Modulação de Sinal

Análise da Modulação AM (Junho 2019).

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Anonim

Modulação de Sinal

Dispositivos e Circuitos Semicondutores Discretos


Questão 1

Um método moderno de controle de energia elétrica envolve a inserção de um interruptor de operação rápida em linha com uma carga elétrica, para ligar e desligar a energia rapidamente ao longo do tempo. Normalmente, um dispositivo de estado sólido, como um transistor, é usado:

Este circuito foi bastante simplificado em relação a um circuito real de controle de pulso. Apenas o transistor é mostrado (e não o circuito de "pulso" que é necessário para comandá-lo para ligar e desligar) para simplificar. Tudo o que você precisa saber é o fato de que o transistor opera como um simples interruptor unipolar (SPST), com a diferença de que é controlado por uma corrente elétrica e não por uma força mecânica, e que é capaz de para ligar e desligar milhões de vezes por segundo sem desgaste ou fadiga.

Se o transistor for ligado e desligado rápido o suficiente, a energia para a lâmpada pode ser variada tão suavemente quanto se controlada por um resistor variável. No entanto, há muito pouca energia desperdiçada ao usar um transistor de comutação rápida para controlar a energia elétrica, ao contrário de quando uma resistência variável é usada para a mesma tarefa. Este modo de controle de energia elétrica é comumente referido como modulação por largura de pulso ou PWM .

Explique por que o controle de energia PWM é muito mais eficiente do que controlar o poder de carga usando uma resistência em série.

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Quando o transistor está ligado, ele age como um interruptor fechado: passa a corrente de carga total, mas baixa pouca voltagem. Assim, a dissipação de energia “ON” (P = IE) é mínima. Por outro lado, quando o transistor está desligado, ele age como um interruptor aberto: não passa corrente alguma. Assim, a dissipação de energia “OFF” (P = IE) é zero. A potência dissipada pela carga (a lâmpada) é a energia média no tempo dissipada entre os ciclos de transistores “ON” e “OFF”. Assim, o poder de carga é controlado sem “desperdiçar” energia através do dispositivo de controle.

Notas:

Os alunos podem ter dificuldade em entender como uma lâmpada pode ser diminuída, ligando-a e desligando-a rapidamente. A chave para entender este conceito é perceber que o tempo de comutação do transistor deve ser muito mais rápido que o tempo que leva para o filamento da lâmpada se aquecer totalmente ou esfriar completamente. A situação é análoga a estrangular a velocidade de um automóvel ao “bombear” rapidamente o pedal do acelerador. Se feito lentamente, o resultado é uma velocidade variável do carro. Se feito com rapidez suficiente, a massa do carro mede a pedalada “ON” / “OFF” do pedal e resulta em uma velocidade quase constante.

Essa técnica é muito popular no controle de potência industrial e está ganhando popularidade como uma técnica de amplificação de áudio (conhecida como Classe D ). Os benefícios do mínimo desperdício de energia pelo dispositivo de controle são muitos.

Questão 2

Explique a diferença entre AM ( Amplitude Modulation ) e FM ( Frequency Modulation ).

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Esta é uma pergunta fácil para encontrar a resposta. Eu vou deixar o trabalho para você!

Notas:

Peça aos alunos que expliquem que tipo de modulação seu circuito transmissor usará e que vantagens um tipo de modulação pode ter sobre o outro.

Questão 3

Um conceito muito importante em eletrônica é a modulação . Explique o que significa “modulação” e dê um ou dois exemplos disso.

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A modulação é o ato de imprimir a informação em um fluxo de matéria ou energia, usualmente para transmitir essa informação a longa distância. O rádio é um exemplo muito comum de modulação, mas vou deixar você pesquisar mais alguns por conta própria!

Notas:

Existem muitos exemplos de modulação que os alunos podem encontrar para apresentação, e nem todos eles são eletrônicos. Desafie-os a pensar em cenários que não sejam os modernos esquemas de comunicação eletrônica e / ou óptica, nos quais a modulação de algum tipo é empregada.

Questão 4

Uma forma primitiva de comunicação há muito tempo atrás era o uso de sinais de fumaça : interrompendo o fluxo crescente de fumaça de um incêndio acenando com um cobertor sobre ele para que sequências específicas de fumaça pudessem ser vistas a alguma distância. Explique como este é um exemplo de modulação, embora de forma não eletrônica.

