comunicação (8 bits de dados e 3 bits de controle)

b. Modo 4 bits: 7 vias de comunicação (4 bits de dados e 3 bits de controle).

Vamos usar a comunicação no modo 4 bits. Neste modo, apenas as vias de dados D4 a D7 são

utilizadas. As vias D0 a D3 devem ser deixadas flutuando (sem conexão alguma). O caracter (8 bits) é

enviado em duas partes (nibble) com 4 bits cada. Economiza-se pinos digitais utilizados na

Displays LCD


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comunicação à custa de maior tempo na transmissão dos dados, o que pode ser insignificante em

diversas aplicações

Figura 6. Pinos utilizados no modo de comunicação 4 vias.

2. “Montagem” 01 – Display de LCD.

Siga os passos para realizar as conexões corretamente, certifique-se que a Placa Arduino

esteja desligada.

Chame seu professor para verificar sua ligação, antes de ligar o Arduino na porta USB, para

evitar danos ao display de LCD.

1º. Estude atentamente a montagem a ser feita (Figura 7).

2º. Insira o display no protoboard; fixe também a placa do Arduino (com uma fita elástica) ao

protoboard.

Figura 7. Esquemático do circuito LCD.



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3º. Conecte a alimentação (+Vcc e terra) do protoboard a partir do Arduino; utilize os

barramentos horizontais superior e inferior do protoboard para isso.

4º. Conecte a alimentação do display. Não inverta a polaridade!

5º. Conecte a alimentação do LED (luz de fundo) do display. Não inverta a polaridade!

6º. Ligue os pinos de controle RS, R/W e E; veja a função deles na Tabela 1.

7º. Conecte o barramento de dados do display (pinos D4, D5, D6 e D7) aos respectivos pinos de I/O do Arduino.

8º. Ligue o potenciômetro de 10 kΩ como indicado na Figura 7. Se necessário, identifique o

cursor (terminal móvel) do potenciômetro com um ohmímetro.

9º. Peça seu professor para verificar sua ligação, antes de continuar. Com a presença do professor, a montagem será energizada e o potenciômetro de controle da luz de fundo ajustada. Se não houver problema, o circuito está pronto para ser programado.

2.1. Montagem 01 – Configurando o LCD.

Será utilizada a biblioteca <LiquidCristal.h> do Arduino. Abra a IDE do Arduino e digite um código

semelhante ao mostrado na Figura 8. Em seguida, salve o programa com um nome representativo e

grave no seu Arduino.

Figura 8. Inicializando o display LCD.

Note que:

a) A biliblioteca utiliza conceitos de orientação a objetos.

b) É necessário criar um objeto do tipo LiquidCrystal: LiquidCrystal lcd(rs, enable, d4, d5, d6,

d7), onde os parâmetros passados são os pinos do Arduino utilizados para executar as

funções do disyplay LCD.

c) O comando lcd.begin(16,2) inicializa o display LCD de 16 colunas e 2 linhas.

d) O comando lcd.setCursor(0,0) posiciona o cursor do LCD na coordenada 0,0;

e) O comando lcd.print(" Seu nome ") imprime sua mensagem no display LCD.

Displays LCD


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Na biblioteca do LCD, há outros comando como:

LiquidCrystal() Inicializa o LCD e cria uma variável do tipo LiquidCrystal. LiquidCrystal(rs, enable, d4, d5, d6, d7) LiquidCrystal(rs, rw, enable, d4, d5, d6, d7) LiquidCrystal(rs, enable, d0, d1, d2, d3, d4, d5, d6, d7) LiquidCrystal(rs, rw, enable, d0, d1, d2, d3, d4, d5, d6, d7)

begin() Define a dimensão do display (linhas e colunas) lcd.begin(cols, rows)

clear() Limpa o display e coloca o cursor no endereço 0. lcd.clear()

home() Coloca o cursor no endereço 0. lcd.home()

setCursor() Muda a posição do cursor para a próxima escrita. lcd.setCursor(coluna, linha)

print() Descrição: Escreve letras, números e textos no display. lcd.print(data)

cursor() Liga o cursor do display. lcd.cursor()

noCursor() Desliga o cursor do display. lcd.noCursor()

blink() Pisca o cursor do LCD. lcd.blink()

noBlink() Para de piscar o cursor do LCD lcd.noBlink()

display() Religa o display. lcd.display()

noDisplay() Desliga o display. lcd.noDisplay()

scrollDisplayLeft() Desloca a tela do display uma posição para esquerda. lcd.scrollDisplayLeft()

scrollDisplayRight() Desloca a tela do display uma posição para direita. lcd.scrollDisplayRight()

autoscroll() A cada caracter enviado o cursor será incrementado automaticamente. lcd.autoscroll()

noAutoscroll() Não incrementa automaticamente a cada caracter enviado. lcd.noAutoscroll()

leftToRight() Com o Autoscroll ligado, o cursor irá mover da esquerda para direita. lcd.leftToRight()

rightToLeft() Com o Autoscroll ligado, o cursor irá mover da direita para esquerda. lcd.rightToLeft()

createChar() Cria um novo caractere para ser escrito no display. lcd.createChar(num, data)

num – 0 a 7 data – vetor de byte com o caractere criado

2.2. Montagem 02 – Explorando o display LCD.

Estude o código da Figura 9.. Digite-o, compile, salve e execute com a montagem do item anterior.

Teste alterações que julgar interessante. Alguns comandos de posicionamento do cursor não são

necessários e são apresentados apenas para apresentar a biblioteca de manipulação de strings.



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Figura 10. Contador de cliques.

Figura 9. Explorando o display LCD.

2.3. Montagem 03- Contador de cliques de uma chave mecânica

Uma das maneiras mais simples de fornecer informações externas ao Arduino é através de

chaves. Elas podem ser usadas como sensores,

dispositivos de contagem, métodos de navegação

em menus, etc. Um exemplo é dado na Figura 10,

onde a chave S será ligada ao pino 8 do Arduino,

pino a ser programado como entrada digital). Com a

chave desligada, a entrada estará em nível lógico

baixo (LOW, ou terra). Ao ligar a chave

momentaneamente, a entrada D8 receberá nível

lógico alto (+V = 5V). A seguir, será tentado contar o

número de vezes que a chave é acionada.

1) Monte o circuito utilizando uma chave tátil de contato momentâneo;

2) Estude o código da Figura 11, digite-o, compile e verifique se ele funciona como

esperado. Certamente surgirão problemas como descrito a seguir.

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Figura 11. Contador de cliques (precário).

Uma chave mecânica, ao ser acionada, apresenta transitórios que resultam em múltiplos

fechamentos, como indicado na Figura 12. Esse ruído é que o contador disparar. O problema pode

ser resolvido como indicado e comentado no código da Figura 13. A ideia é tornar a entrada sensível

à borda de subida do pulso (no caso),

impedindo o incremento da contagem em duas

situações: i) durante o tempo do transitório

mecânico e ii) enquanto a chave estiver

acionada. A primeira condição é bloqueada

através da função delay(), cujo atraso deve ser

ajustado em função da chave usada, enquanto

a segunda condição é bloqueada pelo while().

Figura 12. Ruído de trepidação (bounce)



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Figura 13. Contador de cliques (imune à trepidação da chave).

3) Estude o código da Figura 13, digite, salve, compile e verifique seu funcionamento. Faça

os ajustes necessários no tempo de atraso na função delay().

4) Atividade para casa: altere o código para que o contador seja reinicializado caso o botão

seja mantido pressionado por mais que 1 segundo.

2.4. Montagem 04- Ohmímetro simples/sensor de luz

Na Figura 14, o LDR (light dependent resistor) é um

componente cuja resistência varia com a intensidade da luz.

Esta resistência pode ser de ~10 Ω (no claro) a ~ 1 M Ω (no

escuro). O objetivo da montagem é obter a tensão sobre o

LDR e calcular a sua resistência para um dado nível de

iluminação.

1) Estude o circuito e obtenha expressões para

calcular a tensão (em volt) na entrada A5 do

Arduino. Lembre que as entradas analógicas do

Arduino são de 10 bits e, consequentemente, a

faixa de valor das leituras de 0-1023.

2) Com um ohmímetro, observe o comportamento da

resistência do LDR (fora do circuito) em função do nível de iluminação.

Figura 14. Ohmímetro simples

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3) Para circuito da Figura 14, obtenha também uma expressão para calcular a resistência do

LDR a partir da leitura do sinal na entrada A5..

4) Em seguida, estude o código da Figura 15, edite, salve, compile.

5) Monte o circuito da Figura 14 e execute. Para melhor precisão, meça o valor da tensão de

alimentação (próximo a 5.0 V) e o valor da resistência R, inserindo os valores medidos no

código.

6) Faça alterações que julgar interessante. Por exemplo, acenda uma saída (o LED interno da

saída 13) quando a intensidade da luz estiver abaixo de um certo limiar.

Figura 15. Determinação da tensão sobre o LDR e de sua resistência.



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2.5. Trabalho de Casa/Estudo Dirigido: Noções de filtros digitais

No item 2.4, um sinal analógico foi lido através da entrada A5. Este sinal pode conter oscilações de

“alta” frequência que podem ser atenuadas com um filtro passa-baixas como o da Figura 17. O

circuito pode ser analisado no domínio da frequência angular , escrevendo-se a expressão para o

divisor de tensão formado por R e pela a reatância capacitiva de C , isto é ,

CRj

CjR

CjH

jX

Y

1

1

1

1

)()(

)( (1)

O módulo e fase da resposta em frequência do filtro estão exemplificados na Figura 16. Em

baixas frequências, isto é, 1)( RC , tem-se 1|)(| H . Por outro lado, em altas frequências,

ou seja, 1)( RC , 0|)(| H . Na frequência RC

1 , denominada frequência de corte, a

relação entre a tensão de saída e a de entrada é 2

1|)(| H . De forma equivalente, nesta

frequência, a relação entre as potências de saída e de entrada é 2

1|)(| 2 H e por isso a

frequência de corte é também chamada de frequência de meia potência.

O filtro da Figura 17 também pode ser analisado no domínio do tempo. Neste caso, pode-se

escrever que )()()( tytiRtx . Como dt

tdyCti

)()( , segue que

)()(

)( tydt

tdyRCtx (2)

Para realizar o filtro numericamente, é necessário discretizar da equação 2. De forma simples, isto

pode ser feito amostrando-se os sinais em intervalos pequenos em relação à constante de tempo do

Figura 16. Resposta em frequência: módulo

(linha cheia) e fase (linha tracejada) para R =

10kΩ, C = 100 nF.

Figura 17. Filtro analógico de 1ª. ordem.

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circuito, isto é, em nTt , onde RCT (mostra-se que isto corresponde à equivalência das

respostas impulsivas em tempo contínuo e tempo discreto). Assim, a equação 2 pode ser escrita

como

][])1[(][

][ nTyT

TnynTyRCnTx

Isolando-se a saída ][nTy segue que

])1[(/1

/][

/1

1][ Tny

TRC

TRCnTx

TRCnTy

(3)

Definindo-se TRC /1

1 , tem-se TRC

TRC

/1

/1

e a equação (3) pode ser reescrita como

)]1[()1(][][ nynxny (4)

onde o intervalo de amostragem T foi omitido, como é usual em processamento digital de sinais.

Portanto, num dado instante n, a saída ][ny é uma combinação linear da entrada atual e da saída

anterior. A equação 4 pode ser representada no diagrama em blocos como mostrado na Figura 18.

A equação 4 (ou o diagrama da Figura 18), podem ser implementados em um código para Arduino,

como mostra o fragmento de código na Parte Experimental.

Parte Experimental

1) Monte o circuito da Figura 14, onde o LDR é o sensor de entrada. A tensão sobre o LDR possui

um valor médio e uma oscilação a ser filtrada.

2) Complete o código ao lado para implementar o código sugerido;

3) Com os valores de T e de alfa, qual seria a frequência de corte do filtro?

4) Para testar o circuito, movimente a lanterna de seu smartphone sobre o LDR de forma a causar

oscilações na intensidade de luz Estas oscilações são o “ruído” a ser filtrado.

