Na primeira parte deste artigo analisamos o funcionamento básico de um amplificador operacional, verificando de que modo ele deve ser alimentado e como a realimentação negativa controla seu ganho. Vimos também o que é a inversão de fase do sinal, e contamos um pouco da história deste componente. Nesta segunda parte falaremos mais especificamente do 741, que é o mais popular de todos os amplificadores operacionais, e partiremos para uma série de aplicativos interessantes.
O 741 é fabricado por diversas indústrias, que podem apresentá-lo com denominações diferentes da tradicional. Assim, podemos encontrar antes do "741" letras e símbolos que servem para identificar o fabricante.
Temos a seguir alguns exemplos:
• Motorola: MC1741
• Fairchild: itA741 (Também Philips Componentes e Texas Inst.)
• Texas Instruments: SN72741
• CA741 - SID Microeletrônica
Os invólucros podem ser tanto metálicos como plásticos com duas filas de terminais paralelos (Dual in Line ou, abreviadamente, DIL). Na figura 1 temos estes invólucros com a indicação dos terminais. Existem também os 741 duplos, ou seja, circuitos integrados que possuem em seu interior dois amplificadores operacionais independentes que apresentam as mesmas características do 741.
Dentre eles destacamos:
• MC1458 - Motorola
• CA1458 - SID Microeletrônica
• 1458 - National
Dentre os equivalentes do 741 que apresentam denominações que não possuem o "741" destacamos:
• TBA222 - Valvo
• TBA221 - Siemens
Na figura 2 temos o circuito equivalente interno do 741 da Texas Instruments.
As características elétricas são
Começamos com a tensão de alimentação. Os valores +Vcc e -Vcc de 18 V significam que na alimentação simétrica ou simples podemos ter uma tensão máxima entre os terminais 7 e 4 (alimentação) de 36 V. E, em relação à referência, a tensão não pode ser maior que 18 V tanto no sentido positivo como negativo.
O 741 possui uma proteção interna contra curto-circuito na saída e que limita tanto a corrente como também o aquecimento do componente, que poderia causar sua queima. Isso significa que mesmo que a saída do 741 seja curto-circuitado com a alimentação positiva ou negativa, ou ainda com a referência, isso não causa danos ao componente. A duração do curto-circuito é ilimitada. Lembramos que o antecessor do 741, o 709, não possui esta proteção.
Com relação à amplificação, já demos como um valor médio proximamente 100 000 vezes. No entanto, sem realimentação, dentro de um mesmo lote de componentes, temos variações muito grandes de ganho. Desta forma os fabricantes garantem a amplificação mínima e dão também um valor médio.
Para o 741, segundo as especificações da Texas Instruments, por exemplo, o ganho mínimo que podemos ter é de 20 000 vezes, mas o valor médio ou típico num lote será de 200 000. Como sabemos que este ganho cai muito com frequência, e que devemos controlá-lo de modo a termos um comportamento mais estável, a utilização nos cálculos do valor 20 000 como máximo ajuda bastante nos projetos, garantindo a sua funcionalidade.
A resistência de entrada é também outra característica que flutua bastante, dentro de um lote deste componente. Para o 741 da Texas Instruments garante-se uma resistência mínima de entrada de 300 kΩ e uma resistência típica de 2 MΩ. Muitos fabricantes dão como valor típico 1 MΩ para esta característica, valor que pode ser adotado na maioria dos projetos sem inconvenientes.
CMRR é a abreviação do termo inglês Common-Mode Rejection Ratio, ou Relação de Rejeição em Modo Comum, que merece uma explicação detalhada. Conforme vimos, o amplificador operacional amplifica a diferença entre as tensões da entrada inversora e não inversora, conforme sugere a figura 3.
A diferença de tensão é então multiplicada pelo ganho aparecendo na saída com polaridade positiva ou negativa, conforme a polaridade da entrada. Se a tensão for maior na entrada inversora, a tensão será negativa na saída, e se for menor na inversora, será positiva, conforme explicamos, dada a inversão de fase.
Mas o que deveria acontecer se explicássemos, em relação à referência (0 V), a mesma tensão nas duas entradas? O certo será que na saída não haverá tensão alguma, pois a diferença entre as tensões de entrada será zero e, como o amplificador amplifica esta tensão, o resultado também será zero (figura 4).
