Projeto e construção de um amplificador isolador


Amplificando o sinal do gerador de funções

O gerador de funções desenvolvido em python utiliza a placa de som como geradora dos sinais. Mas, para utilizarmos a saída da placa de som alimentando nossos circuitos de forma segura, precisamos condicionar o sinal gerado. A placa de som irá fornecer um sinal alternado com cerca de 1 volt de pico. Nosso circuito deve permitir amplificar o sinal para cerca de \+-5 V, apresentar uma impedância de saída na ordem de 600 ohms e apresentar uma impedância de entrada em torno de 10 Kohms, para não sobrecarregar a placa de som. Ou seja, precisamos de um amplificador isolador.

O circuito abaixo nos permite realizar esta função. Podemos separar o circuito em quatro blocos funcionais, para facilitar o cálculo do valor dos componentes.

Sub sistemas do amplificador isolador

Seleção do amplificador operacional

Utilizaremos o amplificador operacional LM324. Esta escolha se deu devido ao fato de termos o mesmo no estoque e ser de baixo custo e fácil de ser encontrado. O amplificador irá limitar um pouco a resposta em frequência final. Caso você precise de uma reposta em frequências mais elevada é só substituir este amplificador por um mais adequado. De outra forma, se você tem apenas uns antigos 741 na bancada, pode utilizá-los. Não será o máximo em qualidade do sinal, mas provavelmente servirá para seus experimentos. Praticamente qualquer amplificador operacional moderno serve nesta posição.

Projeto do módulo 1. Amplificador de saída

Temos aqui a clássica configuração do amplificador inversor. Como desejamos um ganho de 5 x, podemos utilizar um resistor de 100 K ohms para R5 e 20 Kohms para R4. O resistor de saída R6 deve ter o valor de 560 ohms para nos aproximarmos da impedância de saída desejada. E o potenciômetro de ajuste de nível pode ter o valor de 10 Kohm.

As correntes nestes resistores são suficientemente baixas para que não nos preocupemos com a potência dissipada.

Projeto módulo 2- Buffer

Trata-se de um amplificador operacional na configuração não inversora, que possui alta impedância de entrada e baixa de saída, atuando como um isolador entre a entrada e a saída.

Projeto módulo 3- Acoplamento de entrada.

Trata-se de um filtro passa altas com um potenciômetro para regular o ganho. Como não utilizaremos este ganho para controlar um sinal sonoro, e sim um sinal elétrico, o potenciômetro dever uma curva de resposta linear. Se este amplificador fosse ser utilizado com um alto falante na saída, ou seja, num sistema sonoro, a curva deveria ser logarítmica.

Como a resposta em frequência deve se iniciar em 20 Hz, a reatância capacitiva em 20 Hz deve ser igual ao valor total do potenciômetro, (10K).

A reatância capacitiva é dada por:

X_c=  1 / (2 * pi * f * C)

ou seja:

C= 1/ (2 * pi * 20 * 10000)

O valor calculado de C = 0.8 uF, utilizaremos o valor padrão imediatamente superior, 1 uF.

Observe que este capacitor não deve ser polarizado. Capacitores deste valor não polarizados são bastante grandes fisicamente. Atenção no projeto do circuito impresso.

Projeto módulo 4- Fonte de alimentação

Na fonte de alimentação vamos utilizar como retificador/filtro uma fonte “de parede”, com saída de 12 volts, reaproveitada de algum modem que ficou pelo caminho. Temos basicamente dois tipos de fontes de parede. As lineares (não estabilizadas normalmente) e as chaveadas. As lineares são facilmente reconhecidas pelo maior peso e a presença de uma chave seletora 110/220 V. As chaveadas são normalmente multivolt (90-230) e tem uma saída estabilizada. Vamos utilizar uma fonte chaveada estabilizada de 12 volts.

O amplificador exige uma alimentação de /+- 6 volts. Como temos uma fonte de polaridade única de 12 volts temos que convertê-la em uma fonte bipolar de /+- 6. Esta é a função do bloco 4 do circuito.

Em uma fonte simétrica é importante que a simetria seja mantida mesmo com cargas diferentes no ramo positivo e no ramo negativo da fonte. Esta simetria é conseguida no circuito através o amplificador operacional U1B. Observe que a entrada não inversora é alimentada através de uma malha resistiva. Se ambos os resistores forem iguais a tensão na junção dos resistores será metade da tensão de entrada, ou seja 6 volts. Na entrada inversora recebemos o nível de tensão de saída do transistor. O amplificador operacional irá garantir que ambos níveis, o da entrada não inversor e da entrada inversor serão iguais. Portanto o nível de tensão no emissor do transistor será estável em 6 volts.

Se consideramos este nível de tensão de seis volts como a referencia de terra, o ramo superior da fonte passa a ter 6 volts em relação a este ponto, e o ramo inferior passa a ter -6 volts em relação à tensão o emissor. Temos uma fonte simétrica.

Valores dos componentes

Os resistores R3 e R2 não são críticos, basta que sejam iguais. Vamos escolher um valor de 10Kohms, potência de 1/8 W.

O transistor também não é critico. Qualquer NPN pode ser utilizado. Utilizaremos o BC337 por questões de disponibilidade na bancada.

Os capacitores C3 e C2 se destinam ao desacoplamento do operacional, e desviam ao terra ruídos presentes na alimentação. O valor tipico utilizado para isto é de 10Kpf. São capacitores de disco, com tensão de isolamento superior a 25 volts.


Cálculo do resistor do LED

Vamos estabelecer uma corrente de led de 10mA. Utilizaremos um led vermelho, que tem uma tensão de barreira de 1.5 volts. Com isto o cálculo do resistor se torna:

R_1= (12-1.5) / 0.01

O cálculo nos leva a um valor de R1 de 1050 ohms. Utilizaremos o valor padrão de 1000 ohms. A potência dissipada neste resistor é dada por:

P= ((12-1.5)^2)/ 1000

Ou seja, potência de 0,11 watts. Para manter o componente frio a sua capacidade de dissipação de potência deve ser em torno de 3 x este valor. ou seja 0,33W.

É energia inutilmente dissipada em forma de calor. Uma solução melhor seria inserir o led entre o ramo positivo e o terra. Desta forma a dissipação de energia fica:

R_1= (6-1.5)/0.01= 450 ohms

P1= ((6-1.5)^2) / 450

P1=0.045 W. Multiplicando por 3 resulta em 0.135 W. Ou seja, podemos utilizar nesta posição um resistor padrão de 1/4W (0.25 W). E dissipamos muito menos em forma de calor.

Valores finais dos componentes:

Valores finais dos componentes

Desta forma calculamos todos os valores do amplificador para o Gerador de Funções. Nosso próximo passo será o desenvolvimento da placa de circuito impresso para este circuito, para posterior montagem e validação. Devido aos modelos simplificados que são utilizados no projeto, é comum ocorrer uma diferença entre os valores calculados e aos finalmente utilizados. A fase de prototipagem e ajuste é muito necessária nos projetos reais.

Até lá.

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