Figura 18. Filtro digital de 1ª. ordem.



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3

Veja o que ocorre. O seu filtro deverá ignorar oscilações “rápidas” e responder a oscilações

“lentas”. Procure quantificar o que é “lento” e o que é “rápido”.

5) Faça modificações no parâmetro alfa e veja o que ocorre.

6) Para visualizar formas de onda em seu computador, instale o aplicativo SimPlot

(http://www.negtronics.com/simplot) ou similar. Adapte o programa de demonstração do SimPlot

para executar o filtro e visualizar o sinal de entrada x (leitura da entrada A5) e a saída filtrada y.

Figura 19. Código básico para um filtro digital.

http://www.negtronics.com/simplot

Disciplina: ELT 006 – Eletrônica Analógica e Digital (Lab)


d

(a) (b)

(c)

(d)

Fig. 1 (a,b) retificador de ½ onda; (b,c) retificador de onda completa em ponte; (c,d) retificador de onda

completa usando transformador com derivação (tap) central. As fontes vs representam o secundário do

transformador. Os intervalos de condução dos diodos estão indicados nas formas de onda.

Aula 5 - Fontes de alimentação CC

Objetivo

1. Estudo de fontes de alimentação CC (corrente contínua) lineares

Introdução

Retificadores. Uma das principais aplicações dos diodos é nas fontes de alimentação

destinadas a converter uma tensão alternada, usualmente senoidal, em uma tensão

contínua. Neste processo, a primeira etapa é retificação (Fig. 1) que converte a tensão

alternada no secundário do transformador em uma tensão pulsada com valor contínuo

diferente de zero. A tensão alternada é usualmente fornecida pela concessionária de

energia e reduzida a tensões menores através de um transformador (Fig 1a). Esta tensão

será representada, por conveniência de simulação, por um gerador de tensão (Fig 1b).

No retificador em ½ onda mostrado na Fig. 1a, apenas a parte positiva da entrada

é aproveitada. No, retificador em onda completa (Fig. 1b), os diodos conduzem aos

pares e os dois ciclos são utilizados. No, no semiciclo positivo da tensão sv no

secundário do transformador, os diodos D1 e D2 conduzem simultaneamente, enquanto

D3 e D4 conduzem no semiciclo negativo. Porém, nos dois semiciclos, a corrente

circulará pela carga R no mesmo sentido.

Filtro capacitivo. Para suavizar a forma de onda pulsada, inadequada para grande parte

das aplicações em eletrônica, é utilizado um filtro capacitivo seguido de um circuito

ELT 006 (LAB) Fontes de alimentação CC

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5

regulador. A Fig. 2 mostra o retificador de ½ onda com filtro capacitivo. Na ausência da

carga R, o capacitor é carregado até uma tensão máxima 7,02 sp vv , que é

mantida indefinidamente. Ao introduzir-se a carga resistiva (Fig. 2c-d), o capacitor

fornecerá corrente à carga no período de não-condução do diodo. A descarga do

capacitor originará uma ondulação (ripple) na tensão sobre a carga. O capacitor será

recarregado nos pequenos intervalos de condução do diodo.

Para uma resistência de carga R, quanto maior o capacitor C, menor o ripple.

Escrevendo-se a tensão de saída como VVv medo 21 (onde V é a amplitude pico-a-

pico da variação), a corrente média na carga (onde medV é a tensão média na saída) como

RVI medmed / e aproximando-se o tempo de descarga do capacitor por fTt /1

(onde f é a freqüência da tensão alternada), segue que:

Vf

IC

t

VCI med

med

(½ onda) (1a)

De forma semelhante, para um retificador de onda onda completa,

Vf

IC med

2 (onda completa) (1b)

(b)

(c)

(d)

Fig. 2 – Retificador de ½ onda com filtro capacitivo. (a, b) circuito sem carga (b) carga resistiva


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6

Regulação. A ondulação na tensão da carga ov observada nas Fig. 2c-d pode ser

reduzida usando-se um diodo zener como regulador. Este diodo é capaz de operar

polarizado reversamente, na região de ruptura de forma controlada (Fig. 3a,c), com

variações na tensão reversa relativamente pequenas em relação às variações de corrente.

Um retificador com filtro capacitivo e regulador zener é mostrado na Fig. 3b. Para o

funcionamento adequado do circuito, é necessário, contudo, que a corrente sobre o

zener não varie de forma a retirar o dispositivo da região de trabalho. Isto pode ser feito

dimensionando-se o resistor de regulação Rz adequadamente e limitando-se as variações

permitidas na resistência de carga. Porém, devem ser agregados circuitos para monitorar

variações na carga, atuar sobre um resistor eletrônico variável (um transistor) no lugar

de Rz, ou efetuar proteção contra curto-circuito na saída.

Na prática, estes circuitos adicionais são incluídos em circuitos integrados reguladores

(Fig. 4). A família mais popular de reguladores é a 78xx, que são componentes com 3

terminais (entrada, terra e saída), com as seguintes características:

Fig. 3 – Diodo zener. (a) circuito de teste e (b) curva característica em polarização reversa. A variação

relativa da tensão de trabalho do zener pode ser desconsiderada nesta aplicação; o mesmo não ocorre

com a variação da corrente de trabalho. (c) Retificador de onda completa em ponte, filtro capacitivo e

regulador com diodo zener. A fonte Vs representa o secundário de um transformador.

Fig. 4 – Regulador de tensão (blocos funcionais).


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7

xx = tensão de saída em volts (05, 06, 08, 09, 10, 12, 15, 18 e 24);

Imax = corrente máxima na saída (tipicamente 1A, com proteção contra

sobrecarga);

Vin(min) = xx + 2V, sendo 2V o chamado dropout do componente, isto é, a

menor diferença permitida entre a tensão de saída e a de entrada;

Vin(max) = 35V.

A utilização destes regulares é relativamente simples (Fig. 5). Neste circuito, C2

( 0,1F) atua como um filtro passa-baixas que remove ruídos de “altas” freqüências

não atenuados pelo capacitor eletrolítico C1. Isto ocorre porque C1 (da ordem de 1000

F), construído enrolando-se tiras de alumínio separadas por um eletrólito isolante,

apresenta comportamento indutivo em freqüências “muito” acima dos 60 Hz da

concessionária de energia elétrica.

Existe ainda um regulador (LM317) que fornece uma baixa tensão de saída (1,25V) com

o qual se pode construir fontes de tensão ajustável. Todos os reguladores têm uma

versão para tensões negativas, podendo haver diferenças na identificação dos pinos.

Em síntese, uma fonte de alimentação CC linear tem os blocos funcionais indicados na

Fig. 6.

Fig. 6. Fonte de alimentação linear.

Fig. 5 – Fonte de alimentação com circuito integrado regulador de tensão.


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8

Parte prática

Material

- Transformador (127V:14V)

- Ponte retificadora

- Resistores (1W): 1 k , 220

- Capacitor eletrolítico 1000 F 50V

- Capacitor cerâmico de 100nF a 220 nF

- Circuito integrado regulador LM7812 (ou similar)

- LED 5mm

1. Retificador de onda completa

1.1. Identifique, com um voltímetro e/ou osciloscópio, os terminais de saída do

transformador com tensão mais próxima de 14 Vca.

1.2 Monte o circuito da Fig. 7, onde RL = 1 k e os diodos estão integrados na ponte

retificadora fornecida. Meça o valor médio da tensão de saída e calcule a potência

dissipada no resistor.

Fig. 7. Retificador de onda completa e carga resistiva.

1.3. Com o osciloscópio, observe/registre a tensão no secundário do transformador e na

carga. Ao usar 2 canais do oscilocópio, nunca ligue os terra das pontas de prova em

locais diferentes (isto causaria um curto-circuito). Compare os valores de pico das

formas de onda de tensão e justifique as diferenças encontradas.

2. Retificador de onda completa com filtro capacitivo

2.1 Insira, agora, um capacitor de filtro (C = 1000 F) em paralelo com a carga (RL =

1k), como indicado. Não inverta os terminais do capacitor eletrolítico!

Fig. 8. Retificador de onda completa, carga resistiva e filtro capacitivo.


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9

2.2. Com o osciloscópio, observe/registre a tensão no secundário do transformador e na

carga. Meça a variação de tensão (ripple) na carga e compare com o valor previsto

pela equação 1b. Altere o resistor de carga para RL = 220 e veja as alterações na

tensão de saída.

3 Fonte de alimentação com circuito integrado regulador

3.1 Na Fig. 9, caluce R1 para uma corrente de 10 mA pelo LED.

3.2 Monte o circuito e verique o funcionamento.

Fig. 9. Fonte com circuito integrado regulador.

3.3. Com o osciloscópio, verifique/registre as formas de onda na entrada e na saída do

regulador.

3.4 Insira um resistor de 220 na saída do regulador (isto é, em paralelo com C2) e

veja o que ocorre na entra e na saída do regulador. Calcule a potência dissipada no

resistor e verifique seu aquecimento, aproximando o dedo do resistor, sem tocá-lo.

4 Atividades para casa (simulações LtSpice)

Nas simulações, use uma fonte senoidal (20Vpico, 60Hz), representando o secundário

do transformador. Caso não haja o 1N4007 em sua biblioteca, use o “diodo “genérico”

da biblioteca padrão.

4.1 Simule o experimento da prática 1 (retificador de onda completa).

Apresente resultados (com discussões):

a) Formas de onda de tensão na fonte, no diodo D1 e na carga.

b) Preencha a tabela com o simulador [mouse no nome onda → cntr + mouse/Esq], onde

med e RMS referem-se a valores médios e eficazes, respectivamente.

Fonte (transformador) Carga (R = 220 x 1W)

RMSI medI RMSI

RMSV medV RMSV

RMSRMStr IVP medmedR IVP

c) Preencha a tabela abaixo. Para medir: [mouse no nome onda → cntr + mouse/Esq]


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0

Diodo D1 Simulado datasheet

Tensão de pico reversa

Corrente de pico repetitiva

Corrente média

Corrente máxima de surto

Localize a folha de especificações (datasheet) do diodo 1N4007 e verifique se a

sua capacidade de corrente e tensão reversa é adequada para o circuito.

4.2 Simule o experimento da prática 2 (retificador de onda completa com filtro

capacitivo).


a) Formas de onda da tensão na fonte, no diodo D1 e na carga R. Observe o pico de

corrente ao ligar o circuito (“surto”) com o capacitor inicialmente descarregado.

b) Varie RL para 1 k e observe sua influência na tensão de saída.

c) Preencha a tabela com valores calculados

e medidos no simulador para as corrente

medI , tensão medV e variação de tensão

(ripple) V no resistor de carga RL =

220 .

d) Com ajuda do simulador, preencha a tabela abaixo, com leituras sobre o diodo

D1. Compare com os valores do circuito sem capacitor.

e) A simulação é particularmente útil para o dimensionamento do transformador

destas fontes, pois sua potência depende da corrente nos diodos que, por sua vez,

não é calculada de forma trivial. Especifique a corrente (eficaz) mínima para o

transformador.

4.3 Simule o experimento da prática 3 (fonte com regulador integrado); exclua o LED e

R1 e utilize um resistor RL = 220 como carga. Caso não tenha o regulador LM7812 em

sua biblioteca o LT1086-12 [componentes → PowerProducts] da biblioteca padrão.


a) Formas de onda na entrada e na saída do regulador quando C = 1000 F e C =

100 F (sendo RL = 220 nos dois casos). Estime o dropout do regulador

utilizado nas simulações.

b) Excluindo o intervalo de surto, meça a corrente média e eficaz na carga e

compare com a corrente eficaz no transformador. Justifique a diferença.

RL = 220 calculado medido

medI (A)

medV (V)

V (V)

Diodo D1 C = 1000 F C = 0 Desvio relativo

Tensão de pico reversa

Corrente de pico repetitiva

Corrente média

Corrente máxima de surto

__________________



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1

Fig. 1. Transistor bipolar do tipo NPN. C =

coletor, B = base, E = emissor (há também

transistores do tipo PNP).

