Minicurso De Instrumentação

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NUPEDEE M i n i c u r s o d e I n s t r u m e n t a ç ã o http://www.ufsm.br/pet-ee http://www.ufsm.br/nupedee Programa de Educação Tutorial - Engenharia Elétrica Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento em Engenharia Elétrica Universidade Federal de Santa Maria Santa Maria, Setembro de 2009 Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento em Engenharia Elétrica Programa de Educação Tutorial Engenharia Elétrica Apostila do Minicurso de Instrumentação Autores: Bruno Fontana da Silva Dimas Irion Jeferson Fraytag Rafael Franciosi Petersen Apoio: Eng. Luiz Fernando Guarenti Martins Revisão 1, 8 de setembro de 2009. Sumário 1 Prefácio 1.1 O Minicurso de Instrumentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Programa de Educação Tutorial - Engenharia Elétrica . . . . . . . . . . 2 Introdução 2.1 Segurança no Laboratório . . . . 2.1.1 Cuidados e Riscos . . . . 2.1.2 Choque Elétrico . . . . . 2.2 Conceitos Básicos de Eletricidade 2.3 AC/DC . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Digital × Analógico . . . . . . . 2.5 Procedimentos de Montagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Equipamentos Básicos de Laboratório 3.1 Fonte de Tensão . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Descrição da Inteface . . . . . . 3.1.2 Modo de Operação . . . . . . . 3.1.3 Tipos de Ligação da Fonte Dupla 3.2 Multímetro Digital . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Descrição da Interface . . . . . . 3.2.2 Modo de Operação Geral . . . . 3.2.3 Medição de Temperatura . . . . 3.3 Exemplo 1 - Divisor Resistivo . . . . . . 3.3.1 Roteiro: . . . . . . . . . . . . . 3.4 Exemplo 2 - Fonte Simétrica . . . . . . . 3.4.1 Roteiro: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Instrumentação para Teste e Análise 4.1 Osciloscópio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Bloco A: Botões de Opções . . . . . . . . 4.1.2 Bloco B: Menu e Botões de Controle . . . 4.1.3 Bloco C: Controles Verticais . . . . . . . . 4.1.4 Bloco D: Controles Horizontais . . . . . . 4.1.5 Bloco E: Controles de Trigger . . . . . . . 4.1.6 Bloco F: USB Flash Drive e botão PRINT 4.1.7 Bloco G: Probe Comp . . . . . . . . . . . 4.2 Gerador de Funções . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Interface do Gerador . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Modo de Operação . . . . . . . . . . . . 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 3 . . . . . . . 4 . 4 . 4 . 5 . 7 . 8 . 9 . 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 11 12 12 13 15 15 16 17 17 17 18 18 . . . . . . . . . . . 19 19 19 20 20 21 21 21 21 22 22 23 . . . . . . . . . . . 4.3 4.4 4.5 Exemplo 1 - Circuito Inversor . . . . 4.3.1 Roteiro: . . . . . . . . . . . Exemplo 2 - Comparador de Tensão e 4.4.1 Roteiro: . . . . . . . . . . . Exemplo 3 - Resposta do Circuito RC 4.5.1 Roteiro: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 24 25 25 27 27 5 Instrumentos Analógicos de Medição 5.1 Visões Gerais de um Instrumento Analógico 5.2 Simbologia . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Voltímetro . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Amperímetro . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 Wattímetro . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6 Exemplo - Lâmpadas Incadescentes . . . . 5.6.1 Roteiro: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 29 30 31 31 31 32 33 6 Outros Equipamentos 6.1 Frequencímetro . . . . . . . . . . . 6.2 Tacômetro . . . . . . . . . . . . . 6.3 Exemplo - Medições em um motor 6.3.1 Roteiro: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 35 35 36 37 . . . . . . . . . . . . . . . . A Valor RMS 38 Referências Bibliográficas 40 2 1 Prefácio 1.1 O Minicurso de Instrumentação Esta apostila foi elaborada pelo grupo do Programa de Educação Tutorial em Engenharia Elétrica (PET-EE) da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) e sua documentação é de distribuição livre para qualquer pessoa que obter acesso a mesma, podendo ser editada, modificada e redistribuída da forma que o usuário bem entender. O Minicurso de Instrumentação é uma atividade promovida pelo PET-EE da UFSM com apoio do Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento em Engenharia Elétrica (NUPEDEE). Tem-se como objetivo principal oferecer aos alunos mais novos do curso de Engenharia Elétrica um primeiro contato com os laboratórios e equipamentos do NUPEDEE, além de prepará-los e motivá-los para futuras disciplinas que envolvem aulas práticas e habilidades na operação dos equipamentos de laboratório. A apostila serve de base para qualquer indivíduo vinculado ao curso de Engenharia Elétrica e fornece um guia de introdução à operação e roteiro de referência rápida dos equipamentos e instrumentos dos laboratórios do NUPEDEE. 1.2 Programa de Educação Tutorial - Engenharia Elétrica O Programa de Educação Tutorial (PET) foi criado para apoiar atividades acadêmicas que integram ensino, pesquisa e extensão. Formado por grupos tutoriais de aprendizagem, o PET propicia aos alunos participantes, sob a orientação de um tutor, a realização de atividades extracurriculares que complementem a formação acadêmica do estudante e atendam às necessidades do próprio curso de graduação. O PET-EE da UFSM é um grupo que consiste de doze alunos bolsistas, seis nãobolsistas e vários voluntários de diversos semestres do curso, orientados por um professor tutor. O programa busca propiciar aos alunos condições para a realização de atividades extracurriculares que favoreçam a sua formação acadêmica tanto para a integração no mercado de trabalho como para o desenvolvimento de estudos em programas de pósgraduação. São características básicas do PET a formação acadêmica ampla, a interdisciplinaridade, a atuação coletiva, a interação contínua do grupo com os corpos docente e discente de graduação e pós-graduação, além do planejamento e execução de um conjunto diversificado de atividades como: leituras e seminários, grupos de estudo, organização palestras, elaboração e desenvolvimento de projetos de pesquisa, estudo de, pelo menos, um idioma estrangeiro, entre outros. Essas características tornam o PET um programa abrangente, pois os petianos desenvolvem atividades de ensino, pesquisa e extensão durante sua permanência no grupo. 3 2 Introdução Este capítulo tem como objetivo descrever algumas noções básicas de segurança e eletricidade para usuários dos laboratórios do NUPEDEE que não possuem experiência em práticas e montagens experimentais em laboratório. 2.1 Segurança no Laboratório De acordo com o Artigo 3◦ da Declaração Universal dos Direitos Humanos [1], “Todo indivíduo tem direito à vida, à liberdade e à segurança pessoal”. Esse artigo demonstra a preocupação do ser humano com a preservação da vida. Uma forma importante de preservá-la é preocupar-se com a segurança do ambiente onde você trabalha ou estuda. Em nosso caso, os laboratórios do NUPEDEE constantemente nos expõe à riscos relacionados a eletricidade que podem variar de pequenos acidentes (como curto-circuito em circuitos eletrônicos de protoboards) à grandes perigos à integridade física do usuário (ex.: curto-circuito em sistemas de maior porte, como acionamento de motores com contatoras). Outro fator de risco que está sempre presente é o choque elétrico. Muitas vezes ignoramos o perigo deste efeito nos laboratórios, por diversos motivos que variam desde excesso de confiança, experiência de trabalho, falta de conhecimento ou pela banalidade da situação (tomadas de 220 V estão presentes na sua casa, nos laboratórios de engenharia e em grandes usinas hidrelétricas, como a Itaipu). Porém, devemos sempre estar conscientes dos riscos de choque elétrico e garantir nossa segurança (e das pessoas ao redor) adotando os procedimentos corretos e adequados na operação de equipamentos e instalações elétricas, tanto em laboratório quanto em casa, na indústria ou qualquer outro lugar. As seções a seguir trazem algumas orientações gerais para manter a segurança nos laboratórios durante aulas práticas ou montagens de circuitos experimentais. 