Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de São Carlos Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação Laboratórios de Eletrônica Analógica Paulo Roberto Veronese Rodrigo Teixeira Machado Introdução À medida que a civilização humana avança, nos tornamos cada vez mais dependentes de tecnologia para evoluirmos. Tecnologia que nos transporta de nossas casas até nossos trabalhos, tecnologia que nos permite comunicar com nossos amigos e parentes, tecnologia que garante a produtividade alta em nossas fábricas e tecnologia que nos permite ouvir uma música com boa qualidade. Como uma das áreas da engenharia que mais impulsionam os avanços está a eletrônica. Com avanços extraordinários na última década, esta área do conhecimento consegue fazer cada vez mais com menos e de forma mais precisa. A eletrônica como conhecemos é subdividida basicamente em duas áreas distintas: -Eletrônica analógica: Onde os sinais são grandezas físicas (tensões, correntes) e são utilizados sistemas analógicos para o processamento e tratamento dessas grandezas, como amplificadores, filtros, retificadores. -Eletrônica digital: Onde os sinais são símbolos binários, representados pela abertura ou fechamento de chaves. O processamento é realizado por aritmética binária e lógica booleana em conjuntos de circuitos lógicos. Embora a eletrônica digital propicie a construção de sistemas extremamente sofisticados como computadores, celulares, satélites, ela apenas pode ser utilizada com sucesso com o domínio precedente da eletrônica analógica. Sinais digitais, vistos em um nível mais baixo, são níveis de tensão que também pode ser tratados como sinais analógicos dentro de certas faixas. Mesmo com a predominância moderna do digital, o estudo de eletrônica analógica não se torna nem um pouco menos importante. Sistemas de potência, transmissores e circuitos de alta frequência em telecomunicações, conversores AD e DA são todos circuitos analógicos indispensáveis para nossa sociedade. Este material tem como objetivo fornecer uma visão moderna e bastante abrangente de dispositivos e circuitos eletrônicos em sua maior parte analógicos, com algumas aplicações em eletrônica digital. Simulação e design por Software A principal alteração deste curso com relação aos materiais mais tradicionais é o extremamente extenso uso de simulações em software, tratadas como iguais e às vezes até mais importantes que os resultados de laboratório. Possuindo modelos de boa qualidade dos componentes estudados, uma simulação pode realizar muito mais em alguns segundos do que um aluno realizando medidas por dias no laboratório. Desta forma as práticas de laboratório terão caráter qualitativo, visualizar o circuito e seu funcionamento e identificar as funções de entrada e saída, suas aplicações e particularidades. As análises em simulação serão utilizadas, por exemplo, para realizar varreduras em frequência e enxergar de uma vez a resposta completa de um circuito para toda sua banda, o que em laboratório seria extremamente desgastante. Para garantir que os alunos consigam acompanhar o curso, a primeira parte deste material consistirá em um curso de LTSpice IV com exemplos e discussões sobre a maior parte das análises exigidas ao longo dos outros curso e que serão extremamente para os alunos que se interessarem e vierem a trabalhar com síntese de circuitos analógicos. Recomenda-se que o aluno realize as três práticas antes do início do primeiro curso. Estrutura da Apostila Esta apostila deverá ser adquirida de forma digital ou impressa pelos alunos no quarto semestre regimental do curso de Engenharia Elétrica – Ênfase em Eletrônica. O primeiro curso a ser abordado neste material é o de Laboratório de Dispositivos Eletrônicos. Este curso tem como objetivo principal a caracterização dos diversos tipos de dispositivos semicondutores e a sua apresentação formal para os alunos. Estudando- se as principais características de cada componente, suas curvas, parâmetros e aplicações básicas, os alunos estarão preparados para os cursos seguintes. O primeiro laboratório de circuitos eletrônicos, ministrado no quinto semestre, irá tratar das aplicações práticas dos componentes estudados anteriormente. Este laboratório irá tratar inicialmente das aplicações dos diodos, com o estudo de retificadores de onda completa, multiplicadores de tensão, limitadores e grampeadores. Em seguida serão vistos várias aplicações de transistores bipolares, chaves, fontes de corrente, estabilizadores de tensão. Na prática 7 daquele laboratório o estudo sobre amplificadores com transistores iniciará, um estudo que continuará até o final do segundo laboratório de circuitos eletrônicos. No