Universidade do Estado do Amazonas – UEA
Escola Superior de Tecnologia – EST
Curso de Engenharia Elétrica – CEE
Prof. Me. Eng. Weverson Cirino
2° Semestre de 2022 - Março de 2023
Oscilador Senoidal 60 Hz em Ponte de Wien para Inversores De Onda Senoidal
Pura (SPWM)
Diego Rol Melquiades*. Kennedy Dantas de Abreu.*
Weverson dos Santos Cirino **
*Universidade do Estado do Amazonas (UEA) CEP 69050-020 – Manaus -AM,
Brasil (Tel: +55-92 99346-7773; e-mail: drm.eg21@uea.edu.br).
** Universidade do Estado do Amazonas (UEA) CEP 69050-020 – Manaus -AM,
Brasil (e-mail: wdsantos@uea.edu.br)
Abstract: In this work, a 60 Hz Wien bridge sine oscillator is studied and developed for pure sine wave
inverters to be used in photovoltaic energy installations in order to avoid possible damage or noise to
sensitive residential appliances. Initially, the operation of the alternating signal and its main concepts are
studied, with great emphasis on the sinusoidal waveform addressed in the project. The operation of the
Wien bridge oscillator is analyzed, such as its use and its diagram, including the behavior of the components
in the frequency domain. The circuit board is simulated and developed with the appropriate functionalities
for the project, obtaining a sine oscillator in Wien bridge.
Resumo: Neste trabalho é estudado e desenvolvido um Oscilador Senoidal 60 Hz em ponte de Wien para
inversores de onda senoidal pura para serem empregados em instalações de energia fotovoltaica com o
objetivo de evitar possíveis danos ou ruídos para aparelhos residenciais sensíveis. Inicialmente é estudado
o funcionamento do sinal alternado e seus principais conceitos, com grande ênfase na forma de onda
senoidal abordada no projeto. É analisado o funcionamento do oscilador em ponte de Wien, tais como sua
utilização e seu diagrama, incluindo o comportamento dos componentes no domínio da frequência. É
simulado e desenvolvido o placa de circuito com as funcionalidades adequadas para o projeto, obtendo-se
um oscilador senoidal em ponte de Wien.
Keywords: Wien bridge oscillator; Sine wave; Amplifier; Feedback circuit; Frequency.
Palavras-chaves: Oscilador em ponte de Wien; Onda senoidal; Amplificador; Circuito de realimentação;
Frequência.
1. INTRODUÇÃO
Segundo a Raisa Componentes Eletrônicos (2023), um dos
métodos mais utilizados para geração de uma onda senoidal
com um amplificador operacional é usar a configuração de
ponte de Wien, onde apresenta um bom desempenho no geral.
O mesmo utiliza componentes de simples utilização, sendo
eles: resistores, amplificador operacional, diodos, capacitores
e um trimpot.
Desta forma, propôs-se estudar e desenvolver um oscilador
senoidal de 60Hz em ponte de Wien de baixo custo, utilizado
em projetos de inversores que utilizam SPWM, ou seja,
inversores com saída de onda senoidal pura empregados em
instalações de energia fotovoltaica, onde poderá ser ligado os
equipamentos mais sensíveis, como TVs, Computadores,
Impressoras, entre outros, sem preocupação com possíveis
danos ou ruídos, com o intuito de apontar uma solução mais
eficiente e simples em projetos de energia solar residencial.
2. SINAL ALTERNADO
Um sinal alternado é aquele que muda de polaridade
periodicamente e varia sua intensidade no tempo, Fig. 1. A
forma de onda alternada mais importante é a senoidal porque
as concessionárias de energia utilizam essa forma para
transmitir a energia gerada para os consumidores. Outros
exemplos de forma de sinal alternado são: quadrada, triangular
e dente de serra, (E- tec Brasil, 2011).
Fig. 1: Sinal alternado de uma tomada residencial de 110 V.
O sinal senoidal apresenta algumas características como
período, frequência, amplitude, valor instantâneo, valor eficaz
e valor médio. O Período é o tempo que a onda necessita para
completar um ciclo completo. Um ciclo completo é igual ao
comprimento da onda. O ciclo completo é composto por dois
semiciclos, um positivo e outro negativo, Fig. 1. O ciclo
completo tem 360°, ou seja, 2π radianos. A frequência de um
sinal é dada pelo inverso do período, ou seja, é a quantidade de
ciclos completos em 1 segundo. A unidade de medida da
frequência é o Hertz (Hz) e a grandeza é representada pela letra
f. Quanto menor for o período da onda, maior será a frequência
dela. A A amplitude de uma onda é dada pelo valor máximo:
[A = 110 V]. A amplitude de uma onda senoidal é também
denominada de Valor de pico (Vp) dado em RMS. O valor de
pico é igual à metade do valor pico a pico (Vpp), podemos
visualizar na Fig. 2: [Vpp = 2 x Vp].
Realimentação Positiva
Circuito Amplificador
Fig. 2: Valor de pico e de pico a pico.
Valor eficaz (Vrms) é a intensidade do sinal senoidal que
desenvolve, em uma resistência, o mesmo efeito de
aquecimento que um sinal contínuo de mesmo valor. O valor
eficaz (Vrms) é igual ao valor de pico dividido pela raiz de 2:
[Vrms = Vp/√2].