2.1.1 Cuidados e Riscos Algumas orientações para segurança nos laboratórios: Orientações Gerais • Dentro do laboratório e principalmente durante a realização de montagens e experimentos: mantenha-se concentrado. • Conheça o laboratório: saiba onde estão os quadros e chaves de alimentação e outros dispositivos de proteção. 4 • Evite trabalhar sozinho. Em trabalhos em grupo, colabore com seus colegas. • Não brinque no laboratório. Cuidados com Equipamentos • Em caso de dúvida sobre a operação, consulte o manual ou documento de referência do equipamento. • Lembre-se: você não é dono dos equipamentos do laboratório. Eles são Patrimônio da UFSM. • Cuide dos equipamentos. Assim como você, outros terão o privilégio de utilizá-los. • Verifique as especificações técnicas do equipamento antes de utilizá-lo (tensão de alimentação, escalas de operação, potência, etc.). Regras do NUPEDEE • NÃO danifique qualquer tipo de equipamento, documentação ou acessório dos laboratórios. • NÃO retire ou troque ponteiras de medição dos equipamentos/instrumentos. – Essa medida evita possiveis problemas de “mal contato” entre a ponteira e o borne de conexão com o instrumento, além de não danificá-lo. – Em caso de suspeita de mal funcionamento de um equipamento, comunique algum funcionário do laboratório. • NÃO retire nem troque qualquer equipamento dos laboratórios. Caso seja necessário retirar algum equipamento do respectivo laboratório, solicite a um funcionário do NUPEDEE. • Após o término da experiência, favor recolocar fios e componentes utilizados nas caixinhas de madeira. • Deixe a sala limpa e organizada ao sair. 2.1.2 Choque Elétrico Entre 1992 e 1998, nos Estados Unidos, 2.287 trabalhadores morreram e 32.807 trabalhadores sofreram acidentes não-letais devido a choques elétricos e queimaduras provocadas consequentes desses choques [2]. O dado anterior mostra que não podemos ignorar os riscos de choque elétrico. Para que possamos utilizar instalações e equipamentos elétricos com segurança, devemos entender os efeitos e causas do choque elétrico, além de medidas preventivas contra o mesmo. O choque elétrico ocorre devido à dada passagem da corrente elétrica pelo corpo humano. É necessário que haja um valor de tensão alto o suficiente para causar a passagem de um valor mínimo de corrente através do nosso corpo. Porém, o fator decisivo nos danos causados pelo choque serão os efeitos da corrente. 5 Quantidade de Corrente Em geral, a resistência do corpo ao choque é minima (de um ponto de contato nas mãos aos pés, usando calçados secos, varia de 150 a 600 kΩ). Mesmo em contato com circuitos padrões de 110/220 Volts pode ser letal em certas circunstâncias. Abaixo segue uma tabela com valores de corrente e os efeitos do choque elétrico no corpo humano [3]. Tabela 2.1: Efeitos da corrente elétrica no corpo humano Corrente (mA) Efeitos da corrente (60 Hz) circulando através do corpo 1 ou menor Talvez não seja perceptível - Valor máximo inofensivo 1 até 8 Sensação moderada de choque (can let go at will [3]) 8 até 15 Choque doloroso, contração dos músculos 15 até 20 Choque doloroso 20 até 75 Dor intensa, pode paralizar a respiração 100 até 200 Fibrilação ventricular; retém a vitíma inconsciente ao circuito, pode ser fatal 200 ou maior Coração pára, músculos contraem intensamente e pode quebrar ossos, queimaduras graves, pára respiração Fator Tempo Outro fator agravante é o tempo de permanência sob efeito do choque elétrico. Quanto maior o tempo, maiores os danos. A temperatura do corpo pode aumentar e possivelmente danificar tecidos, ossos e órgãos. Evitando Acidentes Sempre tome cuidado ao trabalhar com eletricidade. Sempre evite manusear com circuitos energizados. Para se ter uma idéia da importância da isolação de circuitos para manutenção, a Norma Regulamentadora n◦ 10 [4], que trata da “Segurança em instalações e serviços em eletricidade”, diz que uma instalação elétrica só pode ser considerado desenergizado após os seguintes procedimentoes, na devida ordem, terem sido realizados: 1. seccionamento; 2. impedimento de reenergização; 3. constatação da ausência de tensão; 4. instalação de aterramento temporário com equipotencialização dos condutores dos circuitos; 5. proteção dos elementos energizados existentes na zona controlada; 6. instalação da sinalização de impedimento de reenergização. Além disso, tome cuidado durante montagens para não tocar em partes energizadas de circuitos. 6 Figura 2.1: Contato com diferentes potenciais em um circuito. 2.2 Conceitos Básicos de Eletricidade Tensão ou diferença de potencial (d.d.p.) Tensão ou d.d.p. é definida como o trabalho (ou energia potencial) realizado, por unidade de carga, pelo campo elétrico sobre uma carga de prova que se move de um ponto a até um ponto b [5]. Matematicamente, podemos descrever da seguinte maneira: d.d.p. = V = Va − Vb . Podemos interpretar tensão, de uma forma mais prática, como a força disponível para movimentar os elétrons através de um caminho. Essa interpretação é importante quando relacionarmos tensão e corrente. A unidade de tensão no sistema internacional (SI) é Volt (V ). Corrente Elétrica Corrente elétrica é definida como a taxa de fluxo de carga elétrica através de uma . seção [5]. Podemos descrever matematicamente a corrente como sendo: i = ∆Q ∆t Em um circuito elétrico, interpretaremos a corrente como um fluxo de elétrons circulando em um percurso fechado e impulsionado por uma diferença de potencial. A unidade de corrente elétrica no SI é Ampére (A). Resistência Elétrica e a Lei de Ohm Se submetermos uma barra de madeira a uma diferença de potencial e após submetermos uma barra de cobre com as mesmas dimensões à mesma diferença de potencial, observaremos que as correntes elétricas resultantes serão muito diferentes. Isso se dá ao fato de cada material apresentar uma característica própria denominada resistividade (ρ), a qual combinada com suas características geométricas nos trás o conceito de resistência elétrica. A resistência elétrica é interpretada como a dificuldade que um material oferece à passagem da corrente elétrica. Sua unidade é dada em Ohms (Ω), que por sua vez é 7 definido como Ω = VA . A resistência elétrica pode ser equacionada da seguinte maneira: R=ρ L A (2.1) onde L é o comprimento e A a área do material em questão. Como podemos ver, a resistência está relacionada com as características geométricas do material. Os conceitos anteriores nos levam intuitivamente à formulação da Lei de Ohm, que é dada pela sequinte equação: V i= (2.2) R A Lei de Ohm relaciona corrente, tensão e resistência. Ela nos mostra que a corrente elétrica é diretamente proporcional à tensão aplicada entre dois pontos e a resistência equivalente do caminho entre esses pontos. Potência Potência, em circuitos elétricos, pode ser definida como a taxa de transferência de energia para um determinado dispositivo [6]. Uma equação que se aplica a todas as espécies de transferência de energia elétrica é dada por: P =Vi (2.3) Especificamente para a transferência de energia potencial elétrica em energia térmica em um resistor, podemos combinar as equações (2.2) e (2.3), resultando nas seguintes fórmulas: V2 (2.4) P = Ri2 = R A unidade de potência no SI é Watt (W ). Capacitância É a capacidade de um dispositivo de armazenar energia na forma de campo elétrico. Indutância É a capacidade de um dispositivo de armazenar energia na forma de campo magnético. 