final deste laboratório, uma prática irá tratar de circuitos de aplicação de amplificadores operacionais como somadores e subtratores, muito úteis para aplicações em instrumentação analógico. O segundo laboratório irá continuar os estudos do primeiro laboratório, com a introdução dos transistores de efeito de campo, JFET e MOSFET, possibilitando maiores opções de design e aplicações diversas. O conceito de realimentação, citado várias vezes anteriormente será explorado por completo e será provado que este é talvez o conceito mais importante da eletrônica analógica linear. O laboratório irá culminar com a montagem de um amplificador operacional de potência com enorme linearidade, excursão de sinal e a possibilidade de fornecer correntes elevadas a uma carga em sua saída, com aplicação direta em áudio. O terceiro laboratório tem como objetivo completar o estudo de circuitos analógicos com a análise de circuitos osciladores de relaxação e osciladores harmônicos, capazes de gerar sinais alternados quadrados/triangulares e senoidais por si próprios, apenas com uma alimentação contínua. Alguns tipos de moduladores, em frequência e amplitude serão também estudados. O circuito multiplicador analógico, capaz de realizar inúmeras operações, como modulação AM sem portadora, detecção de fase e amplificação controlada por tensão também será visto. Por fim, serão montados dois tipos de circuitos equalizadores para a faixa de áudio. Projetos A realização de projetos é essencial para a formação de engenheiros e a sua preparação para a vida profissional. Tendo isso em vista, estes laboratórios foram projetados para oferecer diversas chances dos alunos executarem projetos e usarem seus conhecimentos para realizar os problemas. Para todos os projetos a ferramenta de simulação, o LTSpice IV irá simplificar bastante a resolução dos problemas, evitando o uso de cálculos manuais para a maior parte dos casos. O primeiro projeto ocorrerá no final do laboratório de dispositivos eletrônicos, com a confecção e implementação prática de um amplificador de sinais simples com um transístor. Esse mesmo amplificador será estudado novamente em práticas futuras, porém não basta ao aluno copiar os circuitos deste material, ele irá ter que provar o seu funcionamento a partir das simulações e no laboratório e ilustrar como projetou o circuito. No final do laboratório de circuitos 1, serão oferecidas duas possibilidades de projeto, à escolha dos alunos. Estes projetos serão versões mais sofisticadas de circuitos estudados no laboratório, um aluno atento não terá dificuldades em realizá-los com as ferramentas adequadas. O laboratório 2 possui como final a construção do amplificador operacional discreto completo, com algumas partes do circuito tendo que ser projetadas pelo aluno. Antes dessa etapa final, um projeto intermediário será pedido, um amplificador de alto ganho, realimentação e estágio de saída, uma espécie de amplificador operacional sem estágio diferencial. Este projeto, do qual resultará um circuito bom desempenho bastante significativo irá preparar os alunos para o entendimento do circuito definitivo no final do semestre. O laboratório 3 possui a maior ênfase em projetos até então. A partir deste momento todas as práticas possuirão mini-projetos, que podem ir desde aperfeiçoar o circuito estudado na prática até, por exemplo, projetar um demodulador para o modulador estudado na prática. Espera-se uma certa maturidade dos alunos no curso final e estes projetos ajudarão a confirmá-la. No final do laboratório 3 existe o “projeto final em eletrônica analógica”. Este projeto, como será explanado em mais detalhes mais em frente, tem como objetivo servir como culmino dos estudos realizados nos quatro laboratórios. Um sistema eletrônico complexo deverá ser implementado, simulado e testado na prática. Este material irá apresentar quinze sugestões de projeto, o aluno poderá escolher uma das propostas ou apresentar a sua própria. Anexo a este material, no apêndice 1, se encontra uma lista de todos os componentes que devem estar disponíveis no laboratório, suficientes para a realização de todas as práticas propostas aqui e para a realização dos projetos. Estrutura das práticas Todas as práticas normais foram organizadas em tópicos indicados por uma legenda padrão indicada na numeração desses tópicos. Segue a explicação dessa legenda: L – Procedimento de laboratório. Tópicos com esta legenda indicarão uma montagem ou teste prático. S - Procedimento de simulação. Tópicos com esta legenda indicarão uma montagem no software LTSpice IV ou uma análise na simulação. T – Discussão teórica. Tópicos com esta legenda indicarão algum questionamento ou