Eletrônica Aplicada

NOME Anderson Ramos da lluz RA 3188787 CURSO Engenharia elétrica DISCIPLINA Maquinas e acionamentos elétricos Folha de Respostas Avaliação Integrada AVI CRITÉRIOS PARA AVALIAÇÃO DAS ATIVIDADES DISSERTATIVAS Conteúdo as respostas não possuem erros conceituais e reúnem todos os elementos pedidos Linguagem e clareza o texto deve estar correto quanto à ortografia ao vocabulário e às terminologias e as ideias devem ser apresentadas de forma clara sem incoerências Raciocínio o trabalho deve seguir uma linha de raciocínio que se relacione com o material didático Coerência o trabalho deve responder às questões propostas pela atividade Embasamento a argumentação deve ser sustentada por ideias presentes no conteúdo da disciplina A AVI que atender a todos os critérios sem nenhum erro conceitual de ortografia ou concordância bem como reunir todos os elementos necessários para uma resposta completa receberá nota 10 Cada erro será descontado de acordo com sua relevância CRITÉRIOS PARA AVALIAÇÃO DAS ATIVIDADES CÁLCULO Caminho de Resolução O trabalho deve seguir uma linha de raciocínio e coerência do início ao fim O aluno deve colocar todo o desenvolvimento da atividade até chegar ao resultado final Resultado Final A resolução do exercício deve levar ao resultado final correto A AVI que possui detalhamento do cálculo realizado sem pular nenhuma etapa e apresentar resultado final correto receberá nota 10 A atividade que apresentar apenas resultado final mesmo que correto sem inserir as etapas do cálculo receberá nota zero Os erros serão descontados de acordo com a sua relevância INFORMAÇÕES IMPORTANTES LEIA ANTES DE INICIAR A Avaliação Integrada AVI é uma atividade que compreende a elaboração de uma produção dissertativa realizada individualmente de forma eletrônica É importante que leia e compreenda as instruções de avaliação descritas antes do enunciado disponível no AVA Questão 01 ﾠ O amplificador operacional é amplamente utilizado em instrumentação devido à sua alta precisão ganho elevado e versatilidade em diversas configurações de circuitos Ele é essencial para o condicionamento de sinais como amplificação de sinais fracos provenientes de sensores filtragem de ruídos e conversão de sinais analógicos Aplicações típicas incluem amplificadores diferenciais integradores filtros ativos e conversores de corrente para tensão garantindo medições mais estáveis e confiáveis em sistemas de aquisição e monitoramento de dados em áreas como engenharia biomédica automação industrial e controle eletrônico Um sistema de monitoramento de temperatura industrial utiliza um termopar tipo K que gera uma tensão de aproximadamente 41 µVC Para que o sinal possa ser lido por um microcontrolador que exige pelo menos 1 V para uma leitura confiável desejase projetar um circuito com amplificador operacional que amplifique adequadamente o sinal do termopar Se a faixa de temperatura medida for de 0 C a 250 C qual deve ser o ganho do amplificador e como configurálo 1 Determine a tensão máxima do termopar 2 Calcule o ganho necessário do amplificador 3 Quais as faixas de temperatura e tensão do sistema Considere um amplificador operacional configurado como amplificador não inversor Questão 02 O uso de elementos sensores é essencial para a determinação de grandezas físicas como temperatura pressão luminosidade umidade e velocidade pois esses dispositivos convertem variações do ambiente em sinais elétricos proporcionais Para que esses sinais analógicos possam ser processados por sistemas digitais como microcontroladores e computadores é necessário o uso de conversores analógicodigitais ADC Esses conversores transformam o sinal contínuo em valores discretos permitindo a interpretação armazenamento e controle automatizado em sistemas de monitoramento automação e instrumentação