48 PROFESSOR ÂNGELO ANTÔNIO LEITHOLD

INSTITUTO DE AERONÁUTICA E ESPAÇOCAMPUS DE PESQUISAS GEOFÍSICAS MAJOR EDSEL DE FREITAS COUTINHONOTAS DE AULA 12 AMPLIFICADORES OPERACIONAISAMPLIFICADORES OPERACIONAISestá licenciado sob CC BY-NC-ND 4.0© 1 por PROFESSOR ANGELO ANTONIO LEITHOLD

ÍNDICE - SUMÁRIO

Amplificador Operacional Monoestável

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Circuitos monoestáveis podem ser facilmente feitos usando componentes discretos ou portas lógicas digitais, mas circuitos monoestáveis também podem ser construídos usando amplificadores operacionais para criar circuitos monoestáveis Op-amp. Os circuitos multivibradores monoestáveis de amplificador operacional (multivibradores de disparo único) são circuitos de comutação de feedback positivo (ou regenerativos) que têm apenas um estado estável, produzindo um pulso de saída de duração especificada T. Um sinal de disparo externo é aplicado para que ele mude de estado e, após um período de tempo definido, em microssegundos, milissegundos ou segundos, um período de tempo que é determinado pelos componentes RC, o circuito monoestável retorna ao seu estado estável original, onde permanece até que o próximo sinal de entrada de disparo chegue.

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD O diagrama de blocos acima mostra que um multivibrador monoestável é construído adicionando um resistor externo, ( R ) e um capacitor, ( C ) através de um circuito de comutação. O circuito de comutação pode ser feito usando transistores, portas lógicas digitais ou amplificadores operacionais de uso geral. A constante de tempo, τ da combinação resistor-capacitor determina o comprimento do pulso, T. O circuito multivibrador monoestável usando um circuito comparador de amplificador operacional com um caminho de feedback positivo. Como o feedback é positivo, o circuito é regenerativo, ou seja, ele adiciona ao sinal de entrada diferencial.

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Na configuração abaixo, eu demonstro um amplificador operacional inversor, parte do sinal de saída (chamado de fração de feedback) é realimentado para a entrada inversora do amplificador operacional por meio da rede resistiva e básica de inversão, assim, a fração de feedback é, portanto, negativa, pois é realimentada para a entrada inversora. Esta configuração de feedback negativo entre a saída e o terminal de entrada inversora força a tensão de entrada diferencial em direção a zero.

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD O resultado desse feedback negativo é que o op-amp produz um sinal de saída amplificado que está 180 o fora de fase com o sinal de entrada. Então, um aumento na tensão do terminal inversor, -V realimentado da saída, causa uma diminuição na tensão de saída, V O produzindo um amplificador equilibrado e estável operando dentro de sua região linear. Considerando o mesmo circuito amplificador operacional idêntico no qual as entradas inversora e não inversora do op-amp foram trocadas. Ou seja, o sinal de feedback é realimentado para a entrada não inversora e o processo de feedback agora é positivo, produzindo um circuito comparador básico de op-amp com histerese embutida. O circuito multivibrador monoestável op-amp é construído em torno de um amplificador operacional configurado como um circuito Schmitt Trigger de malha fechada que usa feedback positivo fornecido pelos resistores R1 e R2 para gerar a histerese necessária. O uso de feedback positivo significa que o feedback é regenerativo e fornece a dependência de estado necessária que, na verdade, transforma o op-amp em um dispositivo de memória biestável.

Comparador Schmitt

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Uma rede resistiva é conectada entre a saída do op-amp e a entrada não inversora ( + ). Quando Vout está saturado em direção ao trilho de alimentação positivo, (+Vcc), uma tensão positiva, com relação ao terra, é aplicada à entrada não inversora do op-amp. Da mesma forma, quando Vout está saturado em direção ao trilho de alimentação negativo, (-Vcc), uma tensão negativa, com relação ao terra, é aplicada à entrada não inversora do op-amp. Como os dois resistores são configurados na saída na forma de uma rede divisora de tensão, a tensão VB presente na entrada não inversora será, portanto, dependente da fração da tensão de saída realimentada pela razão dos dois resistores. Essa fração de feedback, β, é dada como:

