8.3) Seguidor de tensão
O seguidor de tensão é um circuito amplificador de amplificador operacional com feedback negativo. Ele atua como configuração seguidor de emissor de amplificadores baseados em transistor. Eles fornecem ganho unitário aos sinais de entrada aplicados. O ganho unitário significa que a tensão de saída será exatamente igual em magnitude à tensão de entrada.
Seguidor de tensão
Na figura acima, um seguidor de tensão não inversor é mostrado. A tensão de entrada V1 é aplicada no pino não inversor do amplificador operacional. Aqui a resistência de feedback Rf é zero, ou seja, curto-circuito. O ganho do amplificador reduz do idealmente infinito para a unidade.
Se V1 for a tensão de entrada no pino inversor e V0 for a tensão de saída do amplificador operacional, então V0 será exatamente igual a V1 em magnitude. Portanto, o ganho é dado pela seguinte equação.
Ganho=V0/V1= 1
O seguidor de tensão é geralmente usado para amplificar a corrente de um sinal, mantendo a mesma tensão no caso de acionar cargas de alta saída (circuitos de baixa resistência).
As coisas que discutimos nesta seção podem ser resumidas da seguinte forma;
Amplificador inversor e amplificador não inversor são circuitos de amplificador operacional de feedback negativo
Amplificador não inversor, o sinal de entrada é aplicado ao pino não inversor
Amplificador inversor, o sinal de entrada é aplicado ao pino inversor
Seguidor de tensão é um circuito amplificador operacional de feedback negativo com ganho unitário
(cabeçalho = amplificador de microfone simples)
8.4) Amplificador de microfone simples
Já discutimos como o feedback negativo pode ser implementado com o propósito de projetar amplificadores práticos baseados em amplificadores operacionais. O conceito de realimentação negativa, configurações inversoras e não inversoras deve ser muito claro antes de prosseguirmos para este circuito prático.
O circuito é mostrado na Figura: 44 é um amplificador inversor simples de amplificador operacional. Neste circuito a resistência de realimentação Rf é representada pela resistência R4 e R1 é introduzida no circuito pela impedância do capacitor C1.
O circuito amplificador de microfone baseado em amplificador operacional é mostrado abaixo.
Amplificador de microfone
A saída do microfone estará na faixa de poucos milivolts. Deve ser amplificado várias vezes para torná-lo útil para qualquer uso prático. Neste circuito você pode conectar um microfone em uma extremidade e os sinais sonoros amplificados podem ser reproduzidos conectando um alto-falante na outra extremidade.
O IC amplificador operacional LM358 também é usado no circuito acima. O microfone é puxado por meio de um resistor. O sinal sonoro é acoplado ao microfone usando um capacitor e aplicado ao pino inversor do amplificador operacional. Uma potencial polarização do divisor é dada ao pino não inversor. Um feedback também é implementado usando um resistor no pino inversor. Conseqüentemente, o circuito forma um amplificador inversor de feedback negativo. O sinal amplificado é acoplado e enviado a um alto-falante.
O capacitor de acoplamento de saída é usado para acoplar apenas o componente CA, que é o sinal real. A saída pode ser obtida diretamente do pino 1 também sem capacitor de acoplamento e pode ser utilizada com outros circuitos. O pino de saída do módulo amplificador é, na verdade, retirado diretamente da saída do LM358.
A imagem do amplificador de microfone baseado em amplificador operacional é mostrada abaixo:
Imagem do amplificador de microfone
Como você pode ver na figura acima, fiz o circuito para um módulo, no qual posso conectar um microfone e um alto-falante. Além disso, o módulo possui pinos, de modo que todo o módulo pode ser conectado a uma placa de ensaio ou a outros circuitos maiores. Existem três pinos, VCC, GND e OUTPUT. O pino OUTPUT é retirado do pino 1 do amplificador operacional sem incluir o capacitor de acoplamento. Também pode ser obtido através de um resistor que pode ser conectado e retirado da base do IC sempre que desejar, como você pode ver na imagem.