Fig. 2. Operação básica do transistor bipolar. A resistência de base, Rb, controla a corrente de base

e, por sua vez, a corrente de coletor.

Transistores

Objetivo

Utilizar o transistor bipolar como chave eletrônica.

1. Introdução

1.1 Funcionamento básico. O transistor

bipolar foi o precursor um grande

desenvolvimento na eletrônica a partir dos

anos 1970, aproximadamente. É um

dispositivo com 3 camadas semicondutoras

(Fig. 1): a base (B), que é estreita em relação

às outras camadas (~1:150) e pouco dopada; o

emissor (E), fortemente dopado; e o coletor

(C), também com dopagem elevada e tamanho maior que as outras camadas. No seu

funcionamento como amplificador, a junção base-emissor é polarizada diretamente e a

junção base-coletor reversamente. Nestas condições (Fig. 2), os elétrons vindos do

emissor encontram podem circular em direção à base, já que a polarização direta da

junção base-emissor possui baixa (~) resistência elétrica. Como a base é estreita e

pouco dopada, ela não consegue absorver todos os elétrons vindos do emissor. A junção

base-coletor, por sua vez, está reversamente polarizada e com elevada (~M),

dificultando o fluxo de elétrons. Todavia, se a tensão reversa for suficientemente alta, os

elétrons não recombinados na base serão atraídos para o coletor, atravessando a alta

resistência da junção base-coletor. Num transistor, de cada 100 elétrons que atingem a

base, 99 serão atraídos para o coletor. O transistor, cujo nome é uma redução de

transfer resistor, uma corrente é transferida de uma resistência pequena (junção

ELT 054 (LAB) Aula 02: Circuitos com diodo, retificadores, filtros, regulador zener

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2

Fig. 3. Controle da resistência emissor-coletor (r) através da base. Meio: variação linear da resistência

através de uma variação gradual da corrente pela junção base-emissor; direita: transistor usado como

uma chave, ligando-se ou desligando-se o controle da base.

Fig. 4. Esquerda: acionamento de um relé variando-se a corrente da base; direita: acionamento

variando-se o potencial da base.

emissor-base) para uma resistência elevada (junção base-coletor).

1.2 Modelo conceitual. Em diversas aplicações, o transistor pode ser visto como um

dispositivo cuja resistência elétrica r entre coletor e emissor é controlada pela base,

como ilustrado na Fig. 3. Variando-se gradualmente o controle através de uma

“pequena” variação na corrente de base, é possível causar variações maiores na corrente

de coletor. Isto está ilustrado, nos circuito abaixo (Fig. 4), onde o LDR (light dependent

resistor) é um componente cuja resistência é “baixa” no claro e “elevada” no escuro. Na

Fig 4a, a corrente pela base aumentará e, consequentemente, a corrente pelo coletor,

acionando o relé. Na Fig. 4b, o LDR controla o potencial da base (e, consequentemente,

a corrente de base) e o relé é acionado no escuro, quando a tensão base-emissor (VBE)

aumenta e, consequentemente, a corrente pelo coletor.

1.3 Análise quantitativa. As seguintes aproximações podem ser utilizadas na análise

dos circuitos de interesse: EC II e BC II , onde é o ganho de corrente. Desta

forma, no circuito da Fig. 5, tem-se para a malha de base:


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3

BEBBCC VIRV ,

e, para a malha de coletor,

CECCCC VIRV .

Desta forma, para uma corrente de coletor, o resistor de base é escolhido de forma

apropriada. A dificuldade é que o ganho de corrente apresenta variações

significativas mesmo para um mesmo transistor (por exemplo, de 40-300), dependendo

da corrente de coletor, da temperatura, por exemplo. Quando deseja utilizar-se o

transistor como uma chave eletrônica para simplesmente ligar ou desligar uma carga

conectada ao coletor, utiliza-se o valor mínimo de nos cálculos.

2. Parte prática

2.1.Polarização dependente de

Material

- Transistor BC 639 (Icmax = 1A, VCE0 = 80V), BC 547 (Icmax = 0,1A, VCE0 = 45V), ou

similar;

- LED

- Resistores (1/8 W): 270, 10 k, 33 k, 100 k, 1M.

- Multímetro.

Considere o circuito abaixo. Monte-e o preencha a tabela. Para cada caso, calcule

também a corrente de base e observe a variação de com a corrente de coletor. Meça

as correntes a partir das tensões nos respectivos resistores.

R2 Ib (calculado) Ib (medido) Ic (medido) )(

)(

medidoIb

medidoIc VCE (medido) VBE

(medido)

0

33 k

100 k

1 M


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4

2.2. Sensor de Luz 1

Material

- Transistor BC 639 (NPN) ou similar;

- LED

- Resistores (1/8 W): 270 e 10 k

- LDR

- Multímetro.

Inicialmente, meça a resistência do LDR no claro e no

escuro. Monte o circuito e observe/comente seu

comportamento à medida que a luz incidente no LDR

varia. Meça as correntes de base e coletor (através das

tensões em R1 e Rc) nas condições extremas de

luminosidade.

2.3. Sensor de Luz 2

Material


- LED

- Resistores (1/8 W): 270 e 100 k

- LDR

- Multímetro.

Monte o circuito e verifique seu funcionamento.

Observe/comente a variação da tensão VBE com a variação

da luminosidade.

2.4. Acoplamento óptico

Material


- LED vermelho ou verde;

- LED infravermelho TIL 32

(VF = 1,6 V, Imax = 40

mA, = 900 nm;

encapsulamento

transparente ou azul

claro);

- Fototransistor (TIL 78;

encapsulamento cinza ou azul escuro)

- resistores (1/8 W): 2 270 , 2,7k.

- Multímetro.

Analise o funcionamento do circuito, observando que Q2 comporta-se como uma

resistência variável controlada pela luz emitida por D1. Monte o circuito. Verifique seu

funcionamento, aproximando o transmissor (D1) do receptor (Q2) monitorando, ao

mesmo tempo, a tensão VBE no transistor W3. Meça e calcule a corrente pelo emissor

infravermelho.

270

270

2,7k

100k


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3. Atividades para casa

3.1 Relatório

Apresente e discuta os resultados dos experimentos 2.1 a 2.4.

3.2 Simulação 1 LtSpice

Na figura abaixo, L1 e r1 representam a indutância e a resistência de um relé

eletromecânico e a fonte v2 gera pulsos. Inicialmente, não conecte D1 ao circuito.

a) Explique o funcionamento do circuito.

b) Simule-o, com D1 não conectado, e observe o comportamento das correntes de base e

de coletor, assim como da tensão Vce (entre coletor e emissor).

c) Ligue agora D1 e repita a simulação. O que ocorre? Justifique.

3.2 Simulação 2 LtSpice

No LtSpice, o valor de um componente pode ser variado durante a simulação, como

ilustrado para o resitor LDR do circuito abaixo, onde a sintaxe R define uma variável

a ser especificada.


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6

Para especificar a variação da variável R, são dadas “diretivas”, editadas a partir da aba

[.op] do menu de opções, como resumido abaixo:

A diretiva [.step param R 1k 50k 1k] indica a variação de R de 1k até 50k em

intervalos iguais de 1k.

A diretiva [.op] calcula os parâmetros DC do circuito (ponto de operação) para cada

valor de R.

a) Simule o circuito e observe a tensão Vbe, a corrente de coletor e a tensão Vce. Note

que os valores serão traçados em função do parâmetro variado.

b) A variação de R pode ser especificada de outras formas, como

numa lista [.step param R list 1k 10k 100k 500k 1meg 10meg] ou

logaritmicamente [.step dec param R 100 500k 9]; no caso: em décadas, valores de

100 a 500 k, com 9 valores por década. Explore estas possibilidades. Mais

detalhes em: http://www.linear.com/solutions/1831

http://eecs.oregonstate.edu/education/docs/tutorials/LT%20Spice_VarResistor.pdf

http://moodle.cecs.pdx.edu/pluginfile.php/709/mod_resource/content/0/Project/LTSpice_Parameter_S

weep_Tutorial_V02.pdf

http://www.linear.com/solutions/1831

http://eecs.oregonstate.edu/education/docs/tutorials/LT%20Spice_VarResistor.pdf

http://moodle.cecs.pdx.edu/pluginfile.php/709/mod_resource/content/0/Project/LTSpice_Parameter_Sweep_Tutorial_V02.pdf

http://moodle.cecs.pdx.edu/pluginfile.php/709/mod_resource/content/0/Project/LTSpice_Parameter_Sweep_Tutorial_V02.pdf

Laboratório de Eletrônica Analógica e Digital - Introdução ao Arduino (3) – ACIONAMENTO DE MOTORES


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1. “Montagem 01” – Introdução ao Motor DC.

1.1. Introdução

O motor de corrente contínua tem ímãs em torno de uma bobina

chamada de rotor ou induzido. Quando a corrente elétrica flui pela

bobina cria um campo que interage com o campo do ímã produzindo

uma força que faz o rotor girar. Este motor tem aspectos

interessantes, como fácil utilização, velocidade elevada, velocidade é

proporcional a tensão colocada em seus terminais e utilização de

poucos pinos de I/O do Arduino. A principal desvantagem é não

permitir o controle de posição. As características de um pequeno

motor DC similar ao usado no experimento são dadas na Figura 1.

Como a corrente máxima do motor (300 mA) é superior à máxima

corrente que uma saída do Arduino pode fornecer (40 mA), utiliza-se

um transistor interligado o Arduino ao motor.

1.2. Experimento

Siga os passos corretamente e certifique-se que o Arduino esteja desligado da alimentação

USB durante a montagem. Fixe a placa do Arduino (com uma fita elástica) ao protoboard.

1º. Estude atentamente o circuito a ser montado (Figura 2). O objetivo é controlar a velocidade

do motor na saída D3 via PWM, variando-se a tensão na entrada A0.

Figura 1. Características do motor DC.

Figura 2. Esquemático do circuito do Motor DC.

Arduino/Motores


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8

2º. Faça a montagem com barramentos de +Vcc e terra nas linhas horizontais superior e inferior

do protoboard, respectivamente. Peça ao professor para verificar sua montagem.

3º. Estude o programa da Figura 3, que controla o motor. Digite, compile, salve e execute o

código com a montagem da Figura 2.

Figura 3. Código de controle do motor DC.

2. “Montagem 02” - Servo Motor

2.1 Introdução

Num servo motor, dispositivo baseado em um motor elétrico, o eixo pode permanecer estacionado

indefinidamente em uma posição angular. Um potenciômetro e um circuito internos são responsáveis

por este controle. Nessa prática vamos usar um micro servo motor (Figura 4), que é empregado em

Figura 4. Micro servo motor



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9

pequenas máquinas e robôs. As principais

características são:

Velocidade: 0,11 segundos / 60 graus;

Torque: 1,4kg.cm com 4,8V;

Torque: 1,7kg.cm com 6V;

Faixa de temperatura:-30 ºC à +60 ºC;

Dead band: 2 µs;

Tensão: 3.0 à 6.0 Volts;

Dimensão: 22mm x 11mm x 27mm;

Vantagens: precisão; garantia de movimento

contínuo; operação em velocidade sem aquecer;

operação em velocidade nula, isto é, mantendo a

carga mecânica na posição. Desvantagem

principal: em geral, possuem ângulo máximo de

180º. A Figura 5 mostra um servo motor e os fios

de ligação (preto/marrom – GND, vermelho – 5V e

branco ou amarelo – fio de controle, ligado ao Pino

do Arduino).

O servo motor é movido através de um sinal de PWM (Pulse Width Modulation) no fio de controle. Um

pulso com largura entre 1 ms e 2 ms é enviado repetidamente (50 vezes por segundo) para o servo.

A largura do pulso determina a posição angular. Por exemplo, um pulso de 1 ms coloca o servo na

posição 0º, enquanto um pulso de de 2 ms o movimentará para 180º. A largura de pulso para

posições angulares intermediárias pode ser interpolada linearmente. Assim, uma largura de pulso de

1,5 milissegundos movimentará o servo para 90º (Figura 6).

