ESCOLA NÁUTICA INFANTE D. HENRIQUE DEPARTAMENTO DE MÁQUINAS MARÍTIMAS M224 ELECTRÓNICA I TRABALHO LABORATORIAL Nº 1

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1 ESCOLA NÁUTICA INFANTE D. HENRIQUE DEPARTAMENTO DE MÁQUINAS MARÍTIMAS M224 ELECTRÓNICA I TRABALHO LABORATORIAL Nº 1 REVISÃO SOBRE CIRCUITOS ELÉCTRICOS Por: Prof. Luís Filipe Baptista Eng. Carlos Santos Silva E.N.I.D.H. 2006/2007

2 1. INTRODUÇÃO Este laboratório tem como objectivo a revisão das metodologias a seguir na medição de diferentes grandezas eléctricas, conceitos esses que foram já adquiridos na disciplina de Electrotecnia. Os resultados obtidos neste laboratório devem ser descritos e comentados na forma de um relatório que siga as normas apresentadas no Guia de Elaboração de Relatórios [1]. 2. MATERIAL O material necessário à realização das experiências laboratoriais é o seguinte: Base Osciloscópio WaveTek Multímetro 1 Resistência de 2,2 KΩ 2 Resistências de 4,7 KΩ 1 Resistência variável de 10 KΩ (ou outra de valor semelhante) 1 Condensador de 18 ηf (ou outro de valor semelhante) 3. EXPERIÊNCIAS A REALIZAR Comece por verificar o valor experimental de todos os componentes através do multímetro. R=2,2 KΩ R=4,7 KΩ R=4,7 KΩ R=10 KΩ C=18 ηf Realize as experiências seguintes: 3.1 Medição de Tensão e Corrente 1. Efectue a montagem indicada na Figura 1. 5V R1 2.2 K Figura 1 2. Meça a tensão aos terminais da resistência. 3. Meça a corrente que atravessa a resistência. 4. Verifique a lei de Ohm: U = RI U I ENIDH/DMM 2º Ano da LEMM 1

3 3.2 Análise de Circuitos Divisor de Tensão 1. Efectue a montagem indicada na Figura 2. 5V R1 2.2 K R2 4.7 K Figura 2 2. Meça a tensão aos terminais da resistência R 1 e resistência R 2 3. Meça a corrente aos terminais da resistência R 1 e resistência R 2 R 1 R 2 U I 4. Faça uma análise teórica do circuito através da lei das malhas e compare com os valores experimentais obtidos. 5. Substitua a resistência R 2 pela resistência variável R, como indicado na Figura 3. 5V R1 2.2 K R Figura 3 6. Meça a queda de tensão e a corrente aos terminais da resistência R 1 e da resistência variável R, com o cursor numa das extremidades; R 1 R U I 7. Mude o cursor para a outra extremidade e repita as medições do ponto 6. R 1 R U I ENIDH/DMM 2º Ano da LEMM 2

4 8. Ponha o cursor numa posição intermédia e repita as medições do ponto 6. R 1 R U I 9. Retire a resistência variável R do circuito e com o multímetro meça o seu valor de resistência. R 10. Verifique o valor experimental da resistência através da Lei de Ohm. 3.3 Análise de Circuitos de Resistências em Paralelo. 1. Efectue a montagem indicada na Figura 4. 5V R1 2.2 K R2 4.7 K R3 4.7 K Figura 4 2. Meça a tensão aos terminais da resistência R 1, resistência R 2 e resistência R 3 3. Meça a corrente aos terminais da resistência R 1 resistência R 2 e resistência R 3 R 1 R 2 R 3 U I 4. Faça uma análise teórica do circuito através da lei das malhas e da lei dos nós e compare com os valores experimentais obtidos. ENIDH/DMM 2º Ano da LEMM 3

5 3.4 Análise de Circuito RC 5. Efectue a montagem indicada na Figura 5. R1 2.2 K 1 V 1kHz C 18n Figura 5 6. Com o osciloscópio, observe as ondas de entrada e aos terminais do condensador. 7. Meça o valor da amplitude de cada sinal e o valor da desfasagem entre os sinais. Amplitude Sinal Entrada Amplitude Sinal Condensador Desfasagem 8. Mude a frequência de entrada para 10 khz. 9. Repita as medições efectuados no ponto 8. Amplitude Sinal Entrada Amplitude Sinal Condensador Desfasagem BIBLIOGRAFIA [1] - Guia de Elaboração de Relatórios. Carlos Silva e Luís Baptista. E.N.I.D.H. 2005/2006 ENIDH/DMM 2º Ano da LEMM 4

