praticas circuitos, Notas de estudo de Mecatrônica

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

Departamento de Engenharia Elétrica

Práticas de Circuitos Elétricos 1

Augusto C. C. de Oliveira

Leonardo Limongi

Daniel Chaves

Recife, 2010

Sumário

REGRAS GERAIS DE USO DO LABOTATÓRIO

1. O acesso do aluno ao laboratório e sua permanência nele só será permitida com a presença de um responsável (instrutor).
2. Cada grupo de aluno escolherá uma das bancadas e permanecerá nela durante todo o período letivo.
3. A bancada, antes de cada prática, deve ser preparada pelo instrutor. Nela:

(a) conterão todos os componentes necessários à cada prática; (b) as ponteiras dos equipamentos devem estar devidamente plugadas nos módu- los.

4. Os computadores possuem instalados dois sistemas operacionais (SO): o Linux e o Windows. Os equipamentos da Agilent (chassis e módulos) foram instalados no SO Windows e neste sistema, por questão de segurança, desabilitamos todas as outras portas USB, o drive do CDROM e o acesso a internet. Os arquivos a serem salvos no Windows devem ser colocados na pasta PraticaLab , a qual estará disponível no Linux para uma possível cópia dos arquivos via portas USB. No SO Linux as portas USB e a internet estão disponíveis para acesso.
5. Terminada a(s) prática(s) do dia o instrutor deve guardar os componentes e ponteiras no armário/estante.
6. Antes de fechar a sala, o instrutor deve verificar os condicionadores de ar e luzes e por conseguinte desligar o disjuntor geral do QD de cada sala.

Capítulo 1

Lei de Ohm, Resistores e Medições em Circuitos Elétricos

1.1 Resumo Teórico - Lei de Ohm [1–5]

R

ESISTÊNCIA É A OPOSIÇÃO DOS MATERIAIS à passagem de corrente ou, mais precisa- mente, ao movimento de cargas elétricas. O elemento ideal usado como modelo para este comportamento é o resistor. As Figuras 1.1 e 1.2 mostram alguns tipos de resistores, cujo símbolo é mostrado na Figura 1.3. Para fins de análise de circuitos, a corrente em um resistor deve ser indicada em relação à tensão entre seus terminais. Escolhendo a direção da corrente no sentido da queda de tensão, Figura 1.4, a relação entre tensão e corrente será dada por

v = Ri (1.1)

A equação (1.1) é conhecida como lei de Ohm. Os códigos de cores dos resistores são mostrados na Figura 1.5.

1.2 Medição Usando o Multímetro 4

Figura 1.5: Código de cores dos resistores.

1.2 Medição Usando o Multímetro

Um dos equipamentos mais comuns de medição é o multímetro , Figura 1.6. Ele tem a capacidade de medir diferentes variáveis: tensão, corrente, resistência entre outras. Deve- se ter o cuidado ao se manusear o multímetro, pois o manuseio incorreto do multímetro pode ser uma fonte de perigo. Existem diferentes tipos de multímetros, o mostrado na Figura 1.6 refere-se a uma ilustração genérica de um multímetro digital. As marcações do multímetro, Figura 1.6, são as seguintes: partindo da posição "OFF"no sentido horário, tem-se o modo da leitura da tensão em corrente contínua (CC), ou da leitura da tensão em corrente alternada (CA), ou da leitura da resistência, ou da leitura da corrente em CA ou finalmente da leitura da corrente em CC. No multímetro há três diferentes sockets onde são plugadas as ponteiras. As ponteiras são usadas para conectar o multímetro ao circuito em teste e são de cores preta e vermelha, Figura 1.7. A ponteira preta deve ser sempre plugada no terminal "COM", que significa comum. Enquanto que a ponteira vermelha pode ser plugada no terminal da tensão/resistência (V Ω) ou no terminal da corrente (A) dependendo do que se deseja medir.

Exemplo 1.1 Medir a tensão de uma bateria.

