FATEC ADIB MOISÉS DIB
EEA-103
Sistemas de Controle
Aula 03
Professor Murilo Zanini de Carvalho
E-mail: murilo.eletronica.mecatronica@gmail.com
Instrumentação e Controle
Revisão aula anterior:
Objetivo sistemas de controle;
Malha aberta;
Amplificadores Operacionais
Os amplificadores operacionais são construídos por diversos componentes (resistores, transistores, capacitores, FETs), embutidos no mesmo emcapsulamento (BALBINOT e BRUSAMARELLHO, 2010);
É o principal elemento nos circuitos condicionadores de sinal por suas características construtivas e de funcionamento.
Amplificadores Operacionais
A escolha do amplificador operacional (conhecido também por OPAMP) vária de acordo com sua função no projeto (BALBINOT e BRUSAMARELLHO, 2010);
Sua utilização é indicada em projetos que utilizam altos ganhos, necessitam de imunidade ao ruído, impedância de entrada alta e de saída baixa, sem distorção e com estabilidade (BALBINOT e BRUSAMARELLHO, 2010).
Amplificadores Operacionais
De forma básica, um OPAMP possui 2 entradas, 1 inversora e 1 não inversora, 1 saída e 2 terminais para alimentação.
Amplificador Operacional Ideal (Retirado de
http://www.mspc.eng.br/eletrn/im02/ampop0001.png , em 12/09/2011)
Amplificadores Operacionais
Os amplificadores operacionais ideais, possuem como característica:
Impedância de entrada infinita;
Impedância de saída nula;
Ganho infinito;
Mesmo essas sendo características do amplificador ideal, elas podem ser utilizadas para analisar os circuitos utilizando amplificadores comerciais (LM741, LM358)
Características dos OPAMP
Tensão de offset: valor de tensão presente na saída do OPAMP quando ambas as entradas apresentam o mesmo nível de tensão. Os fabricantes disponibilizam em seus CI terminais para que o valor do offset possa ser corrigido.
Correção da tensão de offset (Retirado de
http://www.national.com/images/pf/LM741/009341 07.jpg, em 12/09/2011)
Terminais LM741 (Retirado de
Características dos OPAMP
Slew-Rate: velocidade da variação da tensão em
função da variação do tempo. A taxa de slew-rate determina a velocidade máxima com que um sinal pode variar sem sofrer deformações.
Efeito do Slew-Rate sobre um trem de pulsos (Retirado de http://www.falco-systems.com/HVFig3.jpg , em 12/09/2011)
Características dos OPAMP
Em função de seu alto valor de ganho, os OPAMP, mesmo com sinais muito pequenos, podem saturar sua saída (atingir o máximo valor positivo ou negativo);
Características dos OPAMP
Sinal de entrada com amplitude de 50 mili Volt, satura o amplificador para seu valor máximo de saída
LM741
Amplificador operacional antigo, mas utilizado como referência de comparação por ser bastante conhecido (BALBINOT e BRUSAMARELLHO, 2010);
Configurações dos OPAMP
Para que possamos utilizar os OPAMP, deve ser possível controlar o valor de seu ganho para que ele ajuste-se a aplicação para qual ele está sendo projetado;
O ganho de um OPAMP é dado pela relação entre o valor da saída produzido para um dado valor de entrada (BOLTON, 2010).
Amplificador Inversor
Na configuração Amplificador Inversor, o ganho do amplificador é limitado em função de um resistor de realiamentação.
Amplificador Inversor
Os sinais de entrada estão defasados 180˚ em relação aos sinais de saída (BALBINOT e BRUSAMARELLHO, 2010);
A equação apenas é válida na região linear do OPAMP (ele não
satura em +V ou em -V);
Para um amplificador trabalhar na região linear, devem ser válidas as relações (BALBINOT e BRUSAMARELLHO, 2010):
Vin * Ganho < +V;
Vin * Ganho > -V;
Os valores de R1 e R2 devem ser muito inferiores ao valor da impedância de entrada.
Amplificador Não-Inversor
Ainda é utilizada realimentação negativa, contudo, o sinal de entrada é aplicado utilizando a entrada não-inversora (BALBINOT e BRUSAMARELLHO, 2010).
Amplificador Não-Inversor
O sinal de entrada esta em fase com o sinal de saída;
Assim como no caso do amplificador inversor, a
relação do ganho apenas é válida na região de resposta linear do OPAMP;
Seguidor de Tensão
O seguidor de tensão é uma variação da configuração Amplificador Não-Inversor, pois também recebe seu sinal de entrada por meio da entrada não inversora do OPAMP;
O ganho dessa configuração é 1, ela é utilizada para realizar o ajuste de impedâncias de circuitos, uma vez que a impedância de entrada do circuito torna-se muito alta (>2 MΩ) e a impedância de saída é muito baixa (BALBINOT e BRUSAMARELLHO, 2010).