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A modulação é a impressão de informação em um fluxo de matéria ou energia que, de outra forma, seria inexpressivo. Neste caso, a modulação de um fluxo de fumaça por movimentos gerais deve ser bastante evidente.

Notas:

É importante que os alunos entendam que a modulação não se limita à mídia eletrônica. Exemplos mais estranhos do que isso podem ser citados como prova. Uma vez falei com um engenheiro especializado em medição de vibração que me contou sobre uma aplicação muito estranha de modulação para comunicação de dados. Ele trabalhou no projeto de um sensor de vibração que seria incorporado na cabeça de uma broca de poço de petróleo. Este sensor deveria transmitir informações para a superfície, a milhares de metros de altura, mas não podia usar rádio ou qualquer outro meio de dados “normal” por causa das distâncias envolvidas e do ambiente hostil. A solução para esse problema único era fazer com que o sensor ativasse uma válvula na cabeça de perfuração que modulasse o fluxo da lama de perfuração até a superfície: um subproduto do processo de perfuração que precisava ser bombeado até a superfície de qualquer maneira. Ao pulsar o fluxo de lama normalmente constante, os dados digitais podem ser comunicados aos sensores de pressão na superfície e, em seguida, convertidos em dados binários para um computador arquivar e traduzir. Concedido, a taxa de bits foi muito lenta, mas o sistema funcionou.

Uma aplicação como essa mostra o quanto é importante para os alunos exercitarem a criatividade. Os problemas realmente interessantes da vida não se rendem a soluções “testadas e comprovadas”, mas só podem ser superadas através do exercício da criatividade e habilidade. Faça tudo que puder para expor seus alunos a tal pensamento criativo dentro de suas disciplinas, e isso os ajudará a se tornarem os solucionadores de problemas de amanhã!

Questão 5

Um dos métodos eletrônicos mais simples de modulação é a modulação de amplitude, ou AM . Explique como um sinal de portadora de alta frequência seria modulado por um sinal de frequência mais baixa, como no caso dos dois sinais mostrados aqui no domínio do tempo:

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Notas:

Eu não espero que os alunos sejam capazes de esboçar precisamente a forma de onda modulada, especialmente quando o período da portadora é tão curto. No entanto, eles devem ser capazes de expressar a idéia geral de modulação de amplitude em alguma forma de desenho ou esboço, e é só isso que eu estou interessado em ver deles em resposta a essa pergunta.

Questão 6

Um circuito frequentemente usado para modular a amplitude de um sinal de portadora é um multiplicador :

Explique como a multiplicação instantânea de duas ondas senoidais resulta em modulação de amplitude. Se possível, faça um gráfico disso em uma calculadora gráfica ou outro dispositivo de plotagem de computador.

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Eu vou deixar você descobrir isso sozinho!

Notas:

Os circuitos multiplicadores são bastante úteis e não apenas para modulação de amplitude. O fato de que eles podem ser usados ​​como moduladores de amplitude, no entanto, é um conceito que alguns alunos acham difícil de entender. Uma ilustração que pode esclarecer as coisas é um divisor de voltagem ajustável (uma vez que a multiplicação e a divisão estão intimamente relacionadas):

Agora, tal circuito de potenciômetro seria totalmente impraticável para qualquer freqüência de sinal de modulação medida em Hertz, já que o potenciômetro se desgastaria muito rapidamente de todo o movimento. É o princípio da divisão de tensão modulada que esse circuito ajuda a se comunicar. Os circuitos multiplicadores fazem a mesma coisa, apenas multiplicando a amplitude do sinal da portadora em vez de dividi-lo.

Questão 7

Uma técnica comum de modulação empregada na radiodifusão é a modulação de freqüência, ou FM . Explique como um sinal de portadora de alta frequência seria modulado por um sinal de frequência mais baixa, como no caso dos dois sinais mostrados aqui no domínio do tempo:

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Notas:

Eu não espero que os alunos sejam capazes de esboçar precisamente a forma de onda modulada, especialmente quando o período da portadora é tão curto. No entanto, eles devem ser capazes de expressar a idéia geral de modulação de frequência em alguma forma de desenho ou esboço, e é só isso que eu estou interessado em ver deles em resposta a essa pergunta.

