Corrente Continua (DC) vs Corrente Alternada (AC)

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1 Introdução teórica aula 5: Osciloscópio e Gerador de Sinais Corrente Continua (DC) vs Corrente Alternada (AC) Ao final do século XIX o sistema de distribuição de energia Edison (Edison General Electric) era a única opção para uso doméstico e industrial. Este sistema distribuía energia utilizando corrente contínua (DC). No entanto, este método passou a não ser mais adequado para atender as novas demandas energéticas. O problema de transporte de energia foi ainda mais difícil, já que a transmissão de longa distância de grandes quantidades de eletricidade era muito cara e sofria grandes perdas, como a dissipação de calor. Em 1886, George Westinghouse, um rico empresário, mas recém- chegado no negócio da electricidade, fundou a Westinghouse Electric para competir com a Edison General Electric. O primeiro sistema foi baseado nas descobertas e patentes de Nikola Tesla (na foto), que acreditava apaixonadamente na superioridade da corrente alternada (AC). Seu argumento era que as perdas na transmissão de energia elétrica que dependem da intensidade da corrente (P = I! R) viajam na linha. Para a mesma potência de transmissão e sendo o produto P = IV, quanto maior for a tensão, menor é a corrente necessária para transmitir a mesma energia e, consequentemente, menores são as perdas. Ao contrário da transmissão em tensão DC, a tensão AC pode ser aumentada com um transformador e ser transportada a longas distâncias com baixa perda de calor. Em seguida, antes de fornecer energia para os consumidores, a tensão pode ser reduzida para níveis seguros e econômicos. Corrente Alternada (AC) A corrente alterna ou corrente alternada (CA ou AC - do inglês alternating current), é uma corrente elétrica cujo sentido varia no tempo, ao contrário da corrente continua cujo sentido permanece constante ao longo do tempo. A forma de onda usual em um circuito de potência CA é senoidal por ser a forma de transmissão de energia mais eficiente. Entretanto, em certas aplicações, diferentes formas de ondas são utilizadas, tais como triangular ou ondas quadradas. Enquanto a fonte de corrente contínua é constituída pelos polos positivo e negativo, a de corrente alternada é composta por fases (e, muitas vezes, pelo fio neutro). Para ver mais sobre a história da corrente alternada: A forma de onda de tensão em CA pode ser descrita matematicamente pela fórmula: { }} { V (t) =V DC + V AC sen( ωt + φ 0 ) φ 1/10

2 V (t) + V AC V DC =0 V (t) ωt _ φ 0 T V DC=componente (offset em tensão) V AC=Amplitude da onda. ω=velocidade angular ω=2πf, onde f=1/t é a frequência de operação e T o período de oscilação. φ 0=fase inicial φ=fase de oscilação. Para a caracterização de uma função alternada os parâmetros principais são: V AC=Amplitude da onda. V pp=2v AC; Tensão de pico a pico. V m= (V max V min)/2; Tensão média. V rms=v AC/ 2; Tensão eficaz Por exemplo a tensão V rms=220v AC usada em alguns estados brasileiros se traduz em: V AC= V V pp=622v Osciloscópio Um osciloscópio é um instrumento eletrônico de visualização usado para a representação gráfica de sinais elétricos que variam ao longo do tempo: A figura abaixo apresenta o modelo de osciloscópio que será usado no laboratório (TDS2002C). A esquerda está a tela e à direita os botões de controle. Os botões que principalmente serão usados nos laboratórios que se seguem estão indicados na figura. Porem, uma explicação mais detalhada do funcionamento do osciloscópio pode ser encontrada no manual do osciloscópio TDS2002C no moodle da disciplina. 2/10