2.3 AC/DC Em engenharia elétrica constantemente iremos nos deparar com os conceitos de corrente contínua e corrente alternada, mesmo antes de estudá-los formalmente. De fato, antes mesmo da engenharia, você já teve contato com ambos os tipos de eletricidade, mesmo sem saber. DC (Direct Current) é um acrônimo norte-americano para corrente contínua (CC), bem como AC (Alterning Current) é traduzido como corrente alternada (CA). Os conceitos de CC e CA são bastante simples, embora, em geral, inicialmente se estude ambos separadamente, devido à vasta teoria e aplicação de ambos os casos na eletricidade. Corrente contínua é definida como corrente elétrica unidirecional, que circula apenas em um sentido, mantendo polaridade e direção constantes ao longo do tempo. 8 Corrente alterada é definida como corrente elétrica bidirecional, que muda (geralmente de forma periódica) o sentido de circulação, variando sua polaridade e direção ao longo do tempo. Tome cuidado para não confundir DC e frequência nula. Uma corrente de valor constante ao longo do tempo de fato tem frequência nula e é contínua. Porém, uma corrente contínua não necessariamente tem frequência nula, uma vez que pode não ter valor constante (ex.: sinais retificados sem filtro). Figura 2.2: Circuito puramente resistivo com fontes CC e CA, respectivamente. 2.4 Digital × Analógico Para entender a evolução tecnológica que envolve equipamentos analógicos e digitais, precisamos entender a essência que os classifica: sinais analógicos e sinais digitais. A literatura trás vários conceitos sobre essa classificação, mas vamos tentar entender a definição básica por trás das definições de digital e analógico. Um sinal analógico refere-se à um sinal contínuo no tempo. Isso significa que qualquer mudança na variável do sinal de interesse em relação ao tempo possui uma variação quantitativa correspondente (que pode ser outro sinal variante no tempo). Um amperímetro analógico, por exemplo, varia a posição de uma ponteira de um painel ao longo de uma escala graduada com a variação da intensidade de corrente medida. Um sinal digital por sua vez refere-se à um sinal quantificado na forma de bit ou, normalmente, combinações de bits. Diferente do sinal analógico, as variações entre o sinal de interesse o e sinal obtido digitalmente são discretas. Isso significa que existe uma precisão máxima que o sinal digital consegue representar o sinal verdadeiro, geralmente dadas pela resolução do dispostivo utilizado. Não existe um único critério para julgar equipamentos analógicos ou digitais. Cada tipo de equipamento tem suas vantagens e desvantagens para uma dada aplicação e um determinado objetivo. Através da conversão analógico-digital (Analog-Digital Conversion, ADC) um vasto conjunto de possibilidades se abriu no estudo de processsamento de sinais. Na hora de escolher a tecnologia, é sempre necessário avaliar as possibilidades e escolher a melhor alternativa de acordo com o objetivo, contexto e aplicação desejada. Figura 2.3: Composição de um sinal a partir da sua discretização. 9 2.5 Procedimentos de Montagem Estas são algumas dicas para você utilizar quando estiver executando a montagem e teste de algum experimento. • Nenhuma ligação deve ser realizada com o circuito energizado. • Tenha sempre em mãos um diagrama do circuito que está sendo montado. • Revise o circuito antes de energizá-lo (trabalhe em grupo para evitar erros). • Quando necessário, consulte algum professor ou monitor antes de realizar alguma ligação. • Tome cuidado: alguns instrumentos só podem ser utilizados em DC e outros somente em AC. • Cuide as escalas dos equipamentos: – Ao energizar um circuito pela primeira vez (ou um circuito desconhecido qualquer), por medida de segurança, mantenha todos os instrumentos na maior escala disponível. – Exatidão das leituras: por exemplo, para fazer a leitura de 5 A, utiliza-se uma escala de 0 a 6 A, não uma escala de 0 a 50 A (usar a escala errada pode aumentar o erro da leitura). • Voltímetros sempre são conectados em paralelo com os terminais de medição. • Amperímetros sempre são conectados em série no ramo de medição. • Ao trabalhar com o Multímetro, tome muito cuidado quando trocar o modo de operação para Amperímetro/Voltímetro. Não faça ligações erradas nesses modos e não esqueça de verificar se as ponteiras do multímetro estão corretamente conectadas para o modo de operação desejado. • Ao trabalhar com osciloscópio, sempre verifique: – Se a atenuação das sondas de tensão está corretamente configurada no menu do respectivo canal. – Se o tipo de acoplamento do canal está adequado à medição desejada. 10 3 Equipamentos Básicos de Laboratório 3.1 Fonte de Tensão Uma fonte de tensão fornece potência para (“alimenta”) um determinado circuito. As fontes reguladas possuem ajuste de tensão e limite de corrente, dentro de determinadas faixas de acordo com a especificação do equipamento. Esta seção descreverá algumas das principais funcionalidades da fonte dupla disponível no NUPEDEE (modelo ICEL Manaus PS-6000 ). Para obter outras informações e abordagens mais detalhadas, consulte o manual de referência do equipamento [8]. A figura abaixo (3.1) mostra a interface da fonte com algumas legendas referentes à descrição das funcionalidades dos botões e displays. Figura 3.1: Fonte de Tensão ICEL Manaus PS-6000 11 3.1.1 Descrição da Inteface [1] Botão Power Chave para ligar e desligar a fonte de tensão. [2] Potenciômetro de ajuste de corrente Ajuste dos níveis de corrente fornecidos na saída variável que pode ser de 0 a 6 A. [3] Potenciômetro de ajuste de tensão Ajuste dos níveis de tensão fornecidos na saída variável que pode ser de 0 a 30 V. [4] Saída ajustável (Neg/GND/Pos) Terminais de saída de corrente e tensão da fonte. São identificados a partir de cores distintas e de símbolos gráficos (Preto Terminal negativo, Verde - Aterramento ou GND, Vermelho - Terminal positivo). [5] Seletor do modo de operação Consiste em uma chave seletora referente aos modos em que a fonte será operada. Classificam-se em modo de operação independente, onde cada uma das duas fontes é completamente independente uma da outra; modo paralelo, onde os terminais de ambas as fontes são interligados paralelamente (isso proporciona uma corrente máxima de até 12 A nos terminais de saída); e modo série, onde o terminal positivo de uma fonte é curto-circuitado com o terminal negativo da outra (esta operação é utilizada como fonte simétrica). [6] Saída fixa de 5 V Saída independente e sem possibilidade de ajuste. Mantém uma saída de 5 V com uma corrente máxima de 3 A. [7] Leds indicadores Mostram ao operador o comportamento da fonte, que pode ser como fonte de tensão ou fonte de corrente. [8] Indicação de Tensão Display numérico que indica os valores de tensão obtidos na saída ajustável da fonte a partir da variação do potenciômetro de tensão. [9] Indicação de Corrente Display numérico que indica os valores de corrente obtidos na saída ajustável da fonte a partir da variação do potenciômetro de corrente. 3.1.2 Modo de Operação Guia rápido para operação da fonte: • Ligue a fonte de tensão com o Botão Power; • Ajuste os níveis de tensão e corrente desejados a partir dos potenciômetros correspondentes. Para visualizar os valores de corrente, deve-se curto-circuitar os terminais Positivo (+) e Negativo (-) da fonte; • Volte o potenciômetro de tensão até a posição mínima (totalmente no sentido anti-horário) e remova o curto-circuito; • Introduza os terminais da saída ajustável (+ e -) da fonte no circuito a ser alimentado; • Ajuste o potenciômetro de tensão ao nível desejado na saída para o circuito entrar em funcionamento. 12 Observações importantes: • Certifique-se que a tensão de entrada da fonte esteja selecionada de acordo com a tensão da rede elétrica na qual ela será ligada; • Cada uma das fontes ajustáveis tem seus próprios medidores digitais, que permitem exibir a corrente e a tensão de saída ao mesmo tempo; • A fonte possui proteção contra curto-circuito das saídas e inversão de polaridade; • Isolação entre chassis e os terminais de saída: 1000 VDC . 