eletrônica com precisão e confiabilidade Um sensor de pressão emite um sinal analógico com ruído de alta frequência indesejado especialmente acima de 1 kHz Para evitar que esse ruído afete a leitura em um microcontrolador desejase projetar um filtro passabaixa com amplificador operacional que permita apenas frequências abaixo de 1 kHz e ainda amplifique o sinal em 10 vezes Como projetar esse circuito Filtro RC Determine 1 Tipo de filtro e definição de frequência de corte 2 Ganho do amplificador operacional considerar não inversor 3 Apresentação das características do circuito projetado Adotar C 100nF UNISA Universidade Santo Amaro UNISA Universidade Santo Amaro NOME Anderson Ramos da lluz RA 3188787 CURSO Engenharia elétrica DISCIPLINA Maquinas e acionamentos elétricos CRITÉRIOS PARA AVALIAÇÃO DAS ATIVIDADES DISSERTATIVAS Conteúdo as respostas não possuem erros conceituais e reúnem todos os elementos pedidos Linguagem e clareza o texto deve estar correto quanto à ortografia ao vocabulário e às terminologias e as ideias devem ser apresentadas de forma clara sem incoerências Raciocínio o trabalho deve seguir uma linha de raciocínio que se relacione com o material didático Coerência o trabalho deve responder às questões propostas pela atividade Embasamento a argumentação deve ser sustentada por ideias presentes no conteúdo da disciplina A AVI que atender a todos os critérios sem nenhum erro conceitual de ortografia ou concordância bem como reunir todos os elementos necessários para uma resposta completa receberá nota 10 Cada erro será descontado de acordo com sua relevância CRITÉRIOS PARA AVALIAÇÃO DAS ATIVIDADES CÁLCULO Caminho de Resolução O trabalho deve seguir uma linha de raciocínio e coerência do início ao fim O aluno deve colocar todo o desenvolvimento da atividade até chegar ao resultado final Resultado Final A resolução do exercício deve levar ao resultado final correto A AVI que possui detalhamento do cálculo realizado sem pular nenhuma etapa e apresentar resultado final correto receberá nota 10 A atividade que apresentar apenas resultado final mesmo que correto sem inserir as etapas do cálculo receberá nota zero Os erros serão descontados de acordo com a sua relevância INFORMAÇÕES IMPORTANTES LEIA ANTES DE INICIAR A Avaliação Integrada AVI é uma atividade que compreende a elaboração de uma produção dissertativa realizada individualmente de forma eletrônica É importante que leia e compreenda as instruções de avaliação descritas antes do enunciado disponível no AVA Folha de Respostas Avaliação Integrada AVI Questão 01 ﾠO amplificador operacional é amplamente utilizado em instrumentação devido à sua alta precisão ganho elevado e versatilidade em diversas configurações de circuitos Ele é essencial para o condicionamento de sinais como amplificação de sinais fracos provenientes de sensores filtragem de ruídos e conversão de sinais analógicos Aplicações típicas incluem amplificadores diferenciais integradores filtros ativos e conversores de corrente para tensão garantindo medições mais estáveis e confiáveis em sistemas de aquisição e monitoramento de dados em áreas como engenharia biomédica automação industrial e controle eletrônico Um sistema de monitoramento de temperatura industrial utiliza um termopar tipo K que gera uma tensão de aproximadamente 41 µVC Para que o sinal possa ser lido por um microcontrolador que exige pelo menos 1 V para uma leitura confiável desejase projetar um circuito com amplificador operacional que amplifique adequadamente o sinal do termopar Se a faixa de temperatura medida for de 0 C a 250 C qual deve ser o ganho do amplificador e como configurálo 1 Determine a tensão máxima do termopar 2 Calcule o ganho necessário do amplificador 3 Quais as faixas de temperatura e tensão do sistema Considere um amplificador operacional