3 B 1:,Tela 2:,Botão,giratorio,de,multiplas,funções 3:,Botão,measure 4:,Botão,cursor 5:,Botão,acquire 6:,Botão,display 7:,Botão,Auto,set :,Botão,giratorio,de,escala,horizontal,CH1 9:,Entrada,para,cabo,coaxial,CH1 10:,Botão,giratorio,de,posição,vertical,CH1 11:,Entrada,para,cabo,coaxial,CH2 12:,Botão,giratorio,de,escala,horizontal,CH1 13:,Botão,giratorio,de,posição,vertical,CH2 14:,Botão,giratorio,de,escala,vertical Gerador de sinais Um gerador de sinais é um aparelho eletrônico utilizado para gerar sinais elétricos de formas de onda, frequências (de alguns Hz a dezenas de MHz) e amplitude (tensão) diversas. São muito utilizados em laboratórios de eletrônica como fonte de sinal para teste de diversos aparelhos e equipamentos eletrônicos. Um gerador de sinais pode gerar sinais senoidais, triangulares, quadrados, e até dente- de- serra, com sweep (frequência variável), todos com diversas frequências e amplitudes. Normalmente ele possui um frequencímetro acoplado e diversos botões de ajuste e seleção, além de conectores para saída do sinal. Seu uso é muito ligado à utilização do osciloscópio, com o qual se pode verificar as suas formas de onda. Seu funcionamento é baseado em circuitos eletrônicos osciladores, filtros e amplificadores. A figura 2 apresenta o painel frontal do gerador de sinais (BK Precision 4010A) a ser usado nas aulas de laboratório que se seguem. Os botões que principalmente serão usados estão indicados. Porém, uma explicação mais detalhada do seu funcionamento pode ser encontrada no manual do gerador de sinais BK Precision 4010A no moodle da disciplina. 3/10

4 :)Seletor)de)faixa)de)frequência)(ajuste)grosso) 2:)Seletor)de)tipo)de)onda 3:)Seletor)de)faixa)de)frequência)(ajuste)@ino) 4:)Seletor)ON/OFF)para)offset)DC 5:)Botão)giratório)para)controlo)de)DC)offset 6:)Saída)cabo)coaxial 7:)Botão)giratorio)para)control)de)amplitude)de)onda /10

5 Roteiro de laboratório aula 5: Osciloscópio e Gerador de Sinais Objetivos Revisar as propriedades de funções periódicas Introduzir os conceitos de tensão alternada, valor pico- a- pico, valor rms e valor médio Aprender a observar um sinal e fazer medidas com o osciloscópio Aprender a produzir uma onda senoidal, quadrada ou triangular usando gerador de sinais Lista de material Osciloscópio e gerador de sinais Multímetro Fonte AC da bancada Roteiro da experiência 1) Nos itens abaixo, considere a seguinte notação para os três terminais do transformador da bancada: 1=superior, 2=centro, 3=inferior. a) Usando o multímetro na escala de tensão alternada (AC), meça o valor eficaz ou valor rms (V rms) das tensões entre os três terminais do transformador e preencha a tabela 1. b) Determine a amplitude (A) e o valor pico- a- pico (V pp) de cada tensão e preencha a tabela 1. OBS: Usando o multímetro em escala de tensão contínua (DC), é possível estimar o valor médio (V m) (também chamado de nível DC) de uma tensão periódica de frequência não muito baixa. Antes de prosseguir, verifique que o valor médio de cada tensão V 12, V 23 e V 13 é aproximadamente igual a zero (como era de se esperar). 2) Ligue o osciloscópio e experimente com os botões a seguir, de forma a familiarizar- se com seu modo de operação e os efeitos produzidos. (OBS: atente para todos os indicadores que aparecem na tela, mas, por hora, ignore a forma dos sinais mostrados). a) Botões da parte superior do osciloscópio (UTILITY, MEASURE, CURSOR, DISPLAY, etc.); b) Botões MENU 1 e MENU 2 (experimente pressionar mais de uma vez o mesmo botão); c) Botões na lateral da tela do osciloscópio (experimente com o MENU 1 selecionado). Antes de prosseguir, certifique- se que você sabe como fazer para identificar quais canais estão sendo mostrados no osciloscópio. Para que seu osciloscópio funcione como esperado ao longo deste roteiro, certifique- se que ele está ajustado com a seguinte configuração: MENU 1: Acoplamento = CC; Limite LB = DESL; Ganho variável = Grosso; Sonda = 1X Voltagem; Inverter = DESL; TRIGGER MENU: Tipo = Borda; Origem = CH1; Inclinação = Subida; Modo = Auto; Acoplam. = CC; CURSOR MENU: Tipo = DESL; Origem = CH1; DISPLAY MENU: Tipo = Vetores, Persistência = DESL, Formato = YT. 3) Encaixe uma ponteira (cabo coaxial com conector BNC e garras de jacaré) na entrada CH1 do osciloscópio e conecte as garras em dois terminais adjacentes (i.e., vizinhos) do transformador da bancada. Certifique- se de que apenas o CH1 está sendo mostrado no osciloscópio. 5/10

