Integrador

PEÇAS E MATERIAIS

• Quatro baterias de 6 volts
• Amplificador operacional, modelo 1458 recomendado (catálogo Radio Shack # 276-038)
• Um potenciômetro de 10 kΩ, cone linear (catálogo Radio Shack # 271-1715)
• Dois capacitores, 0,1 µF cada, não polarizados (catálogo Radio Shack # 272-135)
• Dois resistores de 100 kΩ
• Três resistores de 1 MΩ

Praticamente qualquer modelo de amplificador operacional funcionará bem para este experimento de integrador, mas estou especificando o modelo 1458 sobre o 353 porque o 1458 tem correntes de polarização de entrada muito mais altas. Normalmente, alta corrente de polarização de entrada é uma característica ruim para um amplificador operacional em um circuito amplificador CC de precisão (e especialmente em um circuito integrador!). No entanto, quero que a corrente de polarização seja alta para que seus efeitos negativos sejam exagerados e para que você aprenda um método de neutralizar seus efeitos.



REFERÊNCIAS CRUZADAS

Aulas de circuitos elétricos , Volume 3, capítulo 8:"Amplificadores operacionais"



OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

• Para mostrar um método para limitar a amplitude de um potenciômetro
• Para determinar a finalidade de um circuito integrador
• Para ilustrar como compensar a corrente de polarização do amplificador operacional

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO







ILUSTRAÇÃO







INSTRUÇÕES

Como você pode ver no diagrama esquemático, o potenciômetro está conectado aos “ trilhos ”Da fonte de alimentação por meio de resistores de 100 kΩ, um em cada extremidade. Isso é para limitar a amplitude do potenciômetro de forma que o movimento total produza uma faixa razoavelmente pequena de tensões de entrada para o amplificador operacional operar.

Em um extremo do movimento do potenciômetro, uma tensão de cerca de 0,5 volts (em relação ao ponto de aterramento no meio da série de baterias em série) será produzida no limpador do potenciômetro. No outro extremo do movimento, uma voltagem de cerca de -0,5 volts será produzida. Quando o potenciômetro é posicionado em ponto morto, a tensão do limpador deve medir zero volts.

Conecte um voltímetro entre o terminal de saída do amplificador operacional e o ponto de aterramento do circuito. Mova lentamente o controle do potenciômetro enquanto monitora a tensão de saída. A tensão de saída deve estar mudando a uma taxa estabelecida pelo desvio do potenciômetro da posição zero (central).

Para usar termos de cálculo, diríamos que a tensão de saída representa o integral (em relação ao tempo) da função de tensão de entrada. Ou seja, o nível de tensão de entrada estabelece a tensão de saída taxa de mudança ao longo do tempo . Isso é precisamente o oposto de diferenciação , onde o derivado de um sinal ou função é sua taxa instantânea de mudança.

Se você tiver dois voltímetros, poderá ver prontamente esta relação entre a tensão de entrada e a taxa de variação da tensão de saída medindo a tensão do limpador (entre o limpador do potenciômetro e o terra) com um medidor e a tensão de saída (entre o terminal de saída do amplificador operacional e o terra) com o outro.

Ajustar o potenciômetro para fornecer zero volts deve resultar na menor taxa de variação da tensão de saída. Por outro lado, quanto mais entrada de tensão para este circuito, mais rápido sua tensão de saída mudará, ou “ rampa . ”

Tente conectar o segundo capacitor de 0,1 µF em paralelo com o primeiro. Isso dobrará a quantidade de capacitância no circuito de feedback do amplificador operacional. Que efeito isso tem na taxa de integração do circuito para qualquer posição do potenciômetro?

Tente conectar outro resistor de 1 MΩ em paralelo com o resistor de entrada (o resistor que conecta o limpador do potenciômetro ao terminal inversor do amplificador operacional). Isso vai reduzir a metade da resistência de entrada do integrador. Que efeito isso tem na taxa de integração do circuito?