Figura 6. Largura de pulso e posição do servo motor.

Figura 5. Servo Motor.

Arduino/Motores


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0

2.2 Experimento

Siga os passos para realizar as conexões corretamente, certifique-se que a Placa Arduino

esteja desligada.

Chame o professor para verificar

sua ligação, antes de conectar o

Arduino à porta USB para evitar

danos ao Servo Motor.

1º. Estude atentamente o circuito da

Figura 7.

2º. Monte o circuito e peça ao

professor para verificar as

ligações antes de prosseguir.

3º. Estude o código da Figura 8. A

biblioteca <Servo.h> do Arduino

permite o controle de motores

servos Em seguida, digite,

compile, salve e execute o

programa juntamente com o

circuito da Figura 7.

Figura 8. Código do Servo Motor.

Figura 7. Circuito do Servo Motor.



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1

3. “Montagem 03” – Motor de Passo

3.1. Introdução Um motor de passo (Figura 9) permite posicionado ou rotação exatos do eixo. Neste tipo de motor a

rotação é controlada por uma série de campos eletromagnéticos que são ativados e desativados

eletronicamente com precisão. Sua vantagem é a precisão e a desvantagem é baixa velocidade.

Motores de passo podem ser classificados em unipolares e bipolares. Um motor unipolar, também

conhecido por “motor de 5 fios”, possui uma derivação entre os enrolamento de duas bobinas, é mais

fácil de ser controlado e é menor (menor relação torque/volume) que o motor de passo bipolar. Um

motor bipolar, também conhecido por “motor de 4 fios”, necessita de um circuito mais complexo para

o controle, pois é necessário inverter o sentido da corrente elétrica em suas bobinas durante seu

funcionamento.

(b) (c)

(a)

Figura 9. (a) motor de passo unipolar; (b) motor bipolar; (c) motor Modelo 28YBT-48 (unipolar)

Em nossa prática vamos usar o motor unipolar. A forma com que o motor irá operar dependerá do

que se deseja controlar. Há casos em que o torque é mais importante, outros a precisão ou a

velocidade.

Algumas características de um pequeno motor de passo unipolar Modelo 28YBT-48 que usaremos

em nosso experimento são dadas abaixo:

Tensão de operação: 5 V

Diâmetro: 28 mm

Número de polos: 4

Ângulo do Passo: 5,625º/64

Frequência: 100 Hz

Frequência: 100 Hz

Torque de atrito: 600-1200 gfcm

Torque Inicial: 300 gfcm

Peso: 40 g

Arduino/Motores


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2

Para interligar o motor de passo ao Arduino será utilizado o circuito integrado ULN2003 (Figura 10)

que, basicamente, contém transistores (drivers) e diodos de proteção para o acionamento das

bobinas. Estes transistores interligam cada entrada com a respectiva saída através de transistores.

Por exemplo, na, Erro! Fonte de referência não encontrada., a entrada IN1 = 1B é ligada à saída

bobina ligada à saída 1C = orange (laranja) e, da mesma forma, 1N2 2C = yellow (amarelo) , 1N3

pink (rosa), 1N4 blue (azul).

Figura 10. Driver ULN2003.

Para o motor girar é preciso que as bobinas sejam acionadas numa certa sequência. A Figura 11

mostra os terminais do motor de passo unipolar (à direita) e uma tabela com a sequência de 8 etapas

para gerar meio passo (half step) de rotação. Estude a tabela com atenção.

Figura 11. Esquerda: a sequência completa para half step. À direita: o digrama dos fios do motor

unipolar.



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3

3.2. Experimento Siga os passos para realizar as conexões corretamente, certifique-se que a Placa Arduino

esteja desligada.


evitar danos ao Motor de Passo.

1º. Estude atentamente o diagrama de conexões (Figura 12).

Figura 12. Conexões do motor de passo ao Arduino e driver ULN2003.

2º. Ligue o motor de passo ao módulo ULN2003;

3º. Faça as conexões do Arduino ao módulo ULN2003 (D8-D11 IN1-IN4);

4º. Alimente a placa do driver do motor de passo (Figura 12);

Ligue os terminais “+” (5V) e “-“ à alimentação fornecida pelo Arduino ();

A placa aceita tensões de alimentação entre 5-12V;

5º. Peça ao professor para conferir a sua montagem;

6º. Estude o código da Figura 13, digite-o, compile, salve e execute com a montagem do motor

de passo.

Arduino/Motores


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4

// MOTOR DE PASSO #define BLU 8 // azul = pino 8 #define PIK 9 // rosa = pino 9 #define YEL 10 // amarelo = pino 10 #define ORG 11 // laranja = pino 11 #define TEMPO delay (2) #define ORG_ON digitalWrite (ORG, HIGH) #define ORG_OFF digitalWrite (ORG, LOW) #define BLU_ON digitalWrite (BLU, HIGH) #define BLU_OFF digitalWrite (BLU, LOW) #define YEL_ON digitalWrite (YEL, HIGH) #define YEL_OFF digitalWrite (YEL, LOW) #define PIK_ON digitalWrite (PIK, HIGH) #define PIK_OFF digitalWrite (PIK, LOW) void setup() // configura saídas digitais pinMode (BLU, OUTPUT); // pino 8 (azul) pinMode (PIK, OUTPUT); // pino 9 (rosa) pinMode (YEL, OUTPUT); // pino 10 (amarelo) pinMode (ORG, OUTPUT); // pino 11 (laranja) void loop() int i; for (i = 0; i < 512; i++) Gira_AH (); // gira anti-horário delay (2000); // aguarda para inverter for (i = 0; i < 512; i++) Gira_H (); // gira horário delay (2000); // aguarda para inverter

void Gira_H () /******************************************* Sequencia de fases para girar no sentido horário (Ver fig 12 do roteiro) TEMPO = delay(2): entre cada fase ******************************************/ /** Fase 1 **/ ORG_ON; YEL_OFF; PIK_OFF; BLU_OFF; TEMPO; /** Fase 2 **/ ORG_ON; YEL_ON; PIK_OFF; BLU_OFF; TEMPO; /** Fase 3 **/ ORG_OFF; YEL_ON; PIK_OFF; BLU_OFF; TEMPO; /** Fase 4 **/ ORG_OFF; YEL_ON; PIK_ON; BLU_OFF; TEMPO; /** Fase 5 **/ ORG_OFF; YEL_OFF; PIK_ON; BLU_OFF; TEMPO; /** Fase 6 **/ ORG_OFF; YEL_OFF; PIK_ON; BLU_ON; TEMPO; /** Fase 7 **/ ORG_OFF; YEL_OFF; PIK_OFF; BLU_ON; TEMPO; /** Fase 8 **/ ORG_ON; YEL_OFF; PIK_OFF; BLU_ON; TEMPO; void Gira_AH () /******************************************* Sequencia de fases invertida para girar no sentido anti-horário (Ver fig 12/roteiro) TEMPO = delay(2): entre cada fase ******************************************/ /** Fase 8 **/ ORG_ON; YEL_OFF; PIK_OFF; BLU_ON; TEMPO; /** Fase 7 **/ ORG_OFF; YEL_OFF; PIK_OFF; BLU_ON; TEMPO; /** Fase 6 **/ ORG_OFF; YEL_OFF; PIK_ON; BLU_ON; TEMPO; /** Fase 5 **/ ORG_OFF; YEL_OFF; PIK_ON; BLU_OFF; TEMPO; /** Fase 4 **/ ORG_OFF; YEL_ON; PIK_ON; BLU_OFF; TEMPO; /** Fase 3 **/ ORG_OFF; YEL_ON; PIK_OFF; BLU_OFF; TEMPO; /** Fase 2 **/ ORG_ON; YEL_ON; PIK_OFF; BLU_OFF; TEMPO; /** Fase 1 **/ ORG_ON; YEL_OFF; PIK_OFF; BLU_OFF; TEMPO;

Figura 13. Código para controle do motor de passo unipolar.



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3.2. Bibliotecas para controle de motor de passo Há inúmeras bibliotecas, como a <Stepper.h>, disponíveis para controle de motor de passo. Não há

dificuldades em encontrar a documentação, embora o entendimento possa ser um pouco confuso. As

bibliotecas utilizam definições particulares para as variáveis de controle.

4. “Montagem 04” – Ponte H com Motor DC

4.1. Introdução Ponte H é um circuito eletrônico que possibilita o controle do sentido de rotação do motor DC além de

fornecer a corrente necessária para seu funcionamento. Essencialmente, a ponte H é um conjunto de

4 chaves eletrônicas operadas aos pares (Figura 14). Ligando-se S1 e S4 simultaneamente (Figura

14, centro), a corrente circulará em um sentido pelo motor. Por outro lado, com S3 e S4 ligadas

(Figura 14, direita) a corrente circulará em sentido oposto e o giro do motor será no sentido oposto.

Figura 14. Desenho esquemático de uma Ponte H.

Existem vários shields ou circuitos de ponte H para uso com o Arduino. Em nossa prática, vamos

usar o módulo Ponte H L298N (Figura 15), que permite o controle de 2 motores DC ou um motor de

passo.

Tensão de Operação: 7~35v Tensão lógica 5V Corrente lógica 0~36mA Corrente de Operação máxima: 2A por canal Máxima potência dissipada: 25W Módulo de 2 Canais: – Sinal de controle de entrada: > Nível Alto: 2.3v ≤ Vin ≤ Vss > Nível Baixo: -0.3V ≤ Vin ≤ 1.5V – Temperatura de operação: -25°C ~ +130°C - Dimensões: 43mm x 43mm x 27mm - Peso: 30g

Figura 15. Módulo Ponte H L298N.

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A Tabela 1 mostra as conexões do módulo da Ponte H L298N e algumas sugestões de onde liga-las

no Arduino.

Tabela 1. Conexões do módulo da Ponte H L298N.

Nome da Porta

Estado Descrição

+12V power - ATENÇÃO: Alimentação externa (5V a 35V).

Deve ser ligada ao pino de 5V do Arduino.

power GND - Conexão para o GND da fonte de alimentação externa.

Deve ser ligada ao pino GND do Arduino.

+5V power - ATENÇÃO: saída de 5V

ENA Entrada Habilita (1) /Desabilita (0) motor A – jumper disponível

IN1 Entrada Controle de direção do MOTOR A.

É um sinal PWM do Arduino

IN2 Entrada Sentido de giro do motor. É um sinal lógico fornecido pelo Arduino: HIGH = horário, LOW = anti-horário

ENB Entrada Habilita (1) /Desabilita (0) motor B – jumper disponível

IN3 Entrada Controle de direção do MOTOR B.

É um sinal PWM do Arduino.

IN4 Entrada Sentido de giro do motor. É um sinal lógico fornecido pelo Arduino: HIGH = horário, LOW = anti-horário.

OUT A

(2 pinos)

Saída Ligação do motor A

OUT A = OUT1, OUT2

OUT B

(2 pinos)

Saída Saída para o MOTOR B

OUT B = OUT3, OUT4

5V enable - Se o jumper estiver conectado no pino 5V_EN, o LM7805 irá fornecer 5V para alimentar o CI L298N. Caso

desconecte o jumper do pino será necessário fornecer 5V para o chip L298N.

4.2. Experimento

Vamos controlar um motor DC na saída A (output A) do Módulo da Ponte H L298N.

Para isso, siga os passos para realizar as conexões corretamente, certifique-se que a Placa

Arduino esteja desligada.


evitar danos ao Módulo da Ponte H L298N.



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1º. Estude atentamente o diagrama de conexões a ser feito entre o Arduino e o módulo de

Ponte H (Figura 16).

2º. Verifique se o jumper de 5V enable do módulo Ponte H está no local correto.

3º. Monte o circuito e peça ao professor para conferir.

4º. Em seguida, estude o código da Figura 17. Digite, compile, salve e execute o programa com

a montagem da Figura 16.