6 ANEXO I CÓDIGO DE CORES DAS RESISTÊNCIAS ENIDH/DMM 2º Ano da LEMM 5

7 ANEXO II INTRODUÇÃO AO OSCILOSCÓPIO (adaptado da ref. [2]) Neste anexo, pretende iniciar-se o aluno na utilização do osciloscópio como aparelho de medida e de observação de grandezas eléctricas. Começa-se por apresentar o osciloscópio do ponto de vista funcional, e indicam-se algumas técnicas de medição de tensões eléctricas contínuas e variáveis periódicas (amplitude, período e frequência). 1. DEFLEXÃO VERTICAL Considere a figura I, onde se apresenta um diagrama contendo um tubo de raios catódicos, a peça fundamental do monitor do osciloscópio. Neste tubo, como pode verificar, existe um conjunto de eléctrodos, a e b, destinados a produzirem um feixe de electrões e que incidem num alvo fosforescente f, produzindo um ponto luminoso na zona de impacto, cuja intensidade é função da energia contida no feixe de electrões. No interior do tubo de raios catódicos, encontram-se dois pares de placas c e d, perpendiculares entre si, mas paralelas ao feixe de electrões. Ao se aplicar uma diferença de potencial eléctrico entre as duas placas dum dado par, cria-se um campo eléctrico que irá deflectir o feixe de electrões (figura II). Por este motivo as placas são denominadas placas de deflexão. O par de placas d produz uma deflexão do feixe na vertical, pelo que são apelidadas de placas de deflexão vertical. Do mesmo modo, o par c são as placas de deflexão horizontal. A tensão a visualizar é aplicada nas placas de deflexão vertical. Quanto maior for o campo eléctrico criado pelas placas, tanto maior será o desvio sofrido pelo feixe em relação à sua trajectória original. Deste modo, a distância do ponto luminoso ao centro do mostrador tem uma correspondência directa com a amplitude da tensão aplicada entre as placas. Basta, portanto, dotar o mostrador de uma escala vertical métrica para que se possa, a menos de uma constante, determinar o valor da tensão aplicada. Se a tensão aplicada for sinusoidal, o feixe irá deslocar-se alternadamente para cima e para baixo, produzindo um «rasto» no mostrador (figura III). Se o período de oscilação desta tensão for suficientemente baixo (comparado com os tempos de persistência do mostrador e da retina humana) ter-se-á um segmento de recta que poderemos associar ao contradomínio do sinal aplicado nas placas. Figura I - Diagrama simplificado do tubo de raios catódicos: a - cátodo, b - ânodo, c - placas de deflexão horizontal, d - placas de deflexão vertical, e - feixe de electrões, f - alvo fosforescente. ENIDH/DMM 2º Ano da LEMM 6

8 Repare-se que, deste modo, obtivemos um processo de medir a tensão aplicada, mas ainda não podemos determinar qual a sua «forma». Figura II - Deslocamento (na vertical) do feixe de electrões pelo efeito de um campo eléctrico constante entre o par de placas d, criado por uma tensão constante V S. Figura III - Rasto produzido no mostrador por um feixe desviado alternadamente para cima e para baixo pelo efeito de um campo eléctrico variável entre o par de placas d, criado por uma tensão variável v S. Pretende, agora, verificar-se na prática o que se expôs anteriormente. Deste modo, proceda de acordo com o seguinte: Comece por ligar o osciloscópio. Tenha e atenção que é necessário esperar que este «aqueça» (lembre-se do seu aparelho de televisão...). Seleccione no gerador de sinais (mas sem o ligar) um sinal triangular com uma amplitude de aproximadamente 3V e frequência de 1000 Hz. Coloque um cabo apropriado na saída do gerador de sinais, e tenha especial atenção em distinguir o terminal do sinal do terminal da «massa». Os osciloscópios, geradores de sinais, etc,.. têm em geral conectores coaxiais tipo BNC. Nos cabos coaxiais, o terminal de sinal (condutor central do cabo) está ligado à pinça crocodilo ou banana de cor vermelha e o terminal da massa à pinça crocodilo ou banana de cor preta. Como todos os aparelhos têm a mesma «massa», senão se tiver cuidado, pode curto circuitar-se parte do circuito a medir através das «massas» dos aparelhos. Todos os terminais de massa dos cabos a ligar ao circuito a medir têm de estar ligados ao mesmo ponto. No osciloscópio, coloque na entrada do canal 2 (por vezes assinalado pela letra Y) um cabo coaxial que deverá ligar ao gerador de sinais através do cabo que ligou anteriormente. Respeite as convenções sinal-massa, ligando os crocodilos vermelhos um ao outro bem como os crocodilos pretos entre si. Se trocar as ligações estará a curto circuitar a saída do gerador de sinais. Em alternativa, pode ligar o gerador de sinais ENIDH/DMM 2º Ano da LEMM 7

