Experimentos com amplificador operacional

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Experimento 1 
Amplificador Operacional 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Aluno: 
 
Felipe Bastos Meneses 
 
Objetivos 
 
● Gerais 
 
o Realizar a montagem de circuitos com amplificadores operacionais estudados 
previamente em aula teórica, visando a comparação de resultados obtidos com 
cálculos previamente estipulados. 
o Verificar a relação entre a operação do circuito montado com os conhecimentos 
teóricos. 
o Compreender as partes fundamentais dos circuitos montados, relacionando-os 
aos resultados obtidos: verificar a relação entre o resultado e a variação dos 
valores dos componentes utilizados. 
o Habituar-se com os circuitos montados para realização de circuitos mais 
complexos que necessitem de conhecimento prévio de sua estrutura. 
 
● Específicos 
 
o Compreender a montagem dos circuitos Comparador de Tensão, Gerador de 
Sinal PWM e Integrador. 
o Assimilar dois sinais diferentes em comparação, utilizando-se do ganho teórico 
infinito do amplificador operacional para conferir modulação de uma onda 
quadrada em PWM. 
o Averiguar e explorar a habilidade de um circuito RC de conferir a integração 
de um sinal aplicado à entrada do circuito, visto que: 
𝑉𝐶 = ∫
𝑉𝑖𝑛
𝑅𝐶
𝑑𝑡 
 
 
Desenvolvimento Teórico 
 
● Comparador de Tensão 
 
Utilizando-se da propriedade do ganho infinito, pode-se desenvolver um circuito tal 
que, quando em funcionamento, irá comparar valores de tensão dispostos em uma de 
suas entradas com o valor de tensão aplicado ao outro terminal. O diagrama do circuito 
pode ser visualizado na Figura 2. 
 
 
Figura 2. Comparador de tensão 
Como o ganho do amplificador é infinito, a comparação será feita entre V1 e o terra: 
quando V1 for maior que 0, o amplificador operacional saturará e sua saída apresentará 
o valor máximo da tensão de alimentação. Quando V1 for menor que 0, o amplificador 
operacional também saturará e sua saída apresentará o valor mínimo da tensão de 
alimentação. 
 
● Modulador PWM 
 
Utilizando-se mais uma vez da propriedade do ganho infinito e da saturação. Pode-
se modular uma onda quadrada para que se obtenha um sinal PWM. A modulação é 
obtida por meio da comparação entre um sinal triangular e um sinal modulante (tensão 
DC). 
Tomando como base o circuito da Figura 2, se ao invés de ligar o terminal inversor 
(V-) do amplificador à terra, realizar-se a ligação do mesmo a uma onda triangular, 
mantendo a tensão V1 fixa, o amplificador saturará ao nível máximo enquanto a onda 
triangular apresentar tensão inferior a V1, e ao apresentar tensão superior a V1, saturará 
para seu valor mínimo, apresentando, portanto, um sinal PWM. 
O diagrama do circuito Modulador PWM pode ser visualizado na Figura 3. 
 
Figura 3. Modulador PWM 
● Integrador Passivo 
 
Conforme citado anteriormente, o circuito RC é capaz de realizar a integração de 
um sinal aplicado a sua entrada1. Tendo em vista que 
𝑉𝐶 = ∫
𝑡
0
𝑉𝑖𝑛
𝑅𝐶
𝑑𝑡 
Pode-se indagar que, aplicando-se um sinal à entrada do circuito, será visto sobre 
os terminais do capacitor o mesmo sinal integrado com amplitude dada por 
1
𝑅𝐶
. 
Assim, aplicando-se à entrada o sinal PWM oriundo do circuito mostrado na Figura 
3, espera-se que o resultado seja definido por um sinal resultante da integral de 
constantes ao longo do tempo, ou seja, retas. 
Estas retas terão inclinação similar ao valor de pico do sinal PWM, visto que a 
integral de uma constante resulta na função 𝑓(𝑥) = 𝐶. 𝑥 e amplitude relativa aos valores 
de R e C. 
 
● Integrador Ativo 
 
 
1 O sinal aplicado à entrada do circuito RC deverá atender a condição ω≫1RC. 
Substituindo-se as resistências dos resultados anteriormente obtidos por 
impedâncias, pode-se perceber matematicamente que há a possibilidade de se ter saídas 
relacionadas à entrada por uma equação diferencial. 
Especificamente neste caso, acrescentando-se um capacitor em paralelo com R1 no 
circuito da Figura 4, tem-se o circuito da Figura 6. 
Para simplificar o entendimento do circuito, realiza-se inicialmente o cálculo da 
função de transferência sem o resistor R1. 
 
