PRÁTICAS PARA SEREM REALIZADAS AO LONGO DO SEMESTRE

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1 PRÁTICAS PARA SEREM REALIZADAS AO LONGO DO SEMESTRE Última atualização: 02/08/2011. Prática 1: Fonte de Tensão com Saída Variável Este circuito, como o próprio nome sugere, trata-se de uma fonte de tensão contínua (cc) com saída variável. O enrolamento primário do transformador é conectado na rede elétrica de 220Vac (eficaz). No enrolamento secundário do transformador, a tensão é reduzida para 12Vac. Logo, o mesmo é conectado à ponte retificadora que converte a tensão alternada do secundário numa tensão contínua pulsante (de onda completa). Para estabilizar a tensão de saída da ponte retificadora é adicionado o capacitor C1, o qual eleva a mesma praticamente para o valor de pico da tensão do secundário. O capacitor C2 tem a função de melhor a filtragem feita previamente com o capacitor C1. Agora, a saída da fonte (já estabilizada) é conectada ao pino 3 (entrada) do regulador (REG) de tensão LM317. Em sua saída (pino 2), temos a tensão (cc) fornecida (finalmente) por este circuito. Tal tensão tem seu valor definido mediante ajuste no potenciômetro P1. TRAFO D1 a D4 C1 C2 C3 R1 P1 REG Transformador 12V+12V/(400mA ou 600mA). Capacitor 2200µF/35V (Eletrolítico) Capacitor 100nF/400V (Eletrolítico) Capacitor 100µF/35V (Eletrolítico) Potenciômetro 10kΩ (linear) Regulador de tensão LM317 1

2 Prática 2: Circuito com BC548 O circuito, alimentado com 12V, tem a finalidade de acionar uma carga via saturação do transistor BC548. Inicialmente, a chave SW está aberta, o transistor T1 está cortado, o relé K1 está desligado e, por conseguinte, o LED 2 está acesso. Ao acionarmos a chave SW, o transistor T1 satura e o relé K1 aciona, sendo conectado ao 0V do circuito via transistor T1. Com o acionamento do relé K1 o LED2 se apaga e, então, acende o LED1. O diodo D1, em paralelo com a bobina de K1, atua como um protetor de T1, impedindo que a tensão reversa (induzida) produzida na bobina de K1, quando esta é desligada, gere uma corrente reversa (induzida) que possa queimar o coletor de T1. SW D1 LED1 LED2 T1 K1 R1 R2 = R3 Chave liga-desliga Led Vermelho Led Verde Transistor BC548 Questões: 1. Considerando a chave SW aberta, e o circuito ligado na fonte de fem, qual o valor da tensão medida entre o coletor e o emissor do transistor? Com base no valor obtido, o transistor está na condição de corte, saturação, ou está na região ativa? Justifique sua resposta. 2. Considerando a chave SW fechada, e o circuito ligado na fonte de fem, qual o valor da tensão medida entre o coletor e o emissor do transistor? Com base no valor obtido, o transistor está na condição de corte, saturação, ou está na região ativa? Justifique sua resposta. 2

3 Prática 3: Circuito com BC558 O funcionamento deste circuito é idem ao da Prática 2, assim como os componentes eletrônicos nela usados. A única diferença é o transistor (T1) usado: o BC558. Tal transistor tem polarização contrária ao BC548, o que justifica as novas conexões feitas neste circuito. Questões: 1. Considerando a chave SW aberta, e o circuito ligado na fonte de fem, qual o valor da tensão medida entre o coletor e o emissor do transistor? Com base no valor obtido, o transistor está na condição de corte, saturação, ou está na região ativa? Justifique sua resposta. 2. Considerando a chave SW fechada, e o circuito ligado na fonte de fem, qual o valor da tensão medida entre o coletor e o emissor do transistor? Com base no valor obtido, o transistor está na condição de corte, saturação, ou está na região ativa? Justifique sua resposta. 3. Qual a diferença de funcionamento, se é que existe, desse circuito quando comparado àquele da Prática 2? Explique por que há, ou não, tal diferença. 3

