Amplificadores Operacionais Completa

AMPLIFICADORES OPERACIONAIS

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CONCEITOS DOS AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CONCEITOS: Os amplificadores operacionais so componentes eletrnicos que tem como caracterstica amplificao de pequenos sinais, sendo que suas caracterstica ideais resistncia de entrada infinita (), resistncia de sada nula (0), ganho de tenso infinito, resposta em frequncia infinita (CC a infinitos Hertz) e insensibilidade temperatura (DRIFT nulo). Seu campo de aplicao muito grande indo de sistemas eletrnicos de controle industrial, instrumentao industrial, nuclear, instrumentao mdica e at computadores. Basicamente o amplificador operacional tem a simbologia abaixo, onde mostra uma entrada inversora (-) , uma entrada no inversora (+) e uma sada.

PINAGEM E DESCRIO: Na realidade, os amplificadores operacionais so constitudos fisicamente de 8 pinos, abaixo mostramos seu diagrama eltrico e o exemplo do LM741.

CDIGO DE FABRICANTES E FOLHAS DE DADOS Existem inmeros fabricantes de circuitos integrados no mundo. Cada fabricante possui uma codificao para seus produtos. Um mesmo integrado pode ser produzido por vrios fabricantes diferentes. Assim sendo, importante que o projetista conhea os diferentes cdigos para discernir o fabricante, buscar o manual (databook) do mesmo, pesquisar as caractersticas do dispositivo, estabelecer equivalncias, etc. Ao lado mostramos a codificao de alguns fabricantes. Podemos ter ainda os AOPs com encapsulamento metlico.COLGIO IMPACTO CURSOS TCNICOS E TREINAMENTOS Pgina 2


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CONCEITO DE TENSO DE OFFSET DE SADA O fato dos transistores do estgio diferencial de entrada do amplificador operacional no serem idnticos, provoca um desbalanceamento interno do qual resulta uma tenso na sada denominada tenso de OFFSET de sada, mesmo quando as entradas so aterradas. Assim, os pinos 1 e 5 do AOP 741 so conectados a um potencimetro e ao pino 4. Isto possibilita o cancelamento do sinal erro presente na sada atravs de um ajuste adequado do potencimetro.

de

A importncia do ajuste de offset est nas aplicaes onde se trabalham com pequenos sinais (da ordem de mV), por exemplo em instrumentao petroqumica, nuclear, mdica. GANHO DE UM AMPLIFICADOR Na figura abaixo mostramos o smbolo de um amplificador genrico, observe que definiremos os seguintes parmetros: Ei = sinal de entrada Eo = sinal de sada Av = ganhoCOLGIO IMPACTO CURSOS TCNICOS E TREINAMENTOS Pgina 3

AMPLIFICADORES OPERACIONAISAssim podemos escrever que:

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Em decibis, temos:

A importncia da utilizao do ganho em decibis (dB) justifica-se quando so utilizados grandes valores para Av, por exemplo: Av = 1 o Av(dB) = 0 Av = 10 o Av(dB) = 20 Av = 102 o Av(dB) = 40 Av = 103 o Av(dB) = 60

De modo geral : Av = 10n o Av(dB) = 20n A utilizao de decibis facilita a representao grfica de muitas grandezas que tem uma ampla faixa de variao. CARACTERSTICAS DE UM AMPLIFICADOR Resistncia de entrada e resistncia de sada Com relao a resistncia de entrada de um amplificador operacional devemos lembrar que para no termos uma atenuao do sinal na entrada precisamos que sua resistncia de entrada seja muito alta ou seja, a tenso total da fonte de sinal de entrada ser aplicado a resistncia interna do aop. Na figura abaixo mostramos isto, quanto maior for R1 perante a RS, podemos dizer que a tenso ser muito maior em R1 do que RS. Por outro lado, para se obter todo sinal de sada sobre a carga, necessrio que a resistncia de sada do amplificador RT seja muito baixa. Ganho de tenso Para que a amplificao seja vivel, inclusive para sinais de baixa amplitude como, por exemplo, sinais provenientes de transdutores ou sensores, necessrio que o amplificador possua um alto ganho de tenso. Idealmente este ganho seria infinito.

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AMPLIFICADORES OPERACIONAISResposta de freqncia (BW)

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necessrio que um amplificador tenha uma largura de faixa muito ampla de modo que um sinal de qualquer freqncia possa ser amplificado sem sofrer corte ou atenuao. Idealmente BW deveria se estender desde zero a infinitos hertz. Sensibilidade temperatura (DRIFT) As variaes trmicas podem provocar alteraes acentuadas nas caractersticas eltricas de um amplificador operacional. A esse fenmeno chamamos de DRIFT. Seria ideal que um aop no apresentasse sensibilidade s variaes de temperatura. ALIMENTAO DO AOP Normalmente os AOPs so projetados para serem alimentados simetricamente. Em alguns casos, podemos utilizar o AOP com fonte assimtrica. Existem, inclusive, alguns fabricados para trabalharem com fonte assimtrica (LM 3900 NATIONAL). Quando no dispomos de fontes simtricas, podemos improvis-las utilizando fontes simples, conforme mostra a figura abaixo. Em qualquer caso, o ponto comum das fontes ser o terra (ou massa) do circuito como um todo, ou seja, todas as tenses presentes nos terminais do AOP tero como referncia este ponto comum das fontes.

Fonte simtrica: (a) com duas fontes (b) com diodo zener (c) com divisor resistivo


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AMPLIFICADORES OPERACIONAISExerccios de fixao: 1) 2) 3) 4)

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Definir AOP? Quais os tipos bsicos de encapsulamento do AOP? Explique com suas palavras o conceito de OFFSET? Explique porque a resistncia de entrada do aop deve ser muito alta ,e a resistncia de sada deve ser muito baixa? 5) Como solucionar o problemaOFFSET?

