Projete um circuito com OpAmp que acenda e apague um LED vermelho (
) ao girar um potenciômetro. O LED deve acender nos últimos 10% do campo de giro do potenciômetro, ficando apagado nos demais
. Especifique uma corrente de 10 mA para o LED. Defina como quiser a tensão de alimentação do circuito.
Passo 1
O que o enunciado pede e os dados que temos:
- O circuito deve acender um LED vermelho com tensão direta
e corrente . - O acionamento deve ocorrer quando o potenciômetro for girado nos últimos
do seu curso (ou seja: LED ligado quando a posição do potenciômetro está entre e do seu alcance; apagado nos ). - Não há restrição de tensão de alimentação — eu vou definir uma para facilitar o projeto.
- Não foram enviadas figuras; vou projetar um circuito típico: o pot como divisor de tensão, um comparador (op-amp usado como comparador) que compara a tensão do cursor do pot com uma referência fixa correspondente a
da alimentação, e um transistor que comuta o LED (para garantir corrente estável de ).
O enunciado pede especificar valores dos componentes e a corrente do LED (
) — farei as contas e darei valores práticos. Vou escolher componentes comuns e explicar cada passo para que você possa reproduzir na prova.
Passo 2
Escolha prática da alimentação e do bloco funcional (ideias principais):
- Vou usar alimentação de
porque é uma tensão comum e permite resistores pequenos para o LED; além disso facilita trabalhar com op-amps rail-to-rail. Se preferir outra tensão, as fórmulas são análogas. - O potenciômetro vai entre
e ( a ); o cursor fornece com . - A referência de limiar será fixa em
(porque queremos ligar nos últimos ). - Um op-amp com entradas e saída rail-to-rail será usado como comparador: sua saída ficará alta quando
e baixa caso contrário. - A saída do op-amp comanda a base de um transistor NPN (ex.:
ou ) que faz chaveamento em baixa (low-side) do LED, garantindo estáveis. - Opcional: usar histérese (Schmitt) para evitar “cintilação” quando a posição estiver exatamente no limiar — explicarei como adicionar depois.
Observação importante (teórica rápida): muitos op-amps comuns (por ex. LM358) NÃO conseguem ler tensões muito próximas do rail superior; por isso escolhi explicitamente um op-amp rail-to-rail (ex.: MCP6002, TLV2372, OPAx333 etc.). Na prova, comente que a escolha do op-amp deve permitir que a entrada “veja”
.
Passo 3
Calcular a tensão de limiar (
):
- Com
, queremos ligar o LED quando o cursor estiver nos últimos , isto é quando
- Portanto
Esse é o valor que o comparador usará como referência.
Passo 4
Projeto do resistor do LED (
) para obter
:
- Esquema de carga:
→ resistor → LED ( ) → coletor do NPN → emissor à massa (quando NPN saturado, ). - A queda de tensão total sobre
em saturação é
- Substituindo números:
- Assim o resistor necessário é
- Valor prático comercial: escolha
. Com ,
o que está dentro da especificação de
.
Passo 5
Projeto do divisor de referência que gera
:
- Um divisor simples entre
e terra, com resistores (de ao nó de referência) e (do nó ao terra), fornece
- Queremos
. - Escolha prática:
e . Assim
- Observação: essa escolha dá corrente pelo divisor de
, razoável para estabilidade. Poderia usar para gastar menos corrente (≈50µA), também aceita.
Passo 6
Projeto do acionamento do transistor (resistor de base
— não confundir com o
do divisor):
- Para saturar o NPN com
escolhemos força forçada (fator de segurança) . Assim a corrente de base necessária é
- O op-amp rail-to-rail que escolhemos (alimentado a
) terá saída alta próxima de (por ex. dependendo do CI). Tomando e , o resistor de base deve ser aproximadamente
- Valor prático: escolha
. Isso dá uma base de , suficiente para saturar o transistor e garantir os no LED.
Passo 7
Ligação do comparador (op-amp) e comportamento lógico:
- Conexões:
- Non-inverting input (
) do op-amp : recebe o cursor do potenciômetro . - Inverting input (
) do op-amp : recebe do divisor . - Saída do op-amp: passa por
para a base do NPN; emissor do NPN à massa; coletor do NPN ao catodo do LED; anodo do LED a via .
- Non-inverting input (
- Operação:
- Se
(rotor abaixo de ), saída do op-amp fica baixa → transistor cortado → LED apagado. - Se
(últimos do pot), saída do op-amp vai alta → fornece corrente de base → transistor satura → LED acende com ≈ .
- Se
- Importante: usar um op-amp rail-to-rail (entradas e saída) para que o comparador possa ver
no seu pino de entrada e gerar tensão de saída suficiente. Exemplos: MCP6002, TLV2372, OPA333, etc. Se usar LM358 ou outro não rail-to-rail, a entrada de pode estar fora da faixa aceitável e o circuito não funcionará corretamente.
Passo 8
Opção: adicionar histérese (evitar cintilação quando o pot estiver exatamente sobre o limiar)
- Se quiser evitar oscilações do LED quando o cursor estiver muito perto de
(por ruído mecânico ou elétrico), adiciona-se feedback positivo com um resistor do pino de saída para a entrada não inversora. A ideia: quando a saída sobe, aumenta ligeiramente o limiar para desligar, e quando a saída cai, diminui o limiar para ligar — cria-se duas tensões de limiar e . - Uma escolha típica para pequena histérese:
em paralelo (ou em série com outro resistor) com o caminho do potenciômetro; projetar exatamente requer escrever as equações com a rede do pot e . Na prática para uma prova, escrever que “colocar um grande (100k—1M) entre saída e entrada positiva cria pequena histérese e evita chatter” é aceitável; se pedirem o valor exato da largura da histérese, mostra-se o circuito e resolve-se analiticamente.
Passo 9
Resumo prático (ligação passo a passo) — para montar na bancada:
- Fonte
. - Potenciômetro:
entre e ; cursor ao pino do op-amp. - Divisor de referência:
entre e o nó ; entre e terra. ao pino do op-amp. - Op-amp rail-to-rail (ex.: MCP6002) alimentado com
e terra. Saída do op-amp → → base do NPN (ex.: ); emissor do NPN à massa; coletor do NPN ao catodo do LED. - LED anodo →
→ . - (Opcional)
entre saída do op-amp e entrada não-inversora para histérese pequena. - Verifique polaridade do LED e conexões do transistor antes de energizar.
Resposta
Tensão de alimentação:
Potenciômetro: (entre
e
; cursor ao
do op-amp)
Limiar do comparador: (divisor
,
)
Op-amp: rail-to-rail (ex.: MCP6002, TLV2372, OPA333)
Resistor do LED: (resultado em
)
Transistor de chaveamento: NPN (ex.: ou
)
Resistor de base: (para
, forçando
)
Opcional histérese: entre saída e entrada não-inversora (para evitar cintilação)
Potenciômetro:
Limiar do comparador:
Op-amp: rail-to-rail (ex.: MCP6002, TLV2372, OPA333)
Resistor do LED:
Transistor de chaveamento: NPN (ex.:
Resistor de base:
Opcional histérese: