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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
Multivibrador com Amplificador Operacional
#AMP-OP#CCBYNCND4.0#ANGELOLEITHOLD O Op-amp Multivibrator, ou Multivibrador com Amplificador Operacional é um circuito op-amp não inversor que produz seu próprio sinal de entrada com o auxílio de uma rede de feedback RC
#AMP-OP#CCBYNCND4.0#ANGELOLEITHOLD O Amplificador Operacional ou Op-amp para abreviar, é um dispositivo muito versátil que pode ser usado em uma variedade de circuitos eletrônicos e aplicações diferentes, de amplificadores de tensão a filtros e condicionadores de sinal. Mas um circuito op-amp muito simples e extremamente útil baseado em qualquer amplificador operacional de uso geral é o Astable Op-amp Multivibrator. Em Lógica Sequencial os circuitos multivibradores podem ser construídos usando transistores, portas lógicas ou de chips dedicados, como o temporizador NE555, dentre outros. Também vimos que o multivibrador astável alterna continuamente entre seus dois estados instáveis sem a necessidade de qualquer disparo externo. Mas o problema com o uso desses componentes para produzir um circuito multivibrador astável é que para astáveis baseados em transistores, muitos componentes adicionais são necessários, astáveis digitais geralmente só podem ser usados em circuitos digitais, e o uso de um temporizador 555 pode nem sempre nos dar uma saída simétrica sem componentes de polarização adicionais. O circuito multivibrador Op-amp, no entanto, pode nos fornecer um bom sinal de onda retangular com o uso de apenas quatro componentes, três resistores e um capacitor de temporização.
#AMP-OP#CCBYNCND4.0#ANGELOLEITHOLD O Op-amp Multivibrator é um circuito oscilador astável que gera uma forma de onda de saída retangular usando uma rede de temporização RC conectada à entrada inversora do amplificador operacional e uma rede divisora de tensão conectada à outra entrada não inversora. Diferentemente do monoestável ou biestável, o multivibrador astável tem dois estados, nenhum dos quais é estável, pois ele está constantemente alternando entre esses dois estados, com o tempo gasto em cada estado controlado pela carga ou descarga do capacitor através de um resistor.
No circuito multivibrador op-amp, ele funciona como um comparador analógico. Um comparador op-amp compara as tensões em suas duas entradas e fornece uma saída positiva ou negativa dependendo se a entrada é maior ou menor que algum valor de referência, V REF. Entretanto, como o comparador de amplificador operacional de malha aberta é muito sensível às mudanças de tensão em suas entradas, a saída pode alternar descontroladamente entre seus trilhos de alimentação positivos, +V(sat) e negativos, -V(sat) sempre que a tensão de entrada medida estiver próxima da tensão de referência, V REF. Para eliminar quaisquer operações de comutação erráticas ou descontroladas, o op-amp usado no circuito multivibrador é configurado como um circuito Schmitt Trigger de malha fechada .
#AMP-OP#CCBYNCND4.0#ANGELOLEITHOLD O circuito comparador de op-amp acima é configurado como um gatilho Schmitt que usa feedback positivo fornecido pelos resistores R1 e R2 para gerar histerese. Como essa rede resistiva é conectada entre a saída do amplificador e a entrada não inversora (+), quando Vout está saturado no trilho de alimentação positivo, uma tensão positiva é aplicada à entrada não inversora do op-amp. Da mesma forma, quando Vout está saturado no trilho de alimentação negativo, uma tensão negativa é aplicada à entrada não inversora do op-amp. Como os dois resistores são configurados na saída do op-amp como uma rede divisora de tensão, a tensão de referência, Vref , portanto, dependerá da fração da tensão de saída realimentada para a entrada não inversora. Essa fração de feedback, β, é dada como:
#AMP-OP#CCBYNCND4.0#ANGELOLEITHOLD Onde +V(sat) é a tensão de saturação CC positiva do amplificador operacional e -V(sat) é a tensão de saturação CC negativa do amplificador operacional. Então podemos ver que a tensão de referência positiva ou superior, +Vref (ou seja, o valor positivo máximo para a tensão na entrada inversora) é dada como: +Vref = +V(sat)β enquanto a tensão de referência negativa ou inferior (ou seja, o valor negativo máximo para a tensão na entrada inversora) é dada como: -Vref = -V(sat)β. Se Vin exceder +Vref, o op-amp muda de estado e a tensão de saída cai para sua tensão de saturação CC negativa. Da mesma forma, quando a tensão de entrada cai abaixo de -Vref, o op-amp muda de estado mais uma vez e a tensão de saída mudará da tensão de saturação negativa de volta para a tensão de saturação CC positiva. A quantidade de histerese interna dada pelo comparador Schmitt conforme ele alterna entre as duas tensões de saturação é definida pela diferença entre as duas tensões de referência de disparo como: Vhisterese = +Vref – (-Vref) .
Conversão de senoidal para retangular
#AMP-OP#CCBYNCND4.0#ANGELOLEITHOLD Um dos muitos usos de um comparador de gatilho Schmitt, além de um multivibrador amplificador operacional, é que podemos usá-lo para converter qualquer forma de onda senoidal periódica em uma forma de onda retangular, desde que o valor da senóide seja maior que o ponto de referência de tensão. Na verdade, o comparador Schmitt sempre produzirá uma forma de onda de saída retangular independente da forma de onda do sinal de entrada. Em outras palavras, a entrada de tensão não precisa ser uma sinusoide, pode ser qualquer forma de onda ou forma de onda complexa.