REALIMENTAO NEGATIVA Sem realimentao Podemos colocar o AOP para trabalhar em diversos modos de operao para ns, inicialmente iremos mostr-lo sem realimentao, ou seja, trabalhando em modo de malha aberta. Deste modo ele trabalha com o ganho do prprio fabricante, ou seja, no se tem controle sobre o mesmo. Este tipo de operao muito til quando se utiliza circuito comparador. Futuramente iremos estudar os comparadores.

Com realimentao positiva Este tipo de operao denominada operao em malha fechada. Apresenta como inconveniente o fato de conduzir o circuito instabilidade. Uma aplicao prtica da realimentao positiva est nos circuitos osciladores.

Nota-se que a sada realimentada entrada no inversora, atravs de um resistor de realimentao. Neste modo de operao, o AOP no trabalha como amplificador, pois sua resposta nolinear. Com realimentao negativa Este modo de operao o mais importante em circuitos com AOP. Veja que a sada realimentada entrada inversora do AOP atravs do resistor de realimentao. So


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diversas aplicaes com a realimentao negativa sendo que iremos ver o amplificador no inversor, amplificador inversor, somador, diferenciador, integrador.

CIRCUITOS LINEARES BSICOS COM AOPS Amplificador inversor O primeiro circuito linear que iremos analisar ser o amplificador inversor. Esta denominao se deve ao fato de que o sinal de sada estar 180 defasado em relao ao sinal de entrada. A figura abaixo mostra a configurao padro do circuito inversor. A equao para dimensionamento ser:

O circuito que executa tal equao mostrado abaixo:

Observe que a relao entre Rf/Ri determina o ganho do circuito e0, sinal negativo indica uma inverso do sinal de entrada. Deste modo podemos controlar o ganho do circuito inversor. Abaixo mostramos um exemplo para fixao, onde temos um circuito amplificador onde a Rf = 10k e Ri = 1k, observe que matematicamente o ganho ser de 10 vezes, logo iremos entrar com um sinal senoidal com amplitude de 1Vp (Forma de onda


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vermelha) e iremos retirar na sada um sinal de amplitude de 10Vp (Forma de onda azul). Observe tambm que houve a defasagem de 180 na forma de onda de sada.

Circuito amplificador inversor com osciloscpio e gerador de funo ajustvel em onda senoidal para 1Vp, ligado na entrada o circuito amplificador.

Forma de onda do circuito amplificador apresentado acima com as formas de onda obtidas na entrada e na sada do circuito.


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AMPLIFICADORES OPERACIONAISExerccios:

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01) Projetar um amplificador inversor para fornecer um sinal senoidal com amplitude de 1,8V quando aplicado na entrada um sinal com amplitude de 18mV. (desenhar o circuito). 02) Qual deve ser a amplitude mxima de entrada de um circuito onde Rf = 12k e Ri = 560, sendo a alimentao do circuito integrado 6Volts simtrico. 03) Em um circuito onde Rf = 10k e Ri = 3k3, qual o ganho deste circuito. Aula prtica Iremos agora realizar uma aula prtica de amplificador inversor, onde devemos inicialmente estudar a folha de dados do amplificador utilizado por ns que ser o LM 741. Este amplificador operacional constitudo de 8 terminais os quais mostramos abaixo.

Observe que temos que ter uma alimentao simtrica, para isto voc dever ter uma fonte simtrica ou providenciar uma para sua aplicao, a alimentao sugerida ser 12Votls. Abaixo mostramos o circuito sugerido anteriormente, observe que o circuito proposto no tem os demais pinos necessrios para a montagem prtica, mas voc devera liga todos os terminais necessrios para o bom funcionamento.


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Para verificarmos o funcionamento, devemos colocar na entrada do circuito integrado um sinal proveniente de um gerador de funo, sendo um sinal senoidal, com amplitude de 10mVp. Atravs de um osciloscpio voc deve ver a forma de onda na sada e a forma de onda na entrada, observando a defasagem do sinal de 180. Descreva com todos os detalhes o que voc observou de interessante no circuito proposto. ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ Amplificador no inversor O amplificador no inversor no apresenta defasagem do sinal de sada, mas apresenta uma alta impedncia de entrada, posto que a mesma igual ao produto da resistncia de entrada do AOP por um fator muito grande. O circuito tpico do amplificador no inversor mostrado abaixo:

Seguindo o mesmo esquema apresentado no circuito amplificador inversor, temos como equacionamento:


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O termo (R2/R1 + 1) o ganho do amplificador no inversor. Em termos prtico utilizamos o amplificador no inversor quando no necessitamos de uma inverso do sinal. Exerccios: 01) Projetar um amplificador no inversor para fornecer uma tenso de sada de 1Vp senoidal, sendo a entrada um tenso de 100mVp com freqncia de 1kHZ. 02) Qual o nvel do sinal de sada do circuito mostrado abaixo, sendo que aplicamos na entrada um sinal de 450mVp senoidal.

03) Para o exerccio acima, desenhe a forma de onda do circuito. Aula prtica: Para melhor entendermos o principio de funcionamento do circuito amplificador no inversor iremos montar o circuito abaixo, e verificar atravs do osciloscpio a forma de onda obtida no osciloscpio.