#define IN1 9 // I/O digital (saída PWM) = velocidade #define IN2 8 // I/O digital (lógico) = sentido de giro void setup() pinMode (IN2, OUTPUT); // configura pino delay(3000); // aguarda 3s // Fim da função setup void loop() digitalWrite(IN2, HIGH); // sentido horário analogWrite(IN1, 255); // velocidade máxima (0...255) delay(1000); // aguarda 1s analogWrite(IN1, 127); // meia velocidade delay(1000); // aguarda 1s analogWrite(IN1, 0); // velocidade zero delay(1000); // aguarda 1s digitalWrite(IN2, LOW); // sentido anti-horário analogWrite(IN1, 255); // velocidade máxima delay(1000); // aguarda 1s analogWrite(IN1, 127); // meia velocidade delay(1000); // aguarda 1s analogWrite(IN1, 0); // velocidade zero delay(1000); // aguarda

Figura 17. Código do Módulo da Ponte H L298N.

Figura 16.Ligações do Arduino ao módulo de Ponte H

Arduino/Motores


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5. Trabalho de Casa (LtSpice): Estudo dirigido (Ponte H)

5.1. Nas aulas anteriores, você usou um transistor NPN para chavear uma carga ligada a +Vcc. Na figura ao lado, um transistor PNP (BC327 ou BC 638) é usado para chavear uma

carga (R = 15) ligada ao terra.

Calcule a corrente de base e de coletor com V2 = 5V e V2 = 0V. Simule o circuito e compare os resultados com seus cálculos. Ilustre com formas de onda apropriadas.

No Ltspice, você pode adicionar formas de onda

com [mouse direita] Add plot panel

5.2. O circuito ao lado (push-pull) é alimentado por uma fonte simétrica (±Vcc) e a carga está ligada ao terra. Se V2 = -Vcc, Q1 conduz e acorrente circula em R

de +Vcc terra; se V2 = +Vcc, Q2 conduz e a corrente circula

em R de terra –Vcc.

Calcule a corrente de base e de coletor de Q1 e Q2 quando V2 = +Vcc e V2 = -Vcc. Simule o circuito e ilustre com formas de onda apropriadas.

5.3. O circuito abaixo é uma ponte H para uma carga resistiva R. As fontes Ve 2 V3 estão

em oposição de fase (V2 = ). Quando V2 = 0V e V3 = +5V, Q1 e Q4 conduzem, e a

corrente circula de ab. Por outro lado, com V2 = 5V e V3 = +0V, Q2 e Q3 conduzem, e a

corrente circula de ba.

Calcule a corrente em R quando um dos braços da ponte estiver conduzindo. Simule o circuito e ilustre com formas de onda apropriadas.



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5.4. No circuito ao lado, o transistor PNP Q1 (BC 327 ou BC 638) aciona uma carga indutiva

representada por sua resistência (15) e sua indutância (100 mH).

Simule o circuito com e sem a ligação do diodo D1, como sugere o desenho. Observe a tensão no coletor de Q1 nestas situações. Ilustre com formas de onda e comente.

5.5. A figura abaixo mostra apenas um braço (Q1 e Q4) de uma ponte H. O inversor Q_5 substitui a fonte V3 usada no item 5.3. Com V2 = +5V, Q1 e Q4 conduzem e a

corrente circula de A B. Por outro lado, com V2 = 05V, Q1 e Q4 estão cortados e não

há corrente na carga. Contudo, quando V2 muda de +5V 0V, a interrupção na corrente pela carga gera uma tensão reversa que pode danificar os transistores. Os diodos D2 e D3 criam um caminho que dá continuidade à corrente, dissipando a energia armazenada no indutor.

Simule o circuito (com e sem os diodos); configure os níveis de tensão do inversor no editor de atributos do componente [mouse direita]:

Apresente formas apropriadas e comente.

Arduino/Motores


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0

5.6. A figura abaixo mostra um circuito de ponte H completo para carga indutiva. O inversor Q_5 da figura 5.5 foi substituído pelo transistor Q5. Estude seu funcionamento, explicando a função de cada componente.

Simule o circuito (com e sem os diodos), ilustre com formas de onda apropriadas e comente.

ELT 006 (LAB) Prof. Maurílio Nunes Vieira

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1

Figura 1. Amplificador Operacional a) Simbologia: 1 = entrada não inversora, 2 = entrada inversora, 3 = saída;

±Vcc é a alimentação; b) Modelo conceitual (com o OpAmp ligado a uma fonte de sinal vg e a uma carga RL): Ri =

resistência de entrada, Ro = resistência de saída, Ad = ganho diferencial (ou em malha aberta); v+ e v- são as tensões

nas entradas não inversoras e inversoras, respectivamente. Para minimizar os efeitos de carga, Ri >> rg e Ro <<

RL. Num amplificador ideal, Ri → ∞, Ro → 0 e Ad → ∞. Como Ri → ∞, a corrente pelos terminais de entrada Ib .

Amplificadores operacionais 1 - Comparadores

Objetivo: aplicar um comparador numa malha de controle tipo liga-desliga

Introdução

A Figura 1 mostra o símbolo esquemático e o modelo conceitual de um amplificador

operacional (OpAmp). O dispositivo é um circuito integrado com, pelo menos, os

seguintes terminais:

Alimentação que é, em geral, simétrica (Vcc); há OpAmps que também trabalham

com fontes simples (0 +Vcc);

Duas entradas: a não-inversora (+) e a inversora (-);

Uma saída.

A tensão vo na saída do OpAmp é dada por:

ddo vAv ,

onde )( vvvd é a tensão diferencial nas entradas e dA é o ganho diferencial (ou

em malha aberta) do dispositivo. Um OpAmp tem, idealmente, as seguintes

características:

Ganho diferencial infinito, dA ;

Resistência de entrada infinita, iR e, consequentemente,

Corrente de polarização nos terminais de entrada nula, 0bI .

Resistência de saída nula, 0Z ;

Em dispositivos comerciais de uso geral, tem-se Ad ~ 100 V/mV = 100.000; 610iR ;

nAIb 20~ ; Vcc ~ ±15 V ou 0V ... 30 V; corrente máxima na saída 0I ~ 30 mA.

Comparadores. O elevado ganho diferencial é utilizado nos circuitos comparadores

(Figura 2a), onde a saída será levada a dois extremos. Considerando o ganho dA , a

saída do comparador será:

)( vvseVVAv CCddo ou )( vvseVv CCo .

(a) (b)


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2

12,

12,

)(

0

0

0

vvseVccv

vvseVccv

Avvv d

(a)

bIII 21

43

4

21

2 ,RR

RVccv

RR

RVccv

(b)

Figura 2. Circuitos comparador utilizando o amplificador operacional.

Figura 3. Comparador sem histerese. No exemplo, o sinal na entrada não inversora possui uma

componente de 1 kHz 2Vp acrescida de outra de 20 kHz 0,3V (representado o ruído). Observe

como a saída tem mudanças indesejáveis quando a entrada inversora tem valores próximos ao limiar

(terra) da entrada não inversora.

Na Figura 2b, as tensões nas entradas do OpAmp são determinadas pelos resistores R1

R2 e R3 R4. No projeto, faz-se com que as correntes que fluem pelos resistores externos

sejam “muito” (acima de 100 vezes) maiores que as correntes de polarização do

operacional (Ib).

Realimentação positiva (histerese)

Quando as tensões nas entradas são próximas, vv , o ruído em alguma das entradas

poderá causar oscilações rápidas na polaridade da saída (Figura 3). Se a saída estiver

acionando algum dispositivo eletromecânico, as comutações excessivas poderão causar


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3

Figura 4. Comparador com histerese (realimentação positiva). No exemplo, o sinal na entrada não

inversora possui uma componente de 1 kHz 2Vp acrescida de outra de 20 kHz 0,3V (representado

o ruído). Observe como a tensão na entrada inversora (limiar móvel), v+

= V(R2), é modificada.

danos ao equipamento. Esta situação é contornada introduzindo-se uma histerese no

circuito. Isto é obtido alterando-se a tensão de referência na entrada inversora

imediatamente após cada mudança da saída, por meio de certa dose de realimentação

positiva (Figura 4). Desta forma, a tensão na entrada não inversora será modificada de

forma a evitar as oscilações indesejáveis, como visto anteriormente (Figura 3). O nível

de histerese precisa ser ajustado em função da amplitude do ruído.

Parte prática

Material (veja circuitos abaixo)

Familiare-se com o LM358 de baixo custo, que possui dois amplificadores operacionais

(Figura 5). Identifique o chanfro que orienta a numeração dos pinos. Este amplificador

operacional, ao contrário da maioria dos outros, pode trabalhar com alimentação

simples ou simétrica. Suas características principais são:

- Alimentação simples (3V a 32V) ou simétrica (±1,5V a ±16V)

- Corrente de polarização típica: 20bI nA;

- Resistência de entrada: 610~iR

- Ganho típico: 100 V/mV = 100.000;

- Corrente de saída máxima: 0I ~ 20 mA

- Tensão máxima de saída: Vcc – 1,5V Figura 5. Pinagem LM358


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4

Figura 6. Controle tipo liga-desliga. A temperatura do forno (resistor R5) é monitorada por um sensor (LM 35) e

comparada com uma referência (set point) estabelecida por R1 e R2. Dependendo da polaridade do erro (abaixo

ou acima do valor desejado), o relé K1 será ligado ou não, através do transistor. Os contatos do relé suportam a

corrente em R5. O filtro passa baixas (R7 e C1) atenua ruídos no sinal do sensor.

2

3 1

4

8

Controlador de temperatura (liga-desliga)

Como ilustrado na Figura 6, o comparador será utilizado num sistema simples para o

controle para da temperatura em um forno, representado pelo resistor R5. Leia a legenda

da Figura 6 com atenção.

2.1 Comparador

Monte o módulo comparador (Figura 7), utilizando o

operacional ligado aos pinos 1-3 do circuito integrado. Não

se esqueça de alimentar o componente.

Verifique o funcionamento do circuito ligando o ponto “a”

(entrada não inversora) ao terra ou a +Vcc. Meça a tensão

de saída; ela alcança +5Vcc?

Calcule/meça o valor da tensão na entrada não inversora.

O resistor de realimentação positiva (histerese) será inserido

posteriormente.

IN

GND

VCC

Figura 7. Comparador (sem

histerese)


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5

2.2 Módulo de acionamento (relé)

Ao invés de montarmos o circuito de acionamento do relé, será

utilizado um módulo (shield) para Arduino (Figura 8). Seu circuito

é semelhante àquele mostrado na Figura 6. Familiarize-se com o

módulo, identificando os terminais de

alimentação (VCC, GND), do sinal de

controle (IN), e dos terminais dos

contatos do relé.

Como indicado na Figura 9, alimente o módulo e ligue sua

entrada (in) à saída (out) do OpAmp, como indicado ao lado.

Conecte também o resistor R5. O sensor de temperatura

acoplado a ele será ligado posteriormente.

Verifique o funcionamento do módulo chaveando a tensão

aplicada à sua entrada, como indicado na figura ao lado.

Verifique o aquecimento e resfriamento do resistor R5.

2.3 Sensor de temperatura

O sensor de temperatura (Figura 10) é

um circuito integrado que gera uma

tensão que varia linearmente com a

temperatura à taxa de 10 mV/oC. Ele é

alimentado por uma fonte simples

(4-30V). Assim, 25 o

C resultarão em

250 mV na saída do sensor.

Alimente o LM35 como mostra a

Figura 11, e verifique o

funcionamento. Para tal, monitore a tensão de saída do

sensor com o osciloscópio à medida que você liga e desliga o

relé. Se necessário, sopre o resistor para acelerar sem

resfriamento. Em seguida, insira o filtro (R4, C1) e observe

seu efeito no osciloscópio.

2.4 Fechando a malha de controle

Resta agora conectar a saída do comparador ao

módulo do relé, assim como a saída do sensor de

temperatura à entrada do comparador. O circuito

final será o da Figura 12.

O resistor R3 = 560k introduz um certo grau de

histerese para evitar o acionamento repetitivo do

relé devido a ruídos no sinal da temperatura

medida.

Figura 8. Módulo relé

Figura 9. Teste do relé.

Figura 10. LM35.

Figura 11. Testando o sensor

de temperatura.

