Medidor de fase (INS060)

Escrito por Newton C Braga

O circuito apresentado foi sugerido pela Texas Instruments e fornece um sinal de saída de 10 mV para cada grau de defasagem entre os sinais aplicados nas entradas. São muitas as aplicações em instrumentação e eletrônica industrial e de controle para este circuito e caberá ao leitor empregar este bloco num projeto de acordo com a finalidade desejada.

O projeto apresentado é baseado no circuito integrado TL051 da Texas Instruments que consiste num amplificador operacional com transistor JFET de alta tensão na entrada, e transistores bipolares nas demais etapas.

Dentre as características importantes deste circuito integrado ressaltamos que o processo de fabricação utilizado permite que baixas tensões de offset iniciais sejam conseguidas devido à presença de um zener "on-chip" que pode ser ajustado, e também devido à baixa variação da tensão offset com a tensão e com o tempo.

Os dispositivos com sufixo C operam na faixa de temperatura de 0 a 70 graus Celsius, enquanto que aqueles que têm sufixo I operam de -40 a +85ºC. Para os de sufixo M, que correspondem à faixa militar, as temperaturas de operação vão de -55 a +125ºC.

 

Outras características importantes do TL051 são as seguintes:

* Tensão máxima de offset: 800 µV

* Elevada taxa de crescimento: 19,8 V/µs (tip a 25ºC)

* Distorção harmônica total: 0,002% para Rl=2 k ohms

* Baixa tensão de ruído: 18 nV/Hz em 1 kHz

* Baixa corrente de polarização: 30 pA (tip)

Na figura 1 temos a pinagem do circuito integrado TL051.

 

 

O CIRCUITO

Na figura 2 temos o diagrama completo do medidor de fase sugerido pela Texas Instruments no próprio Data-Sheet do TL051.

 

Conforme explicado na introdução, a tensão de saída será de 10 mV para cada grau de defasagem dos sinais aplicados nas entradas Va e Vb.

As freqüências de entrada de Va e Vb devem ser iguais.

Os amplificadores operacionais U1a e U1b funcionam como comparadores convertendo os sinais senoidais de entrada em saídas quadradas de +/-5 V de amplitude.

Os divisores de tensão formados pelos resistores de 100 k# fornecem então os valores lógicos para os disparos dos flip-flops que correspondem aos circuitos integrados U2a e U2b.

U2 consiste num duplo flip-flop do tipo J-K 74(HC109) e que tem por finalidade gerar um sinal cuja frequência seja a metade da frequência dos sinais de entrada.

Neste circuito, a duração do pulso gerado por U2a varia de zero à metade do período do sinal de entrada, onde o zero corresponde a um atraso de fase nulo entre Va e Vb, e metade do período corresponde a um intervalo entre Vb e Va de 360 graus.

Os pulsos de saída de U2a fazem com que a chave lógica U3 (4066) comute excitando U4 (TL051), que está configurado como um integrador. A constante de integração é determinada basicamente pelos capacitores C1 e C2.

Quando a saída de U2a se aproxima de uma forma de onda quadrada, U4 passa a ter uma saída de aproximadamente 2,5 V.

O circuito integrado U5 (TL051) funciona como um amplificador não inversor com ganho de 1,44 vezes, de modo a se obter uma escala de 0 a 3,6 V para os intervalos de defasagem de 0 a 360 graus.

Os resistores R8 e R10 determinam o ganho de saída e o ajuste de nulo respectivamente. O circuito mostrado pode operar numa faixa de freqüências de 100 Hz a 100 kHz.

 

APLICAÇÕES

Um instrumento que pode ser facilmente projetado a partir deste bloco é apresentado na figura 3.

 

Os sinais do medidor de fase são aplicados a um indicador de tensão digital de 3 dígitos, ajustado para operar numa escala de 0 a 3,6 V.

Desta forma, é possível medir ângulos de defasagem de sinais senoidais da rede de energia (ou de outra fonte até 10 kHz) com uma resolução de 1 grau. Com um mostrador de 4 dígitos podemos ir além e ter uma precisão de 0,1 grau.

 

MONTAGEM

Como se trata de bloco construtivo que deve fazer parte de projeto específico, a placa de circuito impresso deve ser desenhada de acordo com este projeto.

Entretanto, para testes iniciais o circuito pode ser facilmente montado numa matriz de contatos, considerando que não é crítico.

 


LISTA DE MATERIAL

Semicondutores

U1 - TLC3702 - circuito integrado - comparador

U2 - 74HC109 - circuito integrado - flip-flop J-K

U3 - 4066 - circuito integrado - chave digital CMOS

U4, U5 - TL051 - circuitos integrados - amplificadores operacionais

Resistores: (1/8W, 5%)

R1, R2, R3, R4 - 100 k ohms

R5, R6, R7 - 10 k ohms

R8 - 50 k ohms - trimpot

R9 - 20 k ohms

R10 - 10 k ohms  - trimpot

Capacitores:

C1, C2 - 0.016 µF

Diversos:

Fonte, placa de circuito impresso, fios, solda, etc.