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Aps montado o circuito, iremos aplicar na entrada no inversora uma sinal com amplitude de 100mVp senoidal e com freqncia de 1kHZ. Descreva abaixo seus procedimentos e os resultados obtidos: ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________COLGIO IMPACTO CURSOS TCNICOS E TREINAMENTOS Pgina 12

AMPLIFICADORES OPERACIONAISAmplificador somador

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O circuito amplificador somador com duas ou mais entradas, nada mais do que um circuito amplificador inversor onde em sua entrada est colocado mais de um sinal. Ento deste modo a equao a mesma utilizada pelo circuito amplificador inversor. Abaixo mostramos o detalhe do circuito, e o equacionamento do circuito:

Para fins de equacionamento, iremos dizer que Rf = R1=R2=...=Rn=R, logo posso escrever que:

Para melhor entendermos observe o exemplo apresentado abaixo:

Vamos equacionar o circuito acima:


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Observe que agora temos uma equao que mostra que a sada a soma das entradas, sendo que o sinal invertido no final, podemos dizer que na prtica temos 3 sinais distintos, os quais dever proporcionar uma sada que resultante da matemtica desenvolvida pelos trs sinais. Podendo este sinal ser positivo ou negativo, dependendo das entradas Exerccios 01) Desenhar o circuito que execute a equao abaixo: a. b. 02) Escrever a equao do circuito abaixo:

a.

b.


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AMPLIFICADORES OPERACIONAISAula prtica:

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Para melhor entendermos os circuitos somadores iremos realizar a montagem de um circuito somador de duas entradas, comparando o valor terico com o valor prtico.

O circuito proposto um amplificador somador no qual em sua entrada iremos colocar dois potencimetros ou trimpot, para variarmos a tenso na entrada e verificarmos a tenso na sada. Verifique seu funcionamento prtico sempre observando a tenso nas entradas com um multmetro e anotado os valores e obtendo o valor na sada. V1(Volts) 0 1 3 4 6 TEORICO V2(Volts) 0 1 2 3 4 VO(Volts) V1(Volts) 0 1 3 4 6 PRATICO V2(Volts) 0 1 2 3 4 VO(Volts)

Descreva abaixo suas concluses: ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________COLGIO IMPACTO CURSOS TCNICOS E TREINAMENTOS Pgina 15

AMPLIFICADORES OPERACIONAISAmplificador Integrador

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O amplificador integrador muito utilizado na prtica, pois com ele podemos obter outras formas de onda a partir de uma forma de onda primitiva. Abaixo mostramos a forma de onda do circuito em questo, assim como sua equao bsica:

Observe que se tivermos uma forma de onda em degrau na entrada, vamos obter uma rampa de acelerao na sada, conforme mostramos abaixo:


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AMPLIFICADORES OPERACIONAISAmplificador diferencial

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O circuito tpico do amplificador diferencial e mostrado abaixo, na prtica este circuito no muito utilizado mas devemos verificar seu funcionamento.

Exerccios: 01) Obter o circuito para as expresses abaixo: a. b. c. d. Aula prtica Iremos montar agora um amplificador integrador para que seja introduzida uma onda quadrada com freqncia de 1kHz e amplitude de 2Vp.


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AMPLIFICADORES OPERACIONAISAlgumas consideraes:

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Quando trabalhamos com baixa freqncia um resistor deve ser colocado em paralelo com o capacitor; A finalidade deste resistor a estabilizao do ganho do aop; Em baixas freqncias o capacitor estar na faixa de microFarady. Observando o funcionamento do circuito, voc ver a forma de onda mostrada abaixo, observe que na sada haver uma forma de onda triangular, com um determinado ganho:

Como espervamos o circuito integrou a forma de onda quadrada em uma forma de onda triangular. Descreva agora quais os procedimentos que voc utilizou e o que voc observou no circuito prtico: ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________


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CONTROLADORES ANALGICOS COM AOP Em controle de processos industriais necessrio a utilizao de um elemento denominado controlador eletrnicos analgico. A funo bsica do controlador avaliar os erros ou desvios das variveis controladas no processo e enviar um sinal eltrico aos dispositivos diretamente relacionados com as mesmas, de forma a atuar no sistema corrigindo os erros ou desvios encontrados. Podemos exemplificar o que dissemos da seguinte forma: o controlador eletrnico detecta um determinado desvio no valor da vazo de um lquido e emite um sinal eltrico correspondente para a vlvula de controle de vazo, de tal forma que um conversor eletropneumtico acione o diafragma da vlvula, abrindo-a ou fechando-a (conforme necessrio), para ajustar a vazo no valor preestabelecido (SET-POINT) para o processo. A vazo, neste caso, a varivel controlada. Conceito bsico sobre controle de processos Na figura abaixo mostramos o diagrama simplificado de um sistema de controle de processos

Seja E o erro ou desvio encontrado quando se mede o valor Cm da varivel controlada em relao ao seu valor de SET-POINT Csp. Logo:

O valor de E est relacionado com a varivel dinmica do processo (vazo, temperatura, nvel, presso, etc), de tal forma que, atravs da malha de controle, seja processada a ao corretiva necessria para prover a estabilidade do sistema. O valor Cm fornecido por um medidor, no qual se tem um transdutor adequado ao processo. O transdutor um dispositivo que converte uma determinada grandeza (normalmente no eltrica) em outra (normalmente eltrica). Por exemplo um termopar, que um tipo de transdutor utilizado para converter um valor de temperatura em um valor correspondente de tenso.