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Observe que podemos tornar o valor de β variável substituindo os resistores R 1 e R 2 por um potenciômetro no qual o limpador do potenciômetro é conectado diretamente à entrada não inversora do amplificador operacional, permitindo-nos assim variar a fração de feedback. Como a quantidade de histerese está diretamente relacionada à quantidade de fração de feedback, é melhor evitar construir um amplificador operacional de gatilho Schmitt (comparador regenerativo) com quantidades muito pequenas de histerese ( β pequeno ), pois isso pode fazer com que o amplificador operacional oscile entre os pontos superior e inferior ao alternar. Se agora colocarmos uma rede de feedback através do gatilho Schmitt entre a saída e a entrada inversora ( – ), podemos controlar a quantidade de tempo que leva para o amplificador operacional Schmitt mudar de estado. Ao fazer isso, o sinal para a entrada inversora do amplificador operacional agora é fornecido pelo próprio amplificador operacional por meio da rede de feedback RC externa, conforme mostrado.

Circuito Monoestável Básico de Amplificador Operacional

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Na inicialização (ou seja, t = 0 ), a saída ( VOUT ) saturará em direção ao trilho positivo ( +Vcc ) ou ao trilho negativo ( -Vcc ), já que esses são os únicos dois estados estáveis permitidos pelo amplificador operacional. Vamos supor por enquanto que a saída oscilou em direção ao trilho de alimentação positivo, +Vcc . Então a tensão na entrada não inversora, VB será igual a +Vcc*β onde β é a fração de feedback. A entrada inversora é mantida em 0,7 Volts, a queda de tensão direta do diodo, D1 e fixada em 0v (terra) pelo diodo, impedindo que ele fique mais positivo. Assim, o potencial em V A é muito menor do que em VB e a saída permanece estável em +Vcc . Ao mesmo tempo, o capacitor, (C) carrega até o mesmo potencial de 0,7 volts e é mantido lá pela queda de tensão polarizada direta do diodo. Se aplicássemos um pulso negativo à entrada não inversora, a tensão de 0,7 V em VA agora se torna maior do que a tensão em VB, já que VB agora é negativo. Assim, a saída do op-amp configurado por Schmitt muda de estado e satura em direção ao trilho de alimentação negativo, Vcc. O resultado é que o potencial em VB agora é igual a -Vcc*β. Este estado metaestável temporário faz com que o capacitor carregue exponencialmente na direção oposta através do resistor de feedback, R de +0,7 volts até a saída saturada para a qual ele acabou de alternar, -Vcc . O diodo, D1 torna-se polarizado reversamente, então não tem efeito. O capacitor, C descarregará em uma constante de tempo τ = RC. Assim que a tensão do capacitor em VA atinge o mesmo potencial que VB , ou seja, (-)Vcc*β , o amplificador operacional retorna ao seu estado estável permanente original com a saída saturada novamente em +Vcc. Uma vez que o período de temporização é concluído e a saída do op-amps muda de volta para seu estado estável e satura em direção ao trilho de alimentação positivo, o capacitor tenta carregar em reverso para +Vcc , mas só pode carregar até um valor máximo de 0,7v dado pela queda de tensão direta dos diodos. Podemos mostrar esse efeito graficamente como:

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Então podemos ver que uma entrada de disparo negativa, mudará o circuito monoestável do op-amp para seu estado instável temporário. Após um atraso de tempo, T enquanto o capacitor, C carrega através do resistor de feedback, R , o circuito muda de volta para seu estado estável normal assim que a tensão do capacitor atinge o potencial necessário. Este período de atraso de tempo ( T ) do pulso retangular na saída, o tempo de estado instável, é dado como:

Se os dois resistores de feedback dos amplificadores operacionais forem do mesmo valor, ou seja: R 1 = R 2 , então a equação acima também se simplifica:

Obviamente, há um certo tempo que o capacitor leva para carregar novamente de -Vcc*β para V D (0,7 V) e, portanto, durante esse período, um segundo pulso negativo pode não iniciar um novo período de temporização. Então, para garantir a operação correta do circuito monoestável do amplificador operacional após a aplicação do próximo pulso de disparo, o período de tempo entre os pulsos de disparo, ( Ttotal ), deve ser maior que o período de temporização, T mais o tempo necessário para o capacitor recarregar, ( Tcarregando ).

