Trabalho prático nº 3 de Electrónica 2009/2010

Trabalho prático nº 3 de Electrónica 2009/2010 Título: Amplificador operacional. ConFiguração não inversora (seguidor de tensão). Sensor de temperatura. Sumário Utilizar‐se‐á o circuito do trabalho prático nº 2 (com pequenas modificações) e acrescentar‐se‐
á um circuito não inversor à sua entrada, verificando‐se sumariamente as suas principais características. O circuito resultante será então utilizado para medir variações de temperatura utilizando um sensor de temperatura. O circuito final será posteriormente utilizado noutros trabalhos práticos, pelo que não deve ser desmontado no fim da aula. Notas gerais: 
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O relatório do trabalho é individual e será apresentado, utilizando o modelo anexo, no fim da aula. É obrigatório o estudo detalhado do circuito e a sua simulação (nomeadamente simulando a medição dos valores que irá medir experimentalmente) antes do início da aula prática. Desse estudo será apresentado um relatório individual, de formato livre, onde serão obrigatoriamente respondidas as questões assinaladas com (Teoria) no procedimento abaixo. Não será permitida a realização do trabalho a quem não apresentar esse relatório no início da aula prática. Consulte a folha de especificações dos integrados que vai utilizar (ficheiros TL084.pdf e LM135.pdf). Procedimento Introdução: O circuito que montou durante o último trabalho prático pode conceptualmente ser sumarizado, em termos da funcionalidade que apresenta, no diagrama de blocos abaixo (Figura 1). Com base nesse circuito (com pequenas alterações e acrescentos) iremos construir a funcionalidade do diagrama de blocos da Figura 2. fonte de sinal ganho ganho medida / visualização +
offset Figura 1 Durante este trabalho iremos utilizar duas fontes de sinal diferentes e introduzir o bloco que serve como amplificador tampão (buffer), para onde se deslocará também a adição do valor dc (tensão de offset) ao sinal de entrada. O sinal de saída em tensão que iremos obter quando utilizamos o sensor de temperatura (LM335) é proporcional à temperatura medida por este, o que nos permitirá visualizar em tempo real no osciloscópio as variações de temperatura que o sensor está a medir e simultaneamente apresentar uma estimativa dessas variações em graus centígrados. fonte de sinal ganho ganho ganho medida +
offset Figura 2 1. (Prática) Regule a fonte de sinal em vazio (em circuito aberto) para obter uma onda sinusoidal à sua saída com uma frequência de 1 kHz e 50 mV de amplitude (se necessário utilize o botão de atenuação da fonte para reduzir a amplitude da saída). A esse sinal (medido em vazio) chamaremos vS. Visualize no osciloscópio (canal 1) o sinal vS. R2
R4
10kΩ
vI
1
R1
1kΩ
2
10kΩ
U1
3 vO1 R3
4
U2
5
1kΩ
vO
OPAMP_3T_VIRTUAL
OPAMP_3T_VIRTUAL
Figura 3 2. (Prática) Monte o circuito da Figura 3, não esquecendo de ligar as alimentações VCC+ = +10 V e VCC– = ‐10V (ver também Figura 5); note que se trata do circuito que montou no último trabalho prático, mas sem a adição da tensão de offset (faça a alteração no seu circuito). Verifique o funcionamento do circuito colocando à sua entrada o sinal vS (visualize a saída vO no canal 2 do osciloscópio). Meça no osciloscópio a amplitude do sinal de entrada vI e do sinal de saída vO. Calcule o ganho global do circuito (vO/vS) e o ganho dos andares de amplificação (vO/vI). 3. (Teoria) Considere o circuito da Figura 4. Calcule o seu ganho. Obtenha a expressão para a saída do circuito quando tem à sua entrada um sinal sinusoidal dado por uma fonte com uma resistência interna de 600 Ω. Suponha que o potenciómetro está regulado para adicionar uma tensão de 0 V ao sinal vI. R7
VCC
10V
vI
10kΩ
VEE
Key=A 50%
-10V
R6
R5
R2
10kΩ
U3
10kΩ
10kΩ
1
R1
2
