Laboratório de Integrador de Precisão com Amp-Op: Compensação de Corrente de Polarização e Computação Analógica

PEÇAS E MATERIAIS

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

Qualquer amp-op moderno executará este integrador, mas o LM1458 é escolhido aqui porque sua alta corrente de polarização de entrada amplifica os efeitos que você aprenderá a contrabalançar. Embora correntes de polarização altas sejam geralmente indesejáveis em circuitos de precisão, elas servem a um propósito educacional nesta demonstração.

REFERÊNCIAS CRUZADAS

Lessons in Electric Circuits, Volume 3, Capítulo 8: “Amplificadores Operacionais”.

OBJETIVOS DE APRENDIZADO

• Demonstrar uma técnica para limitar a faixa efetiva de um potenciômetro.
• Explicar o papel funcional de um integrador no processamento de sinais.
• Ilustrar como compensar correntes de polarização de amp-op.

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

ILUSTRAÇÃO

INSTRUÇÕES

O esquemático mostra o potenciômetro ligado aos trilhos de alimentação através de dois resistores de 100 kΩ. Essa configuração limita a faixa de saída do potenciômetro, garantindo que uma volta completa produza apenas uma oscilação modesta de ±0,5 V em relação à referência de meio trilho.

Quando o cursor está na extrema esquerda, a tensão de saída é aproximadamente +0,5 V; na extrema direita, ≈ –0,5 V. Um cursor centralizado fornece referência de zero volts.

Conecte um voltímetro entre a saída do amp-op e o terra do circuito. Varra lentamente o potenciômetro enquanto observa a tensão de saída. A saída deve mudar a uma taxa definida pelo desvio do cursor em relação ao centro — efetivamente integrando o sinal de entrada ao longo do tempo.

Com um segundo medidor, você pode exibir simultaneamente a tensão do cursor (entrada) e a tensão de saída, tornando visível a relação entrada-taxas.

Ajustar o potenciômetro para produzir zero volts deve minimizar a taxa de variação da saída. Afastar-se do ponto zero aumenta a inclinação da rampa.

Tente adicionar o segundo capacitor de 0,1 µF em paralelo com o primeiro. Dobrar a capacitância no laço de realimentação reduz a taxa de integração, alongando a rampa para uma dada posição do cursor.

Adicionar um quarto resistor de 1 MΩ em paralelo com o resistor de entrada reduz pela metade a resistência de entrada efetiva, acelerando a integração. Essas variações ajudam a ilustrar como os valores dos componentes influenciam a constante de tempo do integrador.

Integradores são elementos fundamentais de computadores analógicos. Quando combinados com amplificadores, junções somadoras e divisores variáveis, podem modelar quase qualquer equação diferencial linear, permitindo que engenheiros resolvam equações observando níveis de tensão.

Historicamente, computadores analógicos simulavam fenômenos complexos como dinâmica de veículos, trajetórias de foguetes e respostas de sistemas de controle antes do surgimento de sistemas digitais. Embora largamente substituídos, os circuitos constituintes permanecem valiosas ferramentas educacionais para visualizar conceitos de cálculo.

Em seguida, mova o potenciômetro até que a tensão de saída esteja o mais próximo possível de zero, então desconecte a entrada e curto-circuite o terminal inversor à terra como mostrado:

Com uma entrada exatamente zero, a saída do integrador deveria idealmente permanecer constante. Na prática, você notará que a saída deriva lentamente porque amp-ops reais possuem minúsculas correntes de polarização que fluem para cada entrada.

Curto-circuite o resistor de 1 MΩ que aterrassa a entrada não-inversora. Esse "resistor compensador" iguala o caminho da corrente de polarização em ambas as entradas, cancelando a tensão de offset que seria integrada. Quando o resistor é bypassado, a saída começa a derivar; reconectá-lo restaura a estabilidade.

Após restaurar o resistor compensador, a saída ainda pode derivar ligeiramente devido ao erro de tensão de polarização do amp-op, um tópico avançado além deste laboratório.

SIMULAÇÃO POR COMPUTADOR

Esquemático SPICE com números de nós

Netlist (copie o texto abaixo para um arquivo .cir):

 DC integrator
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)
.end 

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