1 MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY 6.071: Introdução ao Laboratório de Eletrônica Laboratório 1: Equipamentos de Laboratório e Redes de Resistores 1 Exercícios Pré-Laboratório 2º Trimestre de 2002 A conclusão dos exercícios pré-laboratório é uma exigência. Responda todas as perguntas e mostre seu trabalho. Você deve completar com sucesso os exercícios pré-laboratório a fim de prosseguir com o laboratório. O professor assistente irá corrigir os exercícios pré-laboratório próximo ao começo da seção, e não será permitido que você continue no laboratório se eles não estiverem completos. 1.1 Divisores de Tensão e Corrente Considere os circuitos nas figuras 1 e 2. A Figura 1 representa o circuito divisor de tensão fundamental e a figura 2 mostra o circuito divisor de corrente. Esses são circuitos importantes que usaremos repetidamente durante o semestre. Figura 1: Divisor de tensão Figura 2: Divisor de corrente P.: Calcule as tensões V1 ao longo de R1 e V2 ao longo de R2. V1 = V2 = P.: Calcule a corrente I 1 e I 2. I1 = I2 = 1.2 Fontes de Tensão e Corrente: Dissipação da Potência As fontes de tensão e corrente são dispositivos modelados com resistências internas R int, conforme exibido na Figura 3.
2 saída Carga saída Fonte de tensão Fonte de corrente Figura 3: Modelos de fontes de tensão e corrente Não é uma boa idéia ligar fontes de tensão diretamente em paralelo e fontes de corrente diretamente em série. Vamos ver o porquê. Considere as conexões mostradas na figura 4, de fontes +5V e +15V. As fontes são modelada como fonte de tensão em série com um pequeno resistor (0,5? ) resistor. Assumiremos que a energia dissipada na fonte de tensão é igual à dissipada pelo resistor. Na prática, essa é uma sub-estimativa, mas é suficiente para o propósito deste problema. Figura 4: Conexões com a fonte de alimentação Lembre-se de que P = IV. Para R carga ser igual a 10k?, 1? e 0?, calcule:? A corrente circulando pelos resistores? Potência dissipada no resistor de carga (R carga )? Potência dissipada na fonte de alimentação de 15V? Assumindo um resistor de ¼ de watt e uma dissipação de energia de no máximo 10 watts da alimentação, quais destas configurações são seguras e quais são inseguras? Nas inseguras, qual é o problema? R Corrente Potência (R carga ) Potência (alimentação 15V) Seguro? Qual o problema? 10k? 1? 0
3 1.3 Introduzindo Carga Agora vamos voltar para a figura 1. Assuma que V2 seja medido usando um dispositivo com resistência interna de 1MΩ. Desenhe um circuito simples do modelo. Qual é o valor de tensão que você esperaria medir? Se exigíssemos um erro máximo de 5% na medição da tensão, qual seria o valor mínimo/máximo (circule um) da resistência interna do dispositivo de medição? Mostre seu trabalho.
4 2 Laboratório 1 2.1 Objetivo O objetivo deste Laboratório é desenvolver algumas das habilidades necessárias para utilizar os equipamentos básicos do laboratório, para construir circuitos eletrônicos e caracterizar o comportamento e o desempenho desses circuitos. 2.2 Preparação? Complete os exercícios pré-laboratório e prepare-os para serem corrigidos pelo professorassistente no início da seção de laboratório.? Prepare-se: leia a apostila antes de entrar no laboratório. 2.3 Familiarizando-se com o equipamento laboratorial A melhor maneira de se familiarizar com o equipamento de laboratório é usando-o. Em nosso laboratório, lidaremos com três tipos de equipamento: O osciloscópio, o multímetro digital e o gerador de função. O professor-assistente explicará a operação desses dispositivos, e depois você começará a usá-los para fazer algumas medições fundamentais.