Questão 8

No coração de um transmissor FM existe um circuito chamado oscilador controlado por tensão, ou VCO . Explique qual é a finalidade de um VCO e como isso se relaciona diretamente com a modulação de frequência.

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Um VCO gera um sinal de saída AC cuja freqüência é proporcional a uma tensão de entrada fornecida externamente.

Notas:

Note aos seus alunos que os circuitos VCO não são usados ​​apenas na transmissão de rádio FM. Eles também são essenciais para a função de loops de fase bloqueada .

Questão 9

Este é um esquema para um VCO muito simples:

O oscilador é do design "Colpitts". A chave para entender a operação deste circuito é saber como o diodo varactor responde a diferentes quantidades de tensão de polarização DC. Explique como esse circuito funciona, especialmente como o diodo exerce controle sobre a frequência de oscilação. Por que a freqüência de saída varia à medida que a tensão de controle varia "# 9"> Revelar resposta Ocultar resposta

Como a tensão através do diodo varactor muda, sua capacitância muda.

A freqüência de saída aumenta à medida que a tensão de controle se torna mais positiva.

Notas:

Esta questão é uma boa revisão da função de diodo varactor, bem como a teoria de modulação de frequência.

Questão 10

Este é um esquema para um simples VCO:

O oscilador é do projeto RC “phase shift”. Explique como esse circuito funciona. Por que a freqüência de saída varia à medida que a tensão de controle varia "# 10"> Revelar resposta Ocultar resposta

Para entender como os JFETs estão funcionando neste projeto de VCO, examine atentamente as regiões de “saturação” das curvas características de um JFET. Observe que essas regiões aparecem como seções quase em linha reta. Isso indica algo sobre o comportamento de um JFET saturado que é explorado nesse circuito de VCO.

A freqüência de saída diminui à medida que a tensão de controle se torna mais positiva.

Notas:

Essa pergunta não apenas permite que os alunos examinem o funcionamento de um VCO, mas também fornece uma boa revisão da teoria JFET, bem como um exemplo prático de uma aplicação especial de transistores de efeito de campo de junção.

Nota: o diagrama esquemático para este circuito foi derivado de um encontrado na página 997 de John Markus.

, primeira edição. Aparentemente, o projeto originou-se de uma publicação da Motorola sobre o uso de transistores de efeito de campo (“Aplicações de Baixa Frequência de Transistores de Efeito de Campo”, AN-511, 1971).

Questão 11

O FM tende a ser um meio de modulação de sinal muito mais resistente ao ruído do que o AM. Por exemplo, a forma “crepitante” de interferência de rádio causada por raios naturais ou o ruído “zumbido” produzido por linhas de alta tensão são fáceis de ouvir em um rádio AM, mas ausentes em um rádio FM. Explique porque.

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A interferência de rádio se manifesta como picos adicionais no “envelope” de uma onda portadora modulada. A recepção AM baseia-se na extração desse envelope da portadora modulada e, portanto, os receptores AM “captam” ruídos indesejados. A recepção de FM é baseada na extração de informações de alterações na frequência, que não é afetada pelo ruído.

Notas:

Peça aos alunos que expliquem esse princípio com suas próprias palavras, e não apenas repitam a resposta dada.

Questão 12

Ao transmitir informações de áudio (como música e fala) na forma de ondas de rádio, por que se preocupar em modular um sinal de portadora de alta frequência? Por que não apenas conectar um poderoso amplificador de áudio diretamente a uma antena e transmitir as freqüências de áudio diretamente?

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Há várias razões para você não querer tentar transmitir ondas eletromagnéticas (rádio) em freqüências de áudio. Alguns dos mais importantes estão listados aqui:

O tamanho necessário da antena.
Baixa eficiência de transmissão por incapacidade de combinar o comprimento da antena com a freqüência de áudio (mudando).
Interferência de outros transmissores de rádio (similares).

Esteja preparado para explicar por que cada um desses fatores efetivamente proíbe as transmissões de rádio nas freqüências de áudio.

Notas:

O objetivo desta questão é fazer com que os alunos relacionem sua compreensão da teoria básica de RF e antenas com um problema muito prático de transmissão de informações de baixa frequência (neste caso, áudio). Um exercício divertido para fazer junto com esta questão é calcular as dimensões físicas necessárias de uma antena de quarto de onda (((λ) / 4)) a uma frequência de 2 kHz, tendo em mente que λ = v / f e v ≈ 3 × 10 8 metros por segundo.

