Post on 28-Jun-2015
ANALÓGICA
1. SUMÁRIO
2. Introdução............................................................................................................4
3. Oscilador..............................................................................................................5
4. onda quadrada com operacional.......................................................................8
5. onda triangular com operacional.......................................................................9
6. Circuito...............................................................................................................11
7. Placa...................................................................................................................13
8. ConclusÃo..........................................................................................................14
2. INTRODUÇÃO
Este relatório tem por finalidade demonstrar de forma teórica e prática os
conceitos para sistemas de geração de freqüência via corrente continua e a devida
transformação de ondas senoidais em quadradas e triangulares.
Estudos baseados em aplicações em operacionais, realizando configurações
de conectividade seguindo modelagens dinâmicas e estáticas de resistores,
capacitores e alimentação de corrente continua permite a geração de uma
determinada freqüência com uma determinada amplitude a posteriormente uma
possível adaptabilidade de formatos de ondas.
Um estudo detalhado a respeito da ponde de Wien é de suma importância
para o entendimento da geração de onda senoidal via operacional. A transformação
da onda senoidal para quadrada será realizada por Comparador com Referencia
Nula e a conseguinte transformação triangular será efetivada por um integrador
.
3. OSCILADOR
Oscilador ou um gerador de onda é necessário a inúmeros circuitos eletrônicos
dado a necessidade de se ter uma fonte regular enxertada no circuito, qualquer
maquina que necessite realizar operações cíclicas necessariamente devera possuir
uma certa freqüência para enquadrar-se no tempo adequado. Sendo um circuito
oscilador tão essencial quanto um de fonte de alimentação.
Para baixa ou media tensão o oscilador em ponte Wien é de grande utilidade
sendo que tal gera ondas senoidais muito puras.
A figura que segue mostra o oscilador em ponte Wien onde a freqüência de
oscilação é dada por :
Esta montagem consiste em um amplificador operacional configurado como um
amplificador não inversor. Este circuito tem o feedback simultaneamente negativo e
positivo, sendo o negativo realizado através das resistências R1 e R2 e o positivo
realizado pelas duas malhas RC sendo uma em paralelo e outra em serie.
Figure 1
A oscilação é provenientes do desfazimento do sinal da malha de feedback
positivo e do ganho de malha fechada unitário. Tal circunstancia são denominadas
de Critério de Barkhausen.
O ganho diferenciado de 1 gera situações de instabilidades. A exemplo disso
tem-se quando o ganho é superior a 1 uma oscilação cuja amplitude cresce
exponencialmente e quando é inferior a 1 diminui exponencialmente , sendo
claramente perceptível o ponto de equilíbrio.
Em pratica percebe-se que não é tão simples quanto aparenta, pois o ganho
unitário em malha fechada mantém-se com uma amplitude constante SE e SÓ se
previamente existirem. Fazendo necessário o que chamamos de Arranque dos
osciladores.
O arranque consiste no aproveitamento da instabilidade, onde quando o ganho é
superior a 1, obtendo um aumento exponencial, efeito este desejável somente em
uma primeira etapa, logo após deve-se controlar este crescimento afim de se obter a
amplitude desejada. Este objetivo é facilmente atingível desde que se consiga um
ganho em malha fechada ligeiramente inferior a 1. A figura seguinte ilustra tal
situação.
Figure 2
4. ONDA QUADRADA COM OPERACIONAL
O circuito implementado com operacional na forma de comparador com
referencia nula como segue a figura seguinte, tem por finalidade transformar um
sinal senoidal em onda quadrada.
Quando a tensão de entrada passar por zero a saída comutara de seu estado
saturado atual, p. ex. se a saída estiver em +Vsat e a tensão de entrada inverter sua
polaridade a saída passa a ser –Vsat instantaneamente . Na verdade o fator que
pré-julga se esta comutação será instantânea será a impedância de realimentação.
A matemática a seguir descreve o comportamento da onda em função do
resistor (R) e do capacitor(C) , impedância de realimentação.
Figure 3
Figure 4
5. ONDA TRIANGULAR COM OPERACIONAL
Para triangular uma onda quadrada faz-se necessário o uso de um integrador
pratico. O circuito representado na figura seguinte mostra que a realimentação dá
pelo feedback negativo utilizando de uma impedância composta por um capacitor(C)
e uma resistência (R2), alem do mais uma outra resistência (R1) é posta em serie
com o sinal quadrado que chega diretamente no feedback negativo.
Figure 5
É de extrema importância entender primeiramente como funciona um integrador.
O circuito abaixo representa um integrador.
Figure 6
Pode-se concluir alguns pontos importantes ao examinar atenciosamente tal
circuito, tais como:
Vo= - (1/rc) int vidt
Vop= (vpT/4RC)
Não é utiliza desta maneira, pois acarretaria em um problema ao utilizar-se de
freqüências baixas. Para a compreensão, devemos analisar o capacitor de
realimentação. Fica claramente exposto que ao colocar freqüências baixas nele ele
ira comportar-se como uma malha aberta, sendo assim a solução é, acrescer uma
resistência em paralelo, fazendo com que ao ser exposto a baixas freqüências o
circuito funcione como um amplificador inversor simples, com seu devido ganho
(razão entre as resistências).
