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Amplificador Operacional
Aula 03: Amplificador Não Inversor - Buffer
Aula 03: Amplificador Não Inversor - Buffer
Referencias
UTILIZANDO ELETRÔNICA COM AO, SCR, TRIAC,SCR,555 - Albuquerque e Seabra - Ed. Erica
1 Amplificador Não inversor
Assim chamado pois o sinal de saida está em fase com o sinal de entrada.
1.1 Características Principais
O amplificador não inversor, como o nome mesmo diz, é um amplificador no qual a tensão de saída (Vs) está em fase com tensão de entrada (Ve) isso porque o sinal de entrada é aplicado nna entrada não inversora. A realimentação continua ser negativa, da saida para a entrada inversora A Figura 1 mostra o circuito básico.
Figura 1 - Amplificador inversor em CA- circuito básico
1.2 Ganho de Malha Fechada (com Realimentação)
0 Ganho com realimentação é calculado por:
Avf=Vs/Ve
A dedução pode ser feita da mesma forma que foi feita para o circuito inversor
Assim como no amplificador inversor, o circuito apresenta estabilidade no ganho devido à realimentação negativa, isto é, o ganho so depende da relação entre duas resistencias (R1 e R2) e é dado por:
Observe a semelhança com o ganho do amplificador inversor
1.3 Impedância de entrada com realimentação (Rif)
A impedancia de entrada com realimentação é muito alta sendo dada por:
onde Ri é a resistência de entrada em malha aberta e AV é o ganho em malha aberta (obtido do manual)
1.4 Impedância de saída com realimentação (Rof)
È muito baixa sendo dada por:
onde RO é a resistência de saída em malha aberta (obtido do manual) e AV é o ganho em malha aberta.
Exercícios Resolvidos
ExResol 2. 1. Determinar Vs no circuito.
Arquivo Multisim On Live - ExResol 2. 1.
Solução:
A tensão de entrada do circuito, Ve, é:
Ve=(2k.12V)/(10k+2k)=2 V (Divisor de tensão)
como o ganho (1+R2/R1) é igual a 2 a saída será igual a:
VS = ganho.Ve=(2).2V = 4 V
ExResol 2.2. - Qual a máxima amplitude que pode ter a tensão de entrada Ve para que a saída não sature distorcendo a senoide de saída ? Desenhar a curva de transferencia VsxVe
Vsat = ±12V
Solução:
A máxima amplitude de saída é 12 V, e como o ganho é AVf = 1 +4k/1k = 5 a máxima amplitude da entrada será :
Vemáx = Vsmáx/5 = 12V/5 = 2,4 V
Arquivo Multisim On Live - ExResol 2.2
A curva caracteristica de transferencia VsxVe foi obtida atraves de uma simulação no Multisim 14( Simulate>>Analyses>DC Sweep)
Obs: A inclinação do grafico (DVs/ DVe) representa o ganho, isto é, para uma variação -2V a 2V, portanto 4 V, a saida variara de -10V a +10V portanto 20 V de variação.
O ganho será igual a :
Avf= 20 V/4 V = 5 comjo esperado
ExResol 2.3. - Qual o valor de Ve que resulta numa saída (Vs) igual a 8 V no circuito ?
arquivo Multisim live - ExResol 2.3
Solução:
O ganho do 2º estágio (Não Inversor) é AVf2 = 4 logo a tensão de entrada do 2º estágio será Vs1=VS/AVf2=8V/4=2 V
O ganho do 1º estágio (Inversor) é AVf1 = -2 logo a tensão de entrada do 1º estágio, que é a tensão de entrada do circuito será
Ve=VS1=2V/-2V. = -1V ou 1 V com a polaridade indicada no circuito.
ExResol 2.4 Qual o valor de R para que VS=6 V?
Solução:
A tensão no ponto A é igual à tensão no ponto B (a corrente através do 10 k é nula). Como o ganho do segundo estágio (Não Inversor) vale 2, com VS =6 V a tensão na entrada (ponto B) será igual a:
VB = 6V/2 = 3 V.
O 1º AO é um buffer, a sua tensão de saída (VA) é igual tensão de entrada (V+), portanto :
Como V+ =R.12V/(R + 10k) = 3V (divisor de tensão) >>> R = 733,3 Ohms
Experimente montar o circuito com os valores e confirmar a saida.
Arquivo Multisim Live - ExResol 2.4
2 Experiência: Amplificador não inversor em CA
2.1 Calcule o ganho do circuito da Figura 2 e anote na Tabela 1. Abra o arquivo expAO_10 Não Inversor em CA (Multisim 14), ou. Multisim Live. Identifique o circuito da Figura 2, inicie a simulação e meça os valores de pico a pico das tensões de entrada (Ve) e de saída (Vs) e indique na tabela1. Calcule o ganho experimental por Vs/Ve, anote na tabela 1. Inicie a simulação e indique na tabela 1 os valores medidos.
