Laboratórios de Eletrônica Analógica Paulo Roberto Veronese Rodrigo Teixeira Machado

57 Pages·2014·0.6 MB·Portuguese

Universidade de São Paulo
Escola de Engenharia de São Carlos
Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação
Laboratórios de Eletrônica Analógica
Paulo Roberto Veronese
Rodrigo Teixeira Machado
Introdução
À medida que a civilização humana avança, nos tornamos cada vez mais
dependentes de tecnologia para evoluirmos. Tecnologia que nos transporta de nossas
casas até nossos trabalhos, tecnologia que nos permite comunicar com nossos amigos e
parentes, tecnologia que garante a produtividade alta em nossas fábricas e tecnologia
que nos permite ouvir uma música com boa qualidade.
Como uma das áreas da engenharia que mais impulsionam os avanços está a
eletrônica. Com avanços extraordinários na última década, esta área do conhecimento
consegue fazer cada vez mais com menos e de forma mais precisa. A eletrônica como
conhecemos é subdividida basicamente em duas áreas distintas:
-Eletrônica analógica: Onde os sinais são grandezas físicas (tensões, correntes) e
são utilizados sistemas analógicos para o processamento e tratamento dessas grandezas,
como amplificadores, filtros, retificadores.
-Eletrônica digital: Onde os sinais são símbolos binários, representados pela
abertura ou fechamento de chaves. O processamento é realizado por aritmética binária e
lógica booleana em conjuntos de circuitos lógicos.
Embora a eletrônica digital propicie a construção de sistemas extremamente
sofisticados como computadores, celulares, satélites, ela apenas pode ser utilizada com
sucesso com o domínio precedente da eletrônica analógica. Sinais digitais, vistos em um
nível mais baixo, são níveis de tensão que também pode ser tratados como sinais
analógicos dentro de certas faixas.
Mesmo com a predominância moderna do digital, o estudo de eletrônica
analógica não se torna nem um pouco menos importante. Sistemas de potência,
transmissores e circuitos de alta frequência em telecomunicações, conversores AD e DA
são todos circuitos analógicos indispensáveis para nossa sociedade.
Este material tem como objetivo fornecer uma visão moderna e bastante
abrangente de dispositivos e circuitos eletrônicos em sua maior parte analógicos, com
algumas aplicações em eletrônica digital.
Simulação e design por Software
A principal alteração deste curso com relação aos materiais mais tradicionais é o
extremamente extenso uso de simulações em software, tratadas como iguais e às vezes
até mais importantes que os resultados de laboratório. Possuindo modelos de boa
qualidade dos componentes estudados, uma simulação pode realizar muito mais em
alguns segundos do que um aluno realizando medidas por dias no laboratório.
Desta forma as práticas de laboratório terão caráter qualitativo, visualizar o
circuito e seu funcionamento e identificar as funções de entrada e saída, suas aplicações
e particularidades. As análises em simulação serão utilizadas, por exemplo, para realizar
varreduras em frequência e enxergar de uma vez a resposta completa de um circuito
para toda sua banda, o que em laboratório seria extremamente desgastante.
Para garantir que os alunos consigam acompanhar o curso, a primeira parte deste
material consistirá em um curso de LTSpice IV com exemplos e discussões sobre a
maior parte das análises exigidas ao longo dos outros curso e que serão extremamente
para os alunos que se interessarem e vierem a trabalhar com síntese de circuitos
analógicos. Recomenda-se que o aluno realize as três práticas antes do início do
primeiro curso.
Estrutura da Apostila
Esta apostila deverá ser adquirida de forma digital ou impressa pelos alunos no
quarto semestre regimental do curso de Engenharia Elétrica – Ênfase em Eletrônica. O
primeiro curso a ser abordado neste material é o de Laboratório de Dispositivos
Eletrônicos. Este curso tem como objetivo principal a caracterização dos diversos tipos
de dispositivos semicondutores e a sua apresentação formal para os alunos. Estudando-
se as principais características de cada componente, suas curvas, parâmetros e
aplicações básicas, os alunos estarão preparados para os cursos seguintes.