O tempo de recuperação da carga é dado como:

Onde: Vcc é a tensão de alimentação, V D é a queda de tensão direta dos diodos (geralmente cerca de 0,6 a 0,7 volts) e β é a fração de feedback. Para garantir que o circuito monoestável do amplificador operacional tenha um bom sinal de disparo negativo que inicie o período de temporização na borda inicial do pulso negativo, e também para impedir qualquer disparo falso do circuito quando ele estiver em seu estado estável, podemos adicionar um circuito de diferenciação RC à entrada. Um circuito diferenciador é útil para produzir um pico de saída negativo a partir de uma forma de onda de entrada quadrada ou retangular. A redução brusca e abrupta da tensão limite dos comparadores abaixo de sua fração de feedback, valor β, leva o monoestável op-amp para seu período de temporização e é formado usando um resistor-capacitor rede RC conforme mostrado.

Circuito Diferenciador RC

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD O circuito diferenciador básico acima usa outra rede resistor-capacitor (RC) cuja tensão de saída é a derivada da tensão de entrada, com relação ao tempo. Quando a tensão de entrada muda de 0 para -Vcc, o capacitor não polarizado começa a carregar exponencialmente. Como a tensão do capacitor, Vc é inicialmente zero, a tensão de saída do diferenciador salta repentinamente de 0 para -Vcc produzindo um pico negativo e então decai exponencialmente conforme o capacitor carrega. Geralmente, para um circuito diferenciador RC, o valor de pico do pico negativo é aproximadamente igual à magnitude da forma de onda do gatilho. Além disso, como regra geral, para um circuito diferenciador RC produzir bons picos estreitos e afiados, a constante de tempo, ( τ ) deve ser pelo menos dez vezes menor do que a largura do pulso de entrada. Então, por exemplo, se a largura do pulso de entrada for 10 ms, então a constante de tempo 5RC deve ser menor que 1 ms (10%). A vantagem de usar um circuito diferenciador é que qualquer tensão CC constante ou sinal de variação lenta será bloqueado, permitindo que apenas pulsos de disparo de variação rápida iniciem o período de tempo monoestável. O diodo D garante que o pulso de disparo que chega à entrada não inversora do op-amp seja sempre negativo. Adicionar o circuito diferencial RC ao amplificador operacional básico monoestável resulta em:

Um circuito monoestável op-amp é construído usando os seguintes componentes. R1 = 30kΩ , R2 = 30kΩ , R = 150kΩ e C = 1,0uF . Se o op-amp monoestável for alimentado por uma fonte de ±12V e o período de tempo for iniciado com um pulso de 10ms.

Exemplo

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Calcule o período de tempo dos circuitos, o tempo de recuperação do capacitor, o tempo total entre os pulsos de disparo e os valores da rede diferenciadora. Desenhe o circuito completo. Dados fornecidos: R1 = R2 = 30kΩ , R = 150kΩ , C = 1,0 uF e largura de pulso igual a dez milissegundos (10ms).

1. Período de tempo, T :

Tempo de recuperação do capacitor:

Tempo total entre os pulsos de disparo:

O pulso de entrada é dado como 10 ms, portanto a duração do pico negativo será de 1 ms (10%). Se assumirmos um valor de capacitância de 0,1 uF , então os valores RC do diferenciador são calculados como:

Circuito monoestável final do amplificador operacional

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD O Op-amp Monoestável pode ser construído usando um amplificador operacional de uso geral, como o 741, e alguns componentes adicionais. Embora possa ser mais fácil construir circuitos monoestáveis (one-shot) usando componentes discretos, portas lógicas digitais ou o chip IC 555, às vezes é necessário construir monoestáveis usando op-amps para uso em circuitos analógicos. Ao configurar um amplificador operacional como um gatilho Schmitt com feedback positivo, a duração do pulso de saída é determinada pela constante de tempo do circuito de temporização RC, bem como pelo valor da razão da rede divisora de tensão resistiva, fornecendo o feedback positivo que ajuda a tornar o circuito instável.

