Aula 17: Osciladores e Multivibradores de Eletrônica Analógica

ELETRÔNICA ANALÓGICA AULA 17 OSCILADORES e MULTIVIBRADORES Prof Luis Henrique P da Silva MSc OSCILADORES OSCILADOR HARTLEY É um tipo de oscilador harmônico que foi inventado por Ralph Hartley em 1915 Estes são os osciladores de circuito sintonizados que são usados para produzir as ondas na faixa de frequência de rádio e portanto também são chamados de osciladores de RF OSCILADORES OSCILADOR HARTLEY Sua frequência de oscilação é decidida pelo seu circuito de tanque que possui um capacitor conectado em paralelo com os dois indutores conectados em série OSCILADORES OSCILADOR HARTLEY Figura 1 Oscilador Hartley OSCILADORES OSCILADOR HARTLEY A realimentação do oscilador Hartley mostrado na figura 1 é formada pelos resistores Rf e R1 pelos indutores L1 e L2 e pelo capacitor C OSCILADORES OSCILADOR HARTLEY A frequência de oscilação do circuito é a própria frequência de ressonância da malha frequência esta onde o deslocamento de fase será de 180º OSCILADORES OSCILADOR HARTLEY Considerando que R1 XL2 podese abrir a malha de realimentação obtendo o circuito da figura 8 OSCILADORES OSCILADOR HARTLEY Figura 2 Malha de realimentação aberta OSCILADORES OSCILADOR HARTLEY Neste caso a impedância vista pela saída sobre L1 será a associação dada a seguir OSCILADORES OSCILADOR HARTLEY Z Z₁ Zₖ Zₗ Zₖ frac1j ω C Z₁ j ω L₁ Z₂ ω L₂ Z fracj ω L₁ leftj ω L₂ frac1j ω Crightj ω L₁ j ω L₂ frac1j ω C Z fracL₁ ω C₁ ω² 1j 1 C₁ L₁ L₂ ω² OSCILADORES OSCILADOR HARTLEY Na frequência de ressonância o termo imaginário deve ser nulo portanto 1 C₁ L₁ L₂ ω² 0 ω L₁ ω L₂ frac1ω C Rightarrow XL₁ XL₂ XC ω frac1sqrtLT C LT L₁ L₂ OSCILADORES OSCILADOR HARTLEY É importante ressaltar que as expressões anteriores foram obtidas considerando que R1XL2 portanto são aproximações e a frequência de ressonância do circuito pode ser diferente da calculada OSCILADORES OSCILADOR HARTLEY O fator de realimentação β da rede passiva LC pode ser obtido considerando o circuito da figura 2 e que R1 XL2 Assim considerando o divisor de tensão formado por L1 e C podese obter OSCILADORES OSCILADOR HARTLEY vx v₀ fracj ω L₂1j ω C j ω L₂ vx v₀ fracj ω L₂ω L₁ L₂ v₀ fracL₂L₁ β fracvₓv₀ fracL₂L₁ OSILADORES OSCILADOR HARTLEY Podese notar que β é um número real e tem ângulo de 180 Para que o ganho da malha seja unitário para atendimento do requisito de Barkhausen devese ter αβ1 α1β1L2L1 αL1L2 OSILADORES OSCILADOR HARTLEY Portanto αRfR1 RfR1L1L2 OSCILADORES OSCILADOR HARTLEY EXERCÍCIO 1 Para o oscilador Hartley da figura 3 são dados L1L2 2mH C 001µF calcular a A frequência de oscilação do circuito b O ganho do circuito c O valor de Rf sabendose que R110kΩ Figura 3 Circuito oscilador Hartley OSCILADORES OSCILADOR HARTLEY EXERCÍCIO 1 Para o oscilador Hartley da figura 3 são dados L1L2 2mH C 001µF calcular a A frequência de oscilação do circuito b O ganho do circuito c O valor de Rf sabendose que R110kΩ Solução a Cálculo da frequência de oscilação LT 2 2 4mH Logo 2 π f 1 4mH 001µF f 252755Hz 2528kHz OSCILADORES OSCILADOR HARTLEY EXERCÍCIO 1 Para o oscilador Hartley da figura 3 são dados L1L2 2mH C 001µF calcular a A frequência de oscilação do circuito b O ganho β do circuito c O valor de Rf sabendose que R110kΩ Solução b Ganho do circuito β 2 mH 2mH 1 OSCILADORES OSCILADOR HARTLEY EXERCÍCIO 1 Para o oscilador Hartley da figura 3 são dados L1L2 2mH C 001µF calcular a A frequência de oscilação do circuito b O ganho β do circuito c O valor de Rf sabendose que R110kΩ Solução C Cálculo de Rf Rf 2 mH 2mH x 10 kΩ 10kΩ OSCILADORES OSCILADOR COLPITT No oscilador Colpitts a frequência de operação é de variar de alguns Hertz até a faixa de frequências de microondas característica esta que permite a utilização deste circuito para transmitir informações em canais com diferentes larguras de banda de frequência OSILADORES OSCILADOR COLPITT No oscilador Colpitts a impedância no circuito de realimentação é uma malha LC ressonante Como o circuito amplificador é um inversor a malha ressonante deve ter um deslocamento