4 Prática 4: Temporizador 1 Quando o circuito é alimentado, em 12V via acionamento da chave SW1, apenas o LED2 permanece aceso. No instante do acionamento de SW1, o capacitor C2 passa a se carregar via resistor R1 (tais quais, C2 e R1, constituem um circuito RC série). Após certo intervalo de tempo, quando a tensão sobre o capacitor C2 for de 7,5V, o diodo zener DZ, que atua como chave na configuração em que está, aciona. Consequentemente, o transistor T1 também é acionado, sendo que o mesmo, por sua vez, também aciona o relé K1 que liga, então, o LED1, com o LED2 sendo imediatamente desligado. Nota: Embora a tensão do diodo zener DZ seja de 6,8V, a tensão sobre o capacitor precisa atingir os 7,5V pois esta é a tensão de operação do diodo zener DZ, de 6,8V, mais a tensão de 0,7V para o diodo interno que consideramos existir entre a base (B) e o emissor (E) do transistor T1. Ou seja: 7,5V = 6,8V + 0,7V. Neste caso, consideramos que C2, DZ e diodo interno que consideramos existir entre a base (B) e o emissor (E) do transistor T1 constituem uma malha de um circuito série no qual o capacitor C2 atua como uma fonte de tensão. Veja o esquema para este caso ao lado: SW D1 DZ LED1 LED2 T1 K1 R1 R2 = R3 C1 C2 Chave liga-desliga Diodo zener 6,8V/1W Led Vermelho Led Verde Transistor BC548 Capacitor 2200µF/35V (Eletrolítico) Capacitor 1000µF/35V (Eletrolítico) Questões: 1. Determine o valor da constante de tempo de carga mínima, em segundos (s), do circuito temporizador da Prática Determine o valor da constante de tempo de carga máxima, em segundos (s), do circuito temporizador da Prática Supondo a chave SW ligada, qual a tensão sobre o capacitor C2 em 4s após o circuito ser ligado. Admita os capacitores inicialmente descarregados (0V) e lembre: 1µF = F. 4. Supondo a chave SW desligada, qual a tensão sobre o capacitor C2 em 4s após o circuito ser ligado. Admita os capacitores inicialmente descarregados (0V) e lembre: 1µF = F. 4

5 5. Embora o diodo zener DZ seja projetado para acionar aos 6,8V, a tensão no(s) capacitor(es) precisa crescer até os 7,5V. Explique o por quê disto. Prática 5: Temporizador 2 Temporizador com Resistor de Descarga Quando o circuito é alimentado, em 12V via acionamento da chave SW1, apenas o LED2 permanece aceso. Então, o capacitor C1 passa a se carregar via resistor R1 e o potenciômetro P1 (o qual permite ajustar a constante de tempo capacitiva de carga para C1). Após certo intervalo de tempo, quando a tensão sobre o capacitor C1 for de 7,5V, o diodo zener DZ, que atua como chave na configuração em que está, aciona. Consequentemente, o transistor T1 também é acionado, sendo que o mesmo, por sua vez, aciona o relé K1, que conecta o capacitor C1 ao resistor RD ocasionando a descarga deste capacitor (neste caso, temos um circuito RC série para descarga, via RD, do C1), e também o relé K2, o qual aciona a carga (o led 1). D1 DZ LED1 LED2 T1 K1 = K2 R1 = R2 = R3 RD P1 C1 Diodo zener 6,8V/1W Led Vermelho Led Verde Transistor BC548 Resistor 100Ω (potência: 1/4W) Potenciômetro 10kΩ (linear) Capacitor 1000µF/35V (Eletrolítico) Questões: 6. Determine o valor da constante de tempo de carga mínima, em segundos (s), do circuito temporizador da Prática Determine o valor da constante de tempo de carga máxima, em segundos (s), do circuito temporizador da Prática Determine o valor da constante de tempo de descarga do circuito temporizador da Prática 5, em segundos (s). 9. No circuito temporizador da Prática 5, determine a tensão no capacitor C1, em volts (V), em 4,5s após o circuito ser ligado, e considerando que o potenciômetro P1 esteja ajustado em um quarto do seu valor máximo. Admita o capacitor C1 inicialmente descarregado (0V) e lembre: 1µF = F. 10. No circuito temporizador da Prática 5, determine quanto tempo, em segundos (s), leva para que o diodo zener DZ seja acionado, supondo o potenciômetro P1 ajustado para seu valor de resistência máxima. Admita o capacitor C1 inicialmente descarregado (0V) e lembre: 1µF = F. 5

