LABORATÓRIO DE ELECTROTECNIA E CIRCUITOS

Transcrição

1 LABORATÓRIO DE ELECTROTECNIA E CIRCUITOS TRABALHO PRÁTICO 1 Medição de Tensão e de Corrente Eléctrica Primeiro contacto com os equipamentos 1. Introdução Utilizam-se habitualmente duas filosofias distintas para realizar medições de tensões ou correntes: medição no local e medição à distância (tele-medida). Para as medições no local utilizam-se aparelhos de medição integrados, isto é, aparelhos que integram numa mesma unidade a entrada (normalmente dois ou mais terminais, que serão ligados por condutores eléctricos aos pontos onde se pretende medir a grandeza) e a saída, isto é, uma apresentação do resultado numa forma facilmente interpretável para o utilizador. Actualmente, a saída assume essencialmente uma de duas formas: apresentação analógica ou digital. A apresentação analógica é habitualmente constituída por um quadrante com escala graduada (uma ou várias), sobre o qual se desloca uma agulha em movimento angular, de tal forma que o desvio sofrido pela agulha é proporcional ao valor da grandeza em medição: na generalidade dos aparelhos deste tipo a agulha desloca-se no sentido retrógrado (o dos ponteiros do relógio) e, em geral, tem um desvio máximo de π/2 rad em relação à sua posição de repouso. Dentro desta categoria, há também aparelhos de medição em que o deslocamento da agulha é (aparentemente, para o observador) rectilíneo, horizontal ou vertical, mais usados em instalações fixas (tais como em quadros, armários ou painéis eléctricos). A apresentação digital é numérica: num apresentador (display), realizado em qualquer das tecnologias actuais (cristais líquidos (LCD), filamentos luminosos, díodos electroluminescentes (LED), plasma, etc.) é apresentado o valor numérico da grandeza em

2 medição, geralmente acompanhado de alguma informação alfabética adicional: símbolo (SI) da unidade de medição, valor relativo, etc. A tele-medida tem lugar sempre que a medição local é indesejada: ambientes inacessíveis (por exemplo, na tecnologia aeroespacial) ou hostis (por exemplo, reactores nucleares, instalações de alta tensão, áreas tóxicas, etc.) são apenas alguns exemplos. Neste tipo de situações, as medições das grandezas são geralmente feitas colocando uma sonda (adequada à medição da grandeza em apreço) junto ao local onde se pretende fazer a medição, a que se segue todo um sistema mais ou menos extenso e/ou complexo: amplificador, transmissor, linha de transmissão, receptor, condicionador da informação recebida e finalmente apresentação. Em situações deste tipo, o extremo da cadeia de medição será habitualmente constituído por um sistema informático (mais concretamente, um sistema de aquisição de dados). 2. Fontes dc de Tensão e Corrente Eléctrica Uma fonte de tensão dc é um aparelho capaz de estabelecer uma diferença de potencial entre dois pontos (terminais da fonte de tensão) constante no tempo. Uma fonte de corrente dc é um dispositivo capaz de fornecer uma corrente eléctrica constante no tempo. A figura 1 ilustra um dispositivo deste tipo. Os terminais relevantes a considerar nas fontes dc são o terminal de terra (GND), o terminal positivo (+) e o terminal negativo ( ). É possível, utilizando apenas estes três tipos de terminais, obter diferentes sinais dc com uma fonte de tensão apenas em função das ligações adoptadas para os terminais da mesma. Assim, se a fonte possuir apenas os dois terminais + e é possível obter os valores absolutos e simétricos de acordo com a diferença de potencial regulada. Se ligarmos o terminal à terra teremos no terminal + a tensão positiva absoluta coincidente com a diferença regulada. Se pelo contrário, ligarmos o terminal + à terra teremos no terminal a tensão negativa absoluta coincidente com a diferença regulada (ver figura 2). 2

3 Figura 1 Exemplo de fonte de corrente contínua constante 5V -5V 5V V Figura Associação de fontes independentes e isoladas As fontes dc podem ser associadas, através de ligações em série ou em paralelo, conforme ilustrado nas figuras 3 e Aparelhos de Medição A grandeza eléctrica mais frequentemente medida é a tensão, para a qual se usam aparelhos correntemente designados por voltímetros (eventualmente, milivoltímetros, microvoltímetros, nanovoltímetros, de acordo com a ordem da grandeza da tensão a medir). Com efeito, a tensão eléctrica é a grandeza de mais fácil medição, sendo igualmente fácil reduzir a ela a maioria das outras grandezas (eléctricas ou não). Na medição de intensidade de corrente eléctrica, usam-se amperímetros (também aqui, de acordo com a ordem de grandeza, se utilizam miliamperímetros, microamperímetros, etc.). Em laboratório e na técnica de manutenção industrial utilizam-se correntemente aparelhos combinados, que permitem a medição de qualquer uma daquelas grandezas, e ainda de outras, como tipicamente de resistências (designam-se por ohmímetros os aparelhos para medir resistên- 3