Figura 12. Controlador liga-desliga


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A temperatura de referência é definida pela tensão em R2. Qual o valor desta

temperatura?

Monte o circuito e verifique seu funcionamento, monitorando, com o osciloscópio, os

sinais nas entradas inversora (medida) e não inversora (set point).

Se possível, altere o valor de R3 para 330k e 1M e veja que influência isto faz na

precisão do controle de temperatura.

Esta técnica de controle é das mais simples. Ela pode ser melhorada introduzindo-se

estratégias que consideram não apenas a polaridade (sinal) do desvio de temperatura

(erro), mas também a amplitude, o valor acumulado e a taxa de variação do erro. São os

controladores PID (proporcional, integral e derivativo) amplamente na utilizados na

indústria.

3 Atividades para casa.

3.1 Faça um relato sucinto, com comentários, dos resultados dos experimentos feitos

em salda de aula.

3.2 Imunidade ao ruído. Na Figura 6, a tensão de referência foi fixada por um divisor

de tensão (R1, R2). Neste caso, demonstre (aplicando a Lei das correntes de Kirchhoff à

entrada não inversora, ignorando a corrente de polarização do OpAmp) que a tensão

sobre R2 é:

)3//2//1(31

RRRR

V

R

VV occ

T

.

Com realimentação positiva, 0V assume dois valores ( oHV e oLV ) e,

consequentemente, TV oscila entre THV e TLV como indica a figura ao

lado. A imunidade ao ruído é dada pela histerese = THV - TLV .

3.2 Simulação LTspice

O circuito da Figura 13 é semelhante ao estudado

no laboratório. O LT1720 é um comparador com

alimentação simples disponível no simulador. A

alimentação, no caso, é de 12V. A fonte V1

(senóide, DC offset = 3V, Amplitude = 2V,

frequência = 1 Hz) representa o sinal de um

sensor, corrompido por um ruído representado por

V2 (senóide, offset = 0V, amplitude = 0.4V,

frequência = 60Hz).

Inicialmente, sem R3, edite o circuito e explique

seu comportamento, ilustrando sua discussão com

formas de onda das tensões nas entradas e saída do

comparador.

Insira R3 = 560k no circuito. A oscilação na saída foi eliminada? Verifique por quê.

Insira R3 = 330k no circuito e observe seu comportamento. Calcule a imunidade ao

ruído (item 3.3) e compare com a amplitude pico a pico da fonte V2.

Figura 13. Comparador com histerese.

ELT 006 (LAB) Prof. Maurílio Nunes

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Fig. 1. Amplificador Operacional a) Simbologia: 1 = entrada não inversora, 2 = entrada inversora, 3 =

saída; ±Vcc é a alimentação; b) Modelo conceitual (com o OpAmp ligado a uma fonte de sinal vg e a

uma carga RL): Ri = resistência de entrada, Ro = resistência de saída, Ad = ganho diferencial (ou em

malha aberta); v+

e v- são as tensões nas entradas não inversoras e inversoras, respectivamente. Para

minimizar os efeitos de carga, Ri >> rg e Ro << RL. Num amplificador ideal, Ri → ∞, Ro → 0 e

Ad → ∞. Como Ri → ∞, a corrente pelos terminais de entrada Ib1 e Ib2 → 0.

Amplificadores operacionais (OpAmp) II

Objetivo: Estudo de circuitos básicos usando realimentação negativa

1.0 Introdução

O ganho diferencial de um amplificador operacional, idealmente infinito, é uma

característica fundamental do dispositivo.. Como visto na aula anterior, a tensão vo na

saída do OpAmp é dada por:

ddo vAv ,

onde )( vvvd é a tensão diferencial nas entradas e dA é também chamado de

ganho em malha aberta. Todavia, para um ganho dA , uma tensão diferencial

infinitesimal saturará a saída, isto é, a levará a um valor teoricamente infinito que, na

prática é limitado pela alimentação do circuito e por características internas do OpAmp.

Amplificador inversor (Fig. 2a). A justificativa para um ganho tão elevado surge quando

se utiliza uma realimentação negativa. Com ela, uma parcela da tensão de saída será

ligada à entrada inversora de forma a diminui e controlar o ganho de forma simples e

precisa. Isto está ilustrado no amplificador inversor (Fig. 2a). Para analisar este circuito

e outros similares, as seguintes considerações:

As correntes de polarização, 1bI e 2bI , idealmente iguais e tendendo a zero, são

desprezíveis em relação às correntes que circulam pelos resistores externos;

A tensão diferencial )( vvvd → 0. Isto decorre do fato de ddo vAv ,

onde dA e Vccvo ~ .

Conceitualmente, o sinal de saída (que é uma versão amplificada de vi, mas com o sinal

trocado) é reaplicado à entrada (via R2), de forma a atenuá-la. Dosando-se a quantidade

de realimentação negativa (isto é, os valores relativos entre R1 e R2), controla-se a

amplitude da saída, ou seja, o ganho do circuito. Fazendo-se uma análise quantitativa da

Fig. 2a, tem-se

21211 0 iiiiIb


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8

(a) (b)

Fig. 2. Realimentação negativa. (a) amplificador inversor; (b) amplificador somador.

Por outro lado, 0)( vvvd , isto é, o potencial da entrada inversora é

praticamente o mesmo do terra. Diz-se que há um terra virtual na entrada inversora.

Fisicamente, há uma resistência idealmente infinita entre as entradas e uma corrente de

polarização idealmente nula por elas. Com estas observações, as correntes pelos

resistores externos são:

11 / Rvi i e 22 / Rvi o .

Como 21 ii , segue que

201 // RvRvi ARRvv io 12 //

onde A é o ganho do circuito em malha fechada ou com realimentação. Na prática, o

ganho pode ser projetado pela relação entre os resistores, utilizando-se resistores tais

que as correntes por eles sejam ordens de magnitude (~100 vezes) maiores que as

correntes de polarização (~nA).

Somador (Fig. 2b). Conectando-se várias entradas, obtém-se um somador. Neste caso,

332111 /2// RvRvRvi ,

fo Rvi /2 .

Como 21 ii , segue que

3

3

2

2

1

1

vR

Rv

R

Rv

R

Rv

fff

o

Integrador (Fig. 3a). Com esta mesma topologia de circuito, podem ser obtidas obras

relações entre a entrada e a saída. Substituindo-se o resistor de realimentação por um

capacitor, obtém-se um circuito integrador. Na Fig 2, Rc ii , onde Rvi iR / e

dtdvCi oC / . Assim,

dtvRC

v io 1


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9

(a)

(b)

Fig. 3. Realimentação negativa. (a) integrador; (b) diferenciador.

Não inversor

1i

2i

(a)

(b)

Fig. 4. (a) Amplificador não-inversor; (b) seguidor de tensão, isolador ou buffer.

Diferenciador (Fig. 3b): Invertendo-se a posição entre o capacitor e o resistor, obtém-se

um circuito diferenciador. Sendo Rc ii onde Rvi oR / e dtdvCi iC / , segue que

io vdt

dRCv

A realização destas operações matemáticas e outras (como amplificadores logarítmicos,

exponenciais, etc.) justificam o nome do dispositivo. Tais operações foram a base dos

antigos computadores analógicos, usados para simular equações íntegro-diferenciais.

Circuitos similares ainda são usados em controladores industriais.

Amplificador não-inversor. No

amplificador inversor (Fig. 2a), a

fonte do sinal vi a ser amplificado

está virtualmente conectada ao

terra através de R1. Idealmente, a

impedância “vista” pela fonte de

sinal deveria ser infinita, como

justificado no quadro ao lado.

No amplificador não-inversor (Fig 4a), a impedância de entrada vista pela fonte externa

é efetivamente a impedância de entrada do OpAmp. Com as idealizações (terra virtual,

corrente de entrada nula), tem-se 21 ii e 22 iRvi , )/( 2120 RRRvvi ou

1

21R

Rvv io .


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0

O ganho, portanto, é sempre maior no amplificador não-inversor.

Seguidor de tensão (isolador ou buffer). O seguidor de tensão (Fig. 4b) pode ser visto

como uma simplificação do amplificador não-inversor, onde os resistores de entrada e

de realimentação foram excluídos. Desta forma, lembrando-se ainda do terra virtual,

tem-se

io vv .

Como a impedância de saída do OpAmp é, idealmente, nula, a fonte de tensão

comporta-se agora como uma fonte de tensão ideal. O isolador é particularmente útil

quando se deseja ligar um certo ponto de um circuito a outro, sem que ocorram

interferências mútuas.

2. Parte prática

2.1 Familiare-se com o circuito integrado (CI). Identifique o chanfro (seta na figura)

que orienta a numeração dos 14 pinos. O pino 8 não é utilizado e os pinos 1 e 2 são

usados para fazer o chamado ajuste de offset, utilizado à frente. As características

principais do TL071 são:

- Alimentação simétrica (4V ... 18V);

- Corrente de polarização típica:

5bI pA;

- Resistência de entrada: 1210iR


- Corrente de saída máxima: 0I ~ 40 mA;

2.2 Amplificador inversor

a) Monte o amplificador inversor ao lado.

b) Conecte um gerador de sinais ao ponto “a”

(senóide; 1 kHz; 0,5 Vpico)

b) No osciloscópio, observe simultaneamente a

entrada e a saída; meça a amplitude e compare

com o valor calculado.

c) Observe/justifique a amplitude do sinal de saída para amplitudes de entrada de 1,0V

e 1,5V.

d) Com uma onda quadrada de 0,5 Vpico na entrada, vá aumentado a frequência do sinal

até a faixa de MHz e observe/descreva as alterações na forma da onda de saída.

Pesquise sobre o slew rate de um amplificador operacional.


_____________________________________________________________________________________

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ina8

1

2.3 Integrador

O circuito ao lado é um integrador, com duas alterações

em relação àquele apresentado inicialmente (Fig. 3a). O

resistor variável P1 (ligado aos pinos 1 e 5 do OpAmp)

e o resistor R4 são usados para corrigir desajustes

(offset) nas entradas do OpAmp que podem levar a

tensões de saída não-nulas. Isto é particularmente

crítico no circuito integrador, que pode acumular esta

tensão de offset. O resistor R3, onde R3 > 10R1, evita a

saturação da saída devido à acumulação (integração) de

sinais contínuos porventura presentes no sinal de

entrada.

a) Monte o circuito conectando, inicialmente, a entrada

“a” ao terra e ajustando P1 até que a saída seja nula.

b) Ligue o gerador de sinais à entrada “a” com uma onda quadrada simétrica (1 Vp,

10 kHz); Certifique-se que não haja componente DC no sinal de entrada pois isto

pode levar à saturação da saída (por quê?). Observe a forma de onda na saída e meça

sua amplitude.

c) Sendo dtvCR

v io 11

1, segue que durante cada degrau da tensão de entrada, a

saída terá a forma de uma rampa tCR

Vv

p

o

11

onde pV é o valor de pico da entrada.

Usando esta expressão, determine a amplitude do sinal de saída e compare com o

valor medido no item b.

2.4 Subtrator

No circuito ao lado destaca-se, em

linha tracejada, um amplificador

subtrator construído em torno de

OP3 (tracejado).

Esta topologia é a base dos

amplificadores de instrumentação

(INA) usados para medir a diferença

de potencial entre dois pontos de

outro circuito sem “efeito de

carga”.

Demonstra-se (item e) que, com R1

= R2 = R3 = R4, a saída é:

BAo vvv .

a) Qual a função de OP1 e OP2 no circuito?


_____________________________________________________________________________________

Pág

ina8

2

b) Monte o circuito utilizando o CI TL084 (ou similar), cuja

pinagem é mostrada ao lado. Ele possui 4 amplificadores

operacionais com características semelhantes ao TL071,

mas a alimentação é única para todos os amplificadores e

não há pinos para o ajuste da tensão de off set.

c) No osciloscópio, meça a tensão nos pontos A, A1 e B, e B2.