Na prática não é bem isso que ocorre, pois, os componentes internos do circuito integrado que estão ligados às duas entradas não são exatamente iguais. Uma pequena diferença de resistência, ganho ou outra característica pode fazer com que uma pequena tensão apareça na saída mesmo quando as tensões das duas entradas são iguais. É então importante saber quanto de rejeição ocorre no integrado quando as tensões de entrada são iguais, ou seja, quanto de "não amplificação" temos num caso como este. Trata-se então da Rejeição de Sinal quando as entradas estão ligadas juntas ou em modo comum, o que significa que estão submetidas à mesma tensão. Esta relação é medida em decibéis (dB), que é uma unidade logarítmica. Uma taxa de 70 dB, que temos como mínimo, significa que o sinal é muito atenuado, e que uma diferença de poucos microvolts aparece na saída quando as entradas estão nestas condições.
A corrente de curto-circuito na saída é um dado importante para termos informações das limitações da carga que deve ser excitada pelo integrado. Esta é a corrente que circula entre a saída e a referência quando ocorre um curto-circuito, conforme sugere a figura 5.
O valor mínimo é 25 mA e o máximo é 40 mA, observando-se aqui que mesmo num lote de componentes iguais existem grandes diferenças de características.
A corrente de alimentação nos fornece a informação de quanto de corrente o integrado precisa para funcionar, não incluindo os circuitos externos como por exemplo a carga que ele deve excitar.
Esta corrente é a que ele precisa, por exemplo, na condição de espera de um circuito, quando o consumo é mínimo. Também notamos que dentro de um mesmo lote de 741 esta corrente pode variar entre 1,7 mA (típico) até o máximo de 2,8 mA. Finalmente, a dissipação total nos diz quanto de calor o integrado gera em funcionamento normal. Também temos uma margem de tolerância em vista das diferenças de características dos componentes de um mesmo lote.
APLICAÇÕES
De posse de uma fonte de alimentação (preferivelmente simétrica), um operacional 741, uma matriz de contatos e alguns componentes passivos, tais como resistores, capacitores, diodos e LEDs, o leitor pode fazer inúmeras montagens tanto experimentais como definitivas para aprender sobre este integrado.
Na figura 6 damos uma sugestão de fonte de ali-mentação simétrica para as experiências citadas.
O transformador tem secundário de 6+6 Vou 9+9 V com 250 mA ou pouco mais de corrente. Os diodos são 1N4002 ou equivalentes de maior tensão, e os eletrolíticos são para 16 V ou 25 V.
Na figura 7 temos uma aplicação básica de um amplificador de tensões contínuas que pode ser usado, por exemplo, para aumentar a sensibilidade de um multímetro ou como amplificador para transdutores que forneçam em sua saída tensões contínuas que devam ser amplificadas (LDRs, termistores, etc).
Neste circuito temos as seguintes características:
- O ganho é dado pela relação de valores entre R2 e R1. Assim, temos as seguintes possibilidades, mantendo inicialmente R1 em 10 kΩ e depois reduzindo-o para 1 kΩ R1 também fixa a resistência de entrada do circuito):
- O resistor R3 deve ter o mesmo valor que R1. Para comprovar o funcionamento deste circuito, numa montagem didática que pode ser feita em escolas técnicas, temos duas possibilidades: Na figura 8 temos o circuito com dois LEDs indicadores na saída, servindo para monitoria da tensão de saída (quando a tensão é positiva em relação à referência, acende LED1 e quando é negativa, acende LED2.
Na entrada colocamos um divisor de tensão formado por um potenciômetro de 10 kΩ que permite variar a tensão de entrada no pino 2 entre + Vcc e - Vcc. Na figura 9 temos a montagem deste circuito de comprovação numa matriz de contatos.
Uma experiência simples nos ajudará a ver como a realimentação feita por R2 influi no ganho do operacional.
Inicialmente, com um resistor de 100 kΩ ou 1 MΩ esta função R2 variamos vagarosamente a resistência do potenciômetro de modo que a tensão de entrada vá de -Vcc até +Vcc. Verificamos então que num extremo do cursor um dos LEDs permanece aceso. Vamos girando o potenciômetro até que, aproximadamente no meio do giro, o LED que estava inicialmente aceso apaga e imediatamente acende o outro. O ponto de transição é praticamente imediato, sendo bastante difícil conseguir o ajuste para que os dois LEDs fiquem apagados, ou seja, uma tensão no cursor que seja exatamente 0 V.
Por que isso ocorre?
Com um resistor de 100 kΩ a 1 MΩ na entrada temos um ganho relativamente alto para o operacional (10 a 100), que amplifica a tensão no cursor do potenciômetro. Desta forma, a não ser numa estreita faixa em que esta tensão varia de 10% a 1% da tensão de alimentação (aproximadamente), ele trabalha com valores que não saturam a sua saída. Fora disso, o amplificador é imediatamente saturado, levando os LEDs ao brilho total.