9 directamente ao osciloscópio através de cabos BNC-BNC. Neste caso, não há perigo de curto circuitar os terminais de qualquer dos aparelhos. Procure no painel frontal do osciloscópio todos os interruptores e/ou selectores que indiquem XY e coloque-os nessa posição. Procure ainda o ajuste de sensibilidade do canal 2 e coloque-o na posição correspondente a 1V por divisão. Tenha especial atenção em colocar os comutadores DC-AC-GND dos canais de entrada do osciloscópio na posição DC. Ainda no painel frontal do osciloscópio, procure junto do mostrador os comandos de intensidade e de focagem do feixe de electrões, e regule-os de modo a ter um ponto brilhante, mas não em excesso, e o mais redondo possível. Usando os comandos assinalados pelas símbolos e, desloque esse ponto até ao centro do mostrador. Ligue o gerador de sinais. Deverá observar uma recta vertical no monitor do osciloscópio. Ajuste a amplitude de saída do gerador de modo a ter um segmento de recta com 6 quadrados de comprimento (+3 V a -3V). Diminua a frequência do sinal do gerador primeiro para 100Hz, depois para 10Hz e finalmente para 1Hz. Observe que, para as frequências de 1 khz e 100Hz, se visualiza apenas uma recta vertical estática, pois não é possível que a nossa visão detecte a rápida variação do sinal. Para as frequências de 10Hz e 1Hz já é visível que o feixe de electrões se desloca para cima e para baixo, alternadamente, de acordo com o valor instantâneo da tensão do sinal da onda triangular. Coloque o comutador da forma de onda para uma onda quadrada. Varie novamente a frequência do sinal de saída do gerador por saltos para valores de 1kHz, 100Hz, 10Hz e 1Hz. Tendo em conta o que observou com uma onda triangular comente o que visualiza agora com uma onda quadrada. Anote as conclusões que achar pertinentes. 2. BASE DE TEMPO (DEFLEXÃO HORIZONTAL) Usando o osciloscópio tal como lhe foi sugerido no ponto 1, apenas é possível medir a tensão do sinal aplicado no canal 2 (Y), não podendo visualizar a sua «forma» BASE DE TEMPO «MANUAL» Seleccione no gerador uma onda triangular de 10Hz de frequência, que lhe produzirá um segmento de recta vertical no mostrador do osciloscópio. Utilizando o potenciómetro, centre o segmento de recta no mostrador. Rodando-o rapidamente, desloque o feixe de electrões para a direita e para a esquerda. Verifique que visualiza uma onda aproximadamente triangular. Acabou de aplicar, através do potenciómetro uma tensão variável nas placas de deflexão horizontal (placas c, figura I). A imagem obtida no mostrador resulta agora da composição das duas funções aplicadas nos dois pares de placas. Só se obteve uma imagem que rapidamente desapareceu do mostrador. Como obter então uma imagem permanente? A resposta é, todavia, simples: basta repetir os procedimentos anteriores de forma sincronizada e a um ritmo que permita a retenção da imagem no mostrador. É pois de todo o interesse efectuar de um modo automático o procedimento manual anterior. Para repetir a deslocação do feixe electrónico para a direita, há que fazê-lo regressar à sua posição original (à esquerda do mostrador). ENIDH/DMM 2º Ano da LEMM 8