3.1.3 Tipos de Ligação da Fonte Dupla Por ser uma fonte dupla com dois controles independentes, essa fonte permite que dois grupos a utilizem na mesma bancada. Porém, é possivel utilizar as duas saídas independentes e realizar ligações entre elas para uma aplicação específica. Tenha muito cuidado ao realizar as ligações e siga as orientações. Preferencialmente realize as conecções com a fonte desligada. Em caso de maiores dúvidas consulte o manual. A seguir, os tipos possíveis de ligação: Ligação em Série Cada fonte independente possui tensão máxima de 30 Volts. A única vantagem da ligação em série é somar as tensões das duas fontes e obter valores acima de 30 Volts (máximo 60 Volts). Porém, a corrente máxima continuará sendo 6 Ampéres. Procedimentos para a ligação série: 1. Faça a conecção entre os terminais [‘+’] da fonte esquerda e [‘-’] da fonte direita, respectivamente (um conector que vem junto com a fonte pode facilitar o trabalho). 2. Os outros terminais ([‘+’] da fonte direita e [‘-’] da fonte esquerda) serão os extremos para conecção da sua fonte ao circuito. 3. Regule a tensão e corrente das fontes de maneira independente através dos seus respectivos potenciômetros. 4. A tensão da fonte conectada ao circuito será o valor da tensão da fonte esquerda somado ao valor da tensão na fonte direita. Figura 3.2: Ligação série da fonte dupla. 13 Fonte Simétrica A fonte simétrica nos permite alimentação com potenciais negativos, geralmente utilizado para dispositivos como amplificadores operacionais. O processo de ligação é bastante semelhante à fonte em série. Procedimentos para a ligação simétrica: 1. Faça a conecção entre os terminais [‘+’] da fonte esquerda e [‘-’] da fonte direita, respectivamente (um conector que vem junto com a fonte pode facilitar o trabalho). Esses terminais serão a nova referência da fonte para o seu circuito (“potencial nulo” ou “0 Volts”). 2. Os outros terminais ([‘+’] da fonte direita e [‘-’] da fonte esquerda) serão os extremos para conecção da sua fonte ao circuito. 3. Pressione o seletor de operação da fonte esquerda (SOMENTE UM SELETOR). Isso permite ajustarmos a tensão das duas fontes usando o potenciômetro da fonte direita. 4. Em relação à referência da fonte, citada no item (1), o potencial no terminal [‘+’] da fonte direita vale +V e o potencial no terminal [‘-’] da fonte esquerda vale −V , onde V é o valor ajustado no potenciômetro da fonte direita. Figura 3.3: Ligação da fonte simétrica. Ligação em Paralelo Como explicado na seção (3.1.1), a ligação em paralelo serve para dobrar a capacidade de corrente da fonte dupla, fornecendo então 12 A em vez de 6 A. Tome cuidado com essa ligação. Faça-a com a fonte desligada e só então ligue a fonte e conecte-a ao circuito. 1. Pressione os DOIS seletores de operação ’INDEP / PARALLEL’. 2. Faça uma conexao entre os terminais [‘+’] das duas fontes. 3. Faça uma conexao entre os terminais [‘-’] das duas fontes. 4. Regule a tensão e corrente das duas fontes simultaneamente com o controle dos potenciômetros da fonte da direita. 5. Use os terminais [‘+’] e [‘-’] de qualquer uma das duas fontes para conectar a fonte paralela ao circuito. 14 Figura 3.4: Ligação paralela da fonte dupla. 3.2 Multímetro Digital Os multímetros digitais são equipamentos desenvolvidos para medição de diversas grandezas elétricas, dentre elas, principalmente, tensão e corrente. Os multímetros apresentam diversas escalas para medição de tensão/corrente em CC e CA. Os instrumentos atuais apresentam cada vez mais funcionalidades, como medição de frequência e temperatura, por exemplo. Esta seção descreverá algumas das principais funcionalidades do Multímetro Digital disponível no NUPEDEE (modelo TENMA 72-7745 ). Para obter outras informações e abordagens mais detalhadas, consulte o manual de referência do equipamento [12]. 3.2.1 Descrição da Interface Figura 3.5: Multímetro Digital TENMA (R) 72-7745. 15 [1] Tipo de corrente/tensão Exibe no display do aparelho o tipo de corrente/tensão (AC para corrente alternada ou nada para corrente contínua). [2] Escala de medida Exibe no display a escala de medição que o multímetro está recebendo/operando. [5] Botões funcionais Range O botão Range (escala) seleciona a escala de medição. Mantendo-o pressionado por 2 segundos o multímetro ativa ou desativa o modo de AUTORANGE (o qual seleciona as escalas automaticamente). Hz% Esse botão alterna entre medições de freqüência e período. REL∆ O botão REL∆ salva a medição que está sendo exibida na tela como parâmetro para as próximas medições (Ex.: se a medição registrada no display for 20 V quando o botão for pressionado e a próxima medição for de uma tensão 22 V, será exibido 2 V no display). Hold H Mantém a leitura que está sendo exibida na tela do multímetro. Se for mantido pressionado por 2 segundos ativa ou desativa a iluminação do display. [4] Botão de especificação O Botão de especificação é responsável por selecionar o tipo da medida que será realizada, se existirem opções. Nos modos de Amperímetro e Voltímetro existem as opções AC e DC. No modo de análise de componentes existem as opções teste de resistência, diodo, capacitância e buzzer. [5] Botão Power O Botão Power liga ou desliga o multímetro. [6] Chave Seletora Coloca o multímetro na função desejada entre as sete opções. [7] Terminais das ponteiras Os terminais das ponteiras indicam a função para a qual devem ser usados e o limite dos fusíveis de cada modo. Use a ponteira preta no terminal COM. Tome cuidado para mudar a ponteira vermelha para os terminais corretos quando medir corrente ou tensão. 3.2.2 Modo de Operação Geral Guia rápido para operação do multímetro digital. 1. Ligue o multímetro. 2. Conecte a base da ponteira preta no terminal COM. 3. Conecte a base da ponteira vermelha no terminal correspondente à medida que deve ser realizada. 4. Coloque a chave seletora na posição adequada à medida que deve ser realizada. Cuide a escala se não estiver no modo AUTORANGE. 5. Conecte as ponteiras ao sistema onde a medida deve ser realizada. 16 3.2.3 Medição de Temperatura Guia rápido para operação do multímetro digital para medição de temperatura. 1. Ligue o multímetro, remova as ponteiras e conecte nos terminais do multímetro o sensor de temperatura. 2. Conecte o fio vermelho ao terminal µAmA◦ C e o fio preto no terminal COM. 3. Coloque a chave seletora no modo ◦ C. 4. Aproxime o sensor de temperatura do ponto em que se deseja obter a medição. 5. Após a medição afaste o sensor do sistema que estava sendo testado e desconecte dos terminais. 6. Recoloque as ponteiras usuais e guarde o sensor no local adequado. 3.3 Exemplo 1 - Divisor Resistivo Neste exemplo será realizada a montagem de um circuito com divisor resistivo para obtenção de uma variação mais precisa na tensão. O divisor resistivo nada mais é que uma associação série de dois resistores, onde a tensão de interesse é no segundo resistor. Como a tensão se divide proporcionalmente aos valores de resistência, chamamos essa configuração de divisor resistivo. Nossa fonte é capaz de variar a tensão de saída com resolução de 0.1 V, possibilitando a obtenção de 300 valores de tensão entre 0 e 30 V. Usando um divisor de tensão obteremos valores de saída com variação na ordem de 0.05 V, aumentando a precisão e quantidade de valores que podem ser obtidos com a mesma fonte. 3.3.1 Roteiro: 1. Monte o circuito da figura (3.6) no Protoboard, utilizando os seguintes componentes: (a) R1 - 10 kΩ (b) R2 - 100 Ω (c) R3 - 500 Ω (d) R4 - 1 kΩ Figura 3.6: Circuito com divisor resistivo. Multímetro no modo Voltímetro DC. 2. Antes de conectar a fonte no circuito, ligue-a e ajuste a tensão para V = 5 V olts (corrente de curto circuito: 0.07 mA). 17 3. Varie 1 Volt na fonte de tensão (de 0.1 em 0.1 Volt, até 6 Volts), para obter variações de tensão na saída do divisor resistivo com precisão maior que as do display da fonte. 