O primeiro laboratório de circuitos eletrônicos, ministrado no quinto semestre,
irá tratar das aplicações práticas dos componentes estudados anteriormente. Este
laboratório irá tratar inicialmente das aplicações dos diodos, com o estudo de
retificadores de onda completa, multiplicadores de tensão, limitadores e grampeadores.
Em seguida serão vistos várias aplicações de transistores bipolares, chaves, fontes de
corrente, estabilizadores de tensão. Na prática 7 daquele laboratório o estudo sobre
amplificadores com transistores iniciará, um estudo que continuará até o final do
segundo laboratório de circuitos eletrônicos. No final deste laboratório, uma prática irá
tratar de circuitos de aplicação de amplificadores operacionais como somadores e
subtratores, muito úteis para aplicações em instrumentação analógico.
O segundo laboratório irá continuar os estudos do primeiro laboratório, com a
introdução dos transistores de efeito de campo, JFET e MOSFET, possibilitando
maiores opções de design e aplicações diversas. O conceito de realimentação, citado
várias vezes anteriormente será explorado por completo e será provado que este é talvez
o conceito mais importante da eletrônica analógica linear. O laboratório irá culminar
com a montagem de um amplificador operacional de potência com enorme linearidade,
excursão de sinal e a possibilidade de fornecer correntes elevadas a uma carga em sua
saída, com aplicação direta em áudio.
O terceiro laboratório tem como objetivo completar o estudo de circuitos
analógicos com a análise de circuitos osciladores de relaxação e osciladores
harmônicos, capazes de gerar sinais alternados quadrados/triangulares e senoidais por si
próprios, apenas com uma alimentação contínua. Alguns tipos de moduladores, em
frequência e amplitude serão também estudados. O circuito multiplicador analógico,
capaz de realizar inúmeras operações, como modulação AM sem portadora, detecção de
fase e amplificação controlada por tensão também será visto. Por fim, serão montados
dois tipos de circuitos equalizadores para a faixa de áudio.
Projetos
A realização de projetos é essencial para a formação de engenheiros e a sua
preparação para a vida profissional. Tendo isso em vista, estes laboratórios foram
projetados para oferecer diversas chances dos alunos executarem projetos e usarem seus
conhecimentos para realizar os problemas. Para todos os projetos a ferramenta de
simulação, o LTSpice IV irá simplificar bastante a resolução dos problemas, evitando o
uso de cálculos manuais para a maior parte dos casos.
O primeiro projeto ocorrerá no final do laboratório de dispositivos eletrônicos,
com a confecção e implementação prática de um amplificador de sinais simples com um
transístor. Esse mesmo amplificador será estudado novamente em práticas futuras,
porém não basta ao aluno copiar os circuitos deste material, ele irá ter que provar o seu
funcionamento a partir das simulações e no laboratório e ilustrar como projetou o
circuito.
No final do laboratório de circuitos 1, serão oferecidas duas possibilidades de
projeto, à escolha dos alunos. Estes projetos serão versões mais sofisticadas de circuitos
estudados no laboratório, um aluno atento não terá dificuldades em realizá-los com as
ferramentas adequadas.
O laboratório 2 possui como final a construção do amplificador operacional
discreto completo, com algumas partes do circuito tendo que ser projetadas pelo aluno.
Antes dessa etapa final, um projeto intermediário será pedido, um amplificador de alto
ganho, realimentação e estágio de saída, uma espécie de amplificador operacional sem
estágio diferencial. Este projeto, do qual resultará um circuito bom desempenho
bastante significativo irá preparar os alunos para o entendimento do circuito definitivo
no final do semestre.