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Observando a figura acima, nota-se que o sinal de sada do controlador est aplicado num dispositivo denominado conversor. A funo deste dispositivo converter o sinal eltrico proveniente do controlador em um sinal no eltrico (por exemplo, presso), o qual ir atuar sobre o elemento final de controle que possui ao direta sobre o processo. Normalmente os sinais de entrada e de sada do controlador so sinais de corrente situados numa faixa padro de 4 a 20mA. O processo realimentado negativamente, conforme mostra a figura, de tal forma que a tendncia do mesmo minimizar o erro da varivel controlada at que o sistema apresente uma estabilidade compatvel com o SET-POINT. Evidentemente, alguns distrbios no sistema poder alterar a sua estabilidade, obrigando o controlador a entrar em cena novamente, de modo a indicar e tentar corrigir a instabilidade. Em alguns casos (por exemplo, vazamento no sistema) esta correo impossvel, pois o distrbio ultrapassa o limite de ao do controlador. Nestes casos o operador detectar o problema atravs de um alarme ou atravs do registrador grfico, no qual se tem um registro contnuo das condies de entrada e sada do sistema. Atravs de uma anlise dos grficos, o operador poder determinar o grau de instabilidade do sistema e proceder correo ou manuteno necessria. Finalmente, convm ressaltar que o controlador o elemento bsico no sistema, pois ele atua como crebro do mesmo. o controlador que analisa o sinal de erro e determina o sinal de sada necessrio para corrigir a instabilidade do sistema. Para determinar o sinal de sada , o controlador precisa ser ajustado ao tipo de ao corretiva a ser aplicada no processo. Estas aes corretivas so denominadas aes de controle. Basicamente existem as seguintes aes de controle: Ao proporcional ou ao P Ao integral ou ao I Ao derivativa ou ao D Estas aes podem ser combinadas ou no, de tal forma que se tenha aes de controle mais efetivas sobre o processo. Assim sendo, podemos ter: ao PI, ao PID, e outras. Controlador de ao proporcional O tipo mais elementar de controle o chamado controle ON-OFF. Neste controle a sada do processo estar sempre com 0% ou 100% de resposta. Uma vlvula, por exemplo, estar totalmente fechada ou aberta em cada situao. Este tipo de controle tambm denominado de controle de duas posies. Uma extenso natural do controle ON-OFF o conceito de controle proporcional. Neste tipo de ao de controle existe uma relao linear entre o sinal de erro (E) de entrada e sada (P0) do controlador e, portanto, a sada do processo ter uma resposta proporcional ao sinal de comando do controlador. A figura abaixo mostra o que foi descrito acima:COLGIO IMPACTO CURSOS TCNICOS E TREINAMENTOS Pgina 20


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Conforme j dissemos, a ao do controlador determinada pelo sinal de erro (E) detectado pelo mesmo. Quando este erro nulo, o controlador apresenta uma sada fixada em P1. O grfico nos fornece uma equao como a mostrada abaixo:

Onde Kp uma constante de proporcionalidade (ou ganho da ao proporcional). Toda varivel controlada possui um valor mximo (Cmax) e um valor mnimo (Cmin) e o erro (E) pode ser relacionado com a faixa de variao da mesma, de tal sorte que tenhamos um erro expresso em procentagem. Assim sendo, costuma-se definir um erro porcentual Ep, dado por:

Abaixo mostramos o circuito responsvel pelas expresses acima, observe que o potencimetro R1 ir permitir o ajuste da constante de proporcionalidade (kp).

A equao de sada do circuito anterior dada por:


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AMPLIFICADORES OPERACIONAISOnde: V0 corresponde ao sinal de sada em P0 VE corresponde ao sinal de erro E V1 corresponde ao sinal de sada P1 para erro nulo corresponde constante de proporcionalidade kp

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evidente que na entrada do controlador as correntes so convertidas em tenses e na sada as tenses so reconvertidas em corrente, atravs de resistores de alta preciso. Controlador de ao integral A ao integral aquela na qual a sada do controlador aumenta numa taxa proporcional integral do erro da varivel controlada. Assim sendo, a sada do controlador a integral do erro ao longo do tempo, multiplicada por uma constante de proporcionalidade denominada ganho de integrao. Este tipo de ao muito aplicado em controle de velocidade de motores de corrente contnua. O controlador detecta continuamente os erros e gera rampas de acelerao ou desacelerao, conforme seja necessrio, para manter a velocidade do motor em um valor pr-ajustado (SET-POINT). A equao de sada do controlador de ao integral a seguinte:

Onde k1 o ganho de integrao e P1(0) a sada do controlador no instante t = 0. O circuito abaixo mostra como podemos implementar a equao anterior, mostrando assim a equao na sada do circuito.

Onde V0(t) corresponde ao sinal de sada P0 (t) VE(t) corresponde ao sinal de erro E(t) V1(0) corresponde ao sinal de sada P1(0) em t=0 1/RC corresponde ao ganho de integrao k1


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Convm lembrar que Rf tem como objetivo estabilizar o ganho do integrador em baixas freqncias. Controlador de ao derivativa A ao derivativa aquela na qual a sada do controlador diretamente proporcional taxa de variao do erro ou desvio da varivel controlada. Assim sendo, a ao derivativa nunca utilizada de forma isolada, ou seja, ela est sempre associada s aes proporcional ou integral, pois, no caso de se ter um erro nulo ou constante, a sada do controlador no ir apresentar nenhuma variao nominal no sinal de sada. A equao de sada do controlador de ao derivativa dada por:

Onde KD uma constante de proporcionalidade denominada ganho derivativo. O circuito abaixo a implementao da equao acima, onde mostramos tambm a equao da sada deste circuito que dada por:

Onde: Vo(t) corresponde ao sinal de sada Po(t)COLGIO IMPACTO CURSOS TCNICOS E TREINAMENTOS Pgina 23

AMPLIFICADORES OPERACIONAISVE(t) corresponde ao sinal de erro E(t) R2C corresponde ao ganho derivativo kD

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APLICAES NO LINEARES COM AOPS Comparadores Em muitas situaes prticas surge a necessidade de se comparar dois sinais entre si, de tal sorte que um destes sinais seja uma referncia preestabelecida pelo projetista. Os circuitos eletrnicos destinados a esta funo so chamados de comparadores. Um exemplo de aplicao prtica dos comparadores o seguinte: atravs de sensores de nvel, podemos detectar a situao de um reservatrio de combustvel lquido. Se o nvel normal for tomado como referncia, ento devemos ajustar um sinal de tenso correspondente ao mesmo. Quando o nvel estiver acima (ou abaixo) do normal (referncia), o comparador dever emitir um sinal de sada para o sistema controlador, de tal modo que a situao normal seja restabelecida automaticamente. Evidentemente, o sinal de referncia levado a uma das entradas do comparador, ficando a outra entrada para receber o sinal da varivel controlada (no caso, o nvel do reservatrio). Os comparadores produzem sadas sob a forma de pulsos discretos em funo do nvel do sinal aplicado. Na verdade, a sada de um comparador est sempre num valor alto, denominado saturao positiva (+Vsat), ou num valor baixo, denominado saturao negativa (-Vsat). Existem formas de se limitar os nveis de sada de modo que os mesmos no atinjam a saturao. Basicamente, temos dois tipos de comparadores: comparador no-inversor e comparador inversor. Mas antes vamos tomar alguns conceitos importantes para nosso conhecimento. Observe o circuito mostrado abaixo, podemos dizer que entre os terminais da entrada inversora e a entrada no inversora teremos uma tenso diferencial, o que chamamos de ganho em modo diferencial.