Se, já com a resistência, a freqüência for alta o capacitor conduzira fazendo com
que a resistência não drene corrente e atuara como um integrador.
Necessariamente deve-se saber o quão alta ou baixa é a freqüência para poder-
se ter um parâmetro. O limiar destas freqüências é chamado de freqüência de corte
e pode ser obtida pela seguinte expressão matemática:
Fc=1/2pir2c
Sendo as condições de projeto:
R2=10R
Fc < fosc/20
R1=1.2k
R2 =12k
C<8.2nF
Figure 7
6. CIRCUITO
A freqüência utilizado é de 27KHz com uma tensão de alimentação de 20V
corrente continua e uma saída Vo de no mínimo 15V.
Primeiramente, o gerador se onda senoidal:
Foi utilizado um gerador de onda de ponde de wien.
Como a intenção é de gerar uma onda de 27Khz calculamos a resistência e o
capacitor pela seguinte expressão:
R=1.515k
C=3.89nF
Como necessitamos de valores comerciais foi utilizado resistências de 1.5k e
capacitores de 3.9nF
O circuito esta demonstrado na figura seguinte.
Figura
Posteriormente, a transformação da onda senoidal em quadrada.
A utilização do operacional como comparador com referencia nula foi a forma
escolhida devido sua praticidade.
Finalmente, a transformação da onda quadra em triangular.
Foi realizado com um operacional agindo como integrador, onde o sinal Vout é a
integração do sinal Vin. Neste processo alguns parâmetros são importantes para a
configuração, tais como as resistências e o capacitor, estes já previamente
calculados.
A simulação no Pspice foi realizada a partir de 3ms até 3.1ms com um máximo
degrau de 0.1ms.
O pico positivo da onda triangular ficou com amplitude de 12V e no pico
negativo sua amplitude ficou situada em -12V. Logo, a onda triangular tem um Vpp
de 24V.
Esquemático
Figure 8 Circuito
Figure 9 Simulação
Figure 10 Onda senoidal
Figure 11 Onda quadrada
Figure 12 Onda triangular
É interessante notarmos que a estabilidade é atingida após um certo tempo, os gráficos seguinte demonstram esta situação
Figure 13 De 0s a 100us
Figure 14 De 0.4ms a 1.2ms
Figure 15 De 0s a 2.2ms
7. PLACA
Para a parte prática usamos uma protoboard, 3 amplificadores operacionais
(3LM318), um osciloscópio, uma fonte simétrica e uma série de resistores, trimpots e
capacitores.
Como houve necessidade de alterar os valores dos resistores previamente
calculados na teoria e na simulação houve a necessidade de utilizarmos trimpots
(similares aos potenciômetros) para atingir os resultados exatos.
Com a utilização dos trimpots há a vantagem de analisar os resultados nas
ondas durante a variação das resistências.
Posteriormente realizamos o rotiamento do circuito no orcad, layout plus, e o
montamos no laboratório de eletrônica.
Com o layout impresso realiza-se o processo de estampagem de XXXX em
XXXX ,seguindo de XXXX e por ultimo o broqueamento dos pontos de conexão.
Com os componentes em mão, utilizando do mesmo método da protoboard –
resistores variados- realiza-se a montagem.
As figuras que seguem mostram o circuito rotiado e a placa montada.
Layout
Placa
8. ANALISE GRAFICA REAL
As imagens que seguem mostram o real comportamento da onda deste projeto.
9. CONCLUSÃO
A infinidade de circuitos que se faz uso hoje em dia é proveniente de árdua
análise e inúmeros experimentos. Ao depararmos com uma teoria muito bem
fundada e argumentada, seja complexa ou simplória não a o faz isenta a
diferenciação da pratica da teoria tornando o processo construtivo altamente
sofisticado e conjugado.
No estréio da articulação do problema proposto, ocorreu uma pré-analise de
parâmetros estabelecidos via intenção de resultado, que no caso foi de atingirmos
uma onda com uma freqüência de 27Khz.
A modelagem do sistema foi elaborada com base aos princípios dos
operacionais. Tal etapa foi meramente formulativa e mecanizada, utilizando de
cálculos pré-determinados e de arranjos pré-estipulados. Obviamente a boa know-
how foi de suma importância para o desencadeamento do processo.
Ao que diz respeito do rotiamento do circuito para posterior fabricação foi de
autônoma efetivação, apresentando design próprio e otimização adequada.
Ao efetivarmos por fim a placa com o circuito impresso e montado foi
evidenciado inúmeros defeitos que somente a boa pratica e macetes puderam
resolver, evidenciando que a teoria é boa, contudo inoperante sozinha.