5 Seleciona quais pontas de probe exibir. Ajusta "CH 1" e "20MHz BW Limit" Ajuste da posição. Use isto para garantir que o aterramento está em 0 volts e a forma de onda está centralizada horizontalmente Quais medições fazer. Brinque com estes botões e veja o que eles podem fazer. Ajustes de exibição. Mexa nele se a imagem estiver fora de foco ou escura. Chave de alimentação Escala de tempo Ajusta a escala de tensão (pode estar fora do fator de exatamente 10 com algumas pontas de probe) Em "GND", o liga-desliga exibe uma linha reta. Em CA, remove qualquer offset de CC. Ajuste a CC para propósitos de 6.071 Disparo. Estabelece quando o osciloscópio traz à tela. Coloca em canal automático de CA. Figura 5: Ajustando o osciloscópio Primeiro, ligue seu osciloscópio e o gerador de funções. Conecte a saída do gerador de sinal no osciloscópio. Ajuste os botões até obter um sinal. A configuração adequada do osciloscópio e do gerador de função é mostrada na figura 5. Se você não conseguir fazer com que isso funcione rapidamente (5 minutos de tentativa de obtenção de sinal), peça ajuda ao professor-assistente. Agora vamos calibrar o osciloscópio. Ajuste os botões do offset (no alto do osciloscópio, com o nome posição - position e veja como o sinal se move para cima e para baixo. Ajuste o canal 1 para o modo ground. Isso liga a entrada ao aterramento em vez de tirá-lo da ponta de probe, então você verá uma linha reta. Gire o botão de offset até que ele esteja centralizado na tela. Gire-o de volta para o modo "DC". Ajuste o gerador de função para emitir uma onda senoidal de 1KHz a 5V. Meça a amplitude da saída no osciloscópio (pico a pico) e no multímetro digital (ajustado para CA). Registre os valores na tabela abaixo: Gerador de Função Osciloscópio Multímetro digital Valor
6 Divida o valor do osciloscópio por aquele do multímetro digital a fim de calcular a diferença nas medições. Qual é a fonte dessa diferença? Dica: Veja suas anotações de aula e recorde os tipos de medições de tensão. Agora apresentaremos alguns offsets de CC. Embora nossos geradores de sinal tenham um botão de offset, iremos apresentá-lo manualmente ao colocar uma média de 5 volts. Construa o circuito mostrado na figura 6. Figura 6: Divisor de tensão usado como gerador de offset de CC. Calcule a quantidade de offset que este circuito deveria dar. Agora, alterne o osciloscópio para o modo "DC". Meça (você precisará fazer uma estimativa) o offset no osciloscópio e o valor da CC no multímetro. Como medição final, ajuste o osciloscópio no modo "DC" e coloque uma das linhas de medição na parte superior da forma de onda. Agora alterne para o modo "AC" usando a chave abaixo do botão de escala de tensão, e mova a outra linha para a parte superior da nova forma de onda. Essa é uma maneira conveniente de se obterem saídas precisas para as medições de CC em um osciloscópio ao evitar os erros que vários multímetros apresentam. Insira suas saídas na tabela abaixo. Offset calculado Osciloscópio (modo de CC) Multímetro digital Osciloscópio (diferença de modo CA- CC) Valor Agora, explicaremos medir a tensão ao longo de um resistor, e não de V saída em relação ao terra. Como o pequeno plugue preto do tipo jacaré na ponta de probe do osciloscópio está aterrado, não podemos simplesmente colocar uma ponta de probe ao longo do resistor, já que estaríamos dando um curto em algum nodono aterramento. Em vez disso, conectaríamos uma ponta de probe em cada ponto final do resistor e subtrairíamos os valores das duas pontas de probe. Observe que cada dispositivo possui seu próprio ponto de massa. A menos que conectemo-los juntos, não podemos contar que o aterramento do osciloscópio seja o mesmo da fonte de alimentação. Ele ainda pode confundir a operação do circuito se o conectarmos a um nodo que não deveria estar no ponto de massa.