Podemos escrever que: e0 = ed.(e2 e1), onde, o ed para ns o ganho em modo diferencial. E o grfico que mostra a relao entre entrada e sada demonstrado abaixo.


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Comparador no inversor Nosso primeiro comparador o comparador no inversor, onde iremos aplicar na entrada no inversora o sinal que ser comparado com uma referncia a terra colocada na entrada inversora.

Aplicado a frmula mostrada anteriormente, onde escrevemos:

Lembre-se, que e2 sempre ser a entrada no inversora e e1 a entrada inversora, assim fica muito mais fcil fazermos a relao necessria para obtermos o resultado. Vi > 0 ento o e0 = + e0 sat Vi < 0 ento o e0 = - e0 sat Isto fica muito claro na figura (b) mostrada acima. Para melhor compreendermos vamos mostrar o exemplo da figura ao lado, onde temos uma forma de onda aplicada na entrada do circuito e podemos obter a forma de onda na sada.COLGIO IMPACTO CURSOS TCNICOS E TREINAMENTOS Pgina 25

AMPLIFICADORES OPERACIONAISComparador inversor

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O segundo tipo de comparador bsico o comparador inversor. Neste caso a referncia est na entrada no-inversora e o sinal da varivel a ser comparada est ligada na entrada inversora. A figura abaixo mostra o circuito em questo, note que o sinal de referncia novamente foi colocado ao terra. Apresentamos tambm o grfico que relaciona o sinal de entrada com o sinal de sada do comparador.

A operao deste circuito da figura (a) anloga do circuito anterior: quando a diferena de tenso entre a entrada inversora e a entrada no inversora for negativa, a sada vai para +Vsat, e quando esta diferena for positiva, a sada vai para Vsat. Matematicamente, temos: Vi > 0 ento o e0 = - e0 sat Vi < 0 ento o e0 = + e0 sat Normalmente , uma pequena diferena de tenso da ordem de 1mV suficiente para acionar o comparador, levando-o a comutar sua condio de sada. Evidentemente, AOPs de ganho elevado, quando utilizados como comparadores, podem amplificar sinais de nveis bem maiores do que 1mV. Observe que nos dois tipos de comparadores estudados at aqui o sinal de referncia era nulo, pois estava conectado ao terra. Entretanto, podemos utilizar como referncia um sinal Vref 0. Existem diversas formas de se executar comparadores com referncias no nulas. Na figura ao lado, temos o circuito de um comparador inversor com um sinal de referncia Vref aplicado na entrada no inversora. Observando a resposta do circuito, mostrada, podemos constatar que a comutao de estado da sada ocorre quando o nvel do sinal a ser comparado (Vi) atingir o valor Vref.


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Este circuito costuma ser denominado detector de passagem por nvel prefixado. Matematicamente, temos: ei < Vref ento o e0 = + e0 sat ei > Vref ento o e0 = - e0 sat

Observe que voc pode colocar a tenso de referncia tanto na entrada inversora, quanto na entrada no inversora. Sua tenso de referncia pode ser positiva ou negativa. Abaixo iremos mostrar os outros circuitos que podemos ter como comparadores, assim como seus respectivos grficos da relao entre entrada e sada. A aplicao do circuito depende da necessidade do projetista ou do tcnico de desenvolvimento.

Realize o estudo dos outros modos invertendo-se as Vref, e obtenha o circuito e o grfico de resposta, anotando assim em seu material, para futuras consultas. Isto tambm pode ser realizado juntamente com o professor como exerccios proposto. Exerccios 01) Determine quando o led ir acender no circuito abaixo. E explique seu funcionamento.


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02) Projetar um circuito que ir monitorar a bateria automotiva que opere conforme indicado: a. Quando a tenso da bateria estiver abaixo de 11,3Volts, voc dever indicar atravs de um led. b. Quando a tenso da bateria estiver acima de 13,12 Volts, este mesmo led dever ficar apagado. 03) Quando o motor ir ligar no circuito abaixo, explique o funcionamento do circuito

04) Levante atravs da internet a folha de dados do LM 741


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AMPLIFICADORES OPERACIONAISAula prtica:

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Caros alunos, neste desenvolvimento iremos montar um circuito que ir comparar uma tenso de entrada que ser feito atravs de um potencimetro ligado na entrada inversora, que ser comparado com a tenso de referncia vinda de um diodo zener. Abaixo mostramos o circuito sugerido.

