Laboratório de Circuitos Elétricos /2. Experiência N o 02: Medidas AC

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1 Laboratório de Circuitos Elétricos /2 Experiência N o 02: Medidas C I - Objetivos Familiarização com os equipamentos de laboratório: gerador de funções, osciloscópio e multímetro. II - Introdução eórica Sinais C utilização de sinais C (alternate current, corrente alternada) se deve ao engenheiro eletricista sérvio Nikolas esla. É dele o projeto e implementação das primeiras redes de distribuição C, dos primeiros motores C e da rede de distribuição polifásica (como a que utilizamos hoje, que é trifásica). Na época, se utilizava a rede de distribuição DC, muito menos eficiente. Sinais C são sinais cuja intensidade varia com o tempo. Um gerador de sinais ou gerador de funções fornece um sinal de tensão C de frequência e amplitude ajustáveis, para uso em circuitos elétricos. frequência do sinal pode ser ajustada, tipicamente, de alguns Hertz até MegaHertz e a amplitude do sinal pode ser ajustada de alguns milivolts até alguns Volts. O sinal é normalmente uma forma de onda senoidal, quadrada, retangular, ou mesmo triangular. Essas curvas, com a forma e a equação que a descreve, podem ser visualizadas na abela 1. No caso de um sinal senoidal, ele pode ser descrito por: v( t) V sin( wt), onde é chamada amplitude da senóide; w é sua frequência angular e V m é o valor médio da senóide. O valor médio de uma curva C também é chamado seu valor DC, e pode ser calculado por: m V m 1 t0 t0 v( t) dt. Chamamos de valor eficaz de uma onda periódica, o valor DC ou constante que fornece a mesma potência média a um resistor R. O valor eficaz de uma curva (tanto tensão quanto corrente) pode ser calculado por: V ef t0 1 2 to v ( t) dt.

2 v(t) abela 1 - Onda senoidal, quadrada e retangular Gráfico da Curva Equação Símbolos V m v( t) V sin( wt) m t v(t) t, t v ( t) , t 4 4 v(t) v( t) t t O valor eficaz também é chamado valor RMS (root mean square), já que seu cálculo envolve a determinação da raiz quadrada do valor quadrático médio. Osciloscópio e multímetro na medição de sinais C O osciloscópio de raios catódicos (ou osciloscópio analógico) fornece uma representação visual de qualquer forma de onda aplicada aos seus terminais de entrada. Um tubo de raios catódicos, semelhante a um tubo de televisão, fornece uma tela de visualização mostrando a forma do sinal aplicado à face do tubo, deixando uma amostra do sinal que é aplicado aos terminais de entrada. Enquanto multímetros fornecem informação numérica de um sinal aplicado, o osciloscópio proporciona a forma real da onda a ser mostrada. Existe uma ampla gama de modelos de osciloscópios, analógicos ou digitais, adequados para medir sinais abaixo de uma freqüência especifica, outros para fornecer medidas de sinais de tempos de duração muito curtos. Um osciloscópio pode ser construído para operar desde alguns hertz até centenas de megahertz; osciloscópios podem também ser usados para medir larguras de tempo de frações de nanossegundos a vários segundos.

3 O multímetro também serve para medir as características de sinais C, geralmente senóides. chave C/DC do multímetro permite escolher o tipo de medida a ser realizada: valor médio ou DC; valor eficaz ou C. partir dessas duas medidas é possível reconstruir o sinal senoidal medido. Um osciloscópio ideal deveria apresentar uma resistência de entrada infinita, entretanto, devido às características do seu circuito de entrada, na maioria das vezes esta resistência de entrada está longe desta condição ideal. experiência procura mostrar não somente o efeito resistivo, mas também o efeito capacitivo de carregamento do canal de entrada do osciloscópio sobre o circuito em estudo. De fato, o circuito de entrada de um canal do osciloscópio pode ser modelado por um circuito contendo um resistor (de valor de 1 M para o osciloscópio do laboratório) em série com um capacitor (de valor de 25 pf para o mesmo caso). Será então possível observar como, para determinadas condições, o osciloscópio pode alterar o próprio valor que se deseja medir. faixa de frequência em que um equipamento de medida fornece resultados corretos é um parâmetro importante não só para um osciloscópio mas para outros equipamento como, por exemplo, um multímetro. Esta experiência também procura chamar a atenção para as limitações dos multímetros; em particular para o efeito da frequência sobre as medidas de tensão C e DC. limitação de frequência é um dos parâmetros que deve ser considerado e que deve orientar a escolha por um determinado equipamento; em geral tem influência sobre o custo de um equipamento. III - Procedimento Experimental Realize o seguinte procedimento experimental: a) Configure a curva de saída do gerador de funções, ajustando amplitude e frequência conforme indicado na abela 2, visualizando no osciloscópio. Para cada curva, meça com o multímetro o valor da tensão eficaz. Não esqueça que o multímetro deve estar ajustado na posição valor C. abela 2 justes do gerador de funções Curva Valor Médio (V) mplitude (V) C1 - quadrada - 20 khz 0 3 C2 - triangular khz 0,5 2 C3 - senóide 5 khz 1 2,5 b) Utilizando a última curva ajustada, altere a frequência continuamente até chegar em 500 khz e observe no multímetro o valor da tensão C medida. Registre eventuais discrepâncias observadas.

4 c) juste o gerador de funções para a última curva do item a). Monte o circuito abaixo utilizando um resistor de 1,2 k. Com o osciloscópio, registre a forma de onda da tensão sobre o resistor. d) juste o gerador de funções para última curva do item a). Monte o circuito abaixo utilizando resistores de 1 M. Meça a tensão eficaz sobre ambos os resistores conforme mostrado na figura, e registre a forma de onda da tensão sobre um dos resistores. IV - Parte Computacional Usando um programa simulador de circuitos elétricos, como por exemplo, Pspice, Multisim, CircuitMaker, Solve Elec, Matlab, faça a simulação do procedimento experimental descrito nos itens IV.a) e IV.b) abaixo. Registre os resultados da simulação mostrando as formas de onda obtidas. Utilize os modelos dos circuitos a seguir: Item IV.a)

5 Item IV.b) V - Relatório No seu relatório inclua os seguintes itens: 1 - Introdução eórica (vale 4 pontos) a) Calcule os valores médio e eficaz das curvas solicitadas no item III.a). Compare com os valores medidos no laboratório. b) Calcule os valores médio e eficaz da curva utilizada no item III.b). Os valores medidos correspondem aos valores teóricos? Explique em termos da limitação de medida do multímetro para altas freqüências. 2 - Resultados Experimentais (vale 4 pontos) c) Os valores de tensão medidos no item III.d) estão de acordo com as Leis de Kirchhoff? Explique seus resultados. d) Justifique os modelos dos circuitos utilizados na simulação computacional e compare os resultados experimentais que você obteve com os resultados das simulações. 3 - Conclusões (vale 2 pontos) e) Faça conclusões a respeito do experimento realizado.

6 Laboratório de Circuitos Elétricos 1 - Experiência Nº 02: Medidas C /2 urma: Data: lunos: Matrícula: Matrícula: Matrícula: Procedimento (a) curva C1 - quadrada C2 - triangular C3 - senóide ensão C (V) Procedimento (b) ensão C (V) Procedimento (c) Procedimento (d)

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