6 11. No circuito temporizador da Prática 5, determine para qual o valor de resistência que o potenciômetro P1 deve estar ajustado, considerando que o diodo zener DZ seja acionado 6s após ligado o circuito. Admita o capacitor C1 inicialmente descarregado (0V) e lembre: 1µF = F. 12. No circuito temporizador da Prática 5, determine qual deveria ser o valor do capacitor C1, em microfarads (µf), para que o diodo zener DZ seja acionado 20s após ligado o circuito, supondo o potenciômetro P1 ajustado para seu valor de resistência máxima. Admita o capacitor C1 inicialmente descarregado (0V) e lembre: 1µF = F. 13. No circuito temporizador da Prática 5, o capacitor C1 consegue se carregar com a sua carga máxima? Justifique sua resposta. 14. Baseando-se na questão anterior, sobre o circuito temporizador da Prática 5, faça um esboço do gráfico da tensão no capacitor C1 contra o tempo, V C1 (V) t(s), para o processo de carga no mesmo supondo o potenciômetro P1 ajustado para seu valor de resistência máxima. Prática 6: Sensor com Fototransistor (Sensor de passagem) Quando o circuito é alimentado, aos 12V, apenas os leds 1 (led infravermelho) e 3 permanecem acesos. Isto considerando que a passagem de luz entre o led 1 e o fototransistor T1 não esteja obstruída. Neste caso, o fototransistor T1 está saturado e o transistor T2 cortado, de modo que o relé K1 encontra-se desarmado. Quando a citada passagem de luz é obstruída por algum motivo, o fototransistor T1 passa a estar cortado e o transistor T2 é levado à saturação, de modo que o relé K1 é ativado, o qual, por sua vez, aciona o led 2 e apaga, então, o led 3. Detalhe: Quando foi dito que o led 1 está aceso, o mesmo não está aceso aos nossos olhos, pois este componente atua na região do infravermelho. Em outras palavras, o led 1 irradia (emite luz) numa faixa de comprimentos de onda (ou de freqüência, se assim preferir) a qual não é perceptível ao olho humano. Por isso, é dito que o mesmo está aceso, embora não possamos ver sua luz. Já o fototransistor (T1) é um transistor com base ótica, ou seja, mediante a incidência de radiação (luz) de determinada freqüência em sua base, o mesmo é excitado, passando a conduzir corrente entre seu coletor e emissor. Esta característica dos componentes led 1 e T1 justifica seus empregos em diversos equipamentos de sistemas de monitoramento e segurança em geral. D1 LED1 LED2 LED3 T1 T2 K1 R1 = R3 = R4 R2 Led infravermelho Led Vermelho Led Verde Fototransistor Transistor BC548 6

7 Prática 7: Circuito com SCR2N5064 O circuito, alimentado com 12V, tem a finalidade de acionar uma carga via SCR2N5064. Ao acionarmos a chave SW1 o SCR dispara, mediante um pulso de corrente aplicado no seu gatilho (terminal indicado pela letra G). Neste momento, o SCR passa a atuar como um diodo normal que, estando em polarização direta, conduz corrente entre seu anodo (A) e seu catodo (K), o qual está conectado ao 0V do circuito. Então, o catodo do LED, o anodo do D1 e um lado da bobina do relé K1 são, conseqüentemente, conectados ao 0V do circuito via SCR. Logo, o LED passa a ficar aceso e o relé K1 é acionado. Com o relé K1 acionado, a lâmpada incandescente, com conexões para a rede de energia elétrica, acende. A chave SW2, quando conectada, desarma o SCR, pois coloca em curto-circuito seu anodo (A) e catodo (K). Nesta última condição, o SCR precisa receber um novo pulso de corrente para entrar novamente em condução. (Atenção: Note que quando SW1 é acionada, o SCR imediatamente dispara e independentemente de SW1 ficar ou não conectada, o mesmo permanece em funcionamento. Apenas um leve pulso de corrente no gatinho do SCR é suficiente para colocá-lo em condução, não importando se SW1 permanece ligada ou não.). SW1 = SW2 D1 D2 LED1 K1 R1 R2 Chave liga-desliga SCR 2N5064 Led Vermelho 7

