Resistências LDR e NTC

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1 Resistências LDR e NTC Resultados e Conclusões através de Experimentação Projeto FEUP 2016 MIEEC Equipa 1: Estudantes & Autores: Miguel Lousada up @fe.up.pt Carlos Pinto up @fe.up.pt José Veloso up @fe.up.pt João Casanova up @fe.up.pt Supervisor: João Paulo Sousa Monitor: Gonçalo Gil Carvalho Resistências LDR e NTC - Resultados e Conclusões através de Experimentação 1/17

2 Resumo No contexto do Projeto FEUP, o nosso grupo tinha como principal objetivo testar diferentes resistências mediante a variação de temperatura e luminosidade e analisar os resultados. Como tal decidiu-se realizar duas experiências distintas com uma resistência LDR e outra NTC. A primeira foi isolada da luz ambiente e exposta a um foco de intensidade regulável. A segunda foi submersa, em primeira instância, em água no ponto de fervura, deixando depois a água arrefecer até à sua temperatura ambiente. O arrefecimento foi acelerado pontualmente com a adição de quantidades regulares de água tépida e a agitação providenciada por uma bomba de ar. Concluiu-se consequentemente que as resistências revelam uma variação consoante a mudança destes fatores e comparámos com as descrições dos fabricantes. Palavras-Chave NTC; LDR; resistência; luminosidade; temperatura; multímetro; lux; ohm; Celsius; fotocondutividade; semicondutor Agradecimentos Gostaríamos de agradecer a todos os professores e monitores que nos apoiaram no decorrer do projeto FEUP. Resistências LDR e NTC - Resultados e Conclusões através de Experimentação 2/17

3 Índice Lista de figuras...4 Lista de acrónimos Introdução Resistências LDR s História Funcionamento Aplicações Experiência e Procedimento Resultados NTC's História Funcionamento Aplicações Experiência e Procedimento Resultados Conclusões Anexos Referências bibliográficas...17 Resistências LDR e NTC - Resultados e Conclusões através de Experimentação 3/17

4 Lista de figuras Figura 1: imagem de uma LDR semelhante à usada Figura 2: Valores da resistência LDR quando sujeita à luminosidade regulada Figura 3: Valores da resistência LDR publicados pelo produtor do instrumento Figura 3: imagem da NTC usada na experiência Figura 4: imagem do material e da montagem da experiência Figura 5: Valores da resistência NTC quando sujeita à temperatura regulada Figura 6: Valores da resistência NTC calculados segundo a fórmula do fornecedor Figura 8: Fórmula de cálculo da resistência disponibilizada pelo fornecedor Vishay Lista de acrónimos LDR-Light Dependent Resistor NTC-Negative Temperature Coefficient Resistências LDR e NTC - Resultados e Conclusões através de Experimentação 4/17

5 1. Introdução Este trabalho pretende elucidar o público sobre o funcionamento das resistências do tipo LDR e NTC. Assim sendo, submeteu-se as ditas resistências a testes onde determinados fatores (temperatura e luminosidade) sofriam variações controladas, de forma a estabelecer a relação com a grandeza da resistência. 2. Resistências Designa-se por resistência elétrica a capacidade de um corpo se opor à passagem de corrente elétrica mesmo quando existe uma diferença de potencial aplicada. O seu cálculo é dado pela Primeira Lei de Ohm, e, segundo o Sistema Internacional de Unidades (SI), é medida em ohm. Quando um condutor metálico é exposto a uma corrente elétrica, um número elevado de eletrões livres passa a deslocar se nesse condutor. Nesse movimento, os eletrões colidem entre si e contra os átomos que constituem o metal. Os eletrões encontram, assim, uma oposição a sua passagem, isto é, existe uma resistência ao fluxo da corrente no condutor. 2.1 LDR's LDR ou Fotoresistência é um resistor cuja resistência varia conforme a intensidade da luz que incide sobre ele. Por norma, à medida que a intensidade da luz aumenta, a sua resistência diminui. É de salientar que os LDR's são economicamente acessíveis. Figura 1 Resistências LDR e NTC - Resultados e Conclusões através de Experimentação 5/17

