Ficha 02 · Diagnóstico AOP, Schmitt trigger e condicionamento de sensor

Grupo I · Identificar 3 problemas num circuito AOP (30 pts)

Um circuito AOP inversor (LM741) tem as seguintes condições: - Alimentação: +5V e GND (alimentação single-supply — não bipolar) - R1 = 0 Ω (curto-circuito entre Vin e V⁻) - Rf = 100 kΩ - V⁺ ligado a GND - O circuito oscila a ~500 kHz mesmo sem sinal de entrada

Identifica os 3 problemas presentes. Para cada um: - Descreve o problema - Explica a consequência - Propõe a correcção

Grupo II · Dimensionar comparador com histerese (Schmitt trigger) para sensor de temperatura (35 pts)

Um sistema de controlo de temperatura usa um NTC com as seguintes características: - Resistência a 25°C: R₀ = 10 kΩ (B = 3950 K) - Circuito: divisor Rref/NTC com Vcc = 5 V e Rref = 10 kΩ - Tensão no divisor: V_NTC = Vcc × NTC/(Rref + NTC)

Temperatura desejada para ligar o ventilador: T_ligou = 40°C Temperatura desejada para desligar o ventilador: T_desliga = 35°C (histerese de 5°C)

Para este NTC, as resistências nas temperaturas relevantes são: - R_NTC(35°C) = 6950 Ω - R_NTC(40°C) = 5823 Ω

Exercício 1 · Tensões de limiar (12 pts)

a) Calcula V_NTC a 35°C e a 40°C (tensão no divisor). (8 pts)

b) Identifica qual das tensões corresponde ao limiar superior (VH) e qual ao limiar inferior (VL). (4 pts)

Exercício 2 · Dimensionar o Schmitt trigger (15 pts)

Usar um LM358 (Vcc = 5V, GND; Vsat(alto) ≈ 3,5 V, Vsat(baixo) ≈ 0,1 V para single-supply).

a) Escolhe a configuração inversora ou não-inversora do Schmitt trigger. Justifica. (5 pts)

b) Com Vref = 1,95 V (média de VH e VL) como tensão de referência, calcula R1/Rf para obter ΔV = 0,21 V. (10 pts)

Exercício 3 · Accionamento do ventilador (8 pts)

A saída do Schmitt trigger (0 ou 3,5 V) deve accionar um ventilador DC de 12V / 200 mA através de um transistor NPN BC547 (β = 100).

a) Calcula a resistência de base RB para saturação, com sobredriving ×10. (5 pts)

b) É necessário díodo de roda livre? Justifica. (3 pts)

Grupo III · Sistema completo de condicionamento de sinal — sensor de pressão (35 pts)

Um sensor de pressão resistivo (tipo piezoresistivo, ponte de Wheatstone integrada) tem as seguintes características: - Gama de pressão: 0–100 mbar - Tensão de excitação: 5 V - Sinal diferencial de saída: 0–20 mV (0 a 100 mbar) - Tensão de modo comum na saída: ≈ 2,5 V

Objectivo: converter 0–20 mV diferencial para 0–5 V para enviar a um ADC de 12 bits.

Exercício 1 · Ganho e amplificador de instrumentação (15 pts)

a) Calcula o ganho total necessário. (3 pts)

b) Usando um INA128 (Av = 1 + 50kΩ/RG), calcula RG para o ganho desejado. (7 pts)

c) Qual a vantagem do INA128 em relação a um simples amplificador diferencial (subtractor) com AOP? (5 pts)

Exercício 2 · Filtro anti-aliasing (10 pts)

A saída do INA128 deve ser filtrada antes do ADC. O ADC tem frequência de amostragem de 100 Hz.

a) Qual deve ser a frequência de corte máxima do filtro anti-aliasing? (3 pts)

b) Dimensiona um filtro passa-baixo de 1ª ordem (RC) com essa fc. Escolhe R e C de valores normalizados. (7 pts)

Exercício 3 · Calibração e verificação do sistema (10 pts)

O sistema completo (sensor → INA128 → filtro RC → ADC 12 bits, 0–5V) precisa de ser calibrado.

a) Qual é a resolução do ADC em mV (para fundo de escala de 5V)? (3 pts)

b) Descreve um procedimento de calibração de 2 pontos para este sensor. (7 pts)