2.1 Calcule o ganho do circuito da Figura 2 e anote na Tabela 1. Abra o arquivo expAO_10 Não Inversor em CA (Multisim 14), ou. Multisim Live. Identifique o circuito da Figura 2, inicie a simulação e meça os valores de pico a pico das tensões de entrada (Ve) e de saída (Vs) e indique na tabela1. Calcule o ganho experimental por Vs/Ve, anote na tabela 1. Inicie a simulação e indique na tabela 1 os valores medidos.
Obs: O ganho é medido por: Ganho= Vsaidapp/Ventrpp
Figura 2 - Circuito para experiencia 4 - Amplificador Não Inversor em CA
Veja a introdução de como usar essa ferramenta em Multisim On Line
Multisim Live - Amplificador não inversor em CA
Tabela 1 - Ganho de tensão - Calculado e medido
Ganho Calculado (Teórico) | Vspp - Medido | Vepp - Medido | Ganho Medido |
2.2. Aumente Ve até a saida saturar (ceifar um dos picos). Anote esse valor maximo como Vemax.
Vemax.=__________
2.3. Conclusões:
3 Experiência: Amplificador Não inversor em CC
3.1 Calcule o valor das correntes indicadas pelos amperímetros e a tensão indicada pelo voltímetro na saída. Anote na tabela 2 os valores calculados. Abra o arquivo expAO_11 Não Inversor em CC (Multisim 14) ou Multisim Live.. Identifique o circuito da Figura3. Inicie a simulação medindo as grandezas indicadas na tabela 2.
Figura 3 - Circuito para experiencia 5 - Amplificador Não Inversor em CC
Veja como usar essa ferramenta, Multisim Live, em Multisim On Line
Arquivo Multisim Live - amplificador não inversor em CC
Link para Tinkercad - Amplificador não inversor em CC
Tabela 2 - Amplificador Não Inversor - Medida das correntes e tensão de saída
Valores Calculados | Valores Simulados | ||||||||
I1(mA) | I2(mA) | IL(mA | VS(V) | IAO(mA) | I1(mA) | I2(mA) | IL(mA) | VS(V) | IAO(mA) |
3.3 Conclusões.
4 Buffer (Seguidor de Tensão)
Um Buffer ou seguidor de tensão tem três características:
Um Buffer ou seguidor de tensão tem três características:
- Altíssima impedância de entrada;
- Impedância de saída muito baixa e;
- Ganho unitário.
A principal aplicação dos Buffers é como elemento "casador" de impedância e como interface entre circuitos que consomem corrente e circuito que não dispõe de capacidade de corrente.
A Figura 4 mostra o circuito do Buffer com AO. Podemos identificar neste, o amplificador não inversor no qual R2=0 e R1 é infinito de forma que considerando a expressão do ganho do amplificador não inversor obtemos Avf=1, isto é, Vs=Ve.
A Figura 4 mostra o circuito do Buffer com AO. Podemos identificar neste, o amplificador não inversor no qual R2=0 e R1 é infinito de forma que considerando a expressão do ganho do amplificador não inversor obtemos Avf=1, isto é, Vs=Ve.
Figura 4 - Circuito de um Buffer (seguidor de tensão) usando AO
Consideremos um exemplo de aplicação:
A Figura 5 mostra um divisor de tensão, Ve (2 V) e Rs (10 k) representam a saída de um amplificador, onde Rs é a resistencia de saida, RL é a carga. Qual o valor da tensão na carga de 1 k (RL)?
Figura 5 - Divisor de tensão com carga muito menor que a resistencia de saida do circuito anterior
É um divisor de tensão logo:
Esse valor de tensão é baixo devido ao fato da resistência de saída (Rs) do amplificador ser muito maior do que o valor da carga (RL). Para obter na carga o maior valor possível de tensão, entre a carga e a saída do amplificador deve ser inserido um buffer que tem as características já citadas acima (impedância de entrada altíssima, impedancia de saída baixíssima e ganho de tensão 1), Figura 6. O resultado é que agora a tensão na carga será igual à tensão da fonte de sinal, no exemplo 2V
Figura 6 - Buffer ligado entre a carga (RL) e a saida do circuito anterior
Colocando entre a carga, RL, e a fonte, Ve, um Buffer a tensão na carga será praticamente igual a tensão da fonte e a corrente na carga é fornecida agora pelo Buffer, Figura 6.
5. Experiência: Buffer
5.1- Calcule o valor da tensão na saída (Vs) dos circuitos da figura a seguir. Abra o arquivo ExpAO_12 Buffer (Multisim 14) ou Multisim Live. Identifique os circuitos da Figura 7.Inicie a simulação e meça as tensões de entrada (ve) e de saída (Vs) e calcule o ganho, CC e CA.
( a )
( b )
Figura 7 - ( a ) Divisor de tensão com carga (1 k) muito menor que a resistencia da fonte ( b ) Buffer em CC e CA
Veja como usar essa ferramenta, Multisim Live, em Multisim On Line
Multisim Live - Buffer CC Buffer CC
Link para Tinkercad - Buffer CC
Link para Multisim Live - Buffer CA
Caso a: sem buffer Caso b: com buffer
Tabela 4 - Valores calculados e simulados Buffer
Valores Calculados | Valores Simulados | ||
| Caso a | Caso b | Caso a | Caso b |
VS | VS | VS | VS |
5.2. Conclusões.
6 Saída de potência
A máxima corrente de saída de um AO (no caso do 741) é aproximadamente 20 mA, quando a carga solicitar uma corrente maior, é necessário colocar entre a carga e o AO um reforçador de corrente que é em geral um transistor na configuração coletor comum (tambem chamado de Buffer). A Figura 8a é um circuito não-inversor com saída de potência. O circuito da figura 8b tem reforço de corrente e permite que a entrada seja alternada (no semiciclo positivo conduz TR1 e no semiciclo negativo conduz TR2).
