UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE ONLINE PARA DESENVOLVIMENTO DE
CIRCUITOS ELETRÔNICOS DE AMPLIFICADORES
João Vitor Carcute Gonçalves Alves ¹ Gabriel Aires Honorato² Alexandre Tannus ³ Resumo
A engenharia mecânica está cada dia mais ligada à robótica e eletrônica, a necessidade de se aprender como funcionam os sistemas elétricos e como montá-los é cada vez mais acentuada no mercado de trabalho. A pesquisa trata de desenvolver três circuitos elétricos de amplificadores que foram feitos teoricamente e comprovar sua veracidade, capacidade de construção e entendimento do aluno sem que haja risco à propriedade ou ao próprio indivíduo, realizando uma comparação com os valores obtidos de forma teórica e de forma simulada. Para se realizar tal comparação, foi usado um software online capaz de simular diversos tipos de circuitos elétricos, sendo um deles na utilização de amplificadores, o software pode ser acessado através do site www.tinkercad.com e seu uso é gratuito. Com o intuito apenas comparativos, os três experimentos realizados são referentes aos 4 tipos mais comuns de amplificadores, são eles o inversor, não-inversor, somador e subtrator, sendo que os dois últimos foram colocados em um único sistema.
Palavra-chave: Amplificadores; Software de simulação; Sistemas eletrônicos.
USE OF ONLINE SOFTWARE FOR THE DEVELOPMENT OF
ELECTRONIC AMPLIFIER CIRCUITS
Abstract
Mechanical engineering is more and more linked to robotics and electronics, the need to learn how electrical systems work and how to assemble them is increasingly steep in the job market. The research tries to develop three electric circuits of amplifiers that were made theoretically and to prove their veracity, capacity of construction and understanding of the student without risk to the property or the own individual, making a comparison with the obtained values of theoretical form and of form simulated In order to perform such a comparison, an online software capable of simulating various types of electrical circuits was used, one of them in the use of amplifiers, the software can be accessed through the website www.tinkercad.com and its use is free. For the purpose of comparison only, the three experiments are related to the 4 most common types of amplifiers: the inverter, the inverter, the adder and the subtractor. The last two were placed in a single system.
Kaywords: Amplifiers; Simulation software; Electronic systems.
¹ Bacharelando Engenharia Mecânica, Centro Universitário de Anápolis, Brasil. Centro Universitário de Anápolis, Brasil. joaocarcute_1@hotmail.com ² Bacharelando Engenharia Mecânica, Centro Universitário de Anápolis, Brasil. Centro Universitário de Anápolis, Brasil. gabriel.honorato@gmail.com ³ Mestre Engenharia de Software, Pontifícia Universidade Católica, Brasil. Centro Universitário de Anápolis, Brasil. alexandretannus+robotica@gmail.com
Introdução
Amplificadores são dispositivos eletrônicos que aumentam ou diminuem a amplitude dos sinais sem alterar sua frequência, existe uma diferença entre amplificadores ideais e reais. Um amplificador ideal possui um ganho de tensão, uma impedância de entrada e uma resposta de frequência infinita, assim como uma impedância de saída e sensibilidade de temperatura igual a zero, enquanto que os amplificadores reais possuem valores mais diversos: o ganho é maior que dez mil, a impedância de entrada está na casa dos mega ohms, a impedância de saída não pode ser inferior a 100 ohms, pois pode haver curto circuito, a largura de banda está na casa dos mega hertz e a temperatura é variável.
De modo geral, podemos dizer que suas aplicações estão presentes nos sistemas eletrônicos de controle industrial, na instrumentação industrial, na instrumentação médica (eletromedicina ou bioelétrica), nos equipamentos de telecomunicações, equipamentos de áudio, sistemas de aquisição de dados e etc.
Os amplificadores podem ser desenvolvidos em malha aberta (sem alimentação), malha fechada com realimentação positiva ou malha fechada com realimentação negativa, cada um destes três tipos possui uma vantagem que pode ser explorada.
