Apostila_laboratorio.pdf

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS Escola de Engenharia DELT - Departamento de Engenharia Eletrˆonica

Laborat´ orio de Eletrˆ onica

ˆ NICA ENGENHARIA MECA

Elaborado por: Profa. Carmen Dea Moraes Pataro, Dra. Colaborador: Prof. Wanderson Ferreira de Souza, Msc.

Belo Horizonte, 03 de Agosto de 2006

1

Experiˆ encia I - Equipamentos

1.1

Introdu¸c˜ ao

Aprender a trabalhar com os equipamentos vistos a seguir ´e fundamental para aqueles que estudam eletrˆ onica. Como estes equipamentos j´ a foram vistos em outra disciplina, ser´ a feita uma breve revis˜ ao de seu funcionamento. Antes de trabalhar com os aparelhos, ´e importante ter em mente os seguintes conceitos: Valor de pico de uma onda: M´ aximo que a onda atinge, a partir da referˆencia. Chamado tamb´em valor m´ aximo, Vp ou Vm . Valor pico a pico: do pico inferior (negativo) ao superior (positivo).

Amplitude Apico

Pico a pico

Tempo -Apico

T Período Figura 1: Representa¸c˜ao de uma forma de onda ´ definido como o valor CC Valor eficaz: (RMS - Root Mean Square - Raiz M´edia Quadr´ atica). E ´ este o valor mostrado por um volt´ımetro (ou um (Corrente Cont´ınua) que produz a mesma potˆencia. E amper´ımetro) ligado a um circuito com corrente alternada (embora existam aparelhos tamb´em capacitados para detectar outros valores, como pico, por exemplo). Sempre que algu´em se referir as correntes alternadas, e n˜ ao especificar se ´e valor m´ aximo, valor pico a pico, etc., trata-se do valor eficaz. Para a onda senoidal: VRM S

= 0, 707VP

´ este o valor mostrado por um volt´ımetro (ou um amper´ımetro) ligado a um Valor m´edio: valor de CC. E circuito com corrente cont´ınua. Sempre que algu´em se referir as correntes cont´ınuas, e n˜ ao especificar se ´e valor m´ aximo, valor de pico, ondula¸ca˜o, etc., trata-se do valor m´edio, ou valor CC. Per´ıodo: O per´ıodo T de uma onda ´e o tempo entre pontos equivalentes (pico a pico ou vale a vale). ´ o inverso do per´ıodo. Freq¨ uˆencia: E

1.2

Os instrumentos do laborat´ orio

1. Mult´ımetro. 2

a - Relacionar as fun¸co˜es que ele pode medir. b - Examinar os valores de fundo de escala das fun¸co˜es. 2. Gerador de Sinais. a - Examinar as fun¸co˜es que ele pode gerar. b - Verificar os controles de freq¨ uˆencia e amplitude. Os geradores de sinais, geralmente possuem um ajuste de ”off-set”. Trata-se de um controle que ´e capaz de introduzir uma tens˜ ao cont´ınua juntamente com a tens˜ ao que ele estiver fornecendo. Pode ser negativa ou positiva. Como esta tens˜ ao cont´ınua se soma, ´e poss´ıvel se obter um valor m´edio diferente de zero para ondas alternadas. 3. Oscilosc´ opio. a - Observar o equipamento e verificar o funcionamento dos controles de amplitude e freq¨ uˆencia para os dois canais. b - Verificar o funcionamento do controle CA, CC e GND. Esta chave, quando est´ a em CA, faz com que as componentes cont´ınuas n˜ ao apare¸cam no oscilosc´ opio. Quando estiver em CC, al´em das alternadas, aparecem tamb´em as cont´ınuas. Desta forma ´e poss´ıvel medirmos os valores cont´ınuos, atuando-se neste controle. Ex.: Seja uma tens˜ ao senoidal, vista na Figura 2, mostrando a forma de onda com a chave em CC (DC ) e em CA (AC ). A diferen¸ca entre as duas ´e o valor cont´ınuo.