Figura 7. Circuito integrador ativo 
Para 𝑅1 = 0, tem-se um circuito amplificador inversor, assim: 
 
𝑉𝑜𝑢𝑡
𝑉𝑖𝑛
= −
1
𝐶1𝑠
𝑅1
= −
1
𝑅1𝐶1𝑠
 
−𝐶1𝑠𝑉𝑜𝑢𝑡 =
𝑉𝑖𝑛
𝑅1
 
 
Realizando-se a transformada inversa, tem-se: 
 
𝑉𝑖𝑛
𝑅1
= −𝐶1
𝑑𝑉𝑜𝑢𝑡
𝑑𝑡
𝑉𝑜𝑢𝑡 =
1
𝑅1𝐶1
∫ 𝑉𝑜𝑢𝑡𝑑𝑡 
 
Que realiza a integração normalmente. Porém, para frequências muito baixas, o 
ganho do amplificador seria muito alto, visto que a impedância do capacitor seria muito 
grande. Com o acréscimo do resistor R1, tem-se para a função de transferência: 
𝑉𝑜𝑢𝑡
𝑉𝑖𝑛
= −
𝑅1
𝐶1𝑠
𝑅1 +
1
𝐶1𝑠
𝑅1
= −
𝑅1
𝑅2
1 + 𝑅1𝐶1𝑠
 
 
 Que se apresenta como um amplificador inversor comum quando 𝑠 = 𝑗𝜔 → 0. 
 
Material utilizado 
 
 Compõe a lista de material utilizado: 
 
● Componentes eletrônicos: 
 
o LED’s de cores Azul, Verde e Roxo. 
o Resistores de 1k5𝛺, 4k7𝛺, 10k𝛺, 47k 𝛺 e 100k𝛺. 
o Um potenciômetro de 47k𝛺. 
o Um capacitor de 100nF. 
o Um circuito integrado TL084. 
 
● Equipamentos: 
 
o Um gerador de sinais. 
o Uma fonte simétrica de +12V e -12V. 
o Um osciloscópio digital. 
o Uma matriz de contatos (protoboard) 
 
Desenvolvimento experimental 
 
 Seguiu-se a ordem dos experimentos conforme a sequência corrente. 
 
1. Comparador de tensão AC e DC 
 
Inicialmente, montou-se um circuito comparador de tensão em protoboard conforme a 
Figura 7. Para variar a tensão de entrada, utilizou-se do potenciômetro de R = 47k𝛺 
juntamente com os resistores de R1 = 10k𝛺 para criar um divisor de tensão que variasse de 
uma tensão próxima de -12V até uma tensão próxima de +12V. O amplificador operacional 
corresponde aos terminais do CI TL084. Para sua alimentação, utilizou-se da fonte 
simétrica de +12V e -12V. 
 
Figura 8. Comparador de tensão 
 
De acordo com os estudos realizados, a saída deve apresentar somente dois estados: 
tensão saturada positiva ou tensão saturada negativa. Quando a saída saturar positivamente, 
o LED verde estará diretamente polarizado e conduzirá. Quando a saída saturar 
negativamente, o LED amarelo estará diretamente polarizado e conduzirá. Como as cores 
são diferentes, ocorre uma identificação visual de qual é o estado atual do amplificador. 
Pode-se ver este resultado simulado na Figura 8. 
Os valores da tensão medidos sobre cada LED quando eles estavam acesos foi: 
 
● Vermelho = 1,80 V 
● Azul = 2,80 V 
● Verde = 2,00 V 
 
2. Modulador PWM e Integrador Passivo RC 
 
Aproveitando-se ainda do potenciômetro de 47k𝛺, modificou-se o circuito montado 
para que correspondesse ao diagrama exibido na Figura 9. No terminal não-inversor do 
amplificador operacional foram conectados a saída do gerador de sinais, juntamente com a 
entrada de um dos canais do osciloscópio. O outro canal do osciloscópio foi prontamente 
conectado à saída do amplificador operacional. 
 
Figura 9. Diagrama do circuito modulador PWM 
Selecionando-se a onda triangular no gerador de sinais, pôde-se notar a exibição da 
mesma no osciloscópio. Ajustando-se para 10V de amplitude e 10kHz de frequência, pôde-
se notar que a variação do potenciômetro resultava na modulação do PWM, conforme havia 
sido estipulado no decorrer do Desenvolvimento Teórico. 
A visualização da forma de onda de saída no osciloscópio pode ser visualizada na Figura 
10, onde estão representadas as ondas triangular e quadrada da entrada e saída 
respectivamente. 
 
Em seguida, aplicando-se um circuito RC à saída do modulador PWM, pode-se 
visualizar a integração causada pelo circuito. 
Tomando 𝑅1 = 10𝑘𝛺 e 𝐶 = 100𝑛𝐹, tem-se o circuito exibido na Figura 11. 
 
Figura 11. Circuito modulador PWM com integrador 
A saída apresentada no capacitor deverá ser o sinal PWM integrado, ou seja, uma onda 
triangularmodulada. 
 Notou-se que quando o potenciômetro estava em 50% o sinal de saída do PWM se 
tornava uma onda quadrada perfeita, quando o potenciômetro assumiu valores maiores que 
50% a largura maior da onda quadrada ficou na parte superior e para valores abaixo dos 
50% a largura maior da onda ficou na parte inferior. 
 
É comum a utilização do PWM em fontes chaveadas, mas também pode ser utilizado 
para controle de velocidade de motores, controle de luminosidade, controle de servo 
motores, acionamento de cargas indutivas e diversas outras aplicações. 
 
Conclusão 
 
No experimento foram constatadas algumas aplicações que podem ser realizadas 
usando um amplificador operacional, além do conhecimento do seu funcionamento das 
diversas funções que o mesmo pode apresentar conforme formos combinando mais 
elementos a ele. A partir disso poderemos tentar elaborar circuitos que tenham a 
funcionalidade para suprir eventuais problemas o nosso trabalho, já que agora possuímos 
conhecimento de varias aplicações lineares com amplificadores operacionais.