10 Estamos, deste modo, a construir uma «base de tempo» que nos permite ver a evolução no tempo das tensões aplicadas no canal 2 do osciloscópio BASE DE TEMPO «AUTOMÁTICA» Se aplicarmos nas placas de deflexão horizontal uma função como a que se apresenta na figura IV, tensão triangular (ou em dente de serra), poderemos observar a evolução no tempo da tensão de entrada. Figura IV - Tensão gerada na base de tempo do osciloscópio. A tensão aplicada às placas c de deflexão horizontal «parte» de um valor negativo (-V), para que o feixe comece no lado esquerdo do mostrador, e vai progressivamente aumentando até a um valor máximo + V de modo a deslocar o feixe para a direita. Se este aumento for linear, então vemos que há uma correspondência directa entre o tempo e o desvio do feixe electrónico na horizontal (declive da rampa ascendente da figura IV). Teremos agora que fazer regressar o feixe à sua posição inicial o mais rapidamente possível, de modo a reiniciar o processo de «varrimento» do mostrador. Por isso o tempo de transição de +V para -V deve ser o mais curto possível. Na figura IV, este tempo é nulo, pois corresponde ao troço de recta vertical. Na realidade, terá uma inclinação muito pronunciada (rampa descendente de declive pronunciado). Volte a centrar o traço vertical no mostrador. Escolha para frequência do sinal do gerador um valor próximo de 1 khz. Identifique, no painel frontal do osciloscópio o comutador da base de tempo, retire-o da posição XY em que estava (ensaios anteriores) e experimente colocá-lo na posição 1 ms/div (está a seleccionar o valor do declive da rampa ascendente). Registe o sinal que observa (não se esqueça de registar as escalas utilizadas: escala horizontal de tempo e escalas verticais, assim como o respectivo nível de referência, 0V). Coloque agora a base de tempo em 200 µs/div. Registe o sinal que observa. Repare que nestas duas experiências, se manteve o mesmo sinal de entrada (a frequência e a amplitude não foram alteradas no gerador de sinal). Apenas se mudou a escala dos tempos no osciloscópio, ou seja, apenas se alterou a forma de visualização da onda no osciloscópio. Como medir a frequência do sinal de entrada (canal 2)? Supondo que na horizontal temos, como para este último caso, cada divisão da escala do mostrador a valer 200µs, se anotarmos o número de divisões entre dois máximos consecutivos do sinal (por exemplo 4,8 divisões), temos então para o período do sinal um valor T dado por T=200µs x 4,8 = 960µs, o que corresponde a uma frequência dada por f=1/t 1040Hz. Como medir a tensão do sinal de entrada (canal 2)? Supondo que na vertical temos, como se indicou no início deste guia, que cada divisão corresponde a 1V (1V/div - indicado no comutador das escalas das entradas), se o número de divisões (na vertical) entre o ENIDH/DMM 2º Ano da LEMM 9

11 máximo e o mínimo do sinal for X (por exemplo: 6,1 divisões) e se multiplicarmos este valor por 1V/divisão, teremos para a tensão pico-a-pico do sinal X Volt (6,1divisão x 1V/divisão = 6,1 V). A partir dos dois registos que fez da onda triangular, calcule em cada caso o valor da frequência e da amplitude do sinal. Qual dos dois cálculos considera mais preciso? Justifique a sua afirmação SINCRONISMO DA BASE DE TEMPO Para cada alternância da base de tempo, isto é, cada período (dente) do sinal da figura IV, teremos uma imagem no mostrador. O processo de obter uma sequência de imagens no mostrador, de modo a termos a sensação de que se trata de uma imagem fixa e permanente, exige que o início de cada imagem (varrimento) se efectue no mesmo ponto do sinal de entrada. Se não se verificar tal situação, teremos uma falta de sincronismo entre a base de tempo e o sinal a observar, resultando numa sucessão de imagens em movimento na horizontal. O sincronismo pode ser comandado pelos botões associados ao trigger (disparo) que deverá localizar no painel do osciloscópio. Seleccione o trigger para o canal 2, para que o sincronismo se faça com o sinal deste canal, e ajuste-o para o modo interno e automático. Rode agora o comando de nível do sincronismo (level) e observe as diferenças. Todo para a esquerda - há sincronismo? SIM NÃO Sensivelmente a meio - há sincronismo? SIM NÃO Todo para a direita - há sincronismo? SIM NÃO 3. OUTRAS FUNCIONALIDADES 3.1. EXPANSÃO DA BASE DE TEMPO Existe, na maioria dos aparelhos a possibilidade de expandir, normalmente por um factor de 5 ou de 10, o varrimento horizontal (escala dos tempos). Este comando permite-nos observar com mais pormenor certos troços do sinal de entrada. Tenha em atenção que ao expandir horizontalmente o sinal, está a diminuir a base de tempo pelo factor de expansão. Assim, se tiver a base de tempo em 2ms/div, e se a expansão for de 5x, estará, na prática, a usar uma base de tempo de 400µs/div EXPANSÃO DA SENSIBILIDADE DE ENTRADA À semelhança do comando anterior, existe também a possibilidade de aumentar a sensibilidade da entrada do osciloscópio (escala das tensões). Tente localizar esse comando e ensaie a sua funcionalidade. Convém, neste ponto esclarecer uma questão: o sinal de entrada não é aplicado directamente nas placas de deflexão vertical; o sinal passa primeiro por um atenuador variável (o comutador da sensibilidade de entrada) que está graduado em Volt/divisão; é depois amplificado, normalmente por um amplificador com saídas equilibradas e de ganho fixo, adicionando-lhe uma tensão contínua que permite deslocar o sinal na vertical (o botão ); finalmente, o sinal é aplicado nas placas de deflexão vertical. ENIDH/DMM 2º Ano da LEMM 10