Impedância de Entrada
O valor da impedância de entrada de um circuito pode ser mensurado, através da medição do valor da tensão de entrada (Ve), dividido pelo valor de corrente que circula pela entrada (Ie) (BALBINOT e BRUSAMARELLHO, 2010);
Configuração Inversora:
Zentrada = Próximo do valor de R1;
Configuração não-inversora:
Amplificador de Diferença
Amplifica o valor da diferença entre os sinais de entrada (BOLTON, 2010);
Essa configuração é utilizada para a amplificação de
pequenos sinais, como os obtidos em pontes (BALBINOT e BRUSAMARELLHO, 2010).
Amplificador de Instrumentação
É a configuração mais utilizada na amplificação de pequenos sinais, pois traz como vantagens (BALBINOT e BRUSAMARELLHO, 2010):
Alta impedância de entrada (a do OPAMP) para cada uma das entradas;
O sinal de entrada em fase com o sinal de saída;
O ganho do amplificador pode ser controlador apenas variando uma resistência (quando projetado dessa forma).
Amplificador de Instrumentação
Amplificador de Instrumentação
Ao considerarmos:
R3 = R2 = R
R4 = R6
R5 = R7
Amplificadores de Instrumentação
Os amplificadores de instrumentação comerciais, trazem seu projeto de forma que apenas o valor de R1 teha de ser ajustado (R1 é referênciado também como RG) (BOLTON, 2010);
O amplificador de instrumentação INA114 traz seu ganho igual a:
G = 1 + (50 / RG) [Valor de RG dado em kΩ]
A mesma função de ganho é utilizada pelo amplificador AD620, da Analog Device (BALBINOT e BRUSAMARELLHO, 2010).
Amplificadores de Instrumentação
O problema que pode ser encontrado no uso dos amplificadores de instrumentação está vinculado a seu custo elevado.
Pode-se substituir um amplificador de instrumentação por 2 seguidores de tensão de entrada, ligados em um amplificador de diferença.
Amplificador Integrador
O circuito integrador é construído utilizando um capacitor como realimentação na configuração amplificador inversor (BOLTON, 2010);
Amplificador Integrador
Deve tomar cuidado para que a frequência de corte venha ser bem inferior que a frequência de variação do sinal de entrada.
Caso o sinal de entrada varie em uma frequencia inferior que a frequência de corte, o capacitor comporta-se como um elemento em alta impedância, fazendo com que o ganho do circuito torne-se muito alto, levando o AMPOP a saturação.
Amplificador Diferenciador
O amplificador diferenciador, embora possível de ser construído, não é utilizado por meio de amplificadores operacionais, em função das instabilidades que ele traz (CHEN, 1993).
Amplificador Diferenciador
Deve tomar cuidado para que a frequência de corte venha ser bem superior que a frequência de variação do sinal de entrada.
Caso o sinal de entrada varie em uma frequencia superior que a frequência de corte, o capacitor comporta-se como um curto-circuito, fazendo com que o ganho do circuito torne-se muito alto, levando o AMPOP a saturação.
Referências Bibliograficas
BALBINOT, Alexandre; BRUSAMARELLO, Valner João.
“Instrumentação e Fundamentos de Medidas – Volume 1”, 2010
BOLTON, W. “Mecatrônica – uma abordagem multidisciplinar”,
2010
BOLTON,W. “Instrumentation and Control Systems”, 2004
CHEN, .” Analog and Digital Control System Design: Transfer-Function, State-Space, and Algebraic Methods (Saunders College Publishing Electrical Engineering)”, 1993
Exercício 1
Qual o valor da tensão de saída para os sinais de entrada, levando em consideração os valores de R1 e R2 para cada um dos casos (Configuração Inversora):
R1 = 1kΩ ; R2 = 2,2kΩ ; Vin = -1 V
R1 = 10kΩ ; R2 = 5,6kΩ ; Vin = 2,5 V
Exercício 2
Qual o valor da tensão de saída para os sinais de entrada, levando em consideração os valores de R1 e R2 para cada um dos casos (Configuração Não-Inversora):
R1 = 1kΩ ; R2 = 2,2kΩ ; Vin = -1 V
R1 = 10kΩ ; R2 = 5,6kΩ ; Vin = 2,5 V
Exercício 3
Utilizando um amplificador de instrumentação INA114, construir um condicionador de sinal que receba um sinal de entrada de 0 à 5 volts e ajuste para 0 à 24 volts.
Exercício 4
Projeto um condicionador de sinal que receba um sinal de 0 à 5 volts como entrada e forneça um sinal de saída com amplitude variando de -10 à 10 volts.
Exercício 5
O dono de uma danceteria deseja que seu controlador de posição do poll, utilizado para poll dance, venha ser controlado utilizando um microcontrolador, contudo, para que isso torne-se possível , é necessário ajustar o sinal que o posicionador do poll envia (-10 à 10 volts) para um nível de tensão que o microcontrolador possa trabalhar (0 à 5 volts). Você deve elaborar o condicionador de sinal.