8 Prática 8: Variador de Velocidade ou Luminosidade (Dimmer) Quando o circuito é conectado à rede elétrica (220Vac) a lâmpada é acionada, de modo que sua luminosidade pode ser ajustada e controlada via potenciômetro P1. Neste circuito, o acionamento da lâmpada é feito mediante o TRIAC BT138, que é uma espécie de SCR adaptado para funcionar em corrente alternada, via DIAC 1N5411, que tem a função de acionar o gatilho (3) do TRIAC com certo sincronismo. Desta forma, o TRIAC dispara (conduzindo entre 1 e 2), acionando, então, a carga (lâmpada). Os componentes R1, R2, C1 e C2, juntamente com o DIAC, fazem parte do circuito de disparo do TRIAC. O TRIAC é um semicondutor para controle de potência da mesma família dos SCRs (a família dos Tiristores), mas com capacidade de conduzir corrente nos dois sentidos. Para efeito de análise de funcionamento, podemos considerá-lo como dois SCRs ligados em oposição com seus gatilhos (3) unidos. O DIAC também é um semicondutor da família dos tiristores. Quando este for polarizado em qualquer sentido, e ao atingir uma tensão de aproximadamente 27V, o mesmo dispara. Como o DIAC e o TRIAC conduzem em qualquer sentido, os mesmos são ditos componentes bidirecionais. P1 R1 = R2 C1 = C2 D T Potenciômetro 100kΩ (linear) Capacitor 100nF/400V (poliéster) Diac 1N5411 Triac BT138 (ou BT139) 8

9 Prática 9: Controle de Nível com Duas Varetas Supõe-se o circuito alimentado aos 12V, o recipiente inicialmente sem água e a carga (lâmpada), conectada ao relé K1, consequentemente acionada (vide contatos do relé K1). Quando a água no recipiente atinge o nível das varetas (F1 e F2), mantendo-as submersas, o transistor T1 satura, armando o relé K1 e consequentemente desligando a carga (lâmpada). Este circuito ilustra um controle de nível para reservatórios como, por exemplo, uma caixa d`água ou uma piscina, no qual o motor de bombeamento de água para o reservatório seria a carga do circuito. O mesmo é acionado toda vez que a água baixa do nível das varetas. D1 T1 K1 R1 F1 = F2 Transistor BC548 Fios condutores quaisquer 9

10 Prática 10: Controle de Nível com Três Varetas Este circuito tem a mesma função daquele descrito anteriormente, na prática 9. Porém, o mesmo é mais requintado. Supõe-se o circuito alimentado aos 12V, o recipiente inicialmente sem água e a carga (lâmpada), conectada ao relé K2, consequentemente acionada (vide contatos do relé K1). O recipiente então começa a ser abastecido com água. Quando a água atingir o nível da vareta 1 (F1), mantendo-a submersa, nada ocorre. Quando a água atingir o nível da vareta 2 (F2), nada ocorre, pois a mesma está conectada ao contato comum (C) do relé K1. Como o contato comum do relé K1 está ligado internamente pelo componente ao seu contato normal fechado (NF) e, sendo que este último não está conectado em nenhuma parte do circuito, vemos que nada, de fato, pode ocorrer. Porém, quando a água atinge a vareta 3 (F3), o transistor T1 satura, pois esta vareta está conectada aos 12V e imersa na água, de modo que a água conduz muito bem eletricidade. Com o transistor T1 saturado, os relés K1 e K2 são armados. O relé K1 conecta a vareta 2 (F2) ao contato normal aberto (NA) que, por sua vez está ligado aos 12V do circuito. Note aqui que quando a vareta 3 foi submersa, a vareta 2 automaticamente ficou em 12V via água (por causa da vareta 3). O relé K2 desconecta a carga (lâmpada) da rede elétrica. Agora, considere que o nível de água baixou da vareta 3, mas não da vareta 2. Neste caso, a vareta 3, responsável por conduzir a corrente do circuito, via os 12V, para o transistor T1 não mais conduz. Porém, o funcionamento do circuito é mantido porque a vareta 2 está conectada aos 12V via relé K1. Ou seja, é como se tivéssemos duas fontes de 12V ligadas em paralelo alimentando o circuito, via água. No momento em que uma delas (F3) é desativada, a outra (F2) instantaneamente mantém a alimentação do circuito. Então, no presente caso, a corrente de funcionamento do transistor T1 é mantida via vareta 2 (F2). Somente quando a água baixar da vareta 2 é que a corrente para o transistor será cortada e, consequentemente, os relés K1 e K2 serão desarmados. Com o relé K2 desarmado, a carga é novamente acionada. No caso, a carga, aqui simbolizada pela lâmpada, é acionada toda vez que a água baixar da vareta 2, a qual constitui o nível intermediário entre as varetas 1 e 3. A vareta 1 é conectada, via R1, ao transistor T1 e a vareta 3 aos 12V. Os materiais desta prática são os mesmo da anterior, porém foi incluído mais um relé (K2), idêntico ao anterior (K1) e mais um fio condutor (F3). 10