3. PONTE DE WIEN
O circuito de ponte básico foi usado em muitas aplicações,
incluindo a medição do valor de capacitores, onde resistores
variáveis e um capacitor conhecido podem ser usados para
determinar o valor de um capacitor, normalmente C1. Para o
melhor entendimento, do circuito analisamos do ponto de vista
qualitativo, isso ajuda a explicar a operação real do circuito
(Fig. 3) dando uma compreensão de como ele funciona.
Fig. 4: Diagrama Elétrico do Circuito do Oscilador Senoidal
em Ponte de Wien.
De acordo com Bairros PD (2023), neste tipo de circuito
oscilador, a oscilação tem o início com um sinal, o mesmo se
dá com um sinal bem pequeno, ou seja, um ruído elétrico. Este
ruído vai ser amplificado e ao chegar na saída parte é desviado
para a entrada, isto é chamado de realimentação. Este ruído
passa pelas resistências R1 (12KΩ) e R2 (12KΩ) e os
capacitores C1 (220nF) e C2 (220nF). Este sinal é sintonizado
em 60Hz. Após isso, somente uma frequência chega à entrada
[+] do amplificador operacional, esta entrada soma o sinal
realimentado ao sinal do ruído sendo amplificados juntos.
Quando o sinal de 60Hz assume a amplitude máxima, se
continuar sendo amplificado, a onda será distorcida e o
oscilador pode até deixar de oscilar. Neste ponto entra um
circuito fundamental neste tipo de amplificador, o circuito
composto pelos diodos (1N4007) D1 e D2 e a resistência R5
(10KΩ). Quando os diodos passam a conduzir colocam em
curto a resistência R5 diminuindo o ganho, e a amplitude do
sinal na saída diminui junto. Assim, a oscilação senoidal na
saída fica estabilizada e os diodos no circuito estabilizam o
sinal, mas cobram uma leve distorção. O trimpote RV1 fica
responsável por corrigir os erros das perdas dos componentes,
ajudando a melhorar a forma de onda na saída do circuito, Fig.
5 (Bairros PD, 2023).
Fig. 3: Ponte de Wien RC.
4. RESULTADOS
O circuito prático (Fig. 4) será responsável de gerar a senoide
de 60Hz para o circuito do SPWM, o mesmo é projetado para
funcionar em 12V DC. O circuito pode ser dividido em duas
partes (linha em vermelho), o circuito com realimentação
positiva e o circuito amplificador.
Na entrada do sinal, foi implementado dois resistores RA
(220Ω) e RB (220Ω), formando um divisor de tensão com o
objetivo de diminuir a tensão de entrada de 12V para 6V para
injetar no amplificador operacional TL082.
Fig. 5: Distorção na forma de onda do oscilador.
O amplificador operacional tem por finalidade a amplificação
do sinal obtido por parte do sinal obtido na saída. Na saída, é
obtido um valor em RMS assim como é fornecido a uma rede
residencial padrão.
A frequência de oscilação é dada pela equação abaixo (1).
Notar que os valores de R1 e R2 devem ser iguais ao valor de
R da equação. O mesmo ocorre para os valores dos capacitores
C1 e C2 que devem ser iguais ao C da equação.
𝑓=
1
2𝜋𝑅𝐶
(1)
Para que a oscilação se mantenha o ganho teórico do
amplificador deve ser igual a 3, como o sinal realimentado está
entrando na entrada [+] do amplificador operacional, este é um
amplificador não inversor. O Trimpot deve ser ajustado para
compensar os erros nos valores dos componentes.
No teste final da placa, temos como resultado a frequência de
60,44 ± 1 Hz com a forma de onda senoidal pretendida.
Fig. 8: Forma de onda corrigida com o trimpote.
6. CONCLUSÃO
Fig. 6: Onda senoidal na saída.
Por limitações de equipamentos em laboratório, foi feita a
simulação dos resultados esperados pelo circuito no Software
Multisim 14, onde podemos observar claramente as distorções
corrigidas pelo Trimpote na saída do circuito, (Fig. 7 e 8).
Neste artigo, foi desenvolvido um oscilador senoidal 60 Hz em
ponte de Wien para inversores de onda senoidal pura para
serem empregados em instalações de energia fotovoltaica. Foi
analisado o funcionamento do oscilador em ponte de Wien,
tais como sua utilização e seu diagrama. Houve a simulação e
desenvolvimento de uma placa de circuito com as
funcionalidades adequadas para o projeto.
Foi possível observar que o projeto estabelece grande
importância quanto a funcionalidade de aparelhos que
necessitam de uma forma de onda estável para o seu
funcionamento, melhorando a vida útil dos equipamentos e
somando conhecimento no ramo tecnológico.
AGRADECIMENTOS
A todos aqueles que contribuíram, de alguma forma, para a
realização deste trabalho, como os professores e colegas do
curso.
REFERÊNCIAS
Bairros PD. Gerando Senoide para O SPWM: Oscilador em
Ponte de Wien, 2023.
SANTOS, K. V. Fundamentos de Eletricidade. Curso Técnico
em Manutenção e Suporte em Informática - CETAM/AM –
2011.
RAISA PRODUTOS ELETRÔNICOS. Oscilador Gerador de
Onda Senoidal em Ponte Wien, 2023.
Fig. 7: Distorção de sinal causada pelo Trimpote.
Apêndice A. Layout das Trilhas na camada de cobre e do
topo da Placa PCB.
Apêndice B. Layout 3D da Placa PCB.
Apêndice C. Confecção da Placa PCB Ponte de Wien.