4 C + 5V C + 10V 5V + - 5V + - B B + 5V 5V + - 5V V A Figura 3 Ligação em série A + 5V C C + 5V 5V + - Carga 5V + - B B Figura 4 Ligação em paralelo cias). Estes aparelhos combinados são habitualmente designados por multímetros. Especialmente em Electrónica (mas também na Electricidade) há frequentemente necessidade de avaliar a evolução temporal das grandezas, particularmente as tensões e/ou correntes. É nestas situações que intervêm os osciloscópios. Estes aparelhos permitem a representação gráfica de tensões em funções do tempo, sobre um ecrã de um tubo de raios catódicos, a que está associada uma grelha que constitui as escalas das ordenadas (tensão) e das abcissas (tempo). São essencialmente aparelhos analógicos (a representação gráfica de uma grandeza constitui um modo de representação analógico), muito embora o processamento do resultado da medição até à sua apresentação possa envolver tecnologias digitais em maior ou menor extensão (utilizam-se cada vez mais "osciloscópios digitais"). É corrente estar associada à representação gráfica da grandeza medida alguma informação alfanumérica (por exemplo, os factores de escala). 3.1 Multímetro Face à sua grande versatilidade, o multímetro tornou-se o aparelho de medida eléctrico universal no laboratório, na oficina e no campo. Os multímetros reúnem num só aparelho a 4

5 possibilidade de medir pelo menos tensão e corrente, alternas (ac) ou contínuas (dc), e ainda resistências. Os multímetros, no modo voltímetro V, permitem medir em geral tensão no intervalo 10-4 a 10 3 V e para um intervalo de frequências de 50 Hz a algumas centenas de Hz. No modo amperímetro A, a corrente a medir passa através de uma resistência interna conhecida. Tipicamente estes multímetros medem correntes entre 10-4 e 10 A. Dois fusíveis um para correntes baixas (<200 ma) e outro para correntes mais elevadas (>200 ma) protegem estes aparelhos de correntes excessivas. Para medir resistências, os multímetros possuem um gerador de corrente. Quando se quer medir uma resistência, liga-se as extremidades da resistência à entrada assinalada com Ω e, mais uma vez, o que se mede é a tensão criada pela passagem da corrente conhecida na resistência a medir. Podem-se medir resistências desde a fracção de ohm até dezenas de MΩ. Idealmente, um voltímetro deve ter resistência interna infinita, e um amperímetro resistência interna nula. Os multímetro reais apresentam valores diferentes dos ideais. Antes de usar um multímetro, deve sempre controlar-se o valor das resistências internas de cada escala e anotar os seus valores, para eventuais correcções às medições realizadas. O erro que se comete numa medição, devido a não considerar a resistência interna da escala seleccionada, é do tipo sistemático e pode ser eliminado se medido. Quando se faz uma medição de tensão ou corrente deve usar-se primeiro a escala de maior gama para de seguida comutar sucessivamente para escalas de menor gama até se atingir a escala com maior número de algarismos significativos. O erro de leitura no multímetro é a menor unidade que se pode ler no visor. Para minimizar este erro deve seleccionar-se a escala que proporciona o maior número de algarismos significativos. Como vimos, o processo de medição num multímetro não é instantâneo e por isso se observa por vezes uma flutuação descontínua de valores quando a grandeza é variável. Os modos de funcionamento dc e ac, relativos à medição de tensão e correntes, são seleccionáveis por intermédio de um selector. Se a grandeza é alternada sinusoidal, o valor lido corresponde ao valor eficaz (Root Mean Square RMS) do sinal a medir. 5

6 3.2 Voltímetro Um voltímetro permite medir tensões, pelo que deve ser sempre colocado em paralelo com o elemento para o qual se deseja conhecer a tensão (ver figura 6). Figura 5 Símbolo representativo dum voltímetro Figura 6 Exemplo de aplicação A resistência interna do voltímetro deve ser a maior possível para que a corrente Ii (ver figura 6) seja o mais baixa possível e assim não alterar a intensidade de corrente quando se insere no circuito. Algumas precauções a tomar na utilização dos voltímetros são: Ligar sempre o voltímetro em paralelo com o elemento do circuito cuja tensão se deseja medir; Utilizar uma escala com um alcance suficientemente grande para se ter a garantia que o valor lido seja menor que a máxima leitura admissível pela escala; Ter sempre em conta a polaridade ao ligar o voltímetro. 3.3 Amperímetro Um amperímetro permite medir correntes, pelo que deve ser sempre colocado em série com o elemento para o qual se deseja saber a corrente que o atravessa (ver figura 8). A resistência interna do amperímetro deve ser a menor possível para não produzir quedas de tensão, perdas de energia apreciáveis e não alterar a intensidade de corrente quando se insere no circuito. Figura 7 Símbolo representativo dum amperímetro 6