Questão 13

Prever como a freqüência de saída deste circuito de oscilador controlado por tensão (VCO) será afetada como resultado das seguintes falhas. Considere cada falha independentemente (ou seja, uma de cada vez, sem falhas múltiplas):

Capacitor C 1 falha aberto:
O indutor L 1 falha em aberto:
Resistor R 1 falha aberto:
Resistor R 2 falha aberto:
O indutor L 2 falha parcialmente em curto:

Para cada uma dessas condições, explique por que os efeitos resultantes ocorrerão. Nota: a capacitância dependente de tensão de um diodo varactor é dada pela seguinte equação:

C j = C o



2V + 1

Onde,

C J = capacitância de junção

C o = Capacitância de junção sem tensão aplicada

V = tensão de junção inversa aplicada

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Capacitor C 1 falha aberto: a freqüência de saída aumenta.
O indutor L 1 falha em aberto: a freqüência de saída diminui.
A resistência R 1 falha em aberto: a freqüência de saída diminui.
O resistor R 2 falha em aberto: a freqüência de saída aumenta.
O indutor L 2 falha parcialmente em curto: a frequência de saída aumenta.

Notas:

O objetivo desta questão é abordar o domínio da solução de problemas do circuito a partir de uma perspectiva de saber qual é a falha, em vez de apenas saber quais são os sintomas. Embora essa não seja necessariamente uma perspectiva realista, ela ajuda os alunos a construir o conhecimento básico necessário para diagnosticar um circuito com falha a partir de dados empíricos. Perguntas como essa devem ser seguidas (eventualmente) por outras perguntas, solicitando aos alunos que identifiquem possíveis falhas com base em medições.

Questão 14

Determine o ciclo de trabalho deste sinal de onda quadrada:

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Ciclo de trabalho ≈ 10%

Notas:

Esta questão desafia os alunos a aplicar seu conhecimento do ciclo de trabalho a um cenário de medição.

Questão 15

Determine o ciclo de trabalho deste sinal de onda quadrada:

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Ciclo de trabalho ≈ 80%

Notas:

Esta questão desafia os alunos a aplicar seu conhecimento do ciclo de trabalho a um cenário de medição.

Questão 16

Uma carga DC resistiva recebe energia modulada por largura de pulso (PWM) de um circuito controlador e um osciloscópio mostra a forma de onda da tensão de carga como tal:

Calcule o ciclo de trabalho dessa forma de onda e também a potência média dissipada pela carga, assumindo uma resistência de carga de 1, 8 Ω.

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Ciclo de trabalho ≈ 12, 5%

P média ≈ 250 W

Pergunta de acompanhamento: quais parâmetros de configuração do osciloscópio (sensibilidade vertical, razão de sondagem, acoplamento e base de tempo) são necessários para realizar esses cálculos "notas ocultas"> Notas:

Calcular o ciclo de trabalho deve ser fácil. Calcular a dissipação de energia da carga requer algum pensamento. Se seus alunos não souberem calcular a potência média, sugira este experimento mental: calcular a dissipação de energia a 0% do ciclo de trabalho, a 100% do ciclo de trabalho e a 50% do ciclo de trabalho. A relação entre o ciclo de trabalho e a dissipação de energia média é bastante intuitiva se considerarmos essas condições.

Se uma abordagem mais rigorosa for necessária para satisfazer as consultas dos alunos, talvez você queira fazer outro experimento mental: calcular a energia (em unidades de Joules) fornecida à carga para um ciclo de trabalho de 50%, lembrando que Watts é igual a Joules por segundo. A potência média, então, é calculada dividindo Joules por segundos durante um período de um ou mais ciclos inteiros de forma de onda. A partir disso, a relação linear entre o ciclo de trabalho e a dissipação de energia média deve ser clara.

Questão 17

Uma carga DC resistiva recebe energia modulada por largura de pulso (PWM) de um circuito controlador e um osciloscópio mostra a forma de onda da tensão de carga como tal:

Calcule o ciclo de trabalho desta forma de onda e também a potência média dissipada pela carga, assumindo uma resistência de carga de 10, 3 Ω.