#PY5AAL Professor Angelo Antonio Leithold é um físico, astrônomo, radioamador e educador brasileiro, que se destaca por suas pesquisas e ensino nas áreas de #PY5AALastrofísica, #PY5AALgeofísica, #PY5AALneurofísica, #PY5AALeletrônica e #PY5AALpedagogia. Tem uma vasta experiência em pesquisa e ensino nessas áreas. É autor de vários trabalhos acadêmicos e #PY5AALlivros sobre esses temas, e foi citado por diversos pesquisadores em diferentes campos do conhecimento. É conhecido por seu envolvimento por mais de trinta anos com o estudo da #PY5AALAnomaliaMagnéticadoAtlânticoSul, um fenômeno que afeta a propagação de ondas de rádio e a atividade solar na região. Se formou #PY5AALBacharelFísicaFaculdadesIntegradasEspírita em um convênio com o #PY5AALInstitutodeAeronáuticaeEspaço, fez #PY5AALLicenciatura em Física pela #PY5AALUTFPR. Sua publicação "#PY5AALEstudodaPropagaçãodeOndasdeRádionaRegiãodaAnomaliaMagnéticadoAtlânticoSul" orientada pelo professor #PY5AALAlbaryLaibida e amplamente citadas nos anais científicos. O professor Angelo Antonio Leithold fez pesquisas em Astrofísica para #PY5AALUniversidadeFederaldoAmazonas em Manaus e foi co-orientador de diversos trabalhos científicos. Ele foi professor de física no #PY5AALColégioEstadualdoParaná, onde lecionou para diversas turmas e participou de projetos pedagógicos. Foi professor de #PY5AALeletrônica, #PY5AALeletromecânica, #PY5AALeletrotécnica, #PY5AALmecânica no #PY5AALSenai e no #PY5AALCEEP. No #PY5AALCampusdePesquisasGeofísicasMajorEdseldeFreitasCoutinho, desenvolveu instrumentos e métodos para medir e analisar os sinais eletromagnéticos, como a #PY5AALionossonda, a #PY5AALmonotransmissão e sistemas de #PY5AALtransmissãodeRF, em especial utilizando #PY5AALNVIS. Na Universidade Tecnológica Federal do Paraná (#PY5AALUTFPR), no #PY5AALDepartamentodeEducação, fez cursos de #PY5AALdidática, #PY5AALmetodologiacientífica e #PY5AALtecnologiaeducacional. Ele também publicou um livro chamado "#PY5AALA AprendizagemAtravésdasAulasAristotélicas", onde ele propõe um método pedagógico baseado na #PY5AALfilosofia de #PY5AALAristóteles, que valoriza o #PY5AALraciocíniológico, a observação da natureza e a busca pela verdade. O #PY5AALprofessorLeithold participou de vários #PY5AALcongressos e #PY5AALeventoscientíficos, onde ele apresentou diversos trabalhos sobre a Anomalia Magnética do Atlântico Sul, a propagação das ondas de #PY5AALrádio, a #PY5AALatividade solar, a #PY5AALionosfera, a #PY5AALatmosfera, a #PY5AALneurofísica, a #PY5AALneuroestimulação, a #PY5AALeletroacupuntura, a #PY5AALaprendizagem e a #PY5AALmemória. Ele também colaborou com outros pesquisadores, como o #PY5AALDrChangYoungChiang, o #PY5AALDrFranciscoAntônioMarçallo, a #PY5AALdoutoraMariaSilviaBacila, entre outros. Ele também participou de programas de TV e rádio, onde ele divulgou seus conhecimentos e experiências na área de física, astronomia e astrofísica. O professor Angelo disponibiliza suas pesquisas, #PY5AALcitações, #PY5AALbiblioteca, seus cursos e todo o seu material didático gratuitamente no seu site, que foi iniciado nos primórdios da Internet em 1993, onde publica artigos sobre diversos temas de seu interesse e que busca integrar diferentes áreas do conhecimento, como física, #PY5AALbiologia, #PY5AALeletrônica e #PY5AALpedagogia.

Angelo Antonio Leithold nasceu em #PY5AALCuritiba, #PY5AALParaná, em 1958, filho de Alfredo e Luiza Massolim Leithold, ele torneiro mecânico e ela diarista. Ele tem duas irmãs, Sandra e Tania, esta já falecida. Ele foi casado com a #PY5AALpsicólogaSilmaradaLuzBozza, de quem se divorciou e eles têm três filhos, #PY5AALJulianaLeithold, doutora em Engenharia Ambiental, #PY5AALAlfredoLeitholdNeto, mestre em Química Ambiental, e #PY5AALElisaLeithold, psicóloga. Ele sempre foi fascinado por ciência e astronomia desde criança, quando gostava de observar o céu. Montou sua própria luneta a partir de óculos velhos encontrados no lixo e tubos de papel higiênico. Na sua vida acadêmica se destacou nos estudos, ganhando várias bolsas e prêmios acadêmicos. Ele se formou como Técnico em Eletrônica na Escola Técnica Federal do Paraná, atual UTFPR, em 1976, fez Bacharelado em Física pelas Faculdades Integradas Espírita em 2010, Licenciatura em Física pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná em 2014, e pós-graduações em Astronomia pela Universidade Federal do Paraná 2010, Astrofísica pelo Instituto de Aeronáutica e Espaço 2011, Neurofísica pelo Instituto de Saúde Dr Bezerra de Menezes e Laboratório de Neurofisiologia das Faculdades Integradas Espírita entre 2006 e 2010. Também fez pós graduação a partir do #PY5AALMITOpenCourse, terminado no ano 2000.