12 3.3. VISUALIZAÇÃO DE DOIS CANAIS DE ENTRADA EM SIMULTÂNEO Geralmente, todos os osciloscópios têm pelo menos dois canais de entrada. Sendo o feixe electrónico único, põe-se, portanto, a questão de saber como utilizá-lo para mostrar «simultaneamente» dois sinais diferentes. A solução consiste na multiplexagem temporal dos dois sinais que, contudo, pode ser feita de duas maneiras: «amostrando» alternadamente cada um dos canais de entrada durante cada varrimento do mostrador, a um ritmo muito superior ao do varrimento (modo sampling); «ligando» o canal 1 ao amplificador de deflexão vertical durante um período de varrimento da base de tempo, e quando o feixe é reposicionado no lado esquerdo do mostrador, é ligado o canal 2 ao amplificador de deflexão vertical para o próximo varrimento. Assim, cada canal tem alternadamente «atribuído» um período da base de tempo (modo alternate). A desvantagem óbvia do segundo processo é a de se produzir cintilação no mostrador para frequências baixas da base de tempo (sendo, por isso, este modo utilizado geralmente para frequências elevadas). Quanto ao modo de sampling, que não apresenta os inconvenientes anteriores, não é utilizável para as altas frequências da base de tempo porque isso implicaria o uso de electrónica de amostragem de alta frequência, o que aumentaria consideravelmente o custo do equipamento, pois como referimos, o ritmo de amostragem tem de ser muito superior ao do varrimento. A selecção destes modos de visualização é feita, ou através de um comutador apropriado, ou automaticamente pelo próprio comutador da base de tempo. Neste último caso, para velocidades de varrimento inferiores a 1ms/div, é seleccionado o modo sampling, ao passo que, para velocidades superiores a 1ms/div, se comuta para o modo alternate. Tenha em atenção que, havendo dois canais de entrada, coloca-se o problema de seleccionar um deles para a sincronização da base de tempo. É neste sentido que encontrará um comutador SOURCE no painel do osciloscópio com opção CH1 ou CH2. Seleccione o gerador de sinais para um sinal de saída sinusoidal de frequência 100Hz e amplitude 3V. Ligue a saída principal do gerador ao canal 2 do osciloscópio e a saída auxiliar de onda quadrada, existente na maioria dos geradores de sinais no painel frontal (ou por vezes na rectaguarda), ao canal 1. Deve escolher no osciloscópio, uma escala para a amplitude do canal 1 compatível com os valores máximo e mínimo do sinal. Este sinal tem características diferentes consoante o tipo de gerador. Ponha a escala de tempo em 10ms/div e observe a diferença entre a visualização com o comutador em modo sampling ou modo alternate. Descreva o que observa em cada varrimento, em ambos os casos MODO DC, AC E GND A entrada de cada um dos canais do osciloscópio, antes de ser amplificada passa por um comutador que permite uma das três seguintes acções: ligação directa (modo DC) ao amplificador; ligação da entrada do amplificador à massa (modo GND). Utiliza-se para acertar o traço horizontal (tensão zero) no mostrador na quadrícula desejada; ligação ao amplificador através dum condensador em série (modo AC). Neste caso, retira-se qualquer componente contínua presente no sinal de entrada. Contudo, no modo ENIDH/DMM 2º Ano da LEMM 11

13 AC, introduz-se uma atenuação suplementar nas baixas frequências do sinal, devido à queda de tensão no condensador, distorcendo a sua representação no mostrador. Regule o gerador de sinais para uma sinusóide de período 10ms e de 3V de amplitude, com uma componente contínua de 1V adicionada (botão de OFFSET do gerador de sinais). Aplique este sinal na entrada 1 do osciloscópio em modo DC (seleccione a visualização de apenas este canal e ajuste o trigger). Observe o sinal obtido no monitor do osciloscópio. Coloque agora a entrada no modo AC e observe a alteração verificada MODO CALIBRADO Há por vezes a necessidade de «ajustar» a sensibilidade de entrada do osciloscópio para valores não existentes no selector rotativo de escalas de amplitude. Para tal, existe geralmente um interruptor (por vezes concêntrico ao selector rotativo), que permite «descalibrar» o atenuador de entrada. Assim, tenha sempre o cuidado de verificar se ele se encontra na posição CAL(ibrated) sempre que quiser efectuar medições. O modo calibrado (ou não) é também extensivo à base de tempo, pelo que a recomendação anterior deverá ser observada também no selector rotativo de escalas do tempo. ENIDH/DMM 2º Ano da LEMM 12