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Ciclo de trabalho ≈ 58, 3%

P média ≈ 80 W

Pergunta de acompanhamento: quais parâmetros de configuração do osciloscópio (sensibilidade vertical, razão de sondagem, acoplamento e base de tempo) são necessários para realizar esses cálculos "notas ocultas"> Notas:

Calcular o ciclo de trabalho deve ser fácil. Calcular a dissipação de energia da carga requer algum pensamento. Se seus alunos não souberem calcular a potência média, sugira este experimento mental: calcular a dissipação de energia a 0% do ciclo de trabalho, a 100% do ciclo de trabalho e a 50% do ciclo de trabalho. A relação entre o ciclo de trabalho e a dissipação de energia média é bastante intuitiva se considerarmos essas condições.

Se uma abordagem mais rigorosa for necessária para satisfazer as consultas dos alunos, talvez você queira fazer outro experimento mental: calcular a energia (em unidades de Joules) fornecida à carga para um ciclo de trabalho de 50%, lembrando que Watts é igual a Joules por segundo. A potência média, então, é calculada dividindo Joules por segundos durante um período de um ou mais ciclos inteiros de forma de onda. A partir disso, a relação linear entre o ciclo de trabalho e a dissipação de energia média deve ser clara.

Questão 18

O circuito oscilador neste diagrama gera uma onda quadrada com um ciclo de trabalho ajustável:

Um aluno deseja usar esse circuito como base para um controlador de potência de modulação por largura de pulso (PWM), para variar a quantidade de energia fornecida a uma carga DC. Como o circuito oscilador é construído para produzir sinais fracos e não fornecer energia diretamente a uma carga, o aluno adiciona um MOSFET de energia para alternar as correntes de carga pesada:

Correlacione o ciclo de trabalho do sinal de saída do oscilador com a potência do motor. Em outras palavras, descreva como os aumentos e diminuições no ciclo de funcionamento do sinal afetam a quantidade de energia fornecida ao motor elétrico.

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Quanto maior o ciclo de trabalho, mais energia será fornecida ao motor.

Pergunta complementar: como você recomenda uma freqüência de oscilador adequada para este circuito de controle do motor "notes hidden"> Notas:

Como revisão, peça a seus alunos que identifiquem que tipo de MOSFET é (tipo de canal e modo de depleção ou aprimoramento) e qual deve ser a amplitude adequada do sinal do oscilador para conduzir o MOSFET alternadamente entre corte e saturação.

Questão 19

Explique por que é importante que o transistor (es) de potência final em um circuito de controle de potência PWM opere em corte total e saturação completa, e não no modo linear (ativo) entre esses dois extremos. O que poderia acontecer se o (s) transistor (es) de potência fossem (em) menos que um corte ou menos que saturados ao transportar corrente de carga?

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A dissipação de energia do transistor aumentará se estiver operando em sua faixa de operação “linear” em vez de estar completamente cortada ou saturada. Isso diminui sua vida útil e a eficiência energética do circuito.

Notas:

Analise com seus alunos o que significa para um transistor estar em “corte” ou em “saturação”, se eles não estão familiarizados com esses termos ou se já passou algum tempo desde que eles estudaram isso. Uma compreensão clara desse conceito é crucial para que eles compreendam a eficiência do controle de potência do PWM.

Questão 20

Se um sinal modulado por largura de pulso (PWM) for enviado a um circuito integrador passivo de um circuito capaz de corrente de fornecimento e dissipação (como é o caso do estágio de saída MOSFET duplo), a saída será uma tensão DC (com alguma ondinha):

Determine a relação entre o ciclo de trabalho do sinal PWM e a saída de tensão CC do integrador. O que isso sugere sobre o PWM como meio de comunicação de informações, como dados analógicos de um dispositivo de medição "# 20"> Revelar resposta Ocultar resposta

Existe uma relação direta-proporcional entre o ciclo de trabalho e a tensão de saída CC neste circuito, possibilitando que um sinal PWM represente dados analógicos.

Pergunta de acompanhamento nº 1: por que é importante que o circuito que gera o sinal PWM para o integrador seja capaz de fornecer corrente de entrada e de corrente?

Pergunta de acompanhamento # 2: o que teria que ser feito para reduzir a voltagem de ondulação na saída do integrador?

Notas:

Embora não deva ser difícil para os alunos discernirem a relação entre o ciclo de trabalho e a voltagem de saída CC, a aplicação desse relacionamento à comunicação de dados pode ser difícil para alguns alunos entenderem, especialmente por conta própria. Mais elaborações de sua parte podem ser necessárias.