Se você observar a imagem do amplificador do microfone, poderá ver um resistor na base do IC junto com o LM358. Tal arranjo é feito de forma a introduzir qualquer valor de resistência sempre que precisarmos conectar o módulo amplificador a outros circuitos sem capacitor de acoplamento de saída
Especificações dos componentes:
R1=18KE, resistor de 1/4W
R2=R3=1KE, resistor de 1/4W
R4=560KE, resistor de 1/4W
C1 = capacitor de disco de 0,1uf
C2=100uf, capacitor eletrolítico de 16V
SP1=8E, alto-falante
M1=microfone
Significância do componente:
R1: O valor deste resistor não deve ser muito alto, para que possamos ter variações de tensão suficientes acopladas ao amplificador e nem muito baixo para que tenhamos corrente suficiente fluindo para dentro do amplificador.
R2 e R3: Esses resistores devem ter valores iguais para que possamos fixar o ponto de operação em seu centro. Isso significa simplesmente que podemos ter uma saída de sinal amplificada completa para as metades positiva e negativa para um sinal com metades positivas e negativas iguais usando esta configuração.
R4: O valor de R4 determina o ganho do circuito. Quando aumentamos o ganho de R4 aumenta e quando diminuímos o ganho de R4 diminui.
C1 e C2: C1 e C2 são capacitores de acoplamento usados para acoplar apenas as formas de onda CA do microfone de entrada e do alto-falante de saída, respectivamente. Seus valores são calculados com base na faixa de frequência dos sinais de entrada (neste caso, voz humana; ~3,5 KHz)
(cabeçalho = comparadores baseados em amplificador operacional)
9) Comparadores baseados em amplificadores operacionais
Além da amplificação, os amplificadores operacionais são amplamente utilizados para comparar dois sinais e produzir uma saída correspondente. O conceito de funcionamento do amplificador operacional é semelhante ao que já discutimos na seção sobre detectores de nível em 7.2). O comparador nada mais é do que um detector de nível, onde podemos predefinir uma tensão de referência em um pino e a tensão a ser comparada no outro pino. A saída produzida depende do pino no qual você está aplicando a tensão a ser comparada.
A tensão de entrada deve ser aplicada ao pino não inversor para um comparador produzir alta saída sempre que a tensão de entrada for igual ou maior que a tensão de referência, ou ao pino inversor, caso contrário.
Comparador de amplificador operacional
O circuito acima é um comparador de amplificador operacional no qual o pino inversor é mantido em uma tensão de referência e o sinal de entrada variável é alimentado ao pino de entrada não inversor. Sempre que a tensão no pino não inversor ultrapassar a tensão no pino inversor, a saída será positiva e negativa.
Aqui, +2V é fornecido à entrada inversora do amplificador operacional, portanto, enquanto o Vin que é fornecido ao pino não inversor permanecer em tensão baixa do que +2V, a saída será negativa (quase igual a -10V ). Sempre que Vin se torna igual a +2V, a saída fica positiva (quase igual a +10V).
Deve-se ter em mente que mesmo o incremento mínimo de Vin maior que o Vref acionará a saída para positivo e o decréscimo mínimo de Vin menor que Vref acionará uma saída negativa.
Suponha que uma onda senoidal seja aplicada no Vin e tenha um conteúdo DC de exatamente +2V, a forma de onda de entrada e saída de tal condição de circuito é mostrada abaixo.
Formas de onda do comparador de amplificador operacional
Vídeo
(cabeçalho = comparadores baseados em amplificador operacional, continuação)
Existem ICs de amplificadores operacionais comerciais disponíveis que são feitos especialmente para operações de comparação, nas quais mesmo quando as tensões de entrada iguais podem acionar uma saída positiva. Existem ICs que possuem mais de um módulo comparador em um único pacote. LM339 é um IC amplamente utilizado em dispositivos eletrônicos.
LM339 é um IC de 14 pinos, que consiste em quatro amplificadores operacionais dentro de um único pacote de IC. Ele também pode funcionar com fonte de alimentação única como LM358. As pinagens do IC LM339 são mostradas na figura a seguir.