Os circuitos integradores são uma das funções fundamentais de "bloco de construção" de um computador analógico. Conectando circuitos integradores com amplificadores, verões e potenciômetros (divisores), quase qualquer equação diferencial poderia ser modelada e soluções obtidas medindo tensões produzidas em vários pontos na rede de circuitos.

Como as equações diferenciais descrevem muitos processos físicos, os computadores analógicos são usados ​​como simuladores. Antes do advento dos computadores digitais modernos, os engenheiros usavam computadores analógicos para simular processos como vibração de máquinas, trajetória de foguetes e resposta do sistema de controle. Mesmo que os computadores analógicos sejam considerados obsoletos pelos padrões modernos, seus componentes constituintes ainda funcionam bem como ferramentas de aprendizagem para conceitos de cálculo.

Mova o potenciômetro até que a tensão de saída do amplificador operacional esteja o mais próximo possível de zero e mova-se o mais lentamente possível. Desconecte a entrada do integrador do terminal do limpador do potenciômetro e conecte-o ao terra, como este:









A aplicação de tensão exatamente zero à entrada de um circuito integrador deve, idealmente, fazer com que a taxa de variação da tensão de saída seja zero. Ao fazer essa alteração no circuito, você deve observar que a tensão de saída permanece em um nível constante ou muda muito lentamente.

Com a entrada do integrador ainda em curto com o aterramento, passe pelo resistor de 1 MΩ conectando a entrada não inversora (+) do amplificador operacional ao aterramento. Não deve haver necessidade desse resistor em um circuito op-amp ideal, então fazendo um curto, veremos que função ele fornece neste muito real circuito op-amp:









Assim que o “ aterramento ”Resistor está em curto com um fio de jumper, a tensão de saída do amplificador operacional começará a mudar ou flutuar. Idealmente, isso não deveria acontecer, porque o circuito integrador ainda tem um sinal de entrada de zero volts. No entanto, amplificadores operacionais reais têm uma quantidade muito pequena de corrente entrando em cada terminal de entrada chamada de corrente de polarização . Essas correntes de polarização diminuirão a tensão em qualquer resistência em seu caminho.

Uma vez que o resistor de entrada de 1 MΩ conduz alguma quantidade de corrente de polarização, independentemente da magnitude do sinal de entrada, ele cairá a tensão em seus terminais devido à corrente de polarização, portanto, “ compensação ”A quantidade de tensão de sinal vista no terminal inversor do op-amp. Se a outra entrada (não inversora) estiver conectada diretamente ao aterramento como fizemos aqui, esse “ deslocamento ”A tensão incorrida pela queda de tensão gerada pela corrente de polarização fará com que o circuito integrador se integre lentamente“ integrar ”Como se estivesse recebendo um sinal de entrada muito pequeno.

O “ aterramento ”Resistor é mais conhecido como um resistor de compensação porque atua para compensar os erros de tensão criados pela corrente de polarização. Uma vez que as correntes de polarização através de cada terminal de entrada do amplificador operacional são aproximadamente iguais entre si, uma quantidade igual de resistência colocada no caminho de cada corrente de polarização produzirá aproximadamente a mesma queda de tensão. Quedas de tensão iguais vistas nas entradas complementares de um amplificador operacional cancelam-se mutuamente, anulando assim o erro de outra forma induzido pela corrente de polarização.

Remova o fio do jumper passando pelo resistor de compensação e observe como a saída do amplificador operacional retorna a um estado relativamente estável. Ele ainda pode flutuar um pouco, provavelmente devido à tensão de polarização erro no próprio amplificador operacional, mas isso é outro assunto!



SIMULAÇÃO DE COMPUTADOR

Esquema com números de nó SPICE:





Netlist (faça um arquivo de texto contendo o seguinte texto, literalmente):

 integrador DC vinput 1 0 dc 0,05 r1 1 2 1meg c1 2 3 0,1u ic =0 e1 3 0 0 2 999k .tran 1 30 uic .plot tran v (1,0) v (3,0) final. 

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