7 Forme um aterramento comum ao conectar os plugues do tipo jacaré das pontas de probe do osciloscópio no aterramento da fonte de alimentação. Coloque o osciloscópio no modo diferencial (os botões "add" e "invert" acima dos botões de faixa de tensão, e não selecione nenhum canal) e conecte as pontas de probe do osciloscópio em cada lado do resistor que você escolher para medir. Qual é tensão da CC ao longo do resistor? Valor CC: Qual é a tensão pico-a-pico com o gerador de sinal a 5V? Valor CA: 2.3.1 Medindo Temperatura Agora estamos prontos para usar um dispositivo bastante sofisticado para medir temperatura. Usaremos um dispositivo termistor, que é um resistor variável com resistência estabelecida por temperatura. Os termistores vêm em vários tipos. Há os termistores com Coeficie nte Positivo de Temperatura (PTC) (a resistência aumenta com a temperatura) e os termistores com Coeficiente Negativo de Temperatura (NTC) (a resistência diminui com a temperatura). Os termistores normalmente são projetados por seu valor de resistência em certas temperaturas. Em seu kit, você tem um termistor com resistência de 10k? em 25ºC. Dê uma olhada na folha de especificações para se familiarizar com a nomenclatura. Agora construiremos um circuito ao incorporar o dispositivo termistor para medir a temperatura. A idéia fundamental aqui é que queremos converter a resistência em tensão. Como a dependência da resistência com a temperatura é conhecida, podemos medir a tensão a partir da qual deduzimos a resistência do termistor e, assim, a temperatura. Faremos isso ao incorporar o termistor em um circuito divisor de tensão. Desenhe neste espaço o circuito que você construirá. Ao construir o circuito, observe como os contatos no termistor são pequenos. Cuidado para que eles não se quebrem quando você conectá -los, e mexa-os um pouco para garantir que eles têm uma boa conexão. Seu gerente de engenharia lhe pediu para construir este dispositivo para medir a temperatura ao longo de uma faixa muito ampla (-10ºC a 100ºC). Olhe o manual e as notas de aplicação com mais detalhes. Que valor você teria escolhido para a resistência fixa no circuito? Por que você escolheu esse valor?
8 Agora, meça a tensão ao longo do resistor e do termistor em temperatura ambiente (25ºC) e em temperatura corporal (37ºC). Calcule a alteração na resistência sobre uma alteração na temperatura (dr/dt). Para fins de comparação, meça a resistência do termistor com o multímetro digital em 25º e 37º. Como isso se compara com os valores que você observou no divisor de tensão? Nota: O multímetro funciona ao aplicar uma pequena tensão ao elemento e medir a corrente. Se já houver uma tensão no elemento, como seria o caso na maioria dos circuitos, o multímetro pode dar uma leitura incorreta. Calcule o fluxo da corrente ao longo do circuito. Se essa corrente fosse muito grande, quais problemas poderia causar na medição da temperatura ambiente? Dica: Se você não conseguir descobrir isso, veja a seção Introduzindo carga, parte 1, e volte para esta pergunta.
9 2.3.2 Introduzindo carga, parte 1 (dissipação de energia) Em seus exercícios pré-laboratório, você viu que conectando as alimentações de +5V nas de +15V pode levar a efeitos negativos (figura 4). Nesta experiência, veremos isso em prática. Ligue os fios ao aterramento e aos terminais de +15V na fonte de alimentação do protoboard. Disponha vários resistores sobre uma mesa. Faça com que o aterramento e os fios de +15V toquem os resistores. Brinque com isso um pouco e registre o resistor de menor valor que você pode usar sem queimar o resistor. Como você pode lembrar da aula, os resistores podem ficar bastante quentes, então faça com que os fios entrem em contato com os resistores, e não vice-versa. Além disso, embora você deva usar a fonte de alimentação do protoboard, não aplique corrente no protoboard em si; estes são projetados para pequenas correntes, e você pode derreter os pequenos contatos dentro dele. Quanta potência esse resistor está dissipando (assuma que a fonte de alimentação é suficientemente poderosa para ficar fornecendo 15V)? Não se preocupe em explodir a fonte de alimentação; ela foi projetada para uso estudantil, então é bastante robusta e deve cortar a corrente antes de explodir (e se não cortar, é fácil consertar). Dê um curto usando dois fios. Saem faíscas? Os fios ficam quentes? Por que ou por que não? Pense na resistência dos fios e para quanto à dissipação de potência vai já que R 0. Além disso, lembre-se da quantidade de área sobre a qual o fio pode dissipar calor e compare-a com a do resistor.
10 Nome : 2.3.3 Introduzindo carga, parte 2 (Resistência Interna) Figura 7: Mais um Divisor de Tensão Conecte dois resistores R idênticos para formar um divisor de tensão de 0V a 15V, como mostrado na figura 7. Para R = 1k?; 100k? e 10M?, meça a tensão em um com seu multímetro digital e osciloscópio e insira as saídas na tabela abaixo. Resistência Calculada Medição (multímetro digital) Medição (osciloscópio) 1k? 100k? 10M? Explique as discrepâncias entre os valores de tensão calculados e medidos. Explique também quaisquer discrepâncias entre as medições feitas pelo multímetro digital e o osciloscópio. Qual dispositivo tem uma resistência interna maior? Calcule a resistência interna do multímetro. Qual dispositivo de medição de tensão é o mais preciso?