7 Figura 8 Exemplo de aplicação Algumas precauções a tomar na utilização dos amperímetros são: Ligar sempre o amperímetro em série com o elemento através do qual passa a corrente a medir; Nunca ligar um amperímetro em paralelo com uma fonte de tensão, tal como uma bateria ou um gerador. A resistência do amperímetro é extremamente baixa e qualquer tensão (um volt que seja) pode produzir uma elevada intensidade através do amperímetro inutilizando-o; Utilizar uma escala com um alcance suficientemente grande para se ter a garantia que o valor lido seja menor que a máxima leitura admissível pela escala; Ter sempre em conta a polaridade ao ligar o amperímetro ao circuito. 3.4 Ohmímetro O ohmímetro é um aparelho de medida que permite obter directamente o valor de uma resistência. Figura 9 Símbolo representativo dum ohmímetro Figura 10 Exemplo de aplicação 7

8 O ohmímetro mede, naturalmente, a corrente que circula através da resistência. Dado que a tensão é constante, a intensidade através da resistência é inversamente proporcional ao valor da resistência. Algumas precauções a tomar na utilização dos ohmímetros são: Um ohmímetro nunca deve ser usado para a medição de resistências onde exista tensão. A tensão que estiver presente no objecto a ser medido, irá falsear a medição e também pode causar danos no aparelho de medida; Se a resistência é um componente dum circuito, será necessário verificar se não estão ligados a ela, em paralelo, outros componentes, uma vez que nesse caso, o circuito pode fechar-se por um caminho de resistência menor; Deve começar-se por seleccionar a escala adequada para a medição. No caso de se conhecer o valor aproximado da resistência deve ser escolhida a escala logo acima desse valor, uma vez que aumenta a exactidão da medida; Principalmente quando se selecciona um alcance de medida muito alto, não se deve tocar com as mãos nos terminais da resistência, já que se colocará a resistência do próprio corpo em paralelo com o componente que se está a medir. 3.5 Wattímetro O wattímetro pode ser utilizado para uma leitura directa do valor da potência. Figura 11 Símbolo representativo dum wattímetro Figura 12 Exemplo de aplicação A potência consumida num circuito de corrente contínua pode ser facilmente determinada observando as indicações dum voltímetro e dum amperímetro e efectuando o produto das suas leituras. No caso da potência em corrente alternada monofásica, temos que considerar os valores eficazes da tensão e da corrente, dados por um voltímetro e por um amperímetro 8

9 (respectivamente), e também φ que representa o desfasamento entre aquelas grandezas (que pode ser determinado a partir dum fasímetro). 4. Grandezas No estudo de Circuitos Eléctricos, considerar-se-á diferentes grandezas. 4.1 Tipos de grandezas Genericamente, podemos considerar dois tipos de grandezas: - Grandezas constantes: não variam ao longo do tempo. A sua polaridade e intensidade nunca se alteram, portanto a sua representação é como ilustrado na figura 13. Figura 13 Variação duma grandeza condstante - Grandezas variáveis: variam ao longo do tempo duma forma não-periódica ou periódica. As grandezas não-periódicas possuem valores diferentes de instante a instante, mas mantêm a polaridade. Veja-se um exemplo na figura 14. Figura 14 Variação duma grandeza variável não-periódica As grandezas periódicas apresentam uma repetição da sua forma ciclicamente ao fim de períodos de tempo fixos e determinados. Veja-se exemplos na figura 15. 9

10 Figura 15 Variação de grandezas variáveis periódicas 4.1 Grandezas fundamentais O conjunto de grandezas físicas mais utilizadas em Circuitos Eléctricos é indicado na tabela 1, onde se indica também as unidades respectivas do Sistema Internacional. Grandeza Unidade SI Abreviatura da unidade SI Comprimento metro m Massa quilograma kg Tempo segundo s Corrente Ampère A Temperatura Kelvin K Tensão Volt V Resistência Ohm Ω Capacidade Farad F Indutância Henry H Energia Joule J Potência Watt W Frequência Hertz Hz Carga Coulomb C Força Newton N Fluxo magnético Weber Wb Densidade de fluxo magnético Weber/metro 2 Wb/m 2 Tabela 1 Grandezas físicas mais utilizadas em Circuitos Eléctricos 10