Primeiro deve-se plugar a ponteira vermelha na marcação da tensão e a ponteira preta na marcação COM e depois escolher o modo da leitura da tensão em CC, conforme Figura 1.8.

1.2 Medição Usando o Multímetro 5

Figura 1.6: Multímetro.

Figura 1.7: Ponteiras do multímetro.

1.2 Medição Usando o Multímetro 7

Figura 1.10: Uso incorreto do multímetro.

O multímetro pode ser usado para identificar a continuidade de um cabo/fio (desener- gizado), para isso deve-se proceder como na medida da resistência de um resistor, ou seja, se o cabo/fio estiver partido o valor mostrado pelo instrumento será infinito. É impor- tante lembrar que antes da medição de resistências deve-se calibrar o instrumento, curto- circuitando as ponteiras e ajustando o instrumento no zero. Isto é possível através de um botão de calibre. No modo da resistência quando os terminais das ponteiras são tocados o instrumento deve indicar um valor zero e quando as ponteiras não se tocarem deve indicar um valor de resistência infinita (normalmente no display do instrumento aparece uma abreviação "O.L"), conforme Figura 1.12.

Exemplo 1.4 Medir a corrente do circuito de uma bateria que alimenta uma lâmpada.

Conecta-se o instrumento em série com o circuito, ligando-se a ponteira preta ao terminal negativo da bateria e a ponteira vermelha no terminal de corrente (no ramo da lâmpada) como mostra a Figura 1.13. Deve-se ter cuidado quando as ponteiras estão conectadas para se medir corrente e se deseja medir tensão. Se isso ocorrer, acontecerá um curto-circuito, conforme ilustrado na Figura 1.14. Todos os multímetros de qualidade contêm fusíveis com a finalidade de proteção in- terna que se rompem caso uma sobrecorrente circule por ele. Além disso, o multímetro pode ser usado para checar seu próprio fusível, indicando se o mesmo está rompido ou

1.2 Medição Usando o Multímetro 8

Figura 1.11: Medição de resistência.

Figura 1.12: Aferição do instrumento.

1.3 Tensões Senoidais 10

não. Para isso, deve-se plugar a ponteira preta no terminal de medição de corrente, e a vermelha no terminal de medição de tensão. Em seguida escolhe-se o modo de resistên- cia e junta-se as pontas das ponteiras. Se o fusível estiver em perfeito estado a indicação no display mostrará um pequeno valor de resistência, caso contrário ele sempre mostrará uma indicação "OL", conforme mostra a Figura 1.15.

Figura 1.15: Verificação do estado do fusível do multímetro.

1.3 Tensões Senoidais

Na seção anterior aprendemos a manusear o multímetro e vimos que o mesmo é capaz de medir grandezas contínuas (CC) e alternadas (CA) como correntes e tensões. No caso das formas de onda alternadas, o multímetro exibe como medição em seu display digital o valor eficaz da grandeza medida. Por exemplo, se usamos o multímetro para medir a tensão da rede elétrica, o mesmo encontrará um valor próximo de 220 Volts. Esse medição (220 Volts), e o valor eficaz da tensão da rede elétrica. Portanto, essa seção tem o objetivo de definir e conceituar o valor eficaz de uma grandeza elétrica. Uma fonte de tensão (corrente) senoidal produz uma tensão (corrente) que varia com o tempo. Podemos expressar uma função senoidal através da função seno ou da função co-seno. Para nossa discussão escolhemos a função co-seno. A tensão senoidal é escrita da forma

v = Vmcos ( ωt + φ ) (1.2) Uma função senoidal se repete a intervalos regulares (funções periódicas), Figura 1.16. O tempo necessário para que uma função senoidal complete um ciclo é chamado de pe-

1.3 Tensões Senoidais 11

ríodo ( T ). O inverso do período é a frequência ( f ), que é dada em Hz. O coeficiente de t na equação (1.2), ω , é a frequência angular.

ω = 2 π f = 2 π / T ( rad / s ) O coeficiente Vm é a amplitude da função senoidal e o ângulo φ é o ângulo de fase da função senoidal e determina o valor da função em t = 0 s.