O laboratório 3 possui a maior ênfase em projetos até então. A partir deste
momento todas as práticas possuirão mini-projetos, que podem ir desde aperfeiçoar o
circuito estudado na prática até, por exemplo, projetar um demodulador para o
modulador estudado na prática. Espera-se uma certa maturidade dos alunos no curso
final e estes projetos ajudarão a confirmá-la.
No final do laboratório 3 existe o “projeto final em eletrônica analógica”. Este
projeto, como será explanado em mais detalhes mais em frente, tem como objetivo
servir como culmino dos estudos realizados nos quatro laboratórios. Um sistema
eletrônico complexo deverá ser implementado, simulado e testado na prática. Este
material irá apresentar quinze sugestões de projeto, o aluno poderá escolher uma das
propostas ou apresentar a sua própria.
Anexo a este material, no apêndice 1, se encontra uma lista de todos os
componentes que devem estar disponíveis no laboratório, suficientes para a realização
de todas as práticas propostas aqui e para a realização dos projetos.
Estrutura das práticas
Todas as práticas normais foram organizadas em tópicos indicados por uma
legenda padrão indicada na numeração desses tópicos. Segue a explicação dessa
legenda:
L – Procedimento de laboratório. Tópicos com esta legenda indicarão uma
montagem ou teste prático.
S - Procedimento de simulação. Tópicos com esta legenda indicarão uma
montagem no software LTSpice IV ou uma análise na simulação.
T – Discussão teórica. Tópicos com esta legenda indicarão algum
questionamento ou discussão esperada do aluno sobre um assunto relacionado á
prática em questão.
P – Mini-Projeto. Em meio às práticas, surgirá a necessidade de se desenvolver
circuitos ou testar ideias, que deverão ser efetuadas na simulação e o aluno com
seus conhecimentos deve deduzir quais os melhores tipos de análise e testes a
serem feitos.
As práticas de projetos completos, ao contrário das práticas normais, foram
organizadas em uma estrutura de diretrizes mais simples, onde se descreve as exigências
e expectativas do projeto e na maioria das vezes o aluno deverá saber como efetuar as
análises de simulação e prática.
Sinais de Áudio
Sinais de áudio, devido ao seu espectro completo em baixas frequências e a
possibilidade de aplicação imediata com os transdutores adequados. Ao longo destas
práticas, diversos circuito funcionarão como processadores analógicos de sinais de
áudio, com o uso de fones de ouvido e alto falantes para completar a experiência
sensorial.
Em algumas simulações também será necessário o uso de músicas no LTSpice,
para testes mais sofisticados em mini projetos ou simulações específicas. Recomenda-se
o uso do software gratuito Audacity para edição, corte e conversão de arquivos de
áudio, para serem utilizados tanto nas experiências práticas quanto em simulações.
Levantamento de Curvas
Em diversas práticas, principalmente no curso de dispositivos eletrônicos, curvas
experimentais deverão ser levantadas, como curvas de diodos, transistores,
estabilizadores de tensão e fontes de corrente. De modo a comparar os resultados
obtidos na prática com as simulações, recomenda-se o uso de um software capaz de
gerar os gráficos pedidos. Para tal fim, recomenda-se o poderoso software científico
Matlab ou o seu similar gratuito Scilab.
Método de Avaliação
Sendo este material utilizado em uma disciplina, cabe ao docente determinar
como será a avaliação em seu curso. Recomenda-se que este peça relatórios completos
ou simplificados de cada prática individualmente ou agrupadas conforme temática
semelhante.
Esses relatórios poderão agregar as discussões teóricas, os resultados práticas, as
simulações e os eventuais mini-projetos, garantindo que o aluno deverá cumprir as
tarefas propostas em sua integralidade. Como esses relatórios entrarão na média, como
serão avaliados e quais outros critérios serão incluídos na avaliação final cabe ao
docente da disciplina decidir.