4. Usar o multímetro (modo Voltímetro DC) para realizar as medições, conforme a figura (3.6). Você observará variações de tensão menores que 0.1 Volt no display do multímetro para cada 0.1 Volt que varia na fonte. 5. Conforme as indicações da figura (3.6), é possivel calcular a tensão na saída do 2 divisor resistivo através da seguinte fórmula: Vout = Vin × R1R+R 2 3.4 Exemplo 2 - Fonte Simétrica Usando o mesmo circuito montado no primeiro experimento iremos agora realizar a montagem de uma fonte simétrica em série usando a fonte dupla. Devemos realizar a ligação da fonte simétrica conforme descrito na seção (3.1.3). Neste circuito regularemos a fonte simétrica para +5V / − 5V . 3.4.1 Roteiro: 1. Monte o circuito da figura (3.7), utilizando os mesmos valores de componentes do Exemplo 1 (3.3). Figura 3.7: Circuito resistivo alimentado com fonte simétrica. Atenção nos modos de operação do multímetro. 2. Tome cuidado para configurar corretamente os modos de operação e conectar adequadamente as ponteiras dos multímetros. 3. Use o multímetro no modo amperímetro (atenção aos terminais das ponteiras e ligação série do modo amperímetro) para medir corrente no resistor R3, colocando o multímetro em série, entre o resistor e o terminal negativo do circuito. 4. Use o multímetro no modo voltímetro (atenção aos terminais das ponteiras e ao modo de ligação do voltímetro: em paralelo) para verificar as tensões de alimentação da ligação simétrica da fonte dupla. 5. Mantenha a ponteira preta (referência de tensão) entre as fontes e alterne a ponteira vermelha entre as saídas da fonte para leitura dos valores de tensão da fonte simétrica. 6. Tente verificar também a tensão entre os extremos da fonte. 18 4 Instrumentação para Teste e Análise 4.1 Osciloscópio O Osciloscópio é um importante instrumento de laboratório na engenharia para análise e visualização de sinais elétricos. Basicamente, ele cria um gráfico bi-dimensional, visível em um display, de uma ou mais diferenças de potencial. Porém as funções e aplicações do osciloscópio não se limitam apenas a isso. Ele inclui diversas ferramentas que nos permitem trabalhar com os sinais medidos (Operações matemáticas, FFT, curva de Lissajous, etc.). Esta seção descreverá algumas das principais funcionalidades do Osciloscópio disponível no NUPEDEE (modelo Tektronix TDS1001B). Para obter outras informações e abordagens mais detalhadas, consulte o manual de referência do equipamento [7]. A figura abaixo (4.1) mostra a interface do osciloscópio dividida em blocos para facilitar a descrição das funções disponíveis ao usuário. Figura 4.1: Interface do Osciloscópio Tektronix TDS1001B 4.1.1 Bloco A: Botões de Opções Também são conhecidos como botões de tela ou botões de menu lateral. Utilize-os para navegar nas funções dos menus mostrados no display do instrumento. 19 4.1.2 Bloco B: Menu e Botões de Controle Para navegar dentro dos menus e alterar configurações, utilize os botões do botões de opções (4.1.1) conforme as exibições do menu lateral do display. Multipurpose Knob É um botão giratório de múltiplas funções. Sua função é determinada pelo menu exibido ou pela opção de menu selecionada. Quando ativo, o LED adjacente acende. Pode ser utilizado para selecionar opções em alguns menus. AUTORANGE Exibe o menu Autorange e liga/desliga a função de Autoranging (se estiver ligada, o LED adjacente acende). SAVE/RECALL Exibe o menu Salvar/Recuperar para configurações e formas de onda. MEASURES Exibe o menu de medições automatizadas. ACQUIRE Exibe o menu de Aquisição. REF MENU Exibe o menu “Ref” para mostrar ou ocultar rapidamente formas de onda de referência armazenadas na memória não-volátil do osciloscópio. UTILITY Exibe o menu de utilitários. CURSOR Exibe o menu de cursores. DISPLAY Exibe o menu de configurações do display. HELP Menu de ajuda. DEFAULT SETUP Restaura as configurações do osciloscópio para os padrões de fábrica. AUTOSET Ajusta automaticamente as formas de onda no display de modo que produzam uma exibição utilizável dos sinais de entrada. SINGLE SEQ Adquire uma forma de onda única e pára. RUN/STOP Congela a imagem no display (STOP) ou libera a aquisição continua de formas de onda (RUN). 4.1.3 Bloco C: Controles Verticais POSITION CH1 e CH2 Ajustam a posição vertical da forma de onda dos canais 1 e 2. CH1 e CH2 MENU Exibe as seleções verticais do menu e liga/desliga a exibição da forma de onda do respectivo canal (CH1 ou CH2). VOLTS/DIV (CH1 e CH2) Seleciona os fatores da escala vertical do respectivo canal. MATH MENU Exibe o menu de operações matemáticas de forma de onda e liga/desliga a exibição da forma de onda matemática. 20 4.1.4 Bloco D: Controles Horizontais POSITION Ajusta a posição horizontal de todas as formas de onda. A resolução deste controle varia com a configuração da base de tempo. HORIZ MENU Exibe o menu horizontal. SET TO ZERO Define a posição horizontal para zero. SEC/DIV Seleciona o fator de escala horizontal “tempo/div” para a base de tempo principal. 4.1.5 Bloco E: Controles de Trigger O trigger determina quando o osciloscópio começa a adquirir dados e exibir uma forma de onda. LEVEL Quando você usa um trigger Borda ou Pulso, o botão LEVEL define qual nível de amplitude o sinal deve cruzar para adquirir uma forma de onda. TRIG MENU Exibe o menu Trigger. SET TO 50% O nível de trigger e definido como o ponto médio vertical entre os picos do sinal de trigger. FORCE TRIG Completa uma aquisição, independentemente de um sinal de trigger adequado. Esse botão não tem efeito se a aquisição já estiver parada. TRIG VIEW Exibe a forma de onda do trigger em vez da forma de onda do canal enquanto você mantém pressionado o botão “TRIG VIEW”. Use para vizualizar como as configurações de trigger afetam o sinal de trigger, tal como o acoplamento de trigger. 4.1.6 Bloco F: USB Flash Drive e botão PRINT Insira uma USB flash drive para o armazenamento ou a recuperação de dados. O Osciloscópio exibe um simbolo de relógio para indicar quando o flash drive está ativo. Depois que um arquivo é salvo ou recuperado, o osciloscópio remove o relógio e exibe uma linha de dicas para notificá-lo sobre a conclusão da operação de gravação de dados. É possível configurar o osciloscópio para gravar uma imagem da forma de onda mostrada na tela na USB Flash Drive apenas pressionando o botão “PRINT” do osciloscópio. Essa configuração e os formatos de saída das imagens são definidas no menu “UTILITY I Options I Printer Setup”. Obs.: O Osciloscópio suporta apenas flash drives com uma capacidade de armazenamento de 2 GB ou menos. 4.1.7 Bloco G: Probe Comp Estes terminais são utilizados para verificar a funcionalidade do osciloscópio e das sondas de tensão. É uma saída de um sinal de onda quadrado, com amplitude e tensão pico a pico de 5 V e frequência de 1 kHz. 21 4.2 Gerador de Funções O gerador de funções (ou gerador de sinais) é um equipamento eletrônico utilizado para gerar formas de onda ou sinais elétricos. É possivel variar frequência, amplitude, distorção e forma desses sinais. Geralmente são utilizados nos laboratórios como fonte de sinal para teste de equipamentos, circuitos, experimentos, etc. Outras funções comumente encontradas em geradores de funções são atenuação do sinal de saída e ajuste de offset da forma de onda. Esta seção descreverá algumas das principais funcionalidades do Gerador de Funções disponível no NUPEDEE (modelo ICEL Manaus GV-2002 ). Para obter outras informações e abordagens mais detalhadas, consulte o manual de referência do equipamento [9]. 4.2.1 Interface do Gerador Figura 4.2: Gerador de Funções ICEL Manaus GV-2002 [1] FADJ O potenciômetro permite ajustar a frequência de saída dentro do limite de cada escala selecionada. [2] DADJ O potenciômetro permite ajustar a distorção do sinal de saída variando de 20% até 80%. [3] AADJ O potenciômetro permite ajustar a tensão (amplitude) do sinal de saída, dentro de uma variação de 20 dB. [4] Atenuação (20 dB e 40 dB) Os botões permitem atenuar o sinal de saída do gerador em 20 dB e 40 dB, respectivamente. 