A curva da figura 10 mostra o que ocorre. Esta curva nos dá a característica de transferência do 741 como amplificador, nas condições da experiência, mostrando que existe uma faixa muito estreita em que seu comportamento é linear. Uma utilidade para este circuito é mostrada na figura 11.
O potenciômetro é substituído por um ajuste de resistência tipo reostato (na verdade um potenciômetro com dois terminais unidos) e um LDR.
Ajustando o potenciômetro com muito cuidado para que a tensão junto ao LDR se anule, chegamos ao equilíbrio do circuito quando a tensão de saída é zero e os dois LEDs apagam. Qualquer variação da luminosidade sobre o LDR faz com que a tensão no divisor, ligado ao pino 2, saia de zero e o resultado é a sua imediata amplificação, fazendo acender um dos LEDs.
Este circuito pode ser usado como um monitor de luminosidade, acusando variações tanto para mais como para menos. Substituindo o LDR por um termistor (resistência que varia com a temperatura) do tipo NTC ou PTC, podemos ter o mesmo comportamento explicado monitorando a temperatura de um local, de uma estufa etc. Na figura 12 temos uma alternativa para o circuito com fonte não simétrica.
Numa segunda parte de nossa experiência, trocamos o resistor de realimentação por uma conexão direta, o que nos leva a um ganho de tensão igual a 1 (ganho unitário). Fazendo então a ligação mostrada na figura 13, giramos o potenciômetro vagarosamente de modo a variar a tensão na entrada de --Vcc a +Vcc. O que acontece?
Como o ganho é pequeno, a faixa de operação de tensões de entrada se amplia, ou seja, o amplificador não mais fica saturado a maior parte do curso do potenciômetro, havendo apenas uma região pequena em que obtemos o equilíbrio. Verificamos então que na saída passa a haver uma variação da tensão acompanhando a variação da tensão na entrada. Assim, enquanto caminhamos para o ponto de 0 V no potenciômetro, um dos LEDs diminui seu brilho suavemente até apagar.
Quando o cursor do potenciômetro passa a tensão média (0 V) o outro LED começa a acender, aumentando gradualmente de brilho. Obtemos então uma curva como a mostrada na figura 14.
É fácil perceber que através de um potenciômetro na realimentação podemos facilmente controlar o ganho de um operacional e assim conseguir comportamentos intermediários. Na figura 15 temos então o circuito de um amplificador de tensões contínuas cujo ganho pode ser ajustado entre 1 e 1 000.
Podemos montá-lo numa matriz de contatos, conforme mostra a figura 16, e realizar experiências interessantes.
Mas, se a saída operacional sozinha só pode acionar no máximo um par de LEDs, pois, conforme vimos, sua corrente está limitada a um máximo de aproximadamente 20 mA (25 mA já é a corrente de curto), isso não significa que não possamos agregar uma etapa de potência.
CARGAS DE MAIOR POTÊNCIA
Existem diversas formas de amplificarmos a corrente de saída de um operacional 741, lembrando que podemos ter tanto tensões positivas como negativas em relação à referência. O primeiro caso é mostrado na figura 17, em que usamos um transistor NPN de uso geral para ativar a bobina de um relé.
Conforme podemos perceber, para que o transistor sature é preciso que sua base esteja positiva em relação à -Vcc. Assim, este circuito terá o relé desativado quando o operacional estiver saturado, de tal forma que sua saída seja -Vcc. Quando a tensão subir para além deste valor, até +Vcc, o transistor entra em condução e o relé fecha seus contatos. Uma segunda possibilidade de uso para cargas de potência é mostrada na figura 18.
Neste caso o transistor é do tipo PNP, e o relé é acionado quando a saída do integrado está em valores diferentes de +Vcc. Quando a tensão de saída é +Vcc a base do transistor não é polarizada e ele permanece no corte. Com isso, não há corrente de coletor e o relé permanece desenergizado.
Quando a tensão cai na saída, o transistor tem sua junção base-emissor polarizada, de tal forma a começar a conduzir. Nestas condições o transistor passa a apresentar uma corrente de coletor que energiza a bobina do relé, fechando seus contatos.
CONCLUSÃO
Nesta segunda parte de nosso artigo vimos algumas aplicações simples, porém bastante interessantes do 741, quando ele é usado para indicar variações da tensão numa das entradas. Esperamos, com isso, que o leitor iniciante tenha maior facilidade em prosseguir seus estudos e mesmo compreender melhor os circuitos de nossa Revista.