11 Prática 11: Portão Eletrônico Inicialmente, considere o circuito alimentado aos 12V (com SW1 fechada), o capacitor C1 completamente descarregado (0V) e o portão fechado. Neste caso, o transistor T2 está saturado e é o único componente do circuito que consome energia. Com o portão fechado, o fim de curso FCI está pressionado, estando seu comum (C) conectado, internamente, ao seu normal aberto (NA) que, por sua vez, não está conectado em parte alguma do circuito. Quando a chave SW2 é pressionada, o SCR1 dispara, armando o relé K1. Com o relé K1 armado, o led 1, que simboliza o portão abrindo, acende e o portão passa a abrir. Quando o portão inicia seu processo de abertura, o fim de curso FCI volta a seu estado de repouso, com seu comum (C) ligado ao contado normal fechado (NF). Quando isto ocorre, um lado da bobina do relé K2, juntamente com seu contato normal aberto (NA), fica submetido aos 12V da fonte de alimentação do circuito. Quando o portão chega à condição de totalmente aberto, o mesmo pára, pois o fim de curso FCF, que fornece alimentação ao motor do portão, via ligação interna do seu contato comum (C) com seu normal fechado (NF), é pressionado pelo portão, de modo que o FCF liga seu comum (C) com seu normal aberto (NA). Consequentemente, o relé K1, que estava ligado ao FCF, é desarmado (juntamente como o SCR1), parando imediatamente o portão e desligando o led 1. Neste mesmo instante, o capacitor C1 passa a se carregar via R2, o qual está ligado ao NA do FCF que, agora, está conectado aos 12V pelo seu contato comum (C). Quando a tensão no capacitor C1 atingir cerca de 7,5V, o diodo zener DZ aciona e o transistor T1 satura. Com T1 saturado, o transistor T2 (citado inicialmente!) passa à condição de aberto (!). Devido a isto, os resistores R6 e R7 formam um divisor de tensão pelo qual circula uma corrente responsável por acionar o SCR2. Consequentemente, o relé K2 é armado, conectando seu contato comum (C) a seu normal aberto (NA), o qual, por sua vez está ligado aos 12V via fim de curso FCI. Nesta situação, com o comum (C) do K2 aos 12V e o comum do K1 ao terra (0V), o led 2 (que simboliza o portão fechando) acende e o motor passa a retornar à condição de fechado, tal como estava (suposto) inicialmente. Também, o transistor T3 satura e o capacitor C1 é rapidamente descarregado via R9 e do próprio T3. Com o portão retornando à sua condição inicial de fechado, o fim de curso FCF volta à sua condição normal (com seu comum ligado ao seu normal fechado). Quando o portão fica completamente fechado, o fim de curso FCI é pressionado (como inicialmente estava) e sua conexão contato comum (C) contato normal fechado (NF) é desfeita. Logo, o relé K2 desarma (juntamente com o SCR2), o led 2 apaga e o motor do portão é desligado. Vê-se, então, que o circuito voltou à sua condição inicial: fechado. 11

12 SW1 = SW2 D1 = D2 DZ FCF e FCI T1 = T2 = T3 K1 = K2 SCR1 = SCR2 LED1 LED2 C1 R3 = R4 = R6 R2 = R5 = R8 R9 R1 = R7 Chave liga-desliga Diodo zener 6,8V/1W Fim de curso Transistor BC548 SCR 2N5064 Led Vermelho Led Verde Capacitor 1000µF/35V (Eletrolítico) Resistor 270Ω (potência: 1/4W) Resistor 220Ω (potência: 1/4W) 12