6 a) Para fazer um ajuste automático das escalas, aperte o botão AUTOSET. b) Indique as escalas de tensão e de tempo utilizadas. c) Utilizando o botão VERTICAL SCALE, altere a escala de tensão do CH1 para 200mV/DIV e depois retorne para 5V/DIV. d) Utilizando o botão HORIZONTAL SCALE, altere a escala de tempo do CH1 para 100µs/DIV e depois retorne para 5ms/DIV. e) O que você observa ao diminuir a escala de tensão? E ao diminuir a escala de tempo? Fazer isso altera o sinal de entrada? f) Gire o botão VERTICAL POSITION e verifique o que acontece. Observe que, ao girar o botão, na parte inferior da tela é mostrado o valor exato da posição vertical do CH1. g) Gire o botão HORIZONTAL POSITION e verifique o que acontece. Observe que na parte inferior da tela é sempre é mostrado o valor exato da posição horizontal do CH1. h) O que você observa ao modificar a posição vertical ou a posição horizontal? Fazer isso altera o sinal de entrada? i) Olhando na tela (isto é, contando o número de divisões), meça o valor pico- a- pico e o período do sinal. Calcule o valor rms e a frequência. Preencha a tabela 2. j) Esboce o sinal observado, indicando as referências de tensão e tempo (i.e., as setas que indicam a origem) e as escalas utilizadas. Com o modo MEASURE do osciloscópio é possível fazer medidas automaticamente isto é, o próprio osciloscópio se encarrega de fazer os cálculos. É possível configurar até quatro medidas automáticas. Para configurar as medidas desejadas, utilize os 5 botões laterais. O primeiro botão seleciona a função que os demais botões terão: seleção de Origem ou seleção de Tipo. Na seleção de origem, os demais botões selecionam se a medida será feita no CH1 ou no CH2. Na seleção de tipo, os demais botões selecionam o tipo de medida: valor Pico a Pico, RMS, Médio, Período, Frequência. 4) Siga os procedimentos abaixo. a) No modo MEASURE, configure o osciloscópio para fazer as medidas de valor Pico a Pico, valor RMS, valor Médio, Período e Frequência, todas no CH1. b) Anote os valores medidos e preencha a tabela 3. Um valor de tensão muito pequeno comparado com a escala do osciloscópio é difícil de medir com precisão, podendo ficar oscilando. Mas um valor desse tipo é geralmente desprezível comparado com os demais valores medidos, podendo ser considerado zero. Assim, não se preocupe muito com o valor medido de V m oscilando próximo a zero. Basta anotar qualquer um dos valores observados. IMPORTANTE: Para fazer suas medidas automáticas, o osciloscópio se baseia apenas na porção do sinal que está mostrada na tela (ou um pouco mais que isso). Quanto essa porção é insuficiente para fazer uma estimação precisa (isto é, quando a amplitude do sinal está cortada ou quando menos que um período do sinal está mostrado), não se deve confiar no valor indicado pelo osciloscópio. Para indicar que está em dúvida sobre os valores medidos (que podem ou não estarem corretos), o osciloscópio adiciona um sinal de interrogação ao lado dos valores. Isto é análogo a fazer uma medida com o multímetro que está fora de escala. 6/10