22 [5] WAVE Pressione o botão para selecionar a forma de onda de saída do gerador. [6] RANGE Pressione o botão para selecionar a escala da frequência de saída do gerador. [7] RUN Pressione para gerar no terminal de saída a forma de onda e configurações previamente selecionadas. [8] RESET Pressione para retornar as configurações de fábrica do gerador. [9] Display 1 Indica a frequência do sinal de saída (5 dígitos). [10] Display 2 Indica a amplitude do sinal de saída (3 dígitos). 4.2.2 Modo de Operação Guia rápido para operação do gerador de funções. 1. Coloque os três potenciômetros na posição média entre o valor mínimo e máximo. Pressione o botão “RANGE” sucessivamente para selecionar a faixa de frequência desejada, conforme a tabela (4.1). Após, pressione o botão “RUN” para confirmar. Tabela 4.1: Escalas de frequência disponíveis do gerador ICEL Manaus GV-2002. Número exibido no Display 1 1 2 3 4 5 6 7 Escala 2 Hz 20 Hz 200 Hz 2 kHz 20 kHz 200 kHz 2 MHz 2. Pressione o botão “WAVE” sucessivamente para selecionar a forma da onde desejada, conforme a tabela (4.2). Após, pressione a chave “RUN” para confirmar. Tabela 4.2: Formas de onda disponíveis do gerador ICEL Manaus GV-2002. Número exibido no Display 1 1 2 3 Forma de Onda Senoidal Quadrada Triangular 3. Ajuste os potenciômetros “FADJ”, “AADJ” e “DADJ” para obter a frequência, a amplitude e a distorção (simetria), respectivamente, da forma de onda desejada. Após o ajuste do potenciômetro “DADJ” poderá haver uma pequena variação na frequência de saída. 23 4.3 Exemplo 1 - Circuito Inversor Este exemplo apresenta um circuito inversor. A função do circuito é inverter o sinal de entrada do gerador (já retificado por um diodo). Para tanto, utilizaremos uma porta lógica inversora (porta NOT ). A forma de onda escolhida no gerador será quadrada. Portanto, o funcionamento é muito simples: quando na saída do diodo o sinal estiver em nível lógico alto, a saida da porta NOT estará com nível lógico baixo. Já quando na saída do diodo o sinal estiver em nível lógico baixo, a saída da porta NOT estará com nível lógico alto. 4.3.1 Roteiro: 1. Monte o circuito da figura (4.3) no Protoboard, utilizando os seguintes componentes: (a) R1 - 10 kΩ. (b) D1 - Diodo N4007. (c) CI - Uma porta inversora do circuito integrado CMOS 4049. (d) XSC1 - Osciloscópio. Figura 4.3: Circuito inversor utilizando o CI 4049. Figura 4.4: Pinagem do circuito integrado CD4049 [10]. 2. Não esqueça de alimentar o CI 4049 (VDD 5 V e VSS 0 V). 3. Antes de conectar o gerador de funções ao circuito, ligue-o e ajuste da seguinte forma: (a) Amplitude - 5 Volts. (b) Frequência - 200 Hz. (c) Forma de onda - quadrada. 24 4. Conecte o canal 2 do osciloscópio na saída do inversor, conforme a figura (4.3) e observe o sinal na tela. (a) Observe a atenuação da ponteira de prova do osciloscópio durante a medição e verifique se o canal do osciloscópio está configurado para o mesmo valor. Verifique se está configurado para acoplamento CC. (b) Ajuste a escala de tempo para 2.5 s/div e a escala de tensão para 2 V/div. 5. Conecte a sonda de tensão do canal 1 do osciloscópio na entrada da porta inversora. Utilize a mesma referência para os dois canais do osciloscópio. (a) Observe a atenuação da ponteira de prova do osciloscópio durante a medição e verifique se o canal do osciloscópio está configurado para o mesmo valor. (b) Ajuste a escala de tensão para 2 V/div. 6. Compare o sinal de entrada com o sinal de saída da porta inversora. 4.4 Exemplo 2 - Comparador de Tensão e PWM O objetivo desse circuito é emitir um sinal de saída quadrado com largura de pulso variável. Modulação de largura de pulso é conhecida como PWM (Pulse Width Modulation). Geralmente um PWM está implementado e possui controle automático em alguns microcontroladores. Porém, aqui utilizaremos um método apenas para entender o que é PWM e modular a largura de pulso manualmente. Para implementar esse circuito, utilizamos um amplificador operacional como comparador de tensão. Ele irá comparar a tensão de um sinal triangular com um valor de tensão constante. Sempre que o sinal triangular possuir amplitude maior que a tensão constante de comparação, o comparador terá saída em nível lógico alto. Quando o sinal triangular possuir amplitude menor que a tensão constante de comparação, o comparador terá saída em nível lógico baixo. Quando alteramos a amplitude do sinal triangular de comparação, consequentemente alteramos o tempo que esse sinal permanece abaixo ou acima da tensão de comparação. Consequentemente, vamos alterar a largura de pulso da saída do comparador. 4.4.1 Roteiro: 1. Monte o circuito da figura (4.5) no protoboard, utilizando os seguintes componentes: (a) R1 - 100 kΩ (b) R2 - 100 Ω (c) D1, D2, D3 e D4 - Diodos N4007. (d) U2 - Circuito integrado do amplificador operacional LM741. (e) GF - Gerador de funções. (f) XSC1 - Osciloscópio. 2. Antes de conectar o gerador de funções ao circuito, ligue-o e ajuste da seguinte forma: 25 Figura 4.5: Circuito para PWM com comparador de tensão LM741. Figura 4.6: Pinagem do amplificador operacional LM741 [11]. (a) Amplitude - 110 mV. (b) Frequência - 5 Hz. (c) Forma de onda - triangular. 3. Antes de conectar a fonte no circuito, ligue-a e ajuste a tensão para V = 5 V olts, conforme a figura (4.5) (corrente de curto circuito: 0.07 mA). O terminal 7 do LM741 também deve ser alimentado pelos mesmos 5 Volts. 4. Conecte a sonda de tensão do canal 2 do osciloscópio na saída do LM741 (pino 6) e a referência no terminal negativo da fonte. 5. Finalizada a montagem e configuração dos equipamentos, varie a amplitude do gerador de tensão de 110 mV até 1 V . 6. Observe no osciloscópio o que acontece com o sinal de saída do LM741 quando você aumenta ou diminui a amplitude da onda triangular do gerador. 7. Conecte a sonda de tensão do canal 1 na entrada não inversoda do LM741 (pino 3). Use a mesma referência do item (4). 8. Varie novamente a amplitude do gerador de funções e compare agora o sinal de entrada do LM741 com seu sinal de saída ao realizar esse procedimento. 26 4.5 Exemplo 3 - Resposta do Circuito RC O circuito RC assim denomina-se por ser composto pelos elementos resistor e capacitor. É comum estudarmos dois tipos de respota do circuito RC: resposta natural (capacitor carregado é conectado a um resistor apenas) e resposta a um degrau (conectase uma fonte de tensão contínua e constante ao circuito RC). O capacitor comporta-se como elemento armazenador de energia na forma de campo elétrico. Na resposta a um degrau, ele armazena energia da fonte até atingir um equilíbrio eletrostático (limite de sua capacidade, determinado pela capacitância). Já na resposta natural, ele dissipa (na forma de calor) sua energia armazenada no resistor associado. Circuitos RC possuem uma caracterítica de “temporizador” devido ao fato de que o capacitor do circuito demora um tempo de 5τ para carregar ou descarregar, onde τ = R × C. 4.5.1 Roteiro: 1. Monte o circuito da figura (4.7) no Protoboard, utilizando os seguintes componentes: (a) R1 - 10 kΩ (b) C1 - 150 µF (eletrolítico) Figura 4.7: Circuito RC: analisar forma de onda da tensão no capacitor 2. Verifique a tensão do capacitor antes de conectar ao circuito. Se estiver carregado, utilize um resistor de 100 Ω para descarregá-lo no protoboard. 3. Antes de conectar a fonte no circuito, ligue-a e ajuste a tensão para 5 V (corrente de curto circuito: 0.07mA). 4. Desligue a fonte. Conecte a fonte no circuito e então ligue a fonte. 5. Conecte os terminais do osciloscópio em paralelo com o capacitor C1 e verifique a tensão (valor médio) VC . (a) Observe a atenuação da ponteira de prova do osciloscópio durante a medição e verifique se o canal do osciloscópio está configurado para o mesmo valor. (b) Ajuste a escala de tempo para 2.5 s/div e a escala de tensão para 2 V/div. 27 6. Feche a chave (do terminal 4, mude para o 1) SW1 e: 7. Verifique aproximadamente quantos segundos dura a resposta do circuito (carga do capacitor); 8. Observe no osciloscópio o comportamento da tensão no capacitor. 