Vsaída

Chave em DC

Valor da componente contínua

Tempo

Chave em AC Figura 2: Identificando a componente cont´ınua Exemplo de medi¸ca˜o de componente CC empregando-se as chaves AC/DC do oscilosc´ opio. c - Aplicar um sinal de 1 kHz no canal 1 do oscilosc´ opio, verificar, medindo pelo oscilosc´ opio, freq¨ uˆencia e amplitude. d - Atuar na chave CA/CC, at´e que n˜ ao exista deslocamento da onda ao se mudar de uma chave para outra. Calcular o valor eficaz da tens˜ ao aplicada. Medir este valor, empregando um volt´ımetro. Qual o valor m´edio desta onda? e - Atuar no ”off-set” do gerador de sinais, deslocando a onda (introduzindo uma tens˜ ao cont´ınua). Com o oscilosc´ opio, medir o valor DC. Conferir, medindo o mesmo valor, empregando-se um volt´ımetro. 3

2

Experiˆ encia II - Retificador de meia onda

2.1

Montar o retificador de meia onda abaixo D Vi

RL Vo

Figura 3: Retificador de meia onda a - Esbo¸car as formas de onda Vi e Vo . b - Medir o componente cont´ınuo de Vo (empregando um volt´ımetro e o oscilosc´ opio). Calcular Vo e verificar que os 3 valores s˜ ao iguais. c - Medir a TPI. d - Medir a corrente m´edia na carga (introduzir um amper´ımetro em s´erie com ela) e - Introduzir o capacitor que est´ a sobre a bancada, em paralelo com a carga. f - Verificar a forma da tens˜ ao na sa´ıda. g - Verificar a TPI. h - Introduzir um resistor de 10 Ω em s´erie com o diodo e observar, com o oscilosc´ opio, a forma de onda nele (esta ´e a forma da onda de corrente no diodo). i - Retirar o resistor e introduzir um amper´ımetro em seu lugar. O que aconteceu com a corrente m´edia no diodo, em rela¸ca˜o ao circuito sem capacitor?

2.2

Montar o retificador em ponte abaixo D4

D1

Vi D3

D2

RL Vo

Figura 4: Retificador em ponte Esbo¸car as formas de onda Vi e Vo . Medir o componente cont´ınuo de Vo . Medir a TPI . Introduzir o capacitor que est´ a sobre a bancada na sa´ıda do retificador. Esbo¸car a forma de onda da tens˜ ao na sa´ıda. Medir a sa´ıda VCC , empregando o oscilosc´ opio e o mult´ımetro. Qual o valor da corrente em cada diodo? 4

3

Experiˆ encia III - O transistor como chave

Para o transistor funcionar como chave, ´e preciso garantir que ele trabalhe na regi˜ ao de corte ou na satura¸ca˜o. Para saturar (dado pr´ atico) sendo transistores de Si , de pequeno sinal, deve-se fazer Ib =10 % de Ic (satura¸ca˜o).

3.1

Para o circuito abaixo:

RC RB1 D 15 V RB2

Figura 5: Transistor como chave

a - Calcular o valor do resistor Rc para se ter uma corrente de coletor de 20 mA com o transistor saturado. (Considere a queda de tens˜ ao no LED igual a 2 V e o transistor de pequeno sinal). b - Calcular o valor do resistor de base, para levar o transistor a` satura¸ca˜o. c - Montar o circuito, verificar o que ocorreu e explicar. d - Desconectar Rb do circuito, verificar o ocorrido e explicar. e - Recolocar Rb . Com o oscilosc´ opio, medir VCE e verificar a satura¸ca˜o. f - Medir Ic e Ib .

3.2

Empregando-se fotoresistor LDR (Light Direct Resistor): LDR iluminado: baixa resistˆencia LDR no escuro: alta resistˆencia 5

3.3

Montar os circuitos a seguir, cobrir o LDR e explicar o ocorrido

RB = 2,7 kW

RC= 680 W

RB = 2,7 kW

RC= 680 W

PB = 10 kW

D

D

LDR 15 V

15 V LDR

Figura 6: Polariza¸c˜ao emissor comum

3.4

Figura 7: Polariza¸c˜ao universal

Montar o circuito com rel´ e, cobrir o LDR e explicar o ocorrido

5V RB = 2,7 kW

NA D NF

LDR

Qual a fun¸ca˜o do diodo D no circuito acima?

6

4

Experiˆ encia IV - O Amplificador Operacional

4.1

Introdu¸c˜ ao

O tipo mais popular de CI (circuito integrado) ´e aquele em inv´ olucro denominado ”encapsulamento em linha dupla” (dual in line package - DIP). Na Figura 1 temos o diagrama dos terminais de um destes CIs e por ele podemos observar que, com o entalhe do CI a` esquerda, o pino 1 se encontra logo abaixo deste entalhe. Os demais se seguem ao n´ umero 1 em sentido anti-hor´ario. Alguns CIs n˜ ao possuem o entalhe, e sim uma marca sobre o pino 1. Outros possuem as duas referˆencias.

1 2 3 4 5 6 7

14 13 12 11 10 9 8

Figura 8: Exemplo de CI em inv´olucro DIP

4.2

Amplificador Inversor

a - Montar o circuito inversor com AO, da Figura 9.