Figura 1.16: Uma tensão senoidal.

1.3.1 Valor Médio ou CC

Para um sinal de tensão ou corrente periódico, cujo valor varia com o tempo, é possível se definir uma média desse sinal. Suponha uma tensão periódica v ( t ) variante no tempo. Seu valor médio Vmedio , ou CC, é definido como sua integral em um intervalo divido pelo seu período. Expressando matematicamente temos:

Vmedio = (^) T^1

∫ (^) t 0 + T t 0^ v ( t ) dt ,^ (1.3)

onde, T é o período de v ( t ) e t 0 é um instante arbitrário qualquer. Alguns sinais de grande interesse apresentam valores médio nulos. Tomemos com

1.5 Práticas de Laboratório 13

1.5 Práticas de Laboratório

Os materiais necessários às práticas são:

1. Fonte CC
2. Protoboard
3. Gerador de funções
4. Osciloscópio com ponteiras dedicadas
5. Resistores (um de cada): prática 1 (1,0 k Ω 220 Ω, 330 Ω, 10 k Ω), prática 2 (1,2 k Ω, 2,2 k Ω, 3,3 k Ω), prática 4 (100 k Ω e 560 k Ω).

1.5.1 Prática 1

Fazer as seguintes anotações na Tabela 1.1:

1. Leitura do código de cores dos resistores.
2. Medir, com o multímetro, a resistência dos componentes.
3. Comparar os valores da leitura e da medição.

Tabela 1.1: Valores das resistências Resistor Leitura Medição Tolerância (%) Erro (%) 1 1kΩ 2 220 Ω 3 330 Ω 4 10kΩ

1.5.2 Prática 2

Dado o circuito, Figura 1.17.

1.5 Práticas de Laboratório 14

−

12 V

1,2 k Ω

2,2 k Ω 3,3 k Ω

Figura 1.17: Circuito da prática 2.

1. Calcular as tensões em cada elemento do circuito.
2. Calcular as correntes em cada ramo do circuito.
3. Calcular a potência dissipada no resistor de 3,3 k Ω.
4. Simular o circuito utilizando a biblioteca SimPowerSystems do MATLAB/Simulink. Medir as correntes e tensões em cada elemento resistivo do circuito de acordo com a Figura 1.18.
5. Montar o circuito no protoboard.
6. Medir as tensões sobre cada elemento do circuito e medir a corrente no ramo do resistor de 3,3 k Ω.
7. Comparar os valores medidos e calculados.

1.5.3 Prática 3

Desenvolver um circuito cuja entrada Vi seja uma tensão CC fixa e a saída Vo seja uma tensão CC ajustável.

−

Vi Vo

Figura 1.19: Circuito da prática 3.

1.5 Práticas de Laboratório 16

1.5.4 Prática 4

1. Montar o circuito da Figura 1. −10/10V

1 kHz

VT

VR 1

VR 2

100 k Ω 560 k Ω

Figura 1.20: Circuito da prática 4.

2. Visualize no osciloscópio a forma de onda das tensões indicadas. Com ajuda do osciloscópio e do multímetro preencha a Tabela 1.2.

Tabela 1.2: Medições do circuito da Figura 1. Valor eficaz Valor de pico Valor de pico a pico VT VT VT VR 1 VR 1 VR 1 VR 2 VR 2 VR 2

Capítulo 2

Fontes de Tensão e de Corrente

2.1 Resumo Teórico - Fontes de Tensão e Corrente [1, 2, 4]

U

MA FONTE DE ELETRICIDADE é um dispositivo capaz de transformar outras formas de energia em energia elétrica e vice-versa. A Figura 2.1 representa uma fonte de tensão e uma de corrente , em que Rs é a resistência interna das fontes.

Rs Carga

v vs

i

(a) Fonte de tensão

Rs Carga

is^ v

i

(b) Fonte de corrente Figura 2.1: Fonte de tensão e corrente Tem-se que para uma fonte de tensão

vs = v − Rsi (2.1)