Atravs de um multmetro verificar a tenso no diodo zener e verificar qual a tenso na entrada inversora necessria para acionar o led. Desenhar o grfico que mostra a relao entre o potencimetro e a sada (led). Aplicar a frmula para determinao antes mesmo de ligar o circuito, pois assim podemos determinar a partir de que ponto haver o acionamento do circuito. Descreva abaixo tudo que voc achar pertinente ao circuito. ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________


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AMPLIFICADORES OPERACIONAISFILTROS ATIVOS

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Podemos definir um filtro eltrico como sendo um quadripolo capaz de atenuar determinadas freqncias do espectro do sinal de entrada e permitir a passagem das demais. Chamamos de espectro de um sinal a sua decomposio numa escala de amplitude versus freqncia. Isto feito atravs das sries de Fourier ou utilizando um analisador de espectro. Notemos que, enquanto o osciloscpio um instrumento para anlise de um sinal no domnio do tempo, o analisador de espectro um instrumento para anlise de um sinal no domnio da freqncia. Vantagens e desvantagens dos filtros ativos Os filtros ativos possuem uma srie de vantagens em relao aos filtros passivos: a) Eliminao de indutores, os quais em baixa freqncia so volumosos, pesados e caros. b) Facilidade de projetos de filtros complexos atravs da associao em cascata de estgios simples. c) Possibilidade de se obter grande amplificao do sinal de entrada (ganho), principalmente quando este for um sinal de nvel muito baixo. d) Grande flexibilidade de projetos. Por outro lado, existem algumas desvantagens dos filtros ativos: a) Exigem fonte de alimentao. b) A resposta em freqncia dos mesmos est limitada capacidade de resposta dos AOPs utilizados. c) No podem ser aplicados em sistemas de mdia e alta potncia (como, por exemplo, filtros para conversores e inversores tiristorizados, utilizados em acionamento industrial) Apesar das limitaes citadas, os filtros ativos tem se tornado cada vez mais teis no campo da eletrnica em geral. J citamos a instrumentao e as telecomunicaes como sendo as reas mais beneficiadas pelos mesmos. Dentro da rea de instrumentao, interessante ressaltar a eletromedicina ou bioeletrnica, na qual os equipamentos utilizados fazem grande uso dos filtros ativos, principalmente quando estes equipamentos devem operar em baixas freqncias. Classificao Os filtros podem ser classificados sob trs aspectos: Quanto funo executada Quanto tecnologia aplicada Quanto funo-resposta (ou aproximao) utilizada.Pgina 30



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O primeiro nos permite considerar quatro tipos bsicos de filtros: a) Filtro passa baixa (PB) S permite a passagem de freqncias abaixo de uma freqncia determinada fc (freqncia de corte). As freqncias superiores so atenuadas. b) Filtro passa alta (PA) S permite a passagem de freqncias acima de uma freqncia determinada fc. As freqncia inferiores so atenuadas. c) Filtro passa faixa (PF) S permite a passagem das freqncias situadas numa faixa delimitada por uma freqncia de corte inferior (fc1) e outra superior (fc2). As freqncias situadas abaixo da freqncia de corte inferior ou acima da freqncia de corte superior so atenuadas. d) Filtro rejeita faixa (RF) S permite a passagem das freqncias situadas abaixo de uma freqncia de corte inferior (fc1) ou acima de uma freqncia de corte superior (fc2). A faixa de freqncias delimitada por fc1 e fc2 atenuada. Na figura abaixo, temos a simbologia adotada para cda uma das funes citadas, e na figura seguinte, temos as curvas de reposta ideais de cada um dos filtros. Tais curvas mostram o ganho do filtro em funo da freqncia do sinal aplicado. Como dissemos as curvas so ideais, na prtica impossvel obt-las, mas podemos realizar aproximaes muito boas. As linhas tracejadas indicam as respostas reais dos filtros. Utilizaremos a letra K para representar o ganho do filtro. Figuras escaneadas das pginas 192 e 193 No caso de um filtro real, a sua curva de resposta pode ser dividida em diversas faixas. Para um filtro PB, temos a seguinte diviso: Faixa de passagem (0 a fc) Faixa de transio (fc a fs) Faixa de corte (acima da fs) Na figura (b) acima mostramos estas trs faixas para um filtro PB e na figura (c) mostramos as cinco faixas de um filtro PF. Neste ltimo existem, evidentemente, duas faixas de transio e duas de corte. Arbitrariamente, escolhemos fs no ponto onde a amplitude se reduziu a 10% do seu valor mximo. Esta escolha um procedimento rigorosamente correto mas, para finalidades prticas, perfeitamente aceitvel. O segundo aspecto de classificao dos filtros nos permite considerar trs tecnologias fundamentais:


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AMPLIFICADORES OPERACIONAISFILTROS PASSIVOS

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So aqueles construdos apenas com elementos passivos, tais como: resistores, capacitores e indutores. Tais filtros so inviveis em baixas freqncias, pois existem indutores muito grandes. FILTROS ATIVOS So aqueles construdos com alguns elementos passivos associados a elementos ativos (vlvulas, transistores ou amplificadores operacionais). A primeira gerao de filtros ativos foi construda tendo as vlvulas como elemento ativo. Eram filtros de alto consumo de potncia, alta margem de rudos, baixo ganho etc. A segunda gerao de filtros ativos utilizavam os transistores e, sem dvida, as vantagens sobre a primeira gerao foram marcantes, mais tais filtros ainda deixavam muito a desejar. A terceira gerao, que ser nosso objetivo de estudo, utiliza os amplificadores operacionais como elemento ativo. A alta impedncia de entrada e a baixa impedncia de sada dos AOPs associadas a suas outras caractersticas, permitem a implementao de filtros de timas qualidades. FILTROS DIGITAIS Tais filtros utilizam componentes digitais como elementos construtivos. Um sinal analgico convertido em digital atravs de um sistema conversor analgico digital. O sinal binrio representativo do sinal de entrada, obtido pelo processo citado, filtrado pelo filtro digital e o resultado reconvertido em sinal analgico por um sistema de converso digital analgico. Tais filtros so teis onde muitos canais de transmisso de dados necessitam ser processados atravs de um mesmo filtro.

Finalmente, o terceiro aspecto de classificao dos filtros diz respeito funo resposta ou aproximao utilizada para projet-los. Os tipos mais comuns de aproximao so os seguintes: Butterworth Chebyshev Cauer Cada uma destas aproximaes possui uma funo matemtica especfica, atravs da qual se consegue obter uma curva de resposta aproximada para um determinado tipo de filtro.