configurado como amplificador não inversor Questão 02 O uso de elementos sensores é essencial para a determinação de grandezas físicas como temperatura pressão luminosidade umidade e velocidade pois esses dispositivos convertem variações do ambiente em sinais elétricos proporcionais Para que esses sinais analógicos possam ser processados por sistemas digitais como microcontroladores e computadores é necessário o uso de conversores analógicodigitais ADC Esses conversores transformam o sinal contínuo em valores discretos permitindo a interpretação armazenamento e controle automatizado em sistemas de monitoramento automação e instrumentação eletrônica com precisão e confiabilidade Um sensor de pressão emite um sinal analógico com ruído de alta frequência indesejado especialmente acima de 1 kHz Para evitar que esse ruído afete a leitura em um microcontrolador desejase projetar um filtro passabaixa com amplificador operacional que permita apenas frequências abaixo de 1 kHz e ainda amplifique o sinal em 10 vezes Como projetar esse circuito Filtro RC Determine 1 Tipo de filtro e definição de frequência de corte 2 Ganho do amplificador operacional considerar não inversor 3 Apresentação das características do circuito projetado Adotar C 100nF Resposta 1 Dados fornecidos Termopar tipo K sensibilidade de 41 microVC Faixa de temperatura 0 C a 250 C Microcontrolador exige no mínimo 10 V para leitura confiável Amplificador operacional em configuração não inversora Fórmula do ganho Av 1 RfRg 1 Tensão máxima do termopar Tensão gerada em 250 C Vinmax 41 microVC 250 C Vinmax 10250 microV 1025 mV Portanto a tensão máxima do termopar é Vinmax 1025 mV 2 Ganho necessário do amplificador Para atingir no mínimo 10 V na saída Av Voutmax Vinmax Av 10 V 001025 V Av 9756 Ou seja o ganho necessário é aproximadamente Av 976 Configuração prática amplificador não inversor Av 1 RfRg RfRg 966 Exemplo Rg 10 kΩ Rf 968 kΩ valor comercial próximo Com esses valores Av 978 Voutmax 978 1025 mV 1002 V Ou seja atende ao requisito de no mínimo 10 V 3 Faixas de temperatura e tensão do sistema Entrada termopar 0 C 000 V 250 C 1025 mV Saída após amplificação 0 C 000 V 250 C 100 V Relação aproximada Cada 1 C gera 41 microV na entrada Após amplificação 41 microV 976 40 mV Ou seja 1 C 40 mV na saída Equação da saída em função da temperatura VoutT 0004 T em volts Respostas Final 1 Tensão máxima do termopar 1025 mV 2 Ganho necessário Av 976 Configuração não inversora Rg 10 kΩ e Rf 968 kΩ 3 Faixas do sistema o Entrada 0 a 1025 mV o Saída 0 a 10 V o Relação 1 C 40 mV na saída Resposta 2 DADOS E OBJETIVO Desejase um filtro passabaixa que atenue ruído acima de 1 kHz O circuito deve amplificar o sinal em 10 vezes ganho 10 Usar amplificador operacional em configuração não inversora Adotar C 100 nF Estratégia prática adotada usar um filtro RC passivo de primeira ordem na entrada serie R e capacitor para terra seguido de um amplificador não inversor que fornece ganho 10 e serve de buffer Essa é a solução mais simples e robusta 1 Tipo de filtro e definição de frequência de corte Tipo de filtro Filtro passabaixa de primeira ordem RC passivo em cascata com um amplificador não inversor bufferganho Definição da frequência de corte fc do RC fc 1 2 pi R C Adotando C 100 nF 100 109 F e desejando fc 1 kHz 1000 Hz calculamos R R 1 2 pi fc C 1 2 314159265 1000 100109 1 62831853 104 159155 ohm Valor prático comercial R 159 kOhm usar 16 kOhm ou 159 kOhm de precisão 1 recomendado Verificação impedância do capacitor em fc Xc 1 2 pi fc C 159 kOhm mesmo valor pois definido por fc Portanto fc 1 kHz ponto 3 dB R 159 kOhm com C 100 nF Observação se preferir valores padronizados use R 16 kOhm então fc ficará ligeiramente abaixo de 1 kHz fc 12pi16k100nF 995 Hz diferença desprezível 2 Ganho do amplificador operacional não