Há diferença antes e depois de OP1 e OP2? Qual a função

destes amplificadores?

d) Verifique o funcionamento do circuito, medindo a tensão na saída de OP3.

e) Obtenha a expressão para a saída do circuito, isto é, BAo vvv . Para tal, utilize o

princípio da superposição: faça 0Av e obtenha a saída 0Av em função de R1, R2,

R3 e R4; em seguida, com 0Bv , obtenha 0Bv . A saída total será 00 BAo vvv . Por

fim, simplifique a expressão para o caso de resistores iguais.

3. Atividade para casa: (simulação LTspice)

O circuito ao lado é um retificador de ½ onda (inversor) de precisão. Sua principal

característica é retificar sinais com amplitudes abaixo da tensão de condução de um

diodo retificador.

a) Edite o circuito e faça uma simulação de transitório por 10ms. Observe e ilustre com

formas de onda as tensões de entrada e saída do circuito.

b) Observe e justifique, ilustrando com formas de onda, que nas excursões positivas do

sinal de entrada D1 conduzirá e D2 estará cortado. Com D2 cortado, a saída será

nula.

c) Da mesma forma, nas excursões negativas do sinal de entrada, D1 está cortado e D2

conduzindo. Nesta condição, a tensão Vo terá a mesma magnitude da entrada (mas

com sinal invertido), de forma que 21 R

v

R

v oin . Observe e ilustre isto com formas de

onda.


_____________________________________________________________________________________

Pág

ina8

3

d) Um retificador de onda completa (inversor) de precisão pode ser construído

somando-se o semiciclo positivo à saída do retificador de ½ onda, como ilustrado na

figura abaixo.

Edite o circuito, não se esquecendo das baterias para a alimentação, e ilustre/discuta

seu funcionamento com formas de onda. Note que:

O processamento dos semiciclo positivo da entrada (quando vo1 = 0) é

relativamente simples.

O semiciclo negativo da entrada requer atenção. Note que ele aparecerá

como uma excursão positiva vo1 e será aplicada a U3 (via R5).

Simultaneamente, o sinal negativo proveniente da fonte Vin é aplicado ao

somador U3 (via R6).

Justifique porque R5 = 10k no circuito.


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ina8

4

bIII 21

43

4

21

2 ,RR

RVccv

RR

RVccv

Fig. 1.a) comparador em malha aberta; b) comparador com realimentação positiva .

(a) (b)

Fig. 2. Oscilador (ondas quadrada). a) circuito b) formas de onda

Osciladores de relaxação

Objetivo: Estudo de osciladores de onda quadrada e triangular

1. Introdução

No estudo dos comparadores (Fig. 1a), viu-se que devido ao elevado ganho diferencial

de um OpAmp, saída tende a )( vvseVVAv CCddo ou

)( vvseVVAv CCddo . Viu-se também que, havendo ruído em uma das

entradas, podem ocorrer oscilações rápidas na saída quando vv ; este

comportamento, que era um problema para o acionamento de um relé, foi contornado

introduzindo-se uma parcela de realimentação positiva (Fig. 1b). Desta forma, o sinal

da tensão na entrada não-inversora dependerá da saída, criando uma histerese ou zona

morta em torno do ponto de comutação.

Um circuito oscilador pode ser construído a partir da Fig. 1b, utilizando-se

realimentação negativa para aplicar o sinal de saída à entrada inversora. Isto está

ilustrado na Fig. 2a. No caso, a realimentação negativa ocorre por meio do capacitor C1

que é carregado e descarregado periodicamente pelo resistor R1, como mostrado nas

formas de onda (Fig 2b). Demonstra-se que a forma de onda quadrada da saída tem um


Pág

ina8

5

Fig. 3. Oscilador (ondas quadrada e triangular).

Fig. 4. Oscilador (ondas quadrada e triangular).

período T de oscilação dado por:

2

311

21ln2

R

RCRT .

Pode-se obter uma onda triangular integrando-se a onda quadrada do nosso

oscilador. Isto está ilustrado na Fig 3a, onde o integrador é construído em torno de U2.

O resistor R4 > 10R1 evita a saturação da saída pela integração de uma indesejável

tensão de offset. Desprezando-se as correntes de polarização do OpAmp e a corrente por

R4, tem-se 25 CR ii e, com o terra virtual na entrada de U2 ( 0 vv ), segue que:

dtvCR

vdt

vdC

R

voo

oo1

25

22

2

5

1 1)(.

Observe que a corrente pelo capacitor é constante durante cada intervalo de carga ou

descarga, ao contrário do que ocorre no circuito da Fig 2.

Por fim, é possível combinar-se as duas partes da Fig. 3 numa malha fechada,

com algumas vantagens. Isto está mostrado na Fig. 4, onde a numeração dos

componentes é similar à da Fig. 3, e a saída de U2 é ligada à entrada não inversora de

U1. A entrada não inversora do comparador U1 está fixada em 0 V. O circuito necessita

agora de apenas um capacitor e os resistores R1 e R2 (Fig. 3) não são necessários.


Pág

ina8

6

Demonstra-se que a freqüência de oscilação do circuito da Fig. 4, f = 1/T, é

)/(4

132

25

RRCR

f

Isto pode ser demonstrado observando-se que as correntes em R2 e R3 têm o mesmo

valor desprezando-se a corrente na entrada não inversora de U1 , mas sinais opostos,

isto é:

4

1

25

01

4/

0

01

25

301

2

T

CR

vdtv

CRI

C

vI

T

,

de onde segue a expressão para Tf /1 .

2. Parte prática

Material (ver Fig 2-4)

LM358 (ou similar)

Alimentação simples 3V ... 32V) ou simétrica (1,5V

... 16V);

Corrente de polarização típica: 45bI nA;

Ganho típico: 100 V/mV = 100.000;

Corrente de saída: 0I ~ 20 mA;

2.1 Gerador de onda quadrada

- Monte o oscilador da Fig. 2 com ±Vcc = ±12V;

- Com o osciloscópio, registre as formas de onda nas entradas e na saída do OpAmp;

- Calcule e meça a freqüência de oscilação do circuito, comparando os resultados.

2.2 Integrando a onda quadrada


- Com o osciloscópio, registre as formas de onda nas saídas dos OpAmps;


2.3 Gerador (onda quadrada e triangular)


- Com o osciloscópio, registre as formas de onda nas saídas dos OpAmps;



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ina8

7


3.1 Faça um relato sucinto dos resultados obtidos no laboratório.

3.2 Oscilador de relaxação. O período da oscilação do circuito da Fig. 2 é determinado

a partir dos transitórios de carga e descarga do

capacitor. O sentido da carga do capacitor é invertido

sempre que sua tensão atinge 32

30

RR

Rvv f

.

Como indicado na figura ao lado, onde s1 representa

a inversão de polaridade na saída do amplificador

operacional, os tempos de carga e descarga são iguais

e podem ser obtidos a partir de:

)]exp(1[)exp(11

0 CRt

CRt

if vvv

,

onde fv e iv são as tensões final e inicial do capacitor durante cada transitório de

duração 2/Tt . Com estas considerações, obtenha o período de oscilação do oscilador

da Fig. 2, isto é,

2

311

21ln2

R

RCRT .

3.3 Gerador de onda quadrada e triangular. Para o circuito da Fig. 4, demonstre que o

período de oscilação é )./(4 2325 RRCRT

Sugestão: Em U1, faça 3221 // RvRv oo e desenvolva a expressão para t = T/4.

3.4 Simulação LTSpice

Edite o circuito da Fig. 2 (gerador de onda quadrada) utilizando, inicialmente, o OpAmp

ideal do LTpice. Não se esqueça de incluir as baterias para alimentação.

Faça uma simulação do comportamento transitório do circuito. O que ocorre? Justifique;

Em seguida, utilize um OpAmp não ideal (se não tiver o LM324 na sua biblioteca,

utilize, por exemplo, o LT1001).


____________________________________________________________________________________

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8

Aula 04 – Noções de filtros ativos Introdução

No circuito ao lado, o amplificador operacional

U1 é apenas um seguidor de tensão. Como a

tensão diferencial em sua entrada tende a zero,

a saída acompanhará a tensão no capacitor. O

operacional apenas isolará o circuito RC de

outros circuitos que vierem a serem ligados à

saída Vo.

O circuito RC comporta-se como um filtro passa-baixas. Isto pode ser visto

relacionando-se a tensão na saída, co vv , com a tensão de entrada iv . No domínio da

freqüência, tem-se, portanto:

CRj

CjR

CjjH

jV

jV

i

o

1

1

1

1

)()(

)( .

A magnitude (módulo) e a fase de

H(jω) estão traçados ao lado, para R =

12 k e C = 10 nF. A escala vertical

da magnitude (linha cheia), está em

decibel (dB), isto é:

|)(|log20|)(| jHjH dB

onde 2)(1

1|)(|

CRjH

.

O circuito pode ser alterado de forma a

obter-se uma amplificação do sinal, como mostrado ao

lado. Neste caso, a função de transferência é:

221

2

21

2

1

1|)(|

1

1

CRR

RjH

CRjR

R

Define-se a freqüência de corte como aquela em que a

potência de saída cai à metade ou, de forma equivalente, a tensão de saída é 2/1 ≈

71% da tensão entrada. Isto ocorre quandoCR

f cc

2

12 ou

CRf c

22

1

. Para 2R =

10 kΩ e C = 10 nF, cf = 1,33 kHz.

CjR

CjR

RR

CjR

R

ZjH

V

V

i

1

1

1

1//

)(

2

2

11

2

1

10

C


____________________________________________________________________________________

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ina8

9

De forma semelhante, pode ser construído um filtro passa-altas. A combinação de

passa-altas e passa-baixas pode resultar, por exemplo, num filtro passa-faixa. Estes

filtros serão explorados nos experimentos. Filtros mais sofisticados requerem topologias

mais elaboradas que estão além dos objetivos deste roteiro.

Experimentos

1. Filtro passa-baixas

Material: Veja circuito abaixo (resistores de 1/8 W);

Amplificador Operacional TL071 ou similar:

- Alimentação simétrica (4V ... 18V);

- Corrente de polarização típica: 5bI pA;

- Resistência de entrada: 1210iR


- Corrente de saída máxima: 0I ~ 40 mA;

- Slew rate: 13V/µs (discutido no item 2.2d).

Gerador de sinais = entrada vii;

Osciloscópio.

Procedimentos

1.1. Monte o circuito abaixo (Vcc = 9 V). Qual a finalidade do resistor R3?

1.2 Calcule a freqüência de corte.

1.3 Estime a freqüência de corte e experimentalmente,

fazendo uma varredura da freqüência de entrada e

monitorando, simultaneamente, a amplitude do sinal de

saída.

1.4 Com uma entrada senoidal de ≈1Vpp, faça medições,

em décadas de freqüência de 10 Hz a 100 kHz :

A amplitude (pico-a-pico) da entrada e da saída;

A magnitude da resposta em frequência;

A resposta de fase do circuito, onde a defasagem

tft 2 [rad/s] entre entrada e saída pode

ser medida, em radianos e para cada freqüência,

como ilustrado ao lado. No osciloscópio,

sobreponha o traçado do nível de terra dos

canais, para evitar erros de medição.

1.5 Esboce o gráfico da magnitude e fase da resposta em freqüência, como ilustrado na

introdução.


____________________________________________________________________________________

Pág

ina9

0

2. Filtro passa-faixas

O circuito abaixo é um filtro passa-faixas. Os gráficos mostram a magnitude (linha

cheia) e a fase (linha tracejada) da resposta em frequência. As freqüências de corte

inferior e superior são aproximadas por:

11

12

1

CRf

e

cCRf

2

22

1

Material

Veja figura acima (resistores de 1/8 W);

Gerador de sinais = entrada;

Osciloscópio;

Procedimentos

1.1. Monte o circuito ((Vcc = 9 V).

1.2 Calcule e, experimentalmente, estime as freqüência de corte do circuito

(experimentalmente, faça uma varredura da freqüência de entrada e monitorando,

simultaneamente, a saída). Há discrepância entre os valores medidos e calculados?