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Exerccios: 01) Defina filtro. 02) O que espectro de um sinal? 03) Citar as vantagens e desvantagens dos filtros ativos? 04) Desenhar os filtros PA, PB, e explicar cada uma das curvas de resposta? PROTEO E ANLISE DE FALHAS EM CIRCUITOS COM AOPS Iremos apresentar a voc aluno, algumas tcnicas de protees para circuitos envolvendo os aops que ir permitir aos projetistas aumentarem a confiabilidade e a segurana de um sistema no qual esses circuitos se acham inseridos. Por outro lado, apresentaremos tambm alguns comentrios e procedimentos muito teis quando se deseja pesquisar falhas ou defeitos em circuitos com aops. Proteo das entradas de sinal Sabemos que qualquer componente eletrnico apresenta especificaes mximas para suas diversas caractersticas eltricas, tais como tenso, corrente, potncia etc. Se por algum motivo alguma dessas caractersticas for ultrapassada, o dispositivo poder sofrer danos irreparveis. O estgio diferencial de um AOP poder ser danificado caso a mxima tenso diferencial de entrada do mesmo seja excedida. Para o AOP LM 741 esta tenso da ordem de 30V. Pode definio, a tenso diferencial de entrada medida a partir da entrada no inversora para a entrada inversora do AOP, em concordncia com a equao fundamental do AOP j estudada anteriormente onde diz:

Onde : e0 = sada do aop e2 = entrada no inversora e1 = entrada inversora Ad = ganho diferencial Existem diversas maneiras de se proteger as entradas do AOP, mas as mais comum consiste na utilizao de dois diodos em antiparalelo conectados nas entradas. Esta tcnica est mostrado abaixo, os diodos utilizados podem ser diodos retificadoresCOLGIO IMPACTO CURSOS TCNICOS E TREINAMENTOS Pgina 33


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do tipo 1N4001 ou equivalente. Costuma-se, tambm, colocar resistores nas entradas para evitar uma provvel queima dos diodos e garantir, assim, melhor proteo ao AOP. Alguns AOPs j possuem os diodos de proteo na sua estrutura interna. Neste caso, basta acrescentarmos os resistores. Voc aluno j concluiu que a finalidade dos diodos fazer com que a tenso diferencial no ultrapasse o valor de 0,7Volts dos diodos. Proteo na sada Atualmente a maioria dos AOPs possui uma proteo interna contra curtocircuito na sada. O AOP 741, por exemplo, apresenta esta proteo. Se consultarmos a folha de dados do fabricante do componente, encontraremos para a corrente de curtocircuito de sada um valor de 25mA. O fabricante garante que a durao do curtocircuito de sada pode ser ilimitada ou indeterminada, desde que a capacidade de dissipao trmica do componente no seja excedida (310mW para o AOP 741 com encapsulamento plstico). Note que estamos falando da capacidade de dissipao trmica do componente e no da potncia de consumo do mesmo, a qual da ordem de 50mW (tpico) sob temperatura ambiente de 25C. Proteo das entradas de alimentao Esta uma das mais importantes tcnicas de proteo dos AOPs. Se a polaridade das tenses de alimentao forem invertidas, o componente ficar irremediavelmente danificado. De fato, a inverso de polaridade significa polarizar incorretamente quase todos os componentes que fazem parte do circuito interno do AOPs. Isto ir provocar o aparecimento de tenses e correntes internas no condizentes com o circuito, causando a sua distruio. A figura (a) abaixo mostra a forma correta de proteger um AOP contra uma provvel inverso de polaridade da fonte de alimentao. No caso de ser um banco de amplificadores operacionais alimentados por uma nica fonte simtrica, poderemos utilizar o circuito da figura (b). Em ambos os casos os diodos so diodos retificadores comuns como 1N4001 ou equivalente.


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Proteo contra rudos e oscilaes da fonte de alimentao A presena de fontes geradoras de rudos ou interferncias, prximas aos circuitos com AOPs pode alterar o nvel da tenso CC de alimentao do integrado, a qual deve ser estabilizada e de baixssimo ripple (ondulao). Essa alterao pode prejudicar a resposta do circuito e, dependendo da aplicao e dos nveis dos sinais processados, poder provocar erros grosseiros e perigosos ao sistema. Para proteger contra rudos e oscilaes da fonte de alimentao, costuma-se colocar um capacitor da ordem de 0,1F entre o terra e cada um dos terminais de alimentao. Os capacitores devero ficar bem prximos dos pinos de alimentao para minimizar o efeito antena dos fios proveniente da fonte de tenso. Anlise de falhas em circuitos com AOPs Normalmente, um circuito com amplificadores operacionais bastante complexo e, quase sempre, um teste aleatrio com um multmetro no suficiente para determinar provveis falhas no circuito, pois preciso que o tcnico conhea as caractersticas do AOP em seus trs modos bsicos, a fim de que saiba o que medir e por que medir. Consideremos os trs modos de operao: x x x Com realimentao negativa Com realimentao positiva Sem realimentao

Em cada um desses modos, o amplificador apresenta algumas propriedades diferentes. Com realimentao negativa, o AOP apresenta a propriedade do curto circuito virtual. Assim sendo, ao medirmos a diferena de potencial entre os terminais de entrada de um AOP realimentado negativamente, deveremos encontrar valores de tenso inferiores a alguns milivolts conforme a figura mostrado ao lado. Uma leitura muito alta na situao anterior indica algum defeito no circuito, tais