Os amplificadores de malha aberta (não tem realimentação) possuem seu ganho estipulado pelo próprio fabricante (não há um controle sobre o próprio amplificador), tal amplificador é muito útil na utilização de circuitos comparadores.
Amplificadores com realimentação positiva apresentam um inconveniente de conduzir o circuito à instabilidade, porém tal fato faz deles úteis nos circuitos oscilatórios. O amplificador de malha fechada com realimentação negativa é o único que possui uma resposta linear e tem um ganho controlado, sendo o mais aplicado nos diversos ramos da robótica industrial.
Existem vários tipos de amplificadores, mas 5 são mais comuns:
O amplificador Inversor, tem a saída (Vo) obtida pela multiplicação da entrada (Vi) por um ganho constante, fixado pelo resistor de entrada (Ri) e pelo resistor de realimentação (Rf), sua saída é invertida em relação à entrada, a formula regida por ele está na equação 1.1.
𝑉𝑜 = −𝑅𝑓
O amplificador não-inversor trabalha como um multiplicador de ganho constante, sua conexão não é tão estável quanto ao inversor, a equação 1.2 mostra como é seu desenvolvimento.
𝑉𝑜= (1 + 𝑅𝑓 𝑅𝑖) 𝑉𝑖
O seguidor, que não amplifica nem reduz o comprimento de onda, dessa forma a tensão de saída é a mesma que a tensão de entrada.
O somador inversor possui n entradas com n valores de tensões diferentes (ou iguais), onde cada um é multiplicado por um valor de ganho constante, este amplificador fornece uma tensão de saída por meio da soma algébrica entre as entradas, sua equação pode ser descrita como a equação 1.3. 𝑉𝑜= − ∑ 𝑅𝑓 𝑅𝑖𝑉𝑖 𝑛 𝑖=1
O subtrator ou diferencial permite que se obtenha na saída uma tensão igual à diferença entre os sinais de entrada, multiplicados pelo ganho, como expresso pela equação 1.4.
𝑉𝑜= 𝑅𝑓2
𝑅𝑖1(𝑉𝑖2− 𝑉𝑖1)
Deve-se lembrar de que, em circuitos elétricos, é aconselhável que se use fios de coloração vermelha para terminais positivos e fios de coloração preta para terminais negativos / neutros.
O software online de simulação de circuitos eletrônicos pode ser acessado através do site www.tinkercad.com, foi desenvolvido pela empresa AutoDesk e possui várias aplicações. O software possui uma gama de dispositivos eletrônicos que podem ser, ou não, de fácil acesso à consumidores comuns, como por exemplo resistores, lâmpadas LED, potenciômetros, capacitores polarizados, diodos, sensores de distância ultrassônicos, sensores de gás, placas protoboard’s, Arduino, fontes de energia, geradores de função e vários outros, o que possibilita não só a simulação de um sistema de amplificador como também outros sistemas eletrônicos ou até sistemas integrados entre si.
As vantagens do uso do software eletrônico é a economia na compra dos dispositivos para experimentos, sendo que o usuário poderá realizar a compra somente após ter a certeza de quê o circuito funcionará como planejado. Por se tratar de questões elétricas, o software também possibilita
(1.2)
(1.4) (1.3)
segurança para os usuários leigos que não possuem conhecimento básico para se protegerem contra curtos circuitos, estouros ou faíscas que podem ser criadas em eletrônicos reais.
O software também possui uma plataforma de simulação que permite alterar valores de frequência, tensão, amplitude de ondas e, caso tenha algum componente que possibilite a criação de códigos, o software também constrói e simula os mesmos. Instrumentos de medição como multímetros e osciloscópios também são disponíveis.
No experimento as equações expressas anteriormente serão testadas e comparadas com o simulador Tinkercad online, os valores obtidos devem estar próximos uns aos outros e devem possuir entendimento lógico do sistema.