Agradecimentos
Este material não poderia ter sido realizado sem o apoio dos de meus queridos
professores e colegas. De início, gostaria de agradecer ao professor Paulo Roberto
Veronese por ser meu mestre no estudo da teoria de circuitos eletrônicos, por apoiar
esta iniciativa e por disponibilizar sua maravilhosa biblioteca de LTSpice, o que
possibilita a maioria das simulações aqui. Todos os componentes que tenham o nome
terminado por “v” foram modelados pessoalmente por esse professor e são priorizados
na escolha de modelos de simulação.
A seguir estão listados os nomes docentes que ajudaram a tornar esta iniciativa
possível, utilizando este material em suas aulas e/ou colaborando com ideias e
propostas.
-Paulo Roberto Veronese
-Edson Gesualdo
-Danilo Hernane Spatti
-Renato Machado Monaro
-José Marcos Alves
-Ricardo Quadros Machado
-Jerson Barbosa de Vargas
-Alberto Cliquet
-Renato Varoto
-Baker Jefferson Mass
O interesse e sugestões de meus colegas também foi de extrema importância
para manter a motivação neste longo projeto e para ajudar a lapidar várias das ideias
apresentadas aqui. Listo à seguir alguns dos colegas que me vêem à mente sem
nenhuma ordem específica:
-Tatiani Pivem
-Felipe Marques
-Fernando Lahoz
-Álvaro Augusto Volpato
-Carol Francis
-Andre Perez
-Jessica Bohn da Vida
-Victoria Velame
-Vinicius Pepino
Organização dos Cursos
Parte 1 : Introdução à simulação com o LTSpice IV
Prática 1 – Análise em corrente contínua
Prática 2 – Análise na frequência
Prática 3 – Análise no tempo
Parte 2: Laboratório de Dispositivos Eletrônicos
Prática 1 – Diodo Retificador
Prática 2 – Diodo emissor de Luz
Prática 3 – Diodo Zener
Prática 4 – Transístor Bipolar de Junção
Prática 5 – Transístor Bipolar de Junção Darlington
Prática 6 – Transístor de Efeito de Campo de Junção
Prática 7 – Transístor de Efeito de Campo de porta Isolada
Prática 8 – Estabilizador de Tensão Integrado
Prática 9 – Amplificador Operacional Integrado
Prática 10 – Acoplador Óptico Integrado
Prática 11 – Transístor de Unijunção
Prática 12 – Diodo controlado por Sinal
Prática 13 – Válvula Triodo
Projeto Final – Amplificador de Tensão simples com BJT ou MOSFET
Parte 3: Laboratório de Circuitos Eletrônicos 1
Prática 1 – Retificadores de Potência
Prática 2 – Limitadores e Grampeadores
Prática 3 – Multiplicador de Tensão
Prática 4 – Circuitos de Chaveamento com BJT
Prática 5 – Fontes de Corrente
Prática 6 – Estabilizador de Tensão
Prática 7 – Amplificadores com BJT
Prática 8 – Amplificadores com cargas ativas
Prática 9 – Amplificador diferencial com BJT
Prática 10 – Amplificadores Push-Pull com BJT
Prática 11 – Amplificadores CFP com BJT
Prática 12 – Circuitos com Amplificadores Operacionais
Projeto Final 1 – Amplificador Cascode
Projeto Final 2 – Estabilizador de Tensão de Precisão
Parte 4 – Laboratório de Circuitos Eletrônicos 2
Prática 1 – Pré Amplificador de Áudio
Prática 2 – Fontes de Corrente com JFET e MOSFET
Prática 3 – Amplificadores Simples com JFET
Prática 4 – Amplificadores Simples com MOSFET
Prática 5 – Amplificador Cascode com MOSFET
Prática 6 – Amplificador de 2 estágios e realimentação com MOSFET
Prática 7 – Portas Lógicas
Prática 8 – Projeto Intermediário - Amplificador com carga ativa e realimentação
Prática 9 – Amp Operacional Discreto: Estágio Diferencial
Prática 10 – Amp Operacional Discreto: Estágio de ganho de tensão
Prática 11 – Amp Operacional Discreto: Estágio de Driver de corrente e polarização
Prática 12 – Amp Operacional Discreto: Estágio de Potência