#AMP-OP#CCBYNCND4.0#ANGELOLEITHOLD Como a forma de onda de entrada será periódica e terá uma amplitude suficientemente maior que sua tensão de referência, Vref , a forma de onda retangular de saída sempre terá o mesmo período, T e, portanto, frequência, ƒ que a forma de onda de entrada. Ao substituir o resistor R1 ou R2 por um potenciômetro, poderíamos ajustar a fração de feedback, β e, portanto, o valor da tensão de referência na entrada não inversora para fazer com que o amplificador operacional mudasse de estado em qualquer lugar de zero a 90 o de cada meio ciclo, desde que a tensão de referência, Vref, permanecesse abaixo da amplitude máxima do sinal de entrada.
Multivibrador Op-amp
#AMP-OP#CCBYNCND4.0#ANGELOLEITHOLD Podemos levar essa ideia de converter uma forma de onda periódica em uma saída retangular um passo adiante, substituindo a entrada sinusoidal por um circuito de tempo RC conectado na saída do op-amp. Desta vez, em vez de uma forma de onda sinusoidal ser usada para disparar o op-amp, podemos usar a tensão de carga dos capacitores, Vc, para alterar o estado de saída do op-amp, conforme mostrado.
#AMP-OP#CCBYNCND4.0#ANGELOLEITHOLD Se o capacitor estiver totalmente descarregado e a saída do op-amp esteja saturada no trilho de alimentação positivo. O capacitor, C começa a carregar a partir da tensão de saída, Vout através do resistor, R a uma taxa determinada por sua constante de tempo RC. Sabemos que em circuitos RC, o capacitor quer carregar completamente até o valor de Vout (que é +V(sat) ) dentro de cinco constantes de tempo. No entanto, assim que a tensão de carga dos capacitores no terminal inversor (-) do op-amp for igual ou maior que a tensão no terminal não inversor (a fração de tensão de saída do op-amp dividida entre os resistores R1 e R2 ), a saída mudará de estado e será direcionada para o trilho de alimentação negativo oposto. Mas o capacitor, que estava carregando alegremente em direção ao trilho de alimentação positivo ( +V(sat) ), agora vê uma voltagem negativa, -V(sat) através de suas placas. Essa reversão repentina da voltagem de saída faz com que o capacitor descarregue em direção ao novo valor de Vout a uma taxa ditada novamente por sua constante de tempo RC .
#AMP-OP#CCBYNCND4.0#ANGELOLEITHOLD Uma vez que o terminal inversor do op-amp atinge a nova tensão de referência negativa, -Vref no terminal não inversor, o op-amp muda de estado novamente e a saída é conduzida para a tensão de trilho de alimentação oposta, +V(sat) . O capacitor agora vê uma tensão positiva em suas placas e o ciclo de carga começa novamente. Assim, o capacitor está constantemente carregando e descarregando, criando uma saída multivibradora op-amp astável. O período da forma de onda de saída é determinado pela constante de tempo RC dos dois componentes de temporização e a taxa de feedback estabelecida pela rede divisora de tensão R1, R2 que define o nível de tensão de referência. Se os valores positivos e negativos da tensão de saturação dos amplificadores tiverem a mesma magnitude, então t1 = t2 e a expressão para dar o período de oscilação se torna:
#AMP-OP#CCBYNCND4.0#ANGELOLEITHOLD Onde: R é Resistência, C é Capacitância, ''ln'' é o Logaritmo Natural da fração de feedback, T é o tempo periódico em segundos e ƒ é a Frequência de oscilação em Hz. Então podemos ver pela equação acima que a frequência de oscilação para um circuito Op-amp Multivibrator não depende apenas da constante de tempo RC , mas também da fração de feedback. No entanto, se usássemos valores de resistor que dessem uma fração de feedback de 0,462 , ( β = 0,462 ), então a frequência de oscilação do circuito seria igual a apenas 1/2RC, como mostrado, porque o termo logarítmico linear se torna igual a um.
Exemplo de multivibrador Op-amp
#AMP-OP#CCBYNCND4.0#ANGELOLEITHOLD Um circuito multivibrador op-amp é construído usando os seguintes componentes. R1 = 35kΩ , R2 = 30kΩ , R = 50kΩ e C = 0,01uF . Calcule a frequência de oscilação do circuito.
#AMP-OP#CCBYNCND4.0#ANGELOLEITHOLD Então a frequência de oscilação é calculada como 1kHz . Quando β = 0,462 , essa frequência pode ser calculada diretamente como: ƒ = 1/2RC . Também quando os dois resistores de feedback são os mesmos, isto é, R1 = R2 , a fração de feedback é igual a 3 e a frequência de oscilação se torna: ƒ = 1/2,2RC. Podemos levar este circuito multivibrador op-amp um passo adiante, substituindo um dos resistores de feedback por um potenciômetro para produzir um multivibrador op-amp de frequência variável:
Ajustando o potenciômetro central entre β1 e β2, a frequência de saída mudará nas seguintes quantidades, com potenciômetro na posição β1:
com potenciômetro na posição β2:
#AMP-OP#CCBYNCND4.0#ANGELOLEITHOLD Portanto, neste exemplo simples, podemos produzir um circuito multivibrador amplificador operacional que é capaz de produzir uma forma de onda retangular de saída variável ajustável de cerca de 100 Hz a 1,2 kHz, ou qualquer faixa de frequência necessária, apenas alterando os valores dos componentes RC. O op-amp pode ser usado como circuito multivibrador astável, pode ser construído usando um amplificador operacional padrão, como o 741, junto com alguns componentes adicionais. Esses osciladores de relaxamento não senoidais controlados por tensão são geralmente limitados a algumas centenas de quilo-hertz (kHz) porque o amplificador operacional não tem a largura de banda necessária, mas mesmo assim eles ainda são excelentes osciladores.
5AAL 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.
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