9. Abra a chave (do terminal 1, mude para o 4) SW1. 10. Verifique aproximadamente quantos segundos dura a resposta do circuito (descarga do capacitor); 11. Repita o experimento analisando a forma de onda no resistor. Figura 4.8: Circuito RC: medições no resistor 28 5 Instrumentos Analógicos de Medição Os instrumentos analógicos baseiam sua operação em algum tipo de fenômeno eletromagnético ou eletrostático, como a ação de um campo magnético sobre uma espira percorrida por corrente elétrica ou a repulsão entre duas superfícies carregadas com cargas elétricas de mesmo sinal. São, portanto, sensíveis a campos elétricos ou magnéticos externos, de modo que muitas vezes é necessário blindá-los contra tais campos. 5.1 Visões Gerais de um Instrumento Analógico A figura a seguir ilustra um instrumento analógico e destaca algumas informações que devem ser interpretadas pelo usuário para entender as especificações técnicas do equipamento. É fundamental a compreensão de tais informações para não utilizar o instrumento de medição de forma incorreta e danificá-lo. Figura 5.1: Ilustração da interface de um instrumento analógico de medição. 29 [1] A grandeza elétrica a ser medida pelo instrumento é normalmente indicada na parte frontal do mostrador, em um lugar de destaque. Ela vem sempre simplificada, normalmente, com a letra inicial da grandeza em questão. [2] Também chamado de “calibre”, corresponde ao máximo valor capaz do instrumento medir sem que sofra danos. [3] Escala na qual será registrado o valor pelo ponteiro do instrumento sendo sobre ela que são feitas as leituras. Classifica-se em escala linear ou escala não-linear, dependendo da característica do instrumento. [4] Corresponde ao ajuste manual e mecânico no qual o ponteiro é direcionado para a marcação “zero” da escala graduada. OBS: Deve ser realizado o ajuste com o instrumento desligado. [5] Mostra todos os símbolos referentes à construção do instrumento, além de indicar tensões de funcionamento. Em alguns casos, pode trazer também especificações quanto ao modelo e procedência do equipamento. 5.2 Simbologia A utilização correta dos instrumentos analógicos de medidas elétricas relaciona-se a escolha dos equipamentos. A escolha adequada permite a medida correta das grandezas sem por em risco a vida do operador nem a integridade do equipamento. Para tanto, devem-se observar os símbolos gravados nos visores. As tabelas a seguir (5.1 e 5.2) ilustram alguns dos símbolos freqüentemente utilizados em medidas elétricas e nos diagramas dos circuitos elétricos. Tabela 5.1: Simbologia dos instrumentos de medida quanto aos seus aspectos construtivos, de funcionamento, posição de trabalho e outros. Símbolo Descrição Instrumento para corrente contínua. Instrumento para corrente alternada. Instrumento para corrente contínua e alternada. Instrumento para rede Trifásica, mas com somente um circuito de medida. Instrumento para rede Trifásica com dois circuitos de medida. Instrumento para rede Trifásica com três circuitos de medida. Instrumento com ajuste de Zero (mecânico). Instrumento com blindagem de ferro. Posição de trabalho vertical. Posição de trabalho horizontal. Posição de trabalho inclinada (ex. de ângulo de 60◦ ). Instrumento de bobina móvel com imã permanente. Continua na próxima página 30 Símbolo Descrição Instrumento de ferro móvel. Instrumento eletrodinâmico de bobina fixa e bobina móvel, sem ferro. Instrumento de vibração (frequencímetro). Tensão de prova de 500 V. Tensão de prova de 1000 V. Tensão de prova de 2000 V. Tabela 5.2: Simbologia dos instrumentos de medidas utilizada em circuitos elétricos. Símbolo Descrição Amperímetro (medidor de corrente elétrica). Voltímetro (medidor de tensão elétrica). Wattímetro (medidor de potência elétrica). 5.3 Voltímetro O voltímetro é um instrumento que realiza medições de tensão elétrica em um circuito. A unidade apresentada é o Volt (V). Para aferir a diferença de tensão entre dois pontos de um circuito, deve-se colocar o voltímetro em paralelo com a região do circuito compreendida entre estes dois pontos. Este instrumento pode medir tensões contínuas ou tensões alternadas, dependendo das características construtivas do aparelho. 5.4 Amperímetro O amperímetro é um instrumento utilizado para fazer a medida da intensidade no fluxo da corrente elétrica que passa através de um condutor elétrico. A unidade de medida utilizada é o Ampére (A). Como a corrente elétrica passa através dos condutores e dispositivos ligados a eles, para aferir a corrente que passa por alguma região de algum circuito, deve-se colocar o amperímetro em série com esta região, sendo necessário abrir o circuito no local da medida. 5.5 Wattímetro O wattímetro é um instrumento que realiza medições da potência elétrica ativa fornecida ou dissipada por um elemento em um circuito. A unidade de medida utilizada é o Watt (W). 31 A medida da potência elétrica em uma carga envolve a leitura da tensão da corrente elétrica. A leitura do wattímetro “implementa” o produto destas duas grandezas para a medição, razão pela qual sua ligação ao circuito é feita simultaneamente em série (corrente) e paralelo (tensão). Figura 5.2: Exemplo de conecções de amperímetro e voltímetro em um circuito. Figura 5.3: Exemplo de conecção do Wattímetro. 5.6 Exemplo - Lâmpadas Incadescentes Circuitos eletro-eletrônicos podem ser monitorados por instrumentos capazes de medir determinadas grandezas elétricas a fim de se manter um controle sobre as possíveis variações do circuito e da rede, variações estas que podem vir a danificar o próprio circuito. Este exemplo possui o objetivo de visualizar a aplicação dos instrumentos analógicos em circuitos práticos. Analisaremos o comportamento e consumo de potência de uma lâmpada incandescente. Devem ser observadas as marcações indicada por cada instrumento, interpretando as escalas graduadas e o significado da simbologia técnica utilizada em cada um deles. 32 5.6.1 Roteiro: 1. Monte o circuito da figura (5.4) interligando os elementos com condutores elétricos (use condutores com pinos “banana”). Utilize uma lâmpada incandescente de 40 W e ligue a fonte ao circuito somente após revisar junto a um monitor. Figura 5.4: Circuito para a medição das grandezas elétricas na lâmpada incandescente. 2. Utilize um amperímetro analógico (escala de 500 mA para 110 V e 200/300 mA para 200 V). 3. Utilize um voltímetro analógico com escala adequada para suportar a tensão de alimentação da lâmpada (110 ou 220 V). 4. A fonte (110 ou 220 V) deve ser uma tomada disponível na bancada. 5. Observe nos medidores a variação de tensão e corrente no circuito desenvolvido. Realize a leitura dos instrumentos. 6. Calcule a potência consumida pela lâmpada (P = V × I). 7. Repita o processo trocando o amperímetro e o voltímetro por um wattímetro e observe os resultados das medições, conforme a figura (5.5). Figura 5.5: Ligação do Wattímetro no circuito da lâmpada incandescente. 33 Observações Importantes: 1. Atenção para a forma de ligação dos instrumentos de medidas. Relembrando: • Amperímetro: Ligação em série (medição de corrente elétrica). • Voltímetro: Ligação em paralelo (medição de tensão elétrica). • Wattímetro: Ligação em série e paralelo (medição de potência ativa). 2. Antes de cada ligação, verifique a tensão suportada por todos os instrumentos e componentes do circuito. A tensão e a potência da lâmpada incandescente são indicadas na parte superior do bulbo e as características dos instrumentos analógicos são indicadas no painel frontal por símbolos gráficos. 3. A tensão fornecida pela fonte não deve ser superior a tensão suportada pela lâmpada incandescente utilizada no circuito. 