Figura 8 - Saida de potencia em CC
Veja como usar essa ferramenta, Multisim Live, em Multisim On Line
Arquivo Multisim Live - Saida de potencia em CC
Arquivo Tinkercad - Saida de potencia - Ve=1,5V Alimentação +9V/-9V - Carga 3 Ohm
Exercicio Resolvido 1.7. No circuito da Figura 8 pede-se calcular: a) Corrente na carga<IL b) Corrente na saída do AO, IAO
c) Potência dissipada na carga. Dado: b =125
Solução:
a) Por causa do curto circuito virtual VR1=Ve=5 V logo I1 = VR1/R1 =5V/10 k =0,5 mA = I2 logo VR2 = 10K.0,5 mA = 5 V
como VL = VR1 + VR2 = 5 + 5 = 10V logo IL = 10V/10 Ohms= 1A.
b) IE = I2 + IL = 0,5 + 1000 = 1000,5 mA =IC
IAO =IB = IC/b = 1000,5mA/125 = 8 mA
c) PDRL = VL.IL = 10V.1 A = 10 W
A potência dissipada transistor é calculada por
A potência dissipada transistor é calculada por
PDTR = VCE.IC = (12-10)V.1 A=2V.1A=2 W.
Quando a entrada é alternada, por exemplo senoidal, é necessario uma saida do tipo classe B como na Figura 9. Nesse circuito, no semiciclo positivo do sinal de entrada, a saida é negativa e conduz o transistor TR2. No semiciclo negativo da entrada a saida será positiva, neste caso conduz o transistor TR1.
Figura 9 - Saida de potencia em CA
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Arquivo Multisim Live - Saida de potencia em CA
6. Experiência: AO com saida de potencia em CC e CA
6.1. Abra o arquivo expAO_13 saida de potencia em CC ou Multisim Live e identifique o circuito da Figura 10. Inicie a simulação e meça os valores das correntes e tensões do circuito CC compare com os valores calculados.
Valores medidos
IAO=________ IL=__________ VL=__________
IAO=________ IL=__________ VL=__________
Figura 10 - Saida de potencia em CC para experincia
Arquivo Multisim live - Saida de potencia em CC
Arquivo Tinkercad - Saida de potencia - Ve=1,5V - Carga 3 Ohms - Alimentação 9V/-9V
6.2. Abra o arquivo ExpAO_13 saida de potencia em CA ou Multisim Live, identifique o circuito da Figura 11. Inicie a simulação. Anote a forma de onda de entrada, Ve, e saida, Vs. Os valores estão de acordo com o esperado?
Figura 11 - Saida de potencia em CA para experiencia
Arquivo Multisim live - Saida de potencia em CA
6.3. Escreva as suas conclusões.
ExResol 1.8. Calcule a potência dissipada na carga RL.
Solução:
No semiciclo positivo conduz TR2 e TR1 corta, e considerando o valor de pico da entrada (0,5 V), a tensão na carga será Vs=AVf.Ve=(-10).0,5V=-5 V.
Ve: Semiciclo positivo
Figura 12 - Saida de potencia em CA ( a ) entrada positiva ( b ) entrada negativa
A tensão de pico na carga é VP =5 V como é uma tensão senoidal o seu valor eficaz é:
Portanto a potência dissipada na carga será:
Exercícios Propostos
ExProp 1.1 Calcular VS em cada caso.
1a.
1b
ExProp 1.2. Calcule a corrente na saída de cada AO no ex1
ExProp 1.3.. O circuito a seguir funciona como uma fonte de corrente constante (mesmo que a carga mude de valor , o valor da corrente não muda ). Pede-se:
a) Valor da corrente na carga (IL)
b) Quais os limites que pode ter RL, na prática, para que o circuito possa funcionarcomo fonte de corrente?
a) Valor da corrente na carga (IL)
b) Quais os limites que pode ter RL, na prática, para que o circuito possa funcionarcomo fonte de corrente?
Arquivo Mulltisim Live - ExProp 1.3
Arquivo Tinkerxcad - Fonte de Corrente Exprop 1.3
ExProp 1.4. O circuito é um voltímetro de precisão. O amperimetro, analogico, A tem fim de escala de 1 mA. Qual o fim de escala para cada posição da chave (A,B e C)?
ExProp 1.5. O circuito é um ohmímetro de precisão e linear. Quais os limites de resistência que podem ser medidos (fim de escala) em cada posição da chave?
UTILIZANDO ELETRÔNICA COM AO, SCR, TRIAC,SCR,555 - Albuquerque e Seabra - Ed. Erica