inversor Fórmula do ganho para configuração não inversora Av 1 Rf Rg Desejamos Av 10 1 Rf Rg 10 Rf Rg 9 Escolha prática de resistores valores comerciais e boa relação sinalruído Sugestão 1 valores comuns e baixo consumo Rg 10 kOhm Rf 90 kOhm Sugestão 2 valores menores menor ruído térmico Rg 1 kOhm Rf 9 kOhm Recomendo Rg 10 kOhm e Rf 90 kOhm tolerância 1 ou 01 se precisar de precisão maior Com esses valores Av 1 90k 10k 1 9 10 Ganho em dB 20 log1010 20 dB 3 Características do circuito projetado resumo e observações práticas Diagrama funcional Entrada do sensor resistor Rserie 159 kOhm nó de entrada do amplificador Do nó de entrada para massa capacitor C 100 nF isto forma o RC passabaixa A mesma entrada vai para a entrada noninverting do opamp através de alto impedancia o opamp não carrega o RC significativamente Configuração do opamp não inversor Resistores de realimentação entre saída e entrada Rf 90 kOhm Rg entre entrada e massa 10 kOhm Saída do opamp para ADC do microcontrolador Parâmetros e desempenho Fc ponto 3 dB 1 kHz projetado Ordem do filtro 1 rolloff 20 dBdecada 6 dBoitava após fc Ganho em banda passante f fc Av 10 20 dB Ganho em fc 3 dB em relação ao ganho DC Logo em fc a amplitude será Av2 10 1414 707 aprox 17 dB Atenuação de ruído sinais muito acima de 1 kHz serão atenuados progressivamente pela resposta de 1ª ordem Para maior atenuação em faixas próximas ao ruído considerar um filtro de ordem superior 2ª ordem ou adicionar um stage ativo com resposta mais acentuada Fase No fc 1 kHz o deslocamento de fase do RC é aproximadamente 45 graus O estágio não inversor adiciona deslocamento de fase adicional dependendo do opamp mas em aplicações de medição lenta isso não é crítico Faixas de tensão e implicações O filtro passivo introduz pequena atenuação no limite como o opamp fornece ganho 10 o sistema final tem ganho DC 10 Se o sensor tiver impedância de saída alta preferir colocar primeiro um buffer de alta impedância opamp em seguidor ou reduzir Rserie para não carregar o sensor Aqui assumimos que Rserie 159 kOhm é aceitável para a fonte do sensor Se o sensor for de alta impedância troque a topologia por sensor seguidor op amp filtro RC amplificador não inversor gain 10 ou use um opamp como filtro ativo ex filtro RC ativo primeiroordem no arranjo com o opamp para evitar carga Recomendações de projeto e componentes Opamp escolher um amplificador com baixo ruído e baixo offset de entrada dependendo da amplitude do sinal do sensor Ex opamp de precisão com baixo offset poucos microvolts e boa largura de banda Se usar alimentação baixa por ex 33 V prefira opamp railtorail se for necessário alcançar níveis próximos a 0 V e Vcc Resistores de precisão usar 1 ou 01 para Rf e Rg para garantir ganho correto Colocação física posicionar C próximo ao nó de entrada e ao terra boa malha de terra para reduzir interferência Se o microcontrolador amostrar a frequencia de interesse assegurar que o filtro atue como antialiasing a frequência de corte deve ser menor que metade da taxa de amostragem do ADC Nyquist Ajustar fc conforme taxa de amostragem Cálculos resumidos C 100 nF fc 1 kHz R 1 2 pi fc C 159 kOhm Av 10 RfRg 9 Rg 10 kOhm Rf 90 kOhm exemplo RESUMO FINAL Tipo de filtro filtro passabaixa RC de 1ª ordem na entrada R 159 kOhm C 100 nF seguido de amplificador operacional em configuração não inversora Frequência de corte fc 1 kHz 1 Ganho do amplificador não inversor Av 10 Escolha prática Rg 10 kOhm e Rf 90 kOhm resultando em Av 1 90k 10k 10 20 dB 2 Características do circuito fc 1 kHz ponto 3 dB Rolloff 20 dBdecade Ganho em banda passante 10 20 dB Em fc o ganho é Av sqrt2 707 Recomendação opamp de baixo offset e baixo ruído resistores 1 ou melhores considerar railtorail se tensão de alimentação limitada considerar buffer se sensor tiver alta impedância Resolução