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como: R1 ou R2 em curto; Rf aberto ou AOP com estgio diferencial de entrada danificado. Em realimentao positiva, o circuito apresenta alto grau de instabilidade e, normalmente, a sada apresenta-se saturada. Nesta situao, a tenso diferencial de entrada relativamente alta (da ordem de alguns volts). Assim sendo, em um circuito realimentado positivamente, se verificarmos que a tenso est muito baixa em relao VCC ou se encontrarmos um valor de tenso muito baixo entre os terminais de entrada, bem provvel que o AOP esteja danificado. Finalmente, consideremos o AOP em operao com malha aberta. A anlise de falhas aproximadamente idntica situao anterior. De fato, o AOP estar basicamente funcionando como comparador e a tenso de sada dever estar sempre saturada em um valor positivo prximo a +VCC (cerca de 1,5V a menos) ou negativo prximo a VCC (cerca de 1,5V a mais). Alguns testes especiais para determinao de falhas em sistema com AOPs Existem alguns testes interessantes e eficazes para estabelecermos se o amplificador est danificado ou no, quando este se acha inserido num sistema ou circuito de alto porte. Consideremos a figura abaixo, na qual o AOP est realimentado negativamente. Se fizermos um curto circuito entre os pontos a e b, garantindo, assim, um curto circuito virtual, deveremos ter aproximadamente 0 (zero) volts na sada. Caso isto no ocorra o AOP est danificado. Este teste denominado teste de sada nula. Outro teste importante o denominado teste de ganho cc. A figura abaixo ilustra o circuito necessrio ao teste. Note que deveremos abrir o circuito nos terminais de entrada e sada de sinal para evitar interaes dos estgios anteriores e posteriores ao estgio sob teste. Este teste muito til para determinar se um AOP est danificado, pois, neste caso, surge uma perda de ganho no sistema. Medindo Vi e V0, o tcnico pode estabelecer se o AOP est trabalhando corretamente, pois dever existir a relao j estudada anteriormente. Teste de AOPs utilizando osciloscpio O osciloscpio , provavelmente, o mais til dos instrumentos de testes existentes disposio dos tcnicos. Uma das aplicaes mais importantes do osciloscpio no rastreamento de sinais em um sistema ou circuito eletrnico, a fim de localizar falhas no mesmo. A tcnica de rastreamento de sinais consiste na injeo de um determinado sinal na entrada do sistema ou circuito sob anlise. A ponta de prova do osciloscpio ser conectada, em cada instante, sada de um determinado estgio, a partir do primeiro, at se atingir a sada do ltimo estgio. Quando um estgio defeituoso forCOLGIO IMPACTO CURSOS TCNICOS E TREINAMENTOS Pgina 36


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encontrado, o tcnico dever localizar o componente ou componentes responsveis pela falha. Na figura abaixo, temos um sistema eletrnico composto por trs estgios com AOPs. Note que os capacitores na entrada do primeiro estgio e na sada do ltimo estgio tem como objetivo bloquear possveis sinais CC que poderiam prejudicar as medies, bem como causar distores nos sinais obtidos nas sadas. Consideramos que o sinal aplicado determinado pelo prprio tcnico, torna-se fcil para o mesmo prever os tipos de sinais a serem obtidos na sada de cada um dos estgios do sistema e, por comparao, deduzir se um estgio apresenta ou no alguma falha. ALGUNS PROCEDIMENTOS ADICIONAIS Fizemos uma anlise geral dos procedimentos normais para pesquisar falhas em circuitos e sistema com AOPs. Contudo, nunca demais acrescentar alguns procedimentos extras, que o tcnico pode aplicar de imediato antes de proceder a uma anlise mais minuciosa do defeito. Estes procedimentos so os seguintes: Conferir a polaridade da alimentao. Conferir as conexes de todos os pinos. Se o AOP estiver se aquecendo, verificar se a sada est curto-circuitada ou se a carga muito alta (valor hmico baixo). Se a sada de um amplificador (inversor ou no inversor) estiver saturada, verificar se a malha de realimentao est aberta (Rf = ) ou se o resistor de entrada est em curto (R1 = 0). Verificar se o terra do sinal de entrada o mesmo do AOP Verificar se a impedncia de entrada do circuito no est muito baixa, comparada impedncia de sada da fonte de sinal. Verificar a continuidade dos condutores. Verificar se as pistas e pinos metalizados da placa de circuito impresso no esto abertos ou curto circuitados. CONSIDERAES FINAIS Antes de instalar um sistema ou circuito eletrnico conveniente tomar algumas precaues relativas ao local no qual o mesmo vai ser instalado, pois existem ambientes muito prejudiciais aos componentes eletrnicos. Alguns circuitos podem ser danificados por efeitos de corroso, ferrugem, choques mecnicos, avalanches trmicas dos dispositivos semicondutores etc. Para tomar as medidas preventivas necessrias, o tcnico de manuteno dever observar o grau de incidncia dos seguintes fatores prejudiciais aos circuitos ou sistema: Umidade excessiva do ar Calor excessivo do ambienteCOLGIO IMPACTO CURSOS TCNICOS E TREINAMENTOS Pgina 37

AMPLIFICADORES OPERACIONAIS cidos e gases corrosivos na atmosfera ambiente Partculas metlicas em suspenso Vibraes mecnicas freqentes Fontes de interferncias freqentes, etc

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Evidentemente, cada indstria tem caractersticas especficas e os fatores considerados anteriormente podem variar de uma indstria para outra; por exemplo: em indstrias qumicas, nota-se a predominncia de cidos e gases corrosivos no ar; em indstrias siderrgicas, verifica-se a presena acentuada de partculas metlicas em suspenso. Em cada situao , o tcnico dever proteger adequadamente os circuitos eletrnicos, pois, caso contrrio, ter problemas constantes com os mesmos. Algumas medidas preventivas, comumente utilizadas, so os miniventiladores para dissipar o calor, a slica-gel para absorver umidade e alguns tipos de vernizes aplicados nas placas para proteg-las contra corroso, ferrugem etc.

Bibliografia Jnior, A.P. Amplificadores Operacionais e filtros ativos: Ed. McGrawBooks:So Paulo, 5 Edio: 1996


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