de fase de 180 Nesta frequência a impedância é um número real Assim a impedância vista da saída para a entrada do amplificador será OSCILADORES OSCILADOR COLPITT A impedância Z é calculada da seguinte forma OSCILADORES OSCILADORES OSCILADORES OSCILADOR COLPITT EXERCÍCIO 2 Dados do oscilador Colpitt da figura 4 frequência de 1kHz C1 C2 C 001μF Calcular a O valor de L b O valor do ganho β c Dobrando a frequência de oscilação e mantendo L e o ganho β quais são os valores novos de C1e C2 Figura 4 Circuito oscilador Colpitt OSCILADORES OSCILADOR COLPITT EXERCÍCIO 2 Dados do oscilador Colpitt da figura 4 frequência de 1kHz C1 C2 C 001μF Solução a Cálculo de L 2 π f 1 L CT CT 001 001 001 001 0005μF L 518H OSCILADORES OSCILADOR COLPITT EXERCÍCIO 2 Dados do oscilador Colpitt da figura 4 frequência de 1kHz C1 C2 C 001μF Solução b Cálculo de β β 001 001 1 OSCILADORES OSCILADOR COLPITT EXERCÍCIO 2 Dados do oscilador Colpitt da figura 4 frequência de 1kHz C1 C2 C 001μF Solução c f 2kHz β 1 C1 e C2 C1 C2 C OSCILADORES OSCILADOR COLPITT EXERCÍCIO 2 Dados do oscilador Colpitt da figura 4 frequência de 1kHz C1 C2 C 001μF Solução c f 2kHz β 1 C1 e C2 C1 C2 C 226nF CI 555 O circuito CI 555 é um Circuito Integrado que foi desenvolvido originalmente para servir como um oscilador e timer com um uso geral Ele foi criado pelo engenheiro Hans Camenzind em 1970 e mesmo passados 50 anos da sua criação pouco se mudou na composição deste circuito CI 555 CI 555 Existem teorias dizendo que a sua identificação como 555 é feita por causa do divisor de tensão interno que ele possui que tem três resistores com 5000 Ohms cada Devido à grande versatilidade deste componente foram e ainda são criadas incontáveis aplicações para o mesmo Entre essas diversas aplicações podemos citar algumas CI 555 Modulador por largura de pulso Oscilador Intermitente Inversor Sensor Fotoelétrico MetrônomoPiscaPisca Divisor de Frequência Oscilador de Áudio Básico Temporizador Duplo Oscilador Modulado em Frequência Detector de Ausência de Pulso GeradorEmissor de pulso e outros CI 555 TERMINAIS CI 555 TERMINAIS Este componente possui uma série de oito terminais sendo dispostos quatro de cada lado A identificação dos terminais é feita no sentido antihorário mas depende da posição da parte chanfrada do CI 555 CI 555 TERMINAIS Assim como nos outros Circuitos Integrados a parte chanfrada é o ponto de partida para a identificação dos terminais no caso do CI 555 ela normalmente fica para cima ou para a esquerda E a partir da área chanfrada é feita a identificação dos oito pinos CI 555 TERMINAIS GND Reverter a polaridade deste terminal pode ser fatal para o chip Ele representa o terra tendo que estar ligado ao ponto da fonte de alimentação que está aterrado 0V TRIGGER Também conhecido como gatilho a sua ação se dá quando um valor de tensão que é menor que ⅓ da tensão de alimentação é aplicado no terminal Quando isso acontece o biestável interno do CI é ativado juntamente com a sua saída CI 555 TERMINAIS OUTPUT Representa a saída que quando é ativada emite um sinal temporário cuja a frequência depende de outras influências do circuito A amplitude deste sinal é igual à tensão de alimentação do componente RESET Esse é o terminal que tem a função de interromper e começar a operação novamente CI 555 TERMINAIS CONTROL VOLTAGE Traduzido como controle de voltagem ele controla o comparador interno do chip que fica ligado ao terminal 6 regulando a sua sensibilidade THRESHOLD Chamado de Limiar ele desativa o biestável e a saída do CI quando nele chega uma tensão maior que ⅔ da tensão da fonte de alimentação CI 555 TERMINAIS DISCHARGE Traduzido como descarregar ele tem a função de fazer a descarga do capacitor que deve estar ligado nele VCC Este é o terminal onde chega a tensão de alimentação do circuito integrado 555 podendo ser de 15V até 18V CI 555 CARACTERÍSTICAS Este circuito possui algumas características veja uns exemplos abaixo Possui uma faixa de tensão de alimentação entre 15 e 18 V A sua corrente de Limiar típica é de 30 nA Tem um baixo consumo de