Metodologia
Foram usados três exercícios teóricos sobre o tema amplificadores, cada um deles remete-se à um tipo diferente de amplificador (exceto o seguidor que, teoricamente, não altera a tensão da corrente) e ao final da simulação, foram comparados seus valores.
O primeiro exercício comparativo consiste em um amplificador inversor conforme a figura 1, onde R1 e R2 são, respectivamente 25 KΩ e 100 KΩ e Vi vale 10 V.
Figura 1: Exercício comparativo 1
Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Amplificador_operacional, modificado pelo autor
Para se desenvolver o circuito, foram utilizados: 1 gerador de função, 2 fontes de energia, 1 placa protoboard fina, dois resistores e 1 amplificador operacional 741, além de 2 osciloscópios usados para analisar o comportamento das ondas antes e depois do amplificador e verificar a competência do software. Para utilizar tais equipamentos basta clicar e arrastar a imagem deles que é encontrada na lateral direita do simulador.
Vi
Colocar o amplificador operacional 741 no centro da placa protoboard; Ligar o terminal positivo de uma das fontes de energia (fonte 1) no terminal negativo da outra (fonte 2) e ligar este mesmo terminal negativo na terra da placa; Ligar o terminal negativo da fonte 1 na entrada Vcc- do amplificador; Ligar o terminal positivo da fonte 2 na entrada Vcc+ do amplificador; Ligar o terminal negativo do gerador de função na terra do protoboard; Ligar o terminal positivo do gerador de função na entrada In+ do amplificador; Ligar uma ponta do resistor 1 na terra do protoboard e a outra ponta na entrada In+ do amplificador; Ligar uma ponta do resistor 2 na entrada In+ do amplificador e a outra ponta na saída do amplificador. Neste momento o experimento foi concluído, para se comparar a onda antes e depois do amplificador em sequência:
Ligar o terminal negativo do osciloscópio 1 na terra do protoboard e o terminal positivo na entrada In+ do amplificador; ligar o terminal negativo do osciloscópio 2 na terra do protoboard e o terminal positivo na saída do amplificador.
O segundo exercício comparativo consiste em um amplificador não inversor conforme a figura 2, onde os valores de R1 e R2 são, respectivamente 100 Ω e 3 KΩ e Vi vale 100 mV.
Figura 2: Exercício Comparativo 2
Fonte: https://www.clubedohardware.com.br/forums/topic/987758-d%C3%BAvida-quest%C3%A3o-eletr%C3%B4nica-industrial/, modificado pelo autor
Para se desenvolver o circuito, foram utilizados os mesmos equipamentos do primeiro exercício comparativo.
Para se iniciar a montagem segue os passos a seguir:
Colocar o amplificador operacional 741 no centro da placa protoboard; Ligar o terminal positivo de uma das fontes de energia (fonte 1) no terminal negativo da outra (fonte 2) e ligar este mesmo terminal negativo na terra da placa; Ligar o terminal negativo da fonte 1 na entrada Vcc- do amplificador; Ligar o terminal positivo da fonte 2 na entrada Vcc+ do amplificador; Ligar o terminal negativo do gerador
R1
Vo Vi
de função no terra do protoboard; Ligar o terminal positivo do gerador de função em uma das pontas do resistor 1; Ligar a outra ponta do resistor 1 na entrada In- do amplificador; Ligar entrada In+ do amplificador no terra do protoboard; Ligar uma das pontas do resistor 2 na entrada In- do amplificador e a outra ponta na saída do amplificador. Neste momento o experimento foi concluído, para se comparar a onda antes e depois do amplificador em sequência:
Ligar o terminal negativo do osciloscópio 1 na terra do protoboard e o terminal positivo na ponta do resistor 1; ligar o terminal negativo do osciloscópio 2 na terra do protoboard e o terminal positivo na saída do amplificador.
