Laboratório de Circuitos Elétricos I

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1 Laboratório de Circuitos Elétricos I 14 a Aula Prática: Circuitos Lineares de 1ª Ordem 1- Objetivos: Verificar experimentalmente o comportamento dos circuitos de 1ª ordem. 2 Material utilizado: 01 Fonte CC ; 01 Osciloscópio; 01 voltímetro CC; 01 resistor R de 430 Ω; 01 Capacitor C de 2 μf; 01 Capacitor C de 10 μf e 1 chave faca. 3 Parte de Cálculos Considere o circuito da Figura 1. Demonstre que, após a abertura da chave, a tensão no capacitor v c t no processo de descarga é dada pela equação (1). em que τ é a constante de tempo (em segundos). v c t = V fonte. e t τ (1) τ = RC (2) Figura 1: Circuito de 1ª Ordem. 4 Parte Prática Calcule as constantes de tempo para cada caso abaixo considerando os valores nominais dos equipamentos. Preencha a Tabela 1. i) R = 420 Ω & C = 2 μf ii) R = 420 Ω & C = 12 μf iii) R = 210 Ω & C = 2 μf 1

2 Tabela 1 - Valores medidos e calculado Caso τ calculado τ medido R medido C medido i ii iii Meça os valores da resistência e capacitâncias. Preencha a Tabela Efetue a montagem do circuito da Figura 1 para cada caso do item (4.1). Obtenha a constante de tempo utilizando o osciloscópio e preencha a Tabela Compare os valores medidos e calculados para a constante de tempo. 2

3 Laboratório de Circuitos Elétricos I CIRCUITO DE PRIMEIRA ORDEM ROTEIRO PARA USO DO OSCILOSCÓPIO Material Complementar da Prática 14 Solução do Circuito de Primeira Ordem: Inicialmente, com a chave fechada, o capacitor vai ser carregado com a tensão da fonte (V fonte = 5V). Quando se abre a chave, temos um circuito RC, no qual o capacitor vai ser descarregado. A solução do circuito de primeira ordem que está no roteiro é: Em que τ é a constante de tempo (em segundos). v c t = V fonte. e t τ com τ = RC Em uma constante de tempo, o capacitor (em processo de descarga) possuirá 37% da tensão inicial (V fonte = 5V): v c τ = V fonte. e τ τ = 5. e 1 = 5. 0,368 = 1,84 V Manual do Osciloscópio Passo 1: As principais Funções do Osciloscópio (a serem usadas nessa prática) são apresentadas na Figura 1. 1

4 Figura 1 - Funções usadas A tensão de referência deve ser ajustada em zero conforme a Figura 2. Figura 2 - Tensão de Referência Ajustada em Zero Passo 2: Após a montagem do circuito, conecte a ponteira no capacitor. O aluno deve tomar cuidado com a ponteira, porque é muito cara e dispomos de poucas unidades. A "ponteira" é o terminal positivo e o "terminal jacaré" é o negativo. Passo 3: Ligue a fonte e em seguida ligue o osciloscópio (botão à esquerda na parte inferior). Certifique-se que o botão (Run/Stop) esteja verde, vide Figura 3. Se não estiver, basta apertar o botão. 2

5 Figura 3 - Botões Run/Stop e Single Passo 4: Se necessário: 4.1) Desligue os cursores: aperte o botão "cursor" para desligar os cursores. 4.2) Zere o tempo de retardo: aperte o botão giratório indicado na Figura 1 e gire para zerar o tempo de retardo. 4.3) Zere a tensão de referência (vide Figura 2). 4.4) Ajustar o nível (T) na linha amarela: isso garante a indicação correta do valor de tensão. Passo 5: Ajustes Iniciais 5.1) Aperte o botão "Trigger" (indicado na Figura 1) 5.2) Selecione Mode Coupling --> DC (Botão Mode Coupling). 5.3) Tipo de Disparo: Borda 5.4) Tipo de Inclinação: Descida Passo 6: Ajuste da escala de Volts/divisão (Vertical Canal 1): 6.1) O número de Volts/divisão vertical deve ser ajustado pelo botão giratório indicado na Figura ) Exemplo: Se quero medir 5 Volts, posso escolher 2 Volts/divisão. Cada quadradinho na vertical equivale à 2 volts. Nesse caso, dois quadradinhos e meio equivale à 5,0Volts. Passo 7: Ajuste da escala de Tempo 7.1) Utiliza-se o botão giratório Horizontal (vide Figura 1) para o ajuste da escala. 3

6 7.2) Considere que o circuito RC possui uma constante de tempo de 5ms. Suponha que o capacitor demora 5 constantes de tempo para descarregar. 7.3) Uma escala de 5ms é adequada para analisar o transitório: cada quadradinho (horizontal) equivale à 5ms segundos. Assim serão necessários cinco quadradinhos para o capacitor descarregar por completo. 7.4) A Tabela 1 apresenta alguns ajustes de escala de tempo: Tabela 1: Ajuste Volts/divisão Constante de Tempo τ Volts/divisão 0,84 ms 1ms/divisão 5,04 ms 5 ms/divisão 0,42 ms 500 µs/divisão Passo 8: Ajuste do Nível: 8.1) Aperte o botão "Trigger", indicado na Figura ) Com o botão giratório "Nível", ajuste a linha horizontal um pouco abaixo (porque é transitório de descarga), vide Figura 5. Figura 4 - Ajuste do Nível 4

7 Passo 9: Avaliação do Transitório: Figura 5 - Ajuste do Nível - Borda de Descida 9.1) Dica para o fechamento da chave (montagem do circuito): os contatos da chave devem estar apenas encostados. Isto facilita a abertura e evita que uma forma de onda deformada apareça no momento da abertura da chave. 9.2) Aperte o Botão Single (Figura 3). Antes porém certifique-se que o botão "Run/Stop" esteja verde. 9.2) Abra a chave 9.3) Pode ocorrer que uma tentativa de abertura da chave não seja suficiente para capturar o transitório de descarga. Nesse caso, repita o Passo 9 até que se consiga capturar o transitório de descarga. Passo 10: Obtenção da Constante de Tempo 10.1) Conforme apresentado na Figura 1, aperte "Cursores" para ativação dos cursores na tela. Serão apresentadas 4 linhas: duas verticais (Y1 e Y2) e duas horizontais (X1 e X2). 10.2) Aperte o botão giratório "Cursores" para selecionar cada um dos cursores de cada vez na seguinte ordem: 1º X1: ajustado no início da descarga; 2º Y1: ajustado na reta de tensão; 3º Y2: ajustado na posição vertical correspondente à 0,36*V fonte. Equivalente a uma constante de tempo. 4º X2: ajustado na interseção com Y ) Estando tudo certo, a indicação Δx à direita da tela será aproximadamente a constante de tempo do circuito RC. Figura 6 - Ajuste dos Cursores 5

8 A Figura 7 apresenta os cursores ajustados para determinado conjunto de parâmetros. Conforme é possível observar, a constante de tempo foi estimada em 390µs = 0,39 ms. Figura 7 - Ajuste dos Cursores- Osciloscópio 6