discussão esperada do aluno sobre um assunto relacionado á prática em questão. P – Mini-Projeto. Em meio às práticas, surgirá a necessidade de se desenvolver circuitos ou testar ideias, que deverão ser efetuadas na simulação e o aluno com seus conhecimentos deve deduzir quais os melhores tipos de análise e testes a serem feitos. As práticas de projetos completos, ao contrário das práticas normais, foram organizadas em uma estrutura de diretrizes mais simples, onde se descreve as exigências e expectativas do projeto e na maioria das vezes o aluno deverá saber como efetuar as análises de simulação e prática. Sinais de Áudio Sinais de áudio, devido ao seu espectro completo em baixas frequências e a possibilidade de aplicação imediata com os transdutores adequados. Ao longo destas práticas, diversos circuito funcionarão como processadores analógicos de sinais de áudio, com o uso de fones de ouvido e alto falantes para completar a experiência sensorial. Em algumas simulações também será necessário o uso de músicas no LTSpice, para testes mais sofisticados em mini projetos ou simulações específicas. Recomenda-se o uso do software gratuito Audacity para edição, corte e conversão de arquivos de áudio, para serem utilizados tanto nas experiências práticas quanto em simulações. Levantamento de Curvas Em diversas práticas, principalmente no curso de dispositivos eletrônicos, curvas experimentais deverão ser levantadas, como curvas de diodos, transistores, estabilizadores de tensão e fontes de corrente. De modo a comparar os resultados obtidos na prática com as simulações, recomenda-se o uso de um software capaz de gerar os gráficos pedidos. Para tal fim, recomenda-se o poderoso software científico Matlab ou o seu similar gratuito Scilab. Método de Avaliação Sendo este material utilizado em uma disciplina, cabe ao docente determinar como será a avaliação em seu curso. Recomenda-se que este peça relatórios completos ou simplificados de cada prática individualmente ou agrupadas conforme temática semelhante. Esses relatórios poderão agregar as discussões teóricas, os resultados práticas, as simulações e os eventuais mini-projetos, garantindo que o aluno deverá cumprir as tarefas propostas em sua integralidade. Como esses relatórios entrarão na média, como serão avaliados e quais outros critérios serão incluídos na avaliação final cabe ao docente da disciplina decidir. Agradecimentos Este material não poderia ter sido realizado sem o apoio dos de meus queridos professores e colegas. De início, gostaria de agradecer ao professor Paulo Roberto Veronese por ser meu mestre no estudo da teoria de circuitos eletrônicos, por apoiar esta iniciativa e por disponibilizar sua maravilhosa biblioteca de LTSpice, o que possibilita a maioria das simulações aqui. Todos os componentes que tenham o nome terminado por “v” foram modelados pessoalmente por esse professor e são priorizados na escolha de modelos de simulação. A seguir estão listados os nomes docentes que ajudaram a tornar esta iniciativa possível, utilizando este material em suas aulas e/ou colaborando com ideias e propostas. -Paulo Roberto Veronese -Edson Gesualdo -Danilo Hernane Spatti -Renato Machado Monaro -José Marcos Alves -Ricardo Quadros Machado -Jerson Barbosa de Vargas -Alberto Cliquet -Renato Varoto -Baker Jefferson Mass O interesse e sugestões de meus colegas também foi de extrema importância para manter a motivação neste longo projeto e para ajudar a lapidar várias das ideias apresentadas aqui. Listo à seguir alguns dos colegas que me vêem à mente sem nenhuma ordem específica: -Tatiani Pivem -Felipe Marques -Fernando Lahoz -Álvaro Augusto Volpato -Carol Francis -Andre Perez -Jessica Bohn da Vida -Victoria Velame -Vinicius Pepino Organização dos Cursos Parte 1 : Introdução à simulação com o LTSpice IV Prática 1 – Análise em corrente contínua Prática 2 – Análise na frequência Prática 3 – Análise no tempo Parte 2: Laboratório de Dispositivos Eletrônicos Prática 1 – Diodo Retificador Prática 2 – Diodo emissor de Luz Prática 3 – Diodo Zener Prática 4 – Transístor Bipolar de Junção Prática 5 – Transístor Bipolar de Junção Darlington Prática 6 – Transístor de Efeito de Campo de Junção Prática 7 – Transístor de Efeito de Campo de porta Isolada Prática 8 – Estabilizador de Tensão Integrado Prática 9 – Amplificador Operacional Integrado Prática 10 – Acoplador Óptico Integrado Prática 11 – Transístor de Unijunção Prática 12 – Diodo controlado por Sinal Prática 13 – Válvula Triodo Projeto Final – Amplificador de Tensão simples com BJT ou MOSFET Parte 3: Laboratório de Circuitos Eletrônicos 1 Prática 1 – Retificadores de Potência Prática 2 – Limitadores e Grampeadores Prática 