6 2.1.1 História Os LDR's já existem desde o século XIX, aquando da descoberta da fotocondutividade no selénio pelo engenheiro Willoughby Smith em Desde então várias variantes de LDR's foram feitas. Por volta do ano de 1920 Theodore W. Case publica "Thalofide Cell - a new photo-electric cell", onde descreve a sua nova célula composta por uma mistura de oxigénio, enxofre e tálio que, em comparação com o selénio, respondem mais rapidamente às variações de luminosidade e não são danificadas quando expostas a radiações de maior frequência. Posteriores estudos realizados nos anos de 30 e 40 incluíram seleneto de chumbo, sulfato de chumbo e telureto de chumbo. Mais tarde, em 1952, Rollin e Simmons desenvolveram os seus LDR's com base em silício e germânio Funcionamento A LDR é construído a partir de material semicondutor com elevada resistência elétrica. Quando a luz que incide sobre o semicondutor tem uma frequência suficiente, os fotões que incidem sobre o semicondutor libertam eletrões para a banda condutora que irão melhorar a sua condutividade e assim diminuir a resistência. A LDR é feita a partir de um pedaço de material semicondutor exposto, como o sulfureto de cádmio que muda a sua resistência elétrica de vários milhares Ohms no escuro para apenas algumas centenas de Ohms quando exposta à luz. O efeito direto é uma melhoria da sua condutividade com uma diminuição da resistência para um aumento na iluminação. Além disso, as LDR's têm um tempo de resposta longo para uma dada mudança na intensidade da luz (normalmente este tempo ronda os 10 milissegundos, podendo atingir 1 segundo), quando comparados com foto díodos, que têm aplicações semelhantes aos LDR ainda que funcionem de maneira diferente. Resistências LDR e NTC - Resultados e Conclusões através de Experimentação 6/17

7 2.1.3 Aplicações Os LDR's são usados em vários circuitos: medidores de luz em câmaras, alarmes, e outros circuitos que não necessitem de sensores de luz muito precisos. Um caso particular são as lâmpadas de rua, que utilizam LDR's para determinar a luminosidade ambiente, e, se detetarem um grau de luminosidade baixo ligam-se, economizando energia nos tempos de alta luminosidade Experiência e Procedimento A fim de confirmar a relação luminosidade-resistência de uma LDR, o nosso grupo concebeu a seguinte experiência: Inicialmente fez-se uma ligação da resistência (LDR) a um ohmímetro com o auxílio de uma breadboard. De seguida colocou-se o lucímetro na proximidade da LDR, ligando o candeeiro ao potenciómetro. De maneira a que este estivesse isolado da iluminação externa e com uma luminosidade inicial de 0 lux, utilizou-se um casaco colocado sobre todo o material, não entrando assim em contacto com a LDR. Por fim iniciamos as medições da resistência, à medida que aumentávamos a luminosidade. Material: Multímetro; LDR; Lucímetro; Potenciómetro; Candeeiro; Breadboard. Resistências LDR e NTC - Resultados e Conclusões através de Experimentação 7/17

8 Resistência (kohm) Resultados Com base nos valores obtidos pelo lucímetro (em lux) e os valores de resistência do LDR (em Ohm), obteve-se o seguinte gráfico: Resistência LDR em função da luminosidade 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 0,00 500, , , ,00 Luminosidade (lux) Figura 2* *em anexo encontram-se as tabelas com os valores que foram registados e usados para criar o gráfico Figura 3 Resistências LDR e NTC - Resultados e Conclusões através de Experimentação 8/17

9 2.2 NTC's Os NTC's são resistências que variam inversamente com a temperatura. Isto significa que uma subida de temperatura provoca no NTC uma descida na resistência elétrica. Assim os NTC's são um exemplo de termístor, ou seja, uma resistência dependente da temperatura. Tal como os LDR's, os NTC's são componentes eletrónicos economicamente acessíveis. Figura História Desde os inícios do século XIX, que se consegue fazer variar a resistência com a temperatura. Assim, estas resistências foram usadas em inúmeras situações mesmo sendo necessária uma variação mais radical na temperatura para mudar a resistência. Geralmente os termístores implicam o uso de semicondutores, que fornecem uma resistência muito maior para uma dada variação de temperatura. Inicialmente usaram-se compostos metálicos. O coeficiente de temperatura negativo foi observado por Faraday quando mediu a variação da resistência em sulfato de prata. No entanto, só mais tarde é que os óxidos metálicos se tornaram disponíveis comercialmente. A segunda guerra mundial motivou a investigação e estudou-se os cristais de germânio, e mais tarde os resistores de silício. Apesar de haver estes dois tipos de termístor (os óxidos metálicos e os semicondutores) eles não se comparam devido ao facto de serem bastante distintos a nível da gama de temperaturas em que atuam. Resistências LDR e NTC - Resultados e Conclusões através de Experimentação 9/17