corrente A sua tensão de Reset típica é de 07 V CI 555 CARACTERÍSTICAS Tem uma dissipação máxima de aproximadamente 500 mW O valor máximo para a sua corrente de saída é 200 mA É importante atentar que essas são algumas das características deste circuito e podem se alterar mesmo que suavemente Isso varia de acordo com o modelo fabricante ou mesmo com sufixos que representam uma linha especial CI 555 MODOS DE OPERAÇÃO Biestável ligadesliga Monoestável temporizador Astável oscilador CI 555 MODOS DE OPERAÇÃO Biestável Como o próprio nome indica existem dois estados estáveis Essa configuração faz com que ao receber um sinal de disparo em sua entrada ele gera um sinal de resposta em sua saída obtendo um resultado com nível lógico baixo ou alto na saída CI 555 MODOS DE OPERAÇÃO Biestável Por exemplo quando a entrada TRIGGER estiver em estado baixo a resposta na saída será um nível lógico alto Porém o RESET faz que o estado da saída reverta para o estado baixo Essa configuração é usada quando é preciso inverter um sinal após o acionamento fazendo com que o biestável reinicie quando for necessário O MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL O multivibrador biestável é um circuito eletrônico em que as saídas podem assumir apenas dois estados distintos O circuito do multivibrador biestável ou flipflop como também é conhecido é composto basicamente de dois transistores polarizados nos dois estados possíveis de chaveamento O MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL Esse circuito é configurado de tal forma que quando um dos transistores está saturado o outro está em corte e viceversa A análise do multivibrador biestável é feita a seguir O MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL A figura 81 mostra um tipo comum de circuito do multivibrador biestável que utiliza apenas um valor de tensão de alimentação Existe também um outro circuito para o multivibrador biestável que utiliza duas tensões de alimentação uma positiva outra negativa No entanto a configuração mostrada na figura 81 é a mais utilizada atualmente Figura 81 Configuração básica de um multivibrador biestável O MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL Figura 81 Configuração básica de um multivibrador biestável O MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL O MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL Figura 82 Tensões aplicadas nos resistores de base do multivibrador biestável O MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL O tipo de interconexão dos transistores do multivibrador mostrado na figura 81 tem uma particularidade a saturação de um dos transistores força a condição de corte no outro O MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL Por exemplo se T1 estiver saturado irá comportarse praticamente como uma chave fechada de forma que VCE1 03 V conforme mostrado na figura 83 Esse pequeno valor de tensão é insuficiente para alimentar o terminal de base de T2 o que leva o transistor T2 à condição de corte O MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL Figura 83 Circuito equivalente do multivibrador biestável com T1 saturado Nessa condição o transistor T2 se comporta como uma chave aberta de forma que VCE2 VCC Como se pode observar na Fig9 esse valor de tensão é aplicado quase que totalmente sobre o resistor RB1 e a corrente resultant IB1 VCCRB1 é suficiente para manter o transistor T1 saturado O MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL Fig9 Circuito equivalente do multivibrador biestável com T1 saturado e T2 no corte O MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL A condição de corte em T1 com T2 saturado pode ser analisada de forma semelhante Assim na ausência de interferência externa o multivibrador permanecerá estável com um transistor saturado e outro transistor na condição de corte Em resumo na ausência de interferência externa o multivibrador biestável permanece em um dos seguintes estados T1 saturado T2 cortado T1 cortado T2 saturado O MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL É importante também observar que os dois transistores têm os emissores ligados ao mesmo resistor RE conforme mostrado na Fig10 Essa configuração mantém aproximadamente fixo o potencial VE da Fig10 O MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL Essa afirmativa pode ser verificada notando inicialmente que a queda de tensão no resistor de emissor depende das correntes de emissor dos dois transistores sendo dada por VE REIE1 IE2 Essa última expressão indica por exemplo que um aumento na corrente IE1 causado por um acréscimo na corrente IB1 resulta em um aumento no potencial VE Isso implica uma diminuição da tensão VBE2 que por sua vez causa um decrescimento na corrente IB2 Como resultado a corrente IC2 e consequentemente a corrente IE2 diminuem Essa sequência de eventos pode ser representada pelo diagrama O MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL IB1 IE1 VE IE1 IE2 constante VBE2 IE2 IC2 IB2 O MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL Como se pode observar no diagrama os efeitos produzidos sobre as correntes IE1 e IE2 tendem a cancelarse o que permite manter o potencial VE em um valor aproximadamente constante Uma questão de importância na análise do multivibrador biestável é a determinação de qual dos dois estados possíveis irá estabelecerse no circuito imediatamente após a ligação da fonte de alimentação Essa situação está ilustrada na Fig11 que indica a existência das correntes IB1 e IB2 imediatamente após a ligação da fonte de alimentação O MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL O MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL Adimitindo que os resistores do circuito obedeçam às condições de simetria R B1 R B2 e R C1 R C2 resulta em correntes de base iguais isto é I B1 I B2 Considerando que é praticamente impossível que dois transistores tenham exatamente o mesmo ganho admitese que o ganho de T 2 seja um pouco maior que o ganho de T 1 ou seja β 2 β 1 e essa condição fornece β 2 I B2 β 1 I B1 I C2 I C1 Essa condição inicial implica a sequência de eventos ilustrados na Fig12 e sumarizados logo a seguir O MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL O MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL Eventos mostrados na Fig12 1 IC2 IC1 VCE2 VCE1 2 Como VCE1 está aplicado sobre RB1 a corrente IB1 diminui em relação ao seu valor inicial tornandose inferior a IB2 3 A diminuição de IB1 produz uma diminuição na corrente IC1 β1 IB1 4 Como resultado a tensão VCE1 aumenta 5 Como VCE1 está aplicado sobre RB2 a corrente IB2 aumenta em relação ao seu valor inicial tornandose ainda maior do que IB1 6 Esse último efeito produz um acréscimo ainda maior na corrente de coletor IC2 e o ciclo se repete a partir do evento discriminado no item 1 O MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL A sequência de eventos 1 a 6 pode ser representada de acordo com o seguinte diagrama IB2IB1 IC2IC1 VCE2VCE1 IC2 VCE2 IB1 IB2 VCE1 O MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL A sequência cíclica representada no diagrama prossegue até o momento em que IC2 atinge o valor de saturação e IC1 diminui para um valor praticamente nulo Quando essa condição é atingida o transistor T2 satura e o transistor T1 entra no regime de corte e essa situação permanece estável na ausência de um estímulo externo O MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL Uma forma de alterar o estado do multivibrador biestável seria curtocircuitar momentaneamente a base e o emissor do transistor saturado Assumindo T2 inicialmente saturado essa condição produziria a sequência de eventos representada no diagrama a seguir VBE2 IB2 IC2 VCE2 IC1 IB1 O ciclo representado no diagrama prossegue até que T1 satur e T2 entre no regime de corte e o circuito permanece estável nesse novo estado O MULTIVIBRADOR BIESTÁVEL Conforme ficou demonstrado na análise o circuito multivibrador é denominado de biestável por apresentar dois estados estáveis Uma vez que o circuito assuma um determinado estado nele irá permanecer na ausência de um estímulo externo