11 Na escrita de valores para estas grandezas, utiliza-se habitualmente uma notação que se baseia em potências de 10 (veja-se a tabela 2), por exemplo, 0,001 m = 1 mm = m. Multiplicador Prefixo Abreviatura do prefixo tera T 10 9 giga G 10 6 mega M 10 3 kilo k 10 2 hecto h 10 deca da 10-1 deci d 10-2 centi c 10-3 mili m 10-6 micro μ 10-9 nano n pico p fento f ato a Tabela 2 Potências de 10 e suas abreviaturas 5. Implementação de circuitos eléctricos A implementação de circuitos eléctricos em ambiente laboratorial será feita recorrendo a diversos componentes, tal como resistências e fios de ligação. As montagens propriamente ditas são feitas em placas de montagem tal como a ilustrada na figura 16, onde se mostra como estão ligados internamente os alvéolos da placa. 11

12 Figura 16 Placa de montagem 6. Trabalho prático Neste trabalho prático, pretende-se que haja um primeiro contacto com o ambiente laboratorial onde decorrerão as aulas práticas de Laboratório de Electrotecnia e Circuitos. 6.1 Material para o trabalho prático Resistências diversas; Fonte de tensão dc; Pilha de 9V; Placa de montagem; Equipamento de medida. 12

13 Ficha do Trabalho nº 1 - Lab. Electrotecnia e Circuitos Neste primeiro trabalho, não é necessário entregar esta ficha no final da aula laboratorial, já que este trabalho não será avaliado. A. Placa de montagem Pretende-se verificar como são as ligações internas entre os alvéolos da placa de montagem. - Configure o multímetro portátil para funcionar como ohmímetro, tal como indicado na figura A.1., isto é, escolha a função de ohmímetro (Ω) e ligue os cabos vermelho e preto em + e, respectivamente, tal como na figura A.1. - Coloque os dois cabos em pontos para os quais haja ligação entre si (recorde a figura 16). - Como os dois pontos estão ligados entre si, tem-se um curto-circuito, para o qual o ohmímetro deverá emitir um sinal sonoro, tal como indicado na figura A.2. - Coloque os dois cabos em pontos para os quais não haja ligação entre si (recorde a figura 16). - Como os dois pontos não estão ligados entre si, tem-se um circuito aberto, para o qual o ohmímetro deverá mostrar no visor uma indicação idêntica à da figura A.3. - Experimente ligar o ohmímetro a outros pontos da placa, ligados entre si ou não. Verifique o que acontece. Figura A.1 Multímetro configurado para funcionar como ohmímetro Figura A.2 Detecção dum curto-circuito 13

14 Figura A.3 Detecção dum circuito aberto B. Utilização do multímetro como ohmímetro Pretende-se utilizar um multímetro para medir o valor duma resistência. - Mantenha o multímetro configurado como um ohmímetro. - Escolha uma das resistências que tem à disposição e coloque-a na placa de montagem, com os terminais em pontos que não estejam ligados entre si. - Meça o valor da resistência (exemplo na figura B.1). Figura B.1 Medição do valor duma resistência (exemplo) 14

15 - Utilize agora o outro multímetro que tem à disposição para medir o valor da mesma resistência. (Não se esqueça de configurar previamente o multímetro para funcionar como ohmímetro.) - Os valores poderão não ser exactamente iguais, pois os equipamentos têm precisões diferentes. - Experimente com outras resistências. C. Utilização do multímetro como voltímetro Pretende-se utilizar um multímetro para medir o valor duma tensão (ou d.d.p. diferença de potencial). - Configure o multímetro portátil para funcionar como voltímetro, tal como indicado na figura C.1., isto é, escolha a função de voltímetro (V) e ligue os cabos vermelho e preto em + e, respectivamente, ou em V e COM tal como na figura C.1. Figura C.1 Medição do valor duma tensão (exemplo) - Ligue os terminais do voltímetro aos terminais da pilha respeitando a polaridade: o terminal positivo do voltímetro ligado ao terminal positivo da pilha e o terminal negativo do voltímetro ligado ao terminal negativo da pilha. Registe o valor obtido. - Troque agora os terminais, isto é, ligue os terminais do voltímetro aos terminais da pilha da seguinte forma: o terminal positivo do voltímetro ligado ao terminal negativo da pilha e o terminal negativo do voltímetro ligado ao terminal positivo da pilha. Registe o valor obtido e compare-o com o anterior. 15

16 - Utilize agora o outro multímetro que tem à disposição para medir os valores das mesmas tensões. (Não se esqueça de configurar previamente o multímetro para funcionar como voltímetro.) - Os voltímetros poderão registar valores diferentes. Porquê? - Experimente agora usar a fonte de tensão dc que tem à sua disposição (exemplo na figura 1). Ligue os terminais do voltímetro aos terminais da fonte respeitando a polaridade: o terminal positivo do voltímetro ligado ao terminal positivo da fonte e o terminal negativo do voltímetro ligado ao terminal negativo da fonte. Registe o valor obtido. - Experimente variar o valor de tensão fornecido pela fonte. Registe os valores obtidos com um voltímetro. - O valor obtido com o voltímetro é igual ao que está registado na fonte? Porquê? 16