10 Funcionamento e Composição Os termístores podem tomar diversas formas e podem ser constituídos de diversos materiais, dependendo do fim para que são feitos e das temperaturas a que vão ser submetidos. O aumento da temperatura liberta os eletrões para a banda condutora diminuindo a resistência do material. Os termístores de óxidos metálicos são geralmente usados para temperaturas entre os 200 K e os 700 K. Estes termístores são feitos utilizando um pó muito fino do material que se pretende utilizar, sendo este comprimido e posteriormente sintetizado. Os materiais mais utilizados são o óxido de manganês, óxido de níquel, óxido de cobalto, óxido de cobre e o óxido de ferro. Os termístores semicondutores são utilizados para temperaturas muito mais baixas. Os termístores de germânio são mais utilizados, e atuam em temperaturas inferiores a 100 Kelvin. Termístores de silício podem ser utilizados para temperaturas mais baixas que 250 Kelvin Aplicações Os NTC's são usados como sensores de temperatura. Assim há diversas aplicações para estes termístores, tais como: termómetros, medindo a temperatura; circuitos de proteção, desativando o circuito quando a temperatura atinge um valor crítico perigoso para o circuito; termostátos, ligando ou desligando o circuito conforme a temperatura, entre outros. Resistências LDR e NTC - Resultados e Conclusões através de Experimentação 10/17

11 Experiência e Procedimento A fim de comprovar a relação temperatura-resistência de um NTC, o nosso grupo concebeu a seguinte experiência: Inicialmente começou-se por encher uma chaleira elétrica com água e ligá-la, de seguida colocando o NTC dentro dum tubo (com fios ligados a um ohmímetro, com o auxílio de uma breadboard) a fim de evitar contacto direto com a água. Posteriormente colocou-se a resistência dentro de uma gaiola (o contentor de água), que foi então enchida com a água quente até ao ponto de submersão da resistência. Colocou-se ainda o termómetro no fundo da gaiola dentro do tubo e junto da resistência para que a sua temperatura fosse o mais próxima possível da temperatura a que a resistência estivesse exposta; Finalmente regaram-se as variações de resistência com a temperatura à medida que a água ia arrefecendo (naturalmente, ou com adição de água á temperatura ambiente a fim de acelerar as variações de temperatura). Material: Termómetro; Chaleira elétrica; Tubos/mangueira; Gaiola de tartaruga (grilo); Multímetro; Breadboard. Figura 5 Resistências LDR e NTC - Resultados e Conclusões através de Experimentação 11/17

12 Resultados Com base nos valores lidos de temperatura (em graus Celsius) e nos valores de resistência obtidos pelo ohmímetro (em Ohm), obteve-se o seguinte gráfico: Figura 6* *em anexo encontram-se as tabelas com os valores que foram registados e usados para criar o gráfico Figura 7 Figura 8 Resistências LDR e NTC - Resultados e Conclusões através de Experimentação 12/17

13 3. Conclusões Com base nos resultados das experiências podemos constatar que as LDR's respondem ao aumento da luminosidade neles incidente com um decréscimo na sua resistência. Este fenómeno permite que sejam utilizadas em aplicações em que seja do interesse do homem avaliar o grau de luminosidade e desenvolver uma resposta em função desse parâmetro (luzes automáticas, alarmes, ). De modo semelhante podemos concluir que os NTC's reagem ao aumento da temperatura a que se encontram com uma diminuição da sua resistência. Assim, podem ser utilizados de modo a criar circuitos que respondam às variações de temperatura (termómetros, termostatos, proteção de circuitos). Denotámos igualmente a esperada coerência entre os valores obtidos e os valores fornecidos pelas empresas responsáveis pela sua produção, havendo naturalmente algumas inconsistências causadas pela prática experimental. A fácil aquisição destes dois componentes eletrónicos também os torna ideais para um ambiente independente de recursos limitados, sendo ideais para a aplicação em projetos de estudantes. Resistências LDR e NTC - Resultados e Conclusões através de Experimentação 13/17

14 4.Anexos Luminosidade (lux) Resistência (kohm) 0,30 37,00 1,00 32,00 4,00 18,00 6,50 13,34 9,00 10,11 10,60 9,68 15,00 7,65 16,00 6,70 19,40 5,94 23,40 5,08 25,60 4,48 32,70 3,50 48,50 2,48 60,50 2,04 72,30 1,78 82,50 1,67 101,50 1,48 118,30 1,24 138,70 1,09 160,00 0,96 191,70 0,80 257,30 0,65 295,50 0,59 360,00 0,49 462,00 0,46 657,00 0,36 800,00 0, ,00 0, ,00 0, ,00 0,19 Resistências LDR e NTC - Resultados e Conclusões através de Experimentação 14/17