Pinagens LM339
Aqueles que gostariam de experimentar o IC LM339 devem notar que a saída do LM339 é dreno aberto, significa que o pino de saída vem do coletor de um transistor. O transistor de saída será ativado somente quando estiver conectado a um VCC através do seu dispositivo.
Conectando LM339 a um dispositivo
Na figura acima, o bloco mencionado como “DEVICE” pode ser qualquer coisa como LED, motor ou até mesmo um simples resistor.
Isso é tudo sobre o básico dos comparadores e CIs comparadores, agora vamos experimentar alguns circuitos realmente interessantes na seção seguinte que fazem uso do conhecimento que adquirimos até agora.
(cabeçalho = indicador de nível de tensão)
9.1) Indicador de nível de tensão
Um indicador de nível de tensão é um circuito muito útil para ser usado com diversos sensores com saída analógica. Existem 8 LEDs em bruto que indicam 8 níveis de tensão em ordem crescente. O LED da extremidade direita representa a tensão mínima e o LED da extremidade esquerda representa a tensão máxima. À medida que a tensão aumenta, os LEDs começam a brilhar da extremidade direita para a esquerda.
Escolhi o IC LM339 para projetar um indicador de nível de tensão, cujos recursos discutimos na seção anterior. Consiste em quatro comparadores de amplificadores operacionais. O IC possui 14 pinos, entre os quais dois deles são VCC e GND, e o restante deles são pinos inversores e não inversores e seus respectivos pinos de saída dos quatro amplificadores operacionais.
Dois ICs LM339 são usados em cascde e todos os pinos não inversores de ambos os LM339 estão em curto e conectados a um ponto de entrada comum. Uma rede divisora de potencial de resistores é usada para fornecer tensão aos pinos inversores dos amplificadores operacionais em ordem crescente. Sempre que o potencial no ponto de entrada comum aumenta mais do que o potencial no pino inversor de um amplificador operacional específico, sua saída aumenta e o LED conectado a esse pino de saída brilha.
O diagrama do circuito do indicador de nível de tensão é mostrado na figura a seguir.
Circuito indicador de nível de tensão
Do circuito acima, os resistores R9 a R16 juntamente com o resistor variável R17 formam uma rede divisora de potencial. O potencial através dos resistores pode ser ajustado variando R17. Se assumirmos que todos os nove resistores, incluindo o R17, têm o mesmo valor, então a tensão em cada resistor será de 5/9 volts. Portanto, a tensão na entrada inversora do amplificador operacional U2_4 será 5/9 V, o amplificador operacional U2_3 terá 5/9 V + 5/9 V. ou seja, (5/9) * 2, o amplificador operacional U2_2 terá (5/ 9)*3 e assim por diante. Finalmente, o pino inversor do amplificador operacional U1_1 terá um potencial (5/9)*8. Observe que esta condição é verdadeira somente quando o resistor variável é ajustado para que tenha um valor de resistência igual ao dos resistores R9 a R16. Se ajustarmos a variável de modo que a resistência aumente, a tensão nos resistores individuais diminuirá igualmente. Se o resistor variável for ajustado de modo que sua resistência diminua, a tensão nos resistores individuais aumentará igualmente.
O funcionamento do circuito pode ser explicado com a ajuda de um exemplo. Suponha que todos os nove resistores, incluindo o R17, tenham o mesmo valor e, então, a tensão em cada resistor será de 5/9 volts. Suponha que uma tensão de entrada superior a (5/9)*3 seja aplicada. Como mencionamos antes, esta tensão é maior que as tensões no pino inversor de U2_3, U2_2 e U2_1 e, portanto, produzem alta saída e os três LEDs correspondentes brilham. Novamente, suponha que a tensão de entrada seja maior que (5/9)*8. Agora, todos os pinos não inversores estão com um potencial mais alto do que os pinos inversores dos dois LM339. Conseqüentemente, nessa tensão de entrada, todos os amplificadores operacionais produzem alta saída e todos os LEDs brilham.
Especificações dos componentes:
R1 a R16=1KE, resistor de 1/4W
R17 = potenciômetro 100KE
D1 a D8=LED 3mm
U1=U2=LM339
Significância do componente:
R1 a R8: Esses resistores controlam o brilho dos LEDs. Resistores com valor acima de 220 ohms são seguros para uso com LEDs.
R9 a R16: Esses resistores ajustam a tensão no pino inversor de cada comparador. Todos esses resistores devem ter valores iguais para que a saída mude para um aumento igual na tensão de entrada a cada vez.
R17: Este resistor variável define a sensibilidade do circuito indicador de nível de tensão. Quando você aumenta a resistência, a tensão que aparece nos pinos inversores reduz igualmente e, como resultado, as mudanças na saída ocorrem rapidamente e a faixa de entrada que o circuito pode detectar diminui. Se você diminuir a resistência, a tensão que aparece nos pinos inversores aumenta igualmente e, como resultado, as mudanças na saída ocorrem lentamente e a faixa de entrada que o circuito pode detectar aumenta.
O circuito da Figura: 57 é construído em dois módulos separados e depois unidos. É sempre recomendado pela facilidade de montagem, depuração e reutilização de hardware. A reutilização de hardware significa que podemos usar o mesmo módulo, digamos, módulo de exibição, com algum outro circuito maior.
Um dos módulos possui apenas LEDs e seus resistores de controle de corrente, e podemos chamar este módulo de módulo de display. Transformei-o em um módulo para que possa ser usado com outros circuitos maiores. O outro módulo possui os CIs LM339 e a rede de resistores.
A imagem dos dois módulos é mostrada na imagem a seguir.
Módulo de exibição e módulos comparadores
Você pode ver todos os oito LEDs, oito resistores e nove pinagens no módulo de exibição. Um dos pinos é usado para alimentação positiva comum e o restante deles pode ser conectado aos pinos de saída dos amplificadores operacionais. Este módulo pode ser plugado em uma placa de ensaio e depois conectado ao módulo comparador ou diretamente ao módulo comparador, pois o módulo comparador é construído de forma que possua conectores para alojar o módulo display.
Vídeo
(cabeçalho= Indicador de nível de tensão Contd…)
No módulo comparador existem dois CI LM339, oito resistores, um resistor variável e um conector para abrigar o módulo display. Este módulo também possui pinagens incluindo VCC, GND e INPUT para que todo o módulo possa ser conectado a uma placa de ensaio ou outros circuitos maiores.
Os dois módulos podem ser conectados entre si para formar o indicador de nível de tensão conforme mostrado na imagem a seguir.
Indicador de nível de tensão
Podemos testar o módulo aplicando alguma tensão externa de outros dispositivos se tivermos alguma, ou simplesmente aplicar uma tensão usando um resistor variável e observar as variações na saída em relação às variações na tensão de entrada. Tal arranjo é mostrado na figura a seguir.
Configuração de detecção de nível de tensão
O valor da resistência variável R1 pode ser qualquer coisa acima de 1K ohm. À medida que variamos a resistência, variamos a entrada de tensão para o módulo indicador de nível de tensão. O módulo detecta esta tensão e os LEDs de saída brilham de acordo.
A imagem dessa configuração de indicador de nível de tensão é mostrada na figura a seguir.
Imagem de detecção de nível de tensão
(cabeçalho = indicador de volume)
9.2) Indicador de volume
O indicador de volume encontrado em grandes caixas amplificadoras de som costumava chamar minha atenção. É muito bom ver os LEDs brilhando de acordo com o volume de quem fala pelo microfone. Vamos ver como podemos construir nosso próprio indicador de volume mais simples.
O interessante é que o indicador de volume pode ser realizado conectando os módulos que já fizemos. Isso pode ser explicado com a ajuda do diagrama de blocos a seguir.