3 – Multiplicador de Tensão Prática 4 – Circuitos de Chaveamento com BJT Prática 5 – Fontes de Corrente Prática 6 – Estabilizador de Tensão Prática 7 – Amplificadores com BJT Prática 8 – Amplificadores com cargas ativas Prática 9 – Amplificador diferencial com BJT Prática 10 – Amplificadores Push-Pull com BJT Prática 11 – Amplificadores CFP com BJT Prática 12 – Circuitos com Amplificadores Operacionais Projeto Final 1 – Amplificador Cascode Projeto Final 2 – Estabilizador de Tensão de Precisão Parte 4 – Laboratório de Circuitos Eletrônicos 2 Prática 1 – Pré Amplificador de Áudio Prática 2 – Fontes de Corrente com JFET e MOSFET Prática 3 – Amplificadores Simples com JFET Prática 4 – Amplificadores Simples com MOSFET Prática 5 – Amplificador Cascode com MOSFET Prática 6 – Amplificador de 2 estágios e realimentação com MOSFET Prática 7 – Portas Lógicas Prática 8 – Projeto Intermediário - Amplificador com carga ativa e realimentação Prática 9 – Amp Operacional Discreto: Estágio Diferencial Prática 10 – Amp Operacional Discreto: Estágio de ganho de tensão Prática 11 – Amp Operacional Discreto: Estágio de Driver de corrente e polarização Prática 12 – Amp Operacional Discreto: Estágio de Potência Parte 5 – Laboratório de Circuitos Eletrônicos 3 Prática 1 – Multivibrador Astável Prática 2 – Oscilador por Deslocamento de Fase Prática 3 – Oscilador Collpits Prática 4 – Oscilador Hartley Prática 5 – Oscilador Pierce Prática 6 – Oscilador em Rampa Prática 7 - Oscilador controlado por tensão Prática 8 – Amplificador Sintonizado Prática 9 – Multiplicador Analógico Prática 10 – Equalizador paramétrico Prática 11 – Equalizador Baxandall Prática Extra – Amplificador de Potência Simplificado Projeto Final em Eletrônica Analógica Apêndice A: Lista dos componentes do laboratório Introdução à Simulação de circuitos eletrônicos Simuladores de circuitos eletrônicos são ferramentas extremamente poderosas, capazes de intensificar e melhorar o trabalho de um engenheiro. Utilizando-se as análises adequadas, uma simulação de um circuito eletrônico pode trazer infinitamente mais informações sobre o seu funcionamento do que cálculos manuais além de agilizar o processo de maneira incrível. No mundo moderno da engenharia, cada vez é mais importante que um produto seja desenvolvido rápido e sem falhas e neste ponto o uso de simuladores aliados a um engenheiro competente fazem toda a diferença. Eram os dias onde os circuitos deveriam ser testados e otimizados com componentes reais após longos cálculos, com modelos bons e simulações bem-feitas pode-se garantir com quase certeza que um protótipo desenvolvido em software funcionará quando implementado com os componentes reais. Nestes cursos experimentais de eletrônica analógica além de todas as análises práticas, será utilizado o simulador LTSpice IV, desenvolvido pela Linear Technology e distribuído gratuitamente em seu site. Esse software estará disponível nos computadores dos laboratórios e recomenda-se que os alunos instalem a ferramenta em seus computadores pessoais. Além do simulador e suas bibliotecas padrão será utilizada a biblioteca compilada pelo professor Paulo Roberto Veronese, que ministra os cursos de teoria de circuitos eletrônicos. Essa biblioteca expande bastante os modelos disponíveis para simulação principalmente com a maioria dos componentes que serão utilizados nos experimentos deste material. Essa biblioteca estará instalada nos computadores dos laboratórios, também recomenda-se que o aluno a adquira através do sistema de disciplinas online do departamento. Neste capítulo serão desenvolvidas três práticas introdutórias, que podem ser feitas pelos alunos em casa e os ajudarão a compreender o funcionamento básico do software além de fornecer exemplos do que esperar de alguns tipos de simulação. As três práticas são listadas a seguir: Prática 1 – Análise em corrente contínua Prática 2 – Análise em frequência Prática 3 – Análise no tempo A primeira prática tratará das análises mais simples possibilitadas pelo LTSpice, a análise .Op que envolve o cálculo do ponto de operação do circuito para sinais contínuos e a análise .DC, que calcula o ponto de operação do circuito em função de uma fonte de corrente ou de tensão contínua. Esta última análise será usada extensamente no curso de dispositivos eletrônicos para se traçar as curvas dos componentes. A segunda prática desenvolverá o conceito básico de varredura em frequência de circuitos com o uso do conhecido diagrama de Bode facilmente traçado no software. Serão analisados alguns filtros e amplificadores básicos nesta etapa, com exemplo de funcionamento e suas aplicações simples de acordo com as respostas em frequência.