34 6 Outros Equipamentos Esta seção apresenta outros equipamentos que estão disponíveis nos laboratórios NUPEDEE que possuem aplicações bastante específicas. 6.1 Frequencímetro O frequencímetro é um instrumento utilizado para medição da frequência de sinais elétricos periódicos. A figura (6.1) apresenta, como exemplo, a interface de um frequencímetro analógico. Outros modelos de frequencímetros analógicos estão disponíveis no laboratório. Figura 6.1: Exemplo de interface de um frequencimetro analógico. [1] Terminais de entrada Onde devem ser conectados fios que liguem o aparelho à rede cuja frequência será testada. A ligação é feita em paralelo. [2] Display Sequência de hastes indicadoras que oscilam conforme a freqüência recebida. Lê-se a informação graduada no display referente à haste que apresenta maior oscilação. 6.2 Tacômetro O tacômetro é um instrumento utilizado para medir velocidades de rotação de eixos. O próprio tacômetro possui um eixo mecânico que deve ser encaixado ao eixo da máquina que se deseja saber a velocidade de rotação. 35 Atualmente encontramos tacômetros óticos, que utilizam um feixe de laser (com emissor e receptor) para medir as rotações de eixos. Geralmente o eixo possui alguma marcação para implementar esse tipo de medição. Figura 6.2: Exemplo de tacômetro portátil. [1] Botão de Ativação Liga o display e inicia a leitura da quantidade de rotações aplicadas ao eixo do aparelho. [2] Botão de Memória Exibe a última leitura que foi realizada antes de o Botão de ativação ser solto. Modo de Operação Guia rápido para operação do tacômetro. 1. Com o tacômetro ligado, encaixe a ponta do eixo do Tacômetro no eixo da máquina cujas rotações serão medidas. 2. Mantenha pressionado o botão de ativação [1] até o valor no display estabilizar-se. 3. O último valor medido pode ser acessado pelo botão de memória [2], sem necessidade de contato com o motor. 6.3 Exemplo - Medições em um motor Motores elétricos são equipamentos de fundamental importância na Engenharia Elétrica, pois se tratam de máquinas que envolvem uma série de fenômenos elétricos para seu acionamento. Atualmente existe uma ampla gama de motores elétricos com diferentes potências e velocidades de funcionamento, comuns em vários tipos de aplicações. Este exemplo possui o objetivo de visualizar a aplicação do tacômetro e do frequencímetro, instrumentos utilizados para medir a velocidade de rotação no eixo de um motor, e medir a freqüência de operação, respectivamente. No circuito devem ser observadas as marcações indicada por cada instrumento, relacionando as mesmas com as indicações presentes na placa do motor a ser utilizado na aplicação. 36 6.3.1 Roteiro: 1. Monte o circuito da figura (6.3) interligando os elementos com condutores elétricos. Atenção para os fusíveis e contatores. Figura 6.3: Diagrama principal de uma partida direta para um motor de indução trifásico. 2. Depois de finalizada a montagem, energize o motor. 3. Com o motor em regime de trabalho, conecte o eixo do “tacômetro de eixo móvel” ao eixo de rotação do motor. 4. Verifique o valor da velocidade do motor registrado pelo instrumento e compare com a velocidade indicada pela placa do motor utilizado. 5. Realize o procedimento anterior com o “tacômetro ótico” (não há a necessidade de acoplamento com o eixo do motor). 6. Introduza ao circuito um frequencímetro. Esse instrumento deve ser ligado diretamente aos condutores de conexão com motor, em paralelo com os mesmos. 7. Observe no medidor a frequência em que o motor está sendo alimentado. Observações Importantes 1. Atenção para a forma de ligação dos instrumentos de medidas. Relembrando: • Frequencímetro: Ligação em paralelo (medição da frequência de operação). 2. Antes de cada ligação, verifique a tensão suportada por todos os instrumentos e elementos do circuito. As características do frequencímetro são indicadas no painel frontal por símbolos gráficos e as especificações do motor são fixadas em uma placa na carcaça do mesmo. 3. Na utilização do “tacômetro de eixo móvel”, acople o instrumento ao eixo do motor de forma firme, mantendo o alinhamento do medidor com o eixo do motor. 37 A Valor RMS O acrônimo RMS é uma expressão norte-americana que denomina o valor quadrático médio (RMS - Root Mean Square) ou também conhecido como valor eficaz. O valor RMS é uma medida estatística da magnitude de quantidades variantes, para variações entre valores positivos e negativos, como a função seno, por exemplo. Em Engenharia Elétrica utizamos o valor RMS em circuitos de corrente alternada. Como em AC os sinais elétricos variam entre positivo e negativo e, geralmente, são periódicos, é necessário um valor que represente matemática e fisicamente a magnitude do efeito dessa variação em um circuito. Por analogia podemos entender o valor de tensão RMS, por exemplo, como o valor equivalente de tensão DC que poduzirá os mesmos efeitos físicos em um circuito. Naturalmente alguns fatores são desconsiderados, como energia reativa, que não existe em circuitos DC. Figura A.1: Analogia entre circuitos AC e DC equivalentes. Matematicamente, para uma função variável continua f (t) definida sobre o intervalo T1 ≤ t ≤ T2 o valor RMS é dado pela expressão: s xrms = Z T2 1 [f (t)]2 dt T2 − T1 T1 Seja a tensão da rede elétrica que alimenta a sua residência dada por uma função periódica V = Vp sin ωt, onde Vp é a amplitude do sinal, o valor RMS da tensão é dado por: 38 s Vrms = Z T2 1 [Vp sin (ωt)]2 dt T2 − T1 T1 s Vrms = Vp s Vrms = Vp Vrms = Z T2 1 sin2 (ωt)dt T2 − T1 T1 Z T2 1 − cos (2ωt) 1 dt T2 − T1 T1 2 v u u u Vp t " t sin (2ωt) 1 − T2 − T1 2 4ω #T2 T1 Porém, como estamos considerando um ciclo completo entre T1 e T2 , os valores de seno nesses pontos se anularão, restando apenas: Vrms = Vp v u u t s Vrms = Vp  T2 1 t T2 − T1 2 T1 1 T2 − T1 T2 − T1 2 Vp Vrms = √ 2 (A.1) Portanto, o valor RMS de um sinal periódico é dado pelo valor de pico (amplitude) do sinal dividido por raiz quadrada de 2. Sabendo que o valor da tensão de pico da rede de Santa Maria é aproximadamente 311 Volts: 311 Vp Vrms = √ = √ ' 220 2 2 39 Referências Bibliográficas [1] Office of the United Nations High Commissioner for Human Rights. Universal Declaration of Human Rights. http://www.ohchr.org/EN/UDHR/Documents/UDHR_Translations/por.pdf. Acessado em 01/08/2009. [2] CAWLEY, J. C.; HOMCE, G.T. Occupational electrical injuries in the United States, 1992-1998 and recommendations for safety research. J Safety Res 2003;34:241-8. http://www.cdc.gov/niosh/mining/pubs/pdfs/oeisu.pdf. Acessado em 01/08/2009. [3] Massachusetts Institute of Technology. Enviromental, Healthy and Safety: Electrical/Mechanical Safety. http://web.mit.edu/environment/ehs/electrical_mechanical.html. Acessado em 01/08/2009. [4] Ministério do Trabalho e Emprego. Norma Regulamentadora N◦ 10: Segurança em Instalações e Serviços em Eletricidade. Última alteração: D.O.U 10/11/2005. [5] TIPLER, Paul Allan; MOSCA, Gene. Física para cientistas e engenheiros, Volume 2 - Eletricidade e Magnetismo, Ótica. 5. Ed. Rio de Janeiro: LTC Editora, 2006. [6] HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de Física 3 - Eletromagnetismo. 6. Ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora, 2002. [7] TEKTRONIX. TDS1000B and TDS2000B Series Digital Storage Oscilloscopes User Manual. www.tektronix.com [8] ICEL MANAUS. Manual de Instruções da Fonte Modelo PS6000. Pag.: 1 a 9. Disponível em http://www.icel-manaus.com.br/imagens/produtos/PS6000%20Manual.pdf. ICEL - Instrumentos de Medição, Manaus - AM. Acessado em 01/08/2009. [9] ICEL MANAUS. Manual de Instruções do Gerador de Funções GV2002. Disponível em http://www.icel-manaus.com.br/imagens/produtos/GV2002%20manual%20new%20rev%202.pdf. ICEL - Instrumentos de Medição, Manaus - AM. Acessado em 09/08/2009. [10] National Semiconductor. CD4049UBM/CD4049UBC Hex Inverting Buffer. 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