Parte 5 – Laboratório de Circuitos Eletrônicos 3
Prática 1 – Multivibrador Astável
Prática 2 – Oscilador por Deslocamento de Fase
Prática 3 – Oscilador Collpits
Prática 4 – Oscilador Hartley
Prática 5 – Oscilador Pierce
Prática 6 – Oscilador em Rampa
Prática 7 - Oscilador controlado por tensão
Prática 8 – Amplificador Sintonizado
Prática 9 – Multiplicador Analógico
Prática 10 – Equalizador paramétrico
Prática 11 – Equalizador Baxandall
Prática Extra – Amplificador de Potência Simplificado
Projeto Final em Eletrônica Analógica
Apêndice A: Lista dos componentes do laboratório
Introdução à Simulação de circuitos eletrônicos
Simuladores de circuitos eletrônicos são ferramentas extremamente poderosas,
capazes de intensificar e melhorar o trabalho de um engenheiro. Utilizando-se as
análises adequadas, uma simulação de um circuito eletrônico pode trazer infinitamente
mais informações sobre o seu funcionamento do que cálculos manuais além de agilizar
o processo de maneira incrível.
No mundo moderno da engenharia, cada vez é mais importante que um produto
seja desenvolvido rápido e sem falhas e neste ponto o uso de simuladores aliados a um
engenheiro competente fazem toda a diferença. Eram os dias onde os circuitos deveriam
ser testados e otimizados com componentes reais após longos cálculos, com modelos
bons e simulações bem-feitas pode-se garantir com quase certeza que um protótipo
desenvolvido em software funcionará quando implementado com os componentes reais.
Nestes cursos experimentais de eletrônica analógica além de todas as análises
práticas, será utilizado o simulador LTSpice IV, desenvolvido pela Linear Technology e
distribuído gratuitamente em seu site. Esse software estará disponível nos computadores
dos laboratórios e recomenda-se que os alunos instalem a ferramenta em seus
computadores pessoais.
Além do simulador e suas bibliotecas padrão será utilizada a biblioteca
compilada pelo professor Paulo Roberto Veronese, que ministra os cursos de teoria de
circuitos eletrônicos. Essa biblioteca expande bastante os modelos disponíveis para
simulação principalmente com a maioria dos componentes que serão utilizados nos
experimentos deste material. Essa biblioteca estará instalada nos computadores dos
laboratórios, também recomenda-se que o aluno a adquira através do sistema de
disciplinas online do departamento.
Neste capítulo serão desenvolvidas três práticas introdutórias, que podem ser
feitas pelos alunos em casa e os ajudarão a compreender o funcionamento básico do
software além de fornecer exemplos do que esperar de alguns tipos de simulação. As
três práticas são listadas a seguir:
Prática 1 – Análise em corrente contínua
Prática 2 – Análise em frequência
Prática 3 – Análise no tempo
A primeira prática tratará das análises mais simples possibilitadas pelo LTSpice,
a análise .Op que envolve o cálculo do ponto de operação do circuito para sinais
contínuos e a análise .DC, que calcula o ponto de operação do circuito em função de
uma fonte de corrente ou de tensão contínua. Esta última análise será usada
extensamente no curso de dispositivos eletrônicos para se traçar as curvas dos
componentes.
A segunda prática desenvolverá o conceito básico de varredura em frequência de
circuitos com o uso do conhecido diagrama de Bode facilmente traçado no software.
Serão analisados alguns filtros e amplificadores básicos nesta etapa, com exemplo de
funcionamento e suas aplicações simples de acordo com as respostas em frequência.