Um excelente exemplo desse princípio aplicado é a geração de uma tensão analógica por um circuito digital de 1 bit. Essa técnica é útil em sistemas de microcontroladores em que as portas de saída podem ser escassas, desde que a tensão de oscilação (ou resposta lenta) não seja um problema.

Questão 21

Plote como seria o espectro de frequências para uma onda senoidal pura (sem distorção) de 1 MHz:

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Notas:

Esta questão investiga o conhecimento dos alunos sobre espectros de freqüência e escalas logarítmicas. Note que com uma onda senoidal pura, há apenas um único pico no espectro de freqüência.

Questão 22

Determine o espectro de freqüência para um sinal “portadora” de onda senoidal de alta freqüência que é modulado em amplitude (AM) por um sinal de onda senoidal de áudio-freqüência, como mostra o diagrama de blocos a seguir:

Os espectros para essas respectivas formas de onda são mostrados individualmente:

Plote o espectro do sinal modulado aqui:

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Pergunta de acompanhamento: se o sinal de modulação (áudio) foi aumentado em freqüência, o que os espectros de banda lateral fazem "anotações ocultas"> Notas:

O objetivo dessa pergunta é fazer com que os alunos reconheçam de onde vêm as bandas laterais e como elas se relacionam com o espectro de freqüência da onda portadora modulada em amplitude.

No caso de alguém perguntar, o posicionamento simétrico das bandas laterais ao redor da portadora no espectro da resposta implica em uma escala de frequência linear .

Questão 23

Determine o espectro de freqüência para um sinal “portadora” de onda senoidal de alta freqüência que é modulado em amplitude (AM) por um sinal de freqüência de áudio com um espectro próprio. Os espectros para essas respectivas formas de onda são mostrados individualmente:

Plote o espectro do sinal modulado aqui:

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Notas:

O objetivo desta pergunta é fazer com que os alunos reconheçam de onde vêm as bandas laterais e reconheçam sua simetria sobre o pico da portadora.

No caso de alguém perguntar, o escalonamento igual das bandas laterais em torno da portadora no espectro de respostas implica uma escala de frequência linear .

Questão 24

Uma medida importante das formas de onda de pulso é o ciclo de trabalho . Dê um preciso. definição matemática para este termo.

Além disso, escreva uma solução de equação para largura de pulso, dado o ciclo de serviço (D) e a freqüência (f).

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"Ciclo de trabalho" é uma medida de uma forma de onda de pulso no tempo versus seu tempo total (período):

D = t on


t total

Eu vou deixar você descobrir como escrever uma solução de equação para largura de pulso (t on ) em termos de ciclo de trabalho e frequência.

Notas:

O ciclo de trabalho é um conceito muito importante, pois a informação analógica pode ser transmitida através do ciclo de trabalho variável de uma forma de onda de pulso digital. Discuta esta inscrição com seus alunos, se o tempo permitir.

Questão 25

Determine o ciclo de trabalho deste sinal de onda quadrada:

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Ciclo de trabalho ≈ 38%

Notas:

Esta questão desafia os alunos a aplicar seu conhecimento do ciclo de trabalho a um cenário de medição.

Questão 26

Determine o ciclo de trabalho deste sinal de onda quadrada:

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Ciclo de trabalho ≈ 30%

Notas:

Esta questão desafia os alunos a aplicar seu conhecimento do ciclo de trabalho a um cenário de medição.

Questão 27

Como um motor DC de ímã permanente responderia se o comutador nesse circuito fosse repetidamente fechado e aberto a uma freqüência muito alta ", diz o site www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/01104x01.png ">

Ele giraria a toda velocidade, da mesma forma como se o interruptor estivesse fechado o tempo todo? Rodaria tudo? Explique sua resposta.

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O motor giraria em alguma velocidade menor que a velocidade máxima.

Pergunta complementar: explique como esse princípio geral poderia ser usado para controlar a velocidade de um motor elétrico.

Notas:

Como o circuito nesta questão incorpora um princípio geral de controle de potência, seria bom compará-lo com outras formas de controle de potência. Pergunte aos seus alunos como eles acham que esse método de controle se compara ao de colocar uma resistência variável em série com o motor. O método de "comutação" é mais ou menos eficiente?