R2 VCC

R1 Vin

VCC

Vout

Figura 9: Amplificador Inversor – R2 = 22 kΩ; – R1 = 2, 2 kΩ. b - Qual o ganho deste circuito? c - Introduzir um sinal senoidal de 500 mV pico a pico na entrada e verificar o ganho. 7

d - Aumentar o sinal de entrada para 5 V pico-a-pico. Justificar o que ocorreu. e - Colocar um sinal quadrado e depois um triangular na entrada, tamb´em com 5 V pico-a-pico, e verificar a sa´ıda. f - Sem alterar a amplitude do sinal de entrada, elaborar um meio de verificar a verdadeira forma de onda do sinal amplificado.

4.3

Comparador

a - Montar o circuito comparador da Figura 10. b - Esbo¸car a tens˜ ao na sa´ıda. c - Atuar na amplitude da sa´ıda e verificar o ocorrido.

VCC Vin VCC

Vout

Figura 10: Comparador

4.4

Integrador

a - Montar o integrador abaixo. b - Introduzir uma entrada senoidal e verificar a sa´ıda. c - Introduzir uma entrada quadrada e verificar a sa´ıda.

R2 C VCC

R1 Vin

VCC

Figura 11: Integrador

8

Vout

5

Experiˆ encia V - Circuitos Combinacionais

5.1

Introdu¸c˜ ao

Todo circuito integrado deve ser alimentado. No circuito digital mostrado na Figura 12 os pinos GND (terra) e Vcc (+5 V ) s˜ ao suas conex˜ oes de alimenta¸ca˜o. O valor da tens˜ ao de alimenta¸ca˜o deve ser compat´ıvel com o tipo de CI empregado. Os CIs da fam´ılia TTL industrial exigem 5 V ±10% e os da fam´ılia CMOS podem trabalhar com tens˜ oes de 3 a 15 V . Embora existam outras fam´ılias de circuitos l´ ogicos, com outras caracter´ısticas, as duas citadas ser˜ ao as mais empregadas neste curso.

8

10 9

1 2 3 4 5 6 7

14 13 12 11

VCC

GND Figura 12: Exemplo de CI contendo 4 portas OR

5.2

N´ıveis l´ ogicos

Como j´ a explicado, o n´ıvel l´ ogico ”0” n˜ ao indica, necessariamente, 0 V , mas sim uma faixa de tens˜ oes, dependendo da fam´ılia de circuitos l´ ogicos. Da mesma forma, o n´ıvel l´ ogico ”1” indica uma faixa de tens˜ oes. A Figura 13 mostra estes n´ıveis l´ ogicos de entrada e sa´ıda para a fam´ılia TTL.

V 5,0

V 5,5

Nível “1”

Nível “1”

2,4

2,0 0,8 0,0

0,4 0,0

Nível “0” a)

Nível “0” b)

Figura 13: N´ıveis l´ogicos a) Entrada e b) Sa´ıda para a fam´ılia TTL

5.3

Atividades

1. Consulte o cat´ alogo e verifique a pinagem dos circuitos integrados TTL SN7400, 7402, 7408 e 7432. Preencha, experimentalmente, as suas tabelas da verdade para uma porta. 9

2. Com as portas l´ ogicas NAND e NOR, pode-se construir qualquer outra porta. Verifique, experimentalmente, quais portas se originam dos circuitos mostrados abaixo. a) Porta 1

b) Porta 2

c) Porta 3

3. Projetar um circuito l´ ogico para comandar os sinais de trˆ ansito (verde e vermelho) no cruzamento de duas ruas, A e B. A rua A tem preferˆencia sobre a rua B.

10

6

Experiˆ encia VI - Circuitos Sequ ¨ enciais

6.1 6.1.1

Introdu¸c˜ ao Flip-flop tipo T

´ um flip-flop JK com as entradas interligadas. Assim, tais entradas ser˜ E ao sempre 0 e 0 ou 1 e 1. PR

T

J

Q

CLK Q

K

CLR

Figura 14: Flip-flop tipo T

6.2

Flip flop tipo D

´ um flip-flop que possui as entradas invertidas. Assim, tais entradas ser˜ E ao sempre 0 e 1 ou 1 e 0. PR

D

J

Q

CLK K

Q CLR

Figura 15: Flip-flop tipo D

6.3

Monte os circuitos das figuras abaixo e preencha suas tabelas da verdade

a) Flip-flop b´ asico SR

S Q

Q

R

11

b) Flip-flop b´ asico SR com clock

S Q

CK Q R

6.4

Usando o flip-flop 7473

a) Coloque 0 em sua sa´ıda Q. b) Verifique sua tabela da verdade. Como clock, utilize o gerador de sinais em uma freq¨ uˆencia de 1 Hz. c) Transforme-o em um flip-flop tipo T. Coloque a entrada = 1 e o clock com uma freq¨ uˆencia de 1 kHz. Observe o clock e a sa´ıda Q. Qual a sua conclus˜ ao? d) Transforme-o em um flip-flop tipo D. Observe o clock e a sa´ıda Q. Qual a sua conclus˜ ao?