1.3 Com uma entrada senoidal de ≈1Vpp, determine, em décadas de freqüência entre

10 Hz e 100 kHz:

A amplitude (pico-a-pico) da entrada e da saída;

A magnitude da função de transferência.

1.4 Esboce o gráfico da magnitude da resposta em freqüência, como ilustrado acima.


3.1 Faça um relato sucinto, com comentários, dos resultados dos experimentos feitos

em salda de aula.

3.2 A função de transferência do circuito passa-faixas do item 2.2 pode ser obtida

fazendo-se

1

20

)(

)()(

Z

Z

jV

jVjH

i

,


____________________________________________________________________________________

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ina9

1

onde 1

11

1

CjRZ

e

2

21

1//

CjRZ

.

Obtenha a função de transferência e verifique que há ela possui um zero em 0 e

pólos em 11

1

CR e

22

1

CR , isto é:

Em seguida, esboce o diagrama de Bode do módulo da resposta em frequência para os

valores utilizados na parte experimental do item 2.2.

3.3 No LtSpice, simule a resposta em frequência do circuito do item 2.2:

AC Analysis

Type of sweep: Octave

Number of points per octave: 20

Start frequency: 1 Hz

Stop frequency: 100 kHz

Compare com a curva obtida experimentalmente.

)1()1()(

2211

21CRjCRj

jCRjH


Pág

ina9

2

Fig. 2. Conversor tensão corrente baseado num amplificador não-inversor. A tensão diferencial (vd) e a

corrente de polarização do OpAmp (Ib) são desprezíveis na análise. A resistência da fiação é rs e a

tensão na saída do OpAmp é vo.

Fig. 1. Problemas na transmissão da tensão v1 gerada por um sensor a uma unidade de controle distante.

Poderá haver queda de tensão nas resistências em série da fiação (rs) assim como interferência de

radiofreqüência (RFI).

Conversores tensão-corrente

Objetivo: Estudo de circuitos para loop de corrente 4-20 mA

Introdução

Num sistema de controle, tipicamente um sensor converte uma grandeza não elétrica

(temperatura, pressão, etc.) numa tensão que deve ser transmitida a uma unidade de

controle distante (Fig. 1). Neste tipo de situação, a tensão v2 na unidade de controle

pode ser afetada por interferências (60 Hz, ruídos de rádio-freqüência, etc.), assim como

por quedas de tensão ao longo da fiação (resistências de fiação, conexões elétricas mal

feitas) Estes problemas podem ser minimizados de várias formas, como pela blindagem

de cabos e/ou pela codificação da informação na variação da freqüência (ao invés da

amplitude) do sinal elétrico.

Uma alternativa muito empregada é a transmissão da informação através de variações

de corrente elétrica, que é a mesma ao longo da fiação. Isto está ilustrado na Fig 2, que

apresenta uma versão simplificada de um circuito conversor tensão-corrente. Neste

exemplo, a tensão de entrada v1, gerada por um sensor, é transformada em uma corrente

I que é novamente transformada em tensão numa resistência distante RL. O circuito é,

essencialmente, um amplificador não-inversor, onde a corrente é “programada” pelo

resistor R, próximo ao sensor. Desprezando-se a tensão diferencial vvvd na

entrada do amplificador operacional (OpAmp), segue que RvI /1 ,

independentemente dos valores de resistência de fiação ou de RL (desde que a tensão vo

na saída do OpAmp varie sem limitações, o que não ocorre, na prática).


Pág

ina9

3

Fig. 3. Conversor tensão corrente (0-5V 4-20 mA).

Existem também outros dois problemas. Primeiro, como há limitação da corrente

máxima na saída doOpAmp (≈ 25 mA, tipicamente), um transistor deve ser usado para

aumentar esta capacidade. Segundo, pode ocorrer um rompimento da fiação, causando

uma tensão nula em RL mesmo com uma tensão não-nula v1. Isto é contornado

introduzindo-se um offset no sinal, isto é, soma-se uma tensão de forma que para 01 v ,

I = I0 0. A Fig 3 mostra, com mais detalhes, um circuito que converte uma tensão de

0-5V numa corrente de 4-20 mA.

Na Fig. 3,

o circuito em torno de U4 é o conversor tensão-corrente discutido anteriormente,

onde 1/ RCi , sendo C a tensão na saída de U3.

U3 e os resistores de 1 k formam um amplificador de diferença cuja saída é

BAC , onde A e B são as tensões nas saídas de U2 e U1, respectivamente;

U1 e U2 são buffers (isoladores) cujas saídas acompanham a entrada (oferecendo

impedância de entrada idealmente infinita e de saída idealmente nula). As saídas

são, respectivamente osvB e 18,0 vA , sendo osv = -1V uma tensão para

ajustar o offset da corrente de saída e 1v a tensão a ser convertida em corrente.

O potenciômetro P1 = 10 k permite um ajuste fino do span (valor máximo) da

corrente de saída. No caso, 11 8,010

8v

k

kvA

.

Desta forma, a corrente de saída é 250/][ 1 osvvI . Verifique os casos extremos:

Para 01 v mAI 4250/)]1(0[ ;

Para para Vv 51 mAI 20250/)]1(4[

Cabem ainda mais algumas observações relevantes sobre a Fig. 3:

Primeiro, no circuito apresentado, a carga RL é dita “flutuante” por não estar

ligada diretamente ao terra. Isto tem vantagens do ponto de vista de imunidade a


Pág

ina9

4

Fig. 4 Conversor 0-5V →4-20 mA

ruído, pois uma interferência, que é tipicamente comum aos dois fios, pode ser

atenuada ao subtrair-se a tensão entre os dois fios usados na transmissão. Há

circuitos alternativos para o caso de a carga RL não estar aterrada.

Existem circuitos integrados comerciais dedicados à construção de loops de

corrente;

A topologia formada por U1, U2 e U3 é, essencialmente, um amplificador de

instrumentação (INA, de instrumentation amplifier). Um INA possui um resistor

adicional capaz de controlar o ganho da diferença.

Parte prática

Material (Fig. 4)

Amplificador operacional TL 074 ou TL 084;

Vcc = 12 V; Q1 = BC639.

Gerador de sinais (v1); osciloscópio;

1.1 Offset

Monte o seguidor de tensão (U1) e ajuste o potenciômetro (ou

trimpot) de forma a ter-se aproximadamente -1 V na saída;

1.2 Sinal de entrada

Monte o seguidor de tensão (U2). Ajuste P1 previamente, com auxílio de um

ohmímetro, de forma que tenha ≈ 8 k entre a entrada não inversora e o terra. Desta

forma, a saída de U2 será 4 V quando V1 = 5V.

1.3 Amplificador de diferença

Monte o amplificador de diferença (U3 e resistores de 1 k). Verifique seu

funcionamento.

1.4 Conversor tensão corrente

Monte o conversor tensão-corrente (U4, Q1, R1, R2). Note que o valor comercial de R1

(220 ) requer ajustes finos em P1 e P2 para conseguir-se o offset (4 mA) e o span (20

mA) desejados. Faça os ajustes e verifique o funcionamento do circuito.

P2


Pág

ina9

5

Amplificadores operacionais (OpAmp)

Objetivo: Estudo de osciladores senoidais por rotação e fase

1. Introdução

O circuito da Fig. 1a é um amplificador inversor de ganho A , a ser determinado, que

recebe realimentação através de uma malha RC, cuja função de transferência é

)(/)()( 1 sVsVsB o , com js . Em uma única frequência, a defasagem através de

)(sB será de 180o e a realimentação será positiva. Desta forma o circuito poderá oscilar,

dependendo da magnitude de )(sB .

O circuito pode ser representado pelo diagrama esquemático mostrado acima, à direita.

Nele, a entrada r(s) representa uma perturbação transitória que dá início ao processo

oscilatório. O diagrama em bloco pode ser analisado da seguinte forma:

Manipulando-se, segue que

Deve haver, portando, de atraso por cada braço da rede RC. A análise do circuito é

facilitada quando os braços da malha RC são isolados por buffers, como mostrado na

Fig. 2.

Fig. 2. Oscilador por rotação de fase com buffers.

Fig. 1. Esquerda: Oscilador por rotação de fase; direita: diagrama em blocos equivalente.


Pág

ina9

6

Analisando-se a o a Fig. 2, vem que

Como não há carregamento entre os braços RC, segue que

= =

,

onde .

Para que haja oscilação, ou seja, /3=

.

Verifique que, na frequência de oscilação , = . Isto exige que o ganho do

amplificador inversor seja 8||1

2 R

RA .

É interessante observar o comportamento dos pólos de , isto é, do lugar geométrico

das raízes de , em função do ganho A. Isto está ilustrado abaixo para

RC = 1 . À medida que o ganho aumenta, os pólos triplos em

separam-se. Um deles será sempre real e irá para . Os outros dois serão

complexos conjugados e moverão em direção ao semiplano direito.

Fig. 3. Lugar geométrico dos pólos de H(s).

Ref: http://users.ece.gatech.edu/bonnie/book/OnlineDemos/InteractiveRootLocus/applet.html

; numerador = 1.0; denominador = 1 3 3 1

Em síntese,

para 8|| A , os pólos estão no semiplano esquerdo do plano s;

para 8|| A , os pólos estão sobre o eixo e

para 8|| A , os pólos estão no semiplano direito.

http://users.ece.gatech.edu/bonnie/book/OnlineDemos/InteractiveRootLocus/applet.html


Pág

ina9

7

Fig. 3. Controle do ganho de malha fechada através de métodos não lineares (condução de D1 e D2).

Com os pólos no semiplano direito, as oscilações têm amplitude crescente. A

magnitude deve, na prática, ser limitadas por métodos não lineares, para estabilizar a

posição dos pólos sobre o eixo . Isto está exemplificado na Fig. 3, onde os diodos D1

e D2 só conduzem quando a amplitude do sinal de saída tive amplitude suficiente para

tal. Ao ligar o circuito, com os diodos cortados, o ganho de U1 é 2,8/ 12 RRA e a

amplitude de saída será crescente, pois haverá pólos instáveis. Quando a amplitude de

saída crescer e for suficiente para a condução de D1 e D2, o resistor R2a estará em

paralelo com R2, reduzindo o ganho de U1 para 5,7/)//( 122 RRRA a , levando os

pólos complexos para o semiplano esquerdo. Desta forma, haverá um mecanismo de

ciclo limite para forçar o pólo e direção ao eixo

, estabilizando a amplitude das

oscilações.

2. Parte prática

Material

Osciloscópio, fonte de alimentação.

TL074 (ou similar)

Alimentação simétrica (4.0V ... 18V);

Corrente de polarização típica: 5bI pA;

Resistência de entrada: iR ~ 1012

.

Ganho típico: 100 V/mV = 200.000;

Corrente de saída: 0I = 40 mA;

2.1 Oscilador por rotação de fase.

- Monte o oscilador da Fig. 3 e verifique seu funcionamento.


- Diminua o valor de R2 de forma a não ter pólos instáveis e observe o

comportamento do circuito.


Pág

ina9

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3.1 Faça um relato sucinto dos resultados das atividades de laboratório.

3.2 Simulação LTSpice: oscilador com ponte de Wien.

O circuito abaixo é conhecido como oscilador em porte de Wien. Há um amplificador

(não inversor) e uma malha de realimentação (C1, C2, R4, R5). O controle não linear do

ganho é feito de forma semelhante ao estudado em sala.

a) Fazendo-se C1 = C2 = C e R4 = R5 = R, demonstre que o ganho da malha de

realimentação é .

b) Fazendo js , verifique que o circuito pode oscilar, isto é, quando | é

real e positivo, se

c) Verifique que na frequência de oscilação,

d) Trace o diagrama do lugar das raízes de , onde A é o ganho do

amplificador. Explore o programa abaixo ou outro similiar.


e) Edite o circuito no LTspice. Discuta e verifique seu funcionamento, ilustrando

com formas de onda representativas.

f) O nome do circuito é uma alusão a uma ponte de medida de impedâncias

conhecida com Ponte de Wien. Pesquise e explique, sucintamente, o

funcionamento da ponte.


Apostila de Práticas Eletrônica Analógica e Digital

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