7 c) Mude a escala de tensão para 2V/DIV e verifique o aparecimento do sinal de interrogação. Não confie nesta medida! d) Retorne para a escala de 5V/DIV e agora mude a escala de tempo para 1.00ms/DIV. Verifique o aparecimento do sinal de interrogação. Não confie nesta medida! DICA: Para garantir maior precisão ao fazer medidas com o osciloscópio, ajuste as escalas de tensão e de tempo de forma que um período do sinal ocupe a maior parte da tela possível (tanto na horizontal quanto na vertical). Quanto mais área da tela o sinal ocupar, maior a precisão da medida. Isto é análogo a escolher a escala mais precisa para fazer uma medida com o multímetro. A seleção de frequência do gerador de sinais é dividida em duas partes: ajuste grosso e ajuste fino. O ajusto grosso é feito com os botões seletores de faixa de frequência (RANGE). Na faixa de frequências X é possível produzir frequências entre X/10 e X. Por exemplo, na faixa de 20kHz é possível produzir frequências entre 2kHz e 20kHz. O ajuste fino da frequência dentro da faixa selecionada é ajustado com o botão giratório (FREQUENCY). Para aumentar a frequência, deve- se girar o botão no sentido anti- horário. DICA: Nunca confie no valor de frequência marcado no botão giratório, pois pode estar desajustado. Ao invés disso, sempre confira o valor da frequência usando o osciloscópio. 5) Responda as questões a seguir sobre o gerador de sinais da sua bancada. a) Indique os valores de frequência que podem ser produzidos nas seguintes faixas: i) Faixa de 200Hz. ii) Faixa de 2MHz. b) Qual faixa de frequências deve ser usada para produzir as seguintes frequências? i) Frequência de 50Hz. ii) Frequência de 120kHz. iii) Frequência de 3kHz. Com relação aos demais parâmetros do gerador de sinais: Para ajustar a amplitude do sinal, utilize o botão giratório OUTPUT LEVEL. Para ajustar o valor médio do sinal (nível DC), utilize o botão giratório DC OFFSET. Para isso o botão seletor DC OFFSET deve estar pressionado (ON). DICA: Caso o sinal apareça instável na tela do osciloscópio, ajuste o TRIGGER LEVEL de forma a deixar o nível do trigger (seta indicadora à direita da tela) sempre entre os picos do sinal. 6) Siga os procedimentos abaixo. a) Desconecte as garras da ponteira do osciloscópio dos terminais do transformador. b) Encaixe uma nova ponteira na saída OUTPUT do gerador de sinais. c) Agora, conecte entre si as garras das duas ponteiras: preta com preta, e vermelha com vermelha. Ao soltar as ponteiras, atente para não curto- circuitar o gerador de sinais. d) Configure o gerador de sinais para DUTY CYCLE = OFF, CMOS LEVEL = OFF, DC OFFSET = ON e - 20dB = OFF. 7/10

8 e) Produza os seguintes sinais e preencha a tabela 4 com os valores medidos. (Utilize AUTOSET caso necessário.) i) Onda senoidal, f = 1kHz, V pp = 6V, V m = 0V ii) Onda senoidal, f = 60kHz, V pp = 8.8V, V m = 2V iii) v(t) = cos(2π 500t) V iv) Onda quadrada, T = 40µs, V min = 0V, V max = 8V v) Onda triangular, T = 3ms, V max = 4V, V m = 0V. 8/10

9 Aluno(a):. Matrícula: Data: / / Turma: Nota: Tabela 1 V rms A = V rms 2 V pp = 2A V 12 V 23 V 13 Questão 3.b) Escala de tensão: /DIV Escala de tempo: /DIV Questão 3.e) Questão 3.h) Tabela 2 V pp V rms = V pp/(2 2) T f = 1/T Tabela 3 V pp V rms V m T f Questão 5.a) i) frequências entre e ii) frequências entre e 9/10

10 Questão 5.b) i) faixa de ii) faixa de iii) faixa de Questão 3.j) Tabela 4 V pp V m T f Questão de preparação Olhando a seguinte forma de onda calcule a tensão pico a pico, V pp, valor máximo, V max, valor de tensão mínimo, V min, valor médio da sinal, V m, período, T, e frequência, f: V(mV) t(ns) /10