6.5 6.5.1

Pr´ atica - Suplementar Objetivo

Implementar um circuito contador de d´ecada cujo clock ´e controlado por um sensor de luminosidade. 6.5.2

Materiais utilizados

• Protoboard; • Oscilosc´ opio anal´ ogico; • Cabos e fios; • Contador 7490; • Amp. Op. LM324; • Transistor; • Resistores diversos; • Sensor de luminosidade LDR; • Leds. 12

6.5.3

Introdu¸ c˜ ao

O circuito a ser montado est´ a representado na Figura 16

1 2 3 4 5 6 7

7490

14 13 12 11 10 9 8

QA QD R4 R3

QB QC

D

D R2 R1

D

D

R6 R5

D VCC R7

LDR

Vref

VCC R8

Figura 16: Circuito contador empregando CI 7490

Este circuito ´e composto por trˆes est´ agios que ser˜ ao descritos com mais detalhes a seguir: 1. Contador: ´e utilizado um CI 7490 para contar d´ecada. Ele est´ a ligado a quatro LEDs de modo que permita a observa¸ca˜o da contagem. 2. Transistor como chave: ´e utilizado um sensor de luminosidade LDR, cuja resistˆencia ´e baixa quando h´ a luz e alta caso contr´ ario. Dessa forma, o transistor satura quando o sensor est´ a iluminado e a tens˜ ao no coletor ´e alta e corta quando n˜ ao h´ a luz incidindo sobre o sensor fazendo com que a tens˜ ao no coletor aproxime-se de zero. 3. Comparador: compara os sinais das entradas inversora e n˜ ao-inversora jogando a sa´ıda para +V se o sinal da entrada inversora for maior que o da n˜ ao-inversora e -V caso contr´ ario. 13

6.6

Escolha dos componentes

Para o est´ agio contador foram utilizados resistores de algumas centenas de ohms de forma que a corrente nos LEDs fosse suficientemente alta para garantir uma boa luminosidade. Utilizando o mesmo crit´erio foi escolhida a resistˆencia de 390 Ω no coletor do transistor. A resistˆencia na base do transistor deve ser alta para garantir uma corrente de base pequena. O valor utilizado foi de 33 kΩ. No est´ agio comparador, foi utilizado um divisor de tens˜ ao na entrada inversora para gerar uma tens˜ ao de referˆencia de aproximadamente 1, 8 V . Dessa forma foram utilizados e.

6.7

Montagem

Montar e observar o comportamento do circuito descrito. Notar que o clock oscila muito rapidamente devido a ru´ıdos presentes na entrada n˜ ao-inversora do comparador. Para resolver esse problema de vibra¸ca˜o da chave, utilizar uma realimenta¸ca˜o da sa´ıda do comparador para a entrada n˜ ao-inversora. Este tipo de circuito ´e chamado Disparador Schimitt e apresenta a seguinte configura¸ca˜o:

R2 VCC

R1

Vent

Vhist VCC

Vsai

Figura 17: Circuito comparador com Schimitt Trigger Ele elimina a influˆencia de vibra¸co˜es de entrada na sa´ıda. A fun¸ca˜o de transferˆencia desse circuito est´ a mostrada graficamente abaixo:

Vsai

Vsat Vent

Vref

Vref Vsat

Figura 18: Diagrama de histerese

14

Onde, Vref- ´e o ponto de desengate inferior(LTP) e Vref+ ´e o ponto de desengate superior(UTP). A histerese ´e dada subtraindo-se as tens˜ oes de desengate superior da inferior. As tens˜ oes de desengate obedecem as seguintes rela¸co˜es: R2 Vsat R1 R2 U T D = Vhist + Vsat R1 LT D = Vhist −

A id´eia ´e inserir uma pequena histerese e ir aumentando-a gradualmente at´e que o objetivo seja satisfeito e o ru´ıdo n˜ ao interfira mais. Ap´ os alguns valores de resistˆencias testados, recomenda-se utilizar e . Esses valores fornecem, de acordo com as equa¸co˜es acima, uma LTD de 0, 3 V e uma UTD de 3, 3 V . A histerese ´e portanto de 3 V .

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