Questão 28

Uma carga DC resistiva recebe energia modulada por largura de pulso (PWM) de um circuito controlador e um osciloscópio mostra a forma de onda da tensão de carga como tal:

Calcule o ciclo de trabalho dessa forma de onda e também a potência média dissipada pela carga, assumindo uma resistência de carga de 2, 5 Ω.

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Ciclo de trabalho ≈ 42%

P média ≈ 1, 5 W

Pergunta de acompanhamento: quais parâmetros de configuração do osciloscópio (sensibilidade vertical, razão de sondagem, acoplamento e base de tempo) são necessários para realizar esses cálculos "notas ocultas"> Notas:

Calcular o ciclo de trabalho deve ser fácil. Calcular a dissipação de energia da carga requer algum pensamento. Se seus alunos não souberem calcular a potência média, sugira este experimento mental: calcular a dissipação de energia a 0% do ciclo de trabalho, a 100% do ciclo de trabalho e a 50% do ciclo de trabalho. A relação entre o ciclo de trabalho e a dissipação de energia média é bastante intuitiva se considerarmos essas condições.

Se uma abordagem mais rigorosa for necessária para satisfazer as consultas dos alunos, talvez você queira fazer outro experimento mental: calcular a energia (em unidades de Joules) fornecida à carga para um ciclo de trabalho de 50%, lembrando que Watts é igual a Joules por segundo. A potência média, então, é calculada dividindo Joules por segundos durante um período de um ou mais ciclos inteiros de forma de onda. A partir disso, a relação linear entre o ciclo de trabalho e a dissipação de energia média deve ser clara.

Questão 29

Uma carga DC resistiva recebe energia modulada por largura de pulso (PWM) de um circuito controlador e um osciloscópio mostra a forma de onda da tensão de carga como tal:

Calcule o ciclo de trabalho dessa forma de onda e também a potência média dissipada pela carga, assumindo uma resistência de carga de 40, 7 Ω.

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Ciclo de trabalho ≈ 71, 4%

P média ≈ 344 W

Pergunta de acompanhamento: quais parâmetros de configuração do osciloscópio (sensibilidade vertical, razão de sondagem, acoplamento e base de tempo) são necessários para realizar esses cálculos "notas ocultas"> Notas:

Calcular o ciclo de trabalho deve ser fácil. Calcular a dissipação de energia da carga requer algum pensamento. Se seus alunos não souberem calcular a potência média, sugira este experimento mental: calcular a dissipação de energia a 0% do ciclo de trabalho, a 100% do ciclo de trabalho e a 50% do ciclo de trabalho. A relação entre o ciclo de trabalho e a dissipação de energia média é bastante intuitiva se considerarmos essas condições.

Se uma abordagem mais rigorosa for necessária para satisfazer as consultas dos alunos, talvez você queira fazer outro experimento mental: calcular a energia (em unidades de Joules) fornecida à carga para um ciclo de trabalho de 50%, lembrando que Watts é igual a Joules por segundo. A potência média, então, é calculada dividindo Joules por segundos durante um período de um ou mais ciclos inteiros de forma de onda. A partir disso, a relação linear entre o ciclo de trabalho e a dissipação de energia média deve ser clara.

Questão 30

Como o controle de potência da modulação por largura de pulso é semelhante à forma de controle exercida pelos TRIACs e SCRs nos circuitos de energia CA? Como isso difere?

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Como no PWM, os circuitos de controle de energia CA usando dispositivos TRIAC e SCR modulam a energia controlando a quantidade de tempo que a carga recebe energia da fonte.

Notas:

Discuta com seus alunos as semelhanças e diferenças entre essas duas formas de controle de poder baseado no tempo. Obviamente, o PWM é mais sofisticado que os esquemas de controle SCR e TRIAC naturalmente comutados, mas também é mais complexo e, portanto, possivelmente mais propenso a falhas.

Questão 31

A modulação por densidade de pulso (PDM) está intimamente relacionada à modulação por largura de pulso (PWM). Descreva as semelhanças e diferenças em suas próprias palavras.

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O PWM é um formato de modulação verdadeiramente analógico, onde o PDM é verdadeiramente digital. Em outras palavras, a resolução do PWM é infinita, enquanto a resolução do PDM é finita.

Notas:

Deve-se notar que ou a corrente de pulso pode ser convertida em uma voltagem analógica por filtragem de baixa passagem, o que torna ambos os formatos de modulação muito úteis.

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