O terceiro exercício comparativo consiste em um somador integrado à um subtrator conforme figura 3, onde os valores de R1, R2, R3, R4 e R5 são, respectivamente 120, 50, 180, 60 e 150 [KΩ] e os valores de V1, V2 e V3 são 10, 60 e 200 [mV].
Figura 3: Exercício Comparativo 3
Fonte: Do autor
Para se desenvolver o circuito, foram utilizados: 3 geradores de função, 2 fontes de energia, 1 placa protoboard fina, 7 resistores e 2 amplificadores operacional 741, além de 2 osciloscópios usados para analisar o comportamento das ondas antes e depois do amplificador.
Para se iniciar a montagem segue os passos a seguir:
Colocar os amplificadores operacionais 741 no centro da placa protoboard; Ligar o terminal positivo de uma das fontes de energia (fonte 1) no terminal negativo da outra (fonte 2) e o terminal negativo da fonte de energia (fonte 2) na terra do protoboard; Ligar o terminal negativo da fonte 1 na entrada Vcc- do amplificador 1; Ligar o terminal positivo da fonte 2 na entrada Vcc+ do amplificador 1; Ligar o terminal negativo da fonte 1 na entrada Vcc- do amplificador 2; Ligar o terminal positivo da fonte 2 na entrada Vcc+ do amplificador 2; Ligar o terminal negativo do gerador de função 1 na terra do protoboard; Ligar o terminal positivo do gerador de função 1 em uma das pontas do resistor 1 e ligar a
protoboard; Ligar uma das pontas do resistor 2 na entrada In- do amplificador 1 e a outra ponta na saída do amplificador 1; Ligar o terminal negativo do gerador de função 2 na terra do protoboard; Ligar o terminal positivo do gerador de função 2 em uma das pontas do resistor 3 e ligar a outra ponta do resistor 3 na entrada In- do amplificador; Ligar uma das pontas do resistor 4 na saída do amplificador 1 e a outra ponta na entrada In- do amplificador 2; Ligar o terminal negativo do gerador de função 3 na terra do protoboard; Ligar o terminal positivo do gerador de função 3 em uma das pontas do resistor 5 e ligar a outra ponta do resistor 5 na entrada In+ do amplificador 2; Ligar uma das pontas do resistor 6 na saída do amplificador 2 e a outra ponta na entrada In- do amplificador 2; Ligar uma das pontas do resistor 7 na terra do protoboard e a outra ponta na entrada In+ do amplificador 2.
Neste momento o experimento foi concluído, para se comparar a onda antes e depois doa amplificadores em sequência:
Ligar o terminal negativo do osciloscópio 1 na terra do protoboard e o terminal positivo na ponta do resistor 1; ligar o terminal negativo do osciloscópio 2 na terra do protoboard e o terminal positivo na saída do amplificador 2.
Resultados e Discussão
Após a montagem do exercício comparativo 1, com a simulação iniciada o osciloscópio ligado da entrada In+ do amplificador mostra uma variação de onda de 10.0 V de pico a pico. De acordo com a equação 1.1 do amplificador inversor e usando os valores ditos no exercício, teoricamente a tensão da corrente final deve ser de -40.0 V, sendo que o sinal negativo do resultado significa que a onda foi invertida.
A figura 4 exibe a simulação do exercício comparativo 1, de acordo com o software, a tensão de saida da corrente equivale aproximadamente 50 V de pico a pico.
Após a montagem do exercício comparativo 2, com a simulação iniciada o osciloscópio ligado na ponta do resistor 1 mostra uma variação de onda de 100 mV de pico a pico. De acordo com a equação 1.2 do amplificador não-inversor e usando os valores ditos no exercício, teoricamente a tensão da corrente final deve ser de 3.0 V.
Figura 5: Simulação do exercício comparativo 2
Fonte: Tinkercad.com, modificado pelo autor
A figura 5 exibe a simulação do exercício comparativo 2, o software exibe o gráfico do oscilador 2 (ligado na saida do amplificador) com escala de 4.00 V em um tempo de 1.00 s, cada quadrado unitário equilave à 0.4 V, dessa forma o valor da corrente de pico a pico equivale à um pouco mais de 3.0 V.
Após a montagem do exercício comparativo 3, com a simulação iniciada o osciloscópio ligado na ponta do resistor 1 mostra uma variação de onda de aproximadamente 10.0 mV de pico a pico. Como dito anteriormente, o exercicio comparativo 3 é uma sequência de um somador com um subtrator, ou seja, teoricamente para se encontrar a tensão de saida do sistema, é resolvida a equação 1.3 e, em seguida, a equação 1.4. Seguindo ambas, o valor da tensão final equivale à 1077.5 mV, aproximadamente 1.0 V.
Figura 6: Exercício comparativo 3
Fonte: Tinkercad.com, modificado pelo autor
A figura 6 exibe a simulação do exercício comparativo 3, o software exibe o gráfico do oscilador 2 (ligado na saida do amplificador 2) com escala de 2.00V em um tempo de 1.00 s, cada quadrado unitário equilave à 0.2V, dessa forma o valor da corrente de pico a pico equivale à aproximadamente 1.0V.
Conclusões
A tabela a seguir exibe os valores teóricos e simulados pelo software na tensão de saída do amplificador (segundo amplificador no caso do exercício comparativo 3).
Tabela 1: Comparação dos valores de tensão de saída do amplificador
Número do Exercício Valor Teórico Valor Simulado Exercício Comparativo 1 40.0 V ~50.0 V Exercício Comparativo 2 3.0 V ~3.0 V Exercício Comparativo 3 1.0775 V ~1.0 V
Fonte: Do autor
Pode-se perceber que os valores obtidos foram bem aproximados dos teóricos, sendo que a tolerância de equidade deve aumentar ao passo que se eleva o valor de voltagem, esta dedução pode
ser notada pela comparação do exercício 1, onde o valor teórico foi de 40 V e o simulado de 50 V, variando de 10 V, enquanto que os valores para o segundo e terceiro exercício foram tão pequenos que podem ser desconsiderados.
Com tais conclusões, é certo dizer que o software online de simulação de circuitos eletrônicos pode ser usado tanto para fins didáticos quanto para outros fins. Estes resultados não significam que os valores encontrados na simulação estão errôneos, sendo possível esta conclusão somente ao realizar os mesmos testes com resistores e amplificadores reais.
Outra vantagem encontrada no uso do software foi a possibilidade de se usar eletrônicos sem gastos com compra de peças. Para se realizar os três testes comparativos, são necessários uma placa protoboard do modelo Small de 400 pontos, com valor de R$ 20,00, dois amplificadores operacionais de R$ 2,00 cada, três geradores de função de R$ 1.200,00 cada, duas fontes de energia de R$ 120,00 cada, um kit de resistores de aproximadamente R$ 23,00 mais alguns metros de fios condutores. Dessa forma o preço total para se realizar tal experimento na realidade seria de aproximadamente R$ 3877,00, podendo ocorrer o risco de o usuário queimar algum dos componentes, necessitando de reposição, ou até sofrer uma descarga elétrica acidental, causando danos à saúde.
Em um contexto geral, o uso do software é benéfico e aconselhável para quem necessita de aprendizagem e não corra risco ou não possua poder aquisitivo suficiente, pois seus resultados possuem tolerâncias aceitáveis.
Referências Bibliográficas
[1] Wendling, Marcelo. Amplificadores Operacionais. Universidade Estadual Paulista, Campus de Guaratinguetá, Colégio técnico Industrial de Guaratinguetá “Professor Carlos Augusto Patrício Amorim”, 2ª ed., 2010.