15 Resistência (ohm) Temperatura (ºC) Resistência (ohm) Temperatura (ºC) 63,80 5,64 49,10 9,29 63,30 5,70 48,90 9,37 63,10 5,73 48,70 9,47 63,00 5,85 48,50 9,55 62,50 5,99 48,30 9,57 62,20 6,06 48,2 9,57 61,50 6,15 48,1 9,59 61,20 6, ,62 61,00 6,24 47,9 9,69 60,70 6,28 47,8 9,78 60,30 6,39 47,5 9,85 60,10 6,45 47,4 9,9 59,80 6,55 47,2 9,93 59,40 6,62 47,1 9,94 59,10 6,70 46,8 10,08 58,70 6,79 46,5 10,18 58,30 6,86 46,4 10,24 58,00 6,95 46,3 10,3 57,70 7,02 46,1 10,33 57,10 7, ,35 56,40 7,35 45,8 10,39 56,00 7,54 45,7 10,47 56,60 7,58 45,5 10,55 54,90 7,70 45,4 10,62 54,50 7,86 45,3 10,67 54,20 7,93 45,1 10,69 53,90 8, ,7 53,60 8,08 44,7 10,86 53,30 8,15 44,3 11,05 53,10 8,20 44,2 11,09 52,80 8,42 44,1 11,12 52,20 8,40 43,9 11,17 52,00 8,48 43,8 11,23 51,80 8,56 43,6 11,26 51,50 8,62 43,5 11,28 51,30 8,68 43,3 11,33 51,10 8,78 43,2 11,37 50,90 8,13 43,1 11,47 50,70 8,97 42,9 11,5 50,20 9,10 42,8 11,66 50,00 9,15 42,7 11,74 49,80 9,17 42,5 11,8 Resistências LDR e NTC - Resultados e Conclusões através de Experimentação 15/17

16 Resistência (ohm) Temperatura (ºC) Resistência (ohm) Temperatura (ºC) 49,50 9,19 42,4 11,87 41,9 12,02 36,9 14,32 41,8 12,07 36,8 14,43 41,6 12,14 36,7 14,46 41,5 12,2 36,6 14,46 41,4 12,24 36,5 14,51 41,2 12,27 36,4 14,55 41,1 12,3 36,3 14,58 40,9 12,37 36,2 14,63 40,8 12,42 36,1 14,72 40,6 12,49 35,9 14,85 40,5 12,53 35, ,4 12,59 35,7 15,1 40,3 12,63 35,6 15,17 40,2 13,5 35,5 15,28 39,9 13,6 35,4 15,54 39,8 13,68 35,2 15,46 39,7 13,73 35,1 15,4 39,6 13, ,7 39,5 13,79 34,8 15,65 39,4 13,82 34,7 15,7 39,3 13,84 34,6 15,93 39,2 13,88 34,5 15,98 39,1 13,94 34,3 16, ,98 34,2 16,1 38,9 14,02 34,1 16,15 38,8 14, ,12 38,7 14,07 33,9 16,11 38,6 14,11 33,8 16,14 38,5 14,18 33,7 16,19 38,4 14,26 33,6 16,23 38,3 14,3 33,5 16,28 38,2 14,2 33,4 16,31 38,1 14,1 33,3 16, , ,87 37,9 14, ,3 37,7 14, ,55 37,6 14, ,95 37,5 14, ,6 37,4 14, ,3 14, ,2 37,2 14,21 37,1 14,25 Resistências LDR e NTC - Resultados e Conclusões através de Experimentação 16/17

17 5.Referências Bibliográficas Instituto Newton C. Braga NTC. Acedido a 27 outubro. df V. Ryan "Light Dependent Resistors". Acedido a 25 Outubro Photoresistor. Acedido a 25 de Outubro Resistência Elétrica. Acedido a 24 Outubro. Case, Theodore "Thalofide Cell A New Photo-Electric Substance.". Acedido a 25 Outubro. Poole, Ian "Thermistor Tutorial". Acedido a 25 Outubro. Poole, Ian "Light Dependent Resistor, Photoresistor, or Photocell". Acedido a 25 Outubro. Resistências LDR e NTC - Resultados e Conclusões através de Experimentação 17/17