1kΩ
R4
10kΩ
U1
3 vO1 R3
4
U2
5
1kΩ
OPAMP_3T_VIRTUAL
vO
OPAMP_3T_VIRTUAL
OPAMP_3T_VIRTUAL
Figura 4 4. (Prática) Monte, utilizando o ampop 4 do circuito integrado (ver Figura 5), o circuito não inversor da figura e ligue‐o à entrada do circuito da Figura 3, obtendo assim o circuito da Figura 4. Verifique o funcionamento da montagem não inversora com a ajuda do canal 2 do osciloscópio. Ajuste o offset a aproximadamente 0 V. Qual é o ganho deste andar não inversor? Faça um esboço do que observa no osciloscópio. Meça finalmente os ganhos global (vO/vS) e dos andares de ampificação (vO/vI). Faça um esboço do que observa quando coloca no canal 1 do osciloscópio o sinal vI e no canal 2 o sinal vO (tenha em atenção as escalas usadas). Comente os resultados que obteve em comparação com os do circuito anterior (ponto 2). Figura 5 5. (Teoria) Considere o circuito da Figura 4, mas com a resistência R6 ligada à terra (em vez de ligada ao potenciómetro). Liga‐se vI à terra. Supondo que mediu a tensão nos nós 1, 2 e 4 e obteve 1 mV em todas as medições, que tensão conta medir à saída vO? 6. (Prática) Ligue o sinal vI (Figura 4) e a resistência R6 à terra. Meça, com o multímetro digital (utilize a escala de mV), a tensão dos nós 1, 2, 3, 4 e 5. Registe os valores que mediu e comente. 7. (Prática) Refaça a ligação da resistência R6 ao potenciómetro. Monte o circuito da Figura 6 (ou seja, acrescente o sensor de temperatura (consulte a Figura 7) e a resistência R8). O sensor tem um comportamento semelhante ao de um díodo de Zener com um coeficiente de temperatura de +10 mV/0K, ou seja, a tensão varia aos seus terminais de +10 mV por cada aumento de temperatura de 1 grau Kelvin. O sensor, à temperatura de 25 0C, apresenta uma tensão aos seus terminais próxima dos 2,9 V. Com o sensor ligado regule o potenciómetro para obter aproximadamente ‐7 V à saída do circuito à temperatura ambiente. Registe o valor das tensões vI e vO que mede com o multímetro. R7
VCC
VCC
10V
R8
5kΩ
10kΩ
VEE
Key=A 50%
10V
-10V
R6
R5
R2
10kΩ
U3
10kΩ
10kΩ
vI
1
R1
2
1kΩ
R4
10kΩ
U1
3 vO1 R3
U2
5
1kΩ
OPAMP_3T_VIRTUAL
D1
2.9 V
4
vO
OPAMP_3T_VIRTUAL
OPAMP_3T_VIRTUAL
Figura 6 Figura 7 8. (Teoria) Considere que à temperatura ambiente a saída do circuito da Figura 6 é de ‐7V e que os amplificadores saturam a ±8 V. Qual é a gama de temperaturas que pode medir com este circuito? 9. (Prática) Meça a temperatura da ponta dos seus dedos: aperte o sensor entre os dedos e verifique que o traço no osciloscópio se vai deslocando com o tempo – meça em simultâneo com o multímetro a tensão vO. Espere que a tensão vO estabilize e meça‐a com o multímetro. Registe o valor que mediu e estime a temperatura dos seus dedos (relativamente à temperatura ambiente). Compare com as medições efectuadas pelo seu colega. Se achar conveniente pode aumentar/diminuir o ganho global do circuito (como?). Comente a decisão que tomou. Electrónica – Trabalho prático nº 3 Relatório Horário (Turma): Data: Nome: Notas (medidas / visualizações com o osciloscópio): 
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Em todas as Figuras que desenhar identifique os sinais de entrada e de saída e a respectiva escala (V/DIV), assim como a base de tempo utilizada (s/DIV) e o tipo de acoplamento seleccionado (ac ou dc). Caso trace um gráfico com escalas diferentes nos dois canais indique a escala de cada um deles. Indique com uma seta o nível 0 V. Quando apresentar o resultado duma medida realizada com o osciloscópio escreva o número de divisões e a escala utilizada, e.g., T0 = 4,2 x 2 ms = 8,4 ms. 2. vI = Ganho amplificadores = vO = Ganho global = 4. s/Div: V/Div: acoplamento: vI = vO = Ganho amplificadores = V3 = Ganho global = Comentário: 6. V1 = V2 = vO = vO1 = T1 = vO2 = T2 = Comentário: 7. vI = 9. Comentário: V4 = V5 =