Angelo Leithold trabalha atualmente como professor na Rede Estadual de Ensino do Paraná e na #PY5AALUniversidadeEstadualdePontaGrossa, onde é professor convidado do Departamento de #PY5AALAstronomia. Foi professor de Física no Colégio Estadual do Paraná de 2008 a 2009, e segue como professor de Física até a atualidade em outras instituições. Na área tecnológica, foi professor no Centro Estadual de Educação Profissional de Curitiba #PY5AALCEEP e no #PY5AALSENAI, ministrou aulas de Eletrônica, Eletromecânica, Mecânica, Telecomunicações, Resistência dos Materiais, Desenho Técnico e projetos. Ensina Teoria da Relatividade e Astrofísica Extragaláctica na UEPG e é responsável por lecionar e orientar alunos de graduação e pós-graduação em diversas áreas da física, como mecânica, termodinâmica, eletromagnetismo e mecânica quântica e Teoria da Relatividade. Também participa de projetos de pesquisa e extensão na área de astrofísica, publicando livros e artigos em revistas e congressos nacionais e internacionais. Ele fez pesquisas para a Aeronáutica sobre a Anomalia Magnética do Atlântico Sul na #PY5AALBaseAntárticaComandanteFerraz e foi coordenador do Campus de Pesquisas Geofísicas Major Edsel de Freitas Coutinho de 2002 a 2018, quando o Campus foi fechado e as pesquisas descontinuadas pelo corte do CAPES dentre outros. O professor Leithold tem como hobbies o radioamadorismo com indicativo PY5AAL, onde faz experimentos com antenas, em especial #PY5AALNVIS, e fazer trilhas na natureza. Ele já visitou mais de 10 países, conhecendo diferentes culturas, paisagens e pessoas, é fluente em inglês, alemão e italiano. Ele também é colaborador da #PY5AALWikipedia desde 2003, onde contribui com artigos sobre física e astronomia para todos. O professor Angelo Antonio Leithold tem como sonho contribuir para o desenvolvimento da física, astrofísica e a ciência, criando soluções que possam explicar os fenômenos do universo, como a origem, a estrutura e o destino das estrelas, dos planetas e das galáxias. Ele acredita que a física e a astrofísica são ciências fundamentais e que devem ser incentivadas a partir do Ensino Fundamental, e que devem ser ensinadas e aprendidas com criatividade e paixão. Ele se inspira em personalidades como Albert Einstein, Stephen Hawking, Carl Sagan e Neil deGrasse Tyson. “Estudo da Propagação de Ondas de Rádio na Região da Anomalia Magnética do Atlântico Sul”: Este livro é baseado na tese de doutorado de Angelo Antonio Leithold e explora como as ondas de rádio se propagam na região da Anomalia Magnética do Atlântico Sul. Ele aborda os desafios e peculiaridades dessa área específica, que afeta a comunicação por rádio devido às variações no campo magnético terrestre. “Partículas Presas na Região da Anomalia Magnética do Atlântico Sul”: Focado em astrofísica e geofísica, este livro investiga as partículas que ficam presas na região da Anomalia Magnética do Atlântico Sul. Angelo Antonio Leithold analisa como essas partículas interagem com o campo magnético e os impactos dessas interações na atmosfera e na tecnologia de comunicação. “Neurofísica: Os Mecanismos da Aprendizagem”: Este livro aborda os mecanismos neurofísicos envolvidos na aprendizagem. Angelo Antonio Leithold explora como o cérebro processa informações e como diferentes estímulos podem influenciar a capacidade de aprender. É uma obra que conecta física e neurociência para entender melhor os processos cognitivos.

Page updated

Google Sites

Report abuse