Diagrama de blocos do indicador de volume
Conforme mostrado na figura acima, o módulo amplificador de som amplifica os sinais sonoros do microfone, alimentando-os ao módulo comparador, que então aciona os LEDs de acordo com a amplitude do sinal de entrada. Como o volume aumenta, a força ou a amplitude da entrada do sinal para o módulo comparador aumenta. Portanto, quanto mais alta a voz, mais LEDs brilham no módulo de exibição.
Antes de prosseguirmos com a conexão, precisamos fazer alguns ajustes no módulo amplificador do microfone. O alto-falante deve ser removido e a saída deve ser obtida diretamente do pino de saída através de um resistor de alto valor. Já fizemos arranjos para a introdução de um resistor e o pino de saída do módulo retirado diretamente da saída do LM358.
O circuito modificado é mostrado na figura a seguir
Circuito amplificador de microfone modificado
As especificações dos componentes são as mesmas do circuito anterior, exceto que há um resistor adicional R5 com um valor de resistência de 270K ohms.
A imagem da conexão real feita na protoboard conforme diagrama de blocos da Figura: 53 é mostrada abaixo.
Imagem indicadora de volume
As imagens de todos os módulos que construí são mostradas na imagem a seguir. Recomendo ao leitor que experimente o circuito primeiro na placa de ensaio e, uma vez funcionando, incorpore o mesmo em um módulo que podemos conectar em uma placa de ensaio posteriormente ou em outro circuito maior.
Todos os módulos
Vídeo
(cabeçalho= Operações em tensões de entrada)
10) Operações em tensões de entrada
Op-amp significa Amplificador Operacional, e recebeu esse nome por ser capaz de realizar determinadas operações nas tensões de entrada aplicadas, além de apenas amplificá-las. Um amplificador operacional é capaz de adicionar e subtrair tensões de entrada e amplificar o resultado. Esse tipo de circuito de amplificador operacional é geralmente chamado de amplificador somador.
10.1) Amplificador somador
Um amplificador operacional pode ser configurado de forma que a soma das tensões aplicadas na entrada possa ser obtida na saída com uma amplificação. As tensões aplicadas no pino de entrada não inversora são somadas e as tensões aplicadas no pino de entrada não inversora são subtraídas.
Somador baseado em amplificador operacional
O circuito acima é um somador de tensão baseado em amplificador operacional. Vamos supor que a resistência de entrada tenha os mesmos valores, ou seja, R1=R2=R3=R. Deixe as tensões aplicadas no pino de entrada inversora serem V1, V2 e V3. Nesse caso, a tensão de saída pode ser calculada a partir da seguinte equação.
Vout=-(Rf/R)(V1+V2+V3)
Agora vamos considerar um amplificador somador de tensão completo com capacidade de adição e subtração de tensão. As tensões de entrada são aplicadas nas entradas inversoras e não inversoras.
Somador e subtrator baseado em amplificador operacional
No circuito acima V1, V2 e V3 são as tensões aplicadas na entrada inversora e V4, V5 e V6 são as tensões aplicadas na entrada não inversora. Assumimos que todos os resistores, exceto Rf, são iguais. ou seja, R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7=R. Nesse circuito, a tensão de saída pode ser obtida pela seguinte equação.
Vout=-(Rf/R)(V1+V2+V3-V4-V5-V6)
O amplificador somador tem muitas aplicações práticas. Nessa aplicação está a mixagem de sinais em amplificadores. Eles também são usados no processamento de sinais analógicos e foram amplamente utilizados nos primeiros computadores analógicos.
O que venho tentando transmitir através deste artigo é apresentado a seguir;
Op-amp é um circuito eletrônico, feito de componentes eletrônicos básicos. Este circuito é capaz de realizar certas operações nos sinais de entrada, além de amplificá-los.
Até agora vimos alguns circuitos básicos usando amplificador operacional e sugiro ao leitor que analise os tópicos detalhadamente. Pratique tantos circuitos quanto possível. A cada circuito você aprende uma coisa nova sobre o amplificador operacional e seu conhecimento se torna mais sólido. O amplificador operacional é um dispositivo eletrônico interessante e acredite, você vai gostar de fazer circuitos com ele!