Guia de Utilização do Equipamento e Material de Laboratório

Circuitos Eléctricos e Introdução à Electrónica Mestrado Integrado em Engenharia Aeroespacial Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica Mestrado Integrado em Engenharia Física Tecnológica Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica 2º Semestre 2008/2009 Guia de Utilização do Equipamento e Material de Laboratório Fernando Gonçalves Teresa Mendes de Almeida INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores Área Científica de Electrónica Fevereiro de 2009

1 Objectivos Com este guia pretende-se dar a conhecer os principais equipamentos (multímetro, gerador de funções e osciloscópio), a base de experimentação com breadboard e alguns componentes (resistências) utilizados nos laboratórios de circuitos electrónicos. Para complementar esta formação, no final deste guia é utilizado um circuito resistivo que serve de exemplo para aplicação prática de alguns dos conhecimentos adquiridos pelos alunos nas secções anteriores. 2 Equipamento para Ensaio Laboratorial Multímetro Gerador de funções Osciloscópio Base experimental com breadboard Fios e cabos de ligação Conjunto de componentes o o 1 Resistência de 3,3 kω 1 Resistência de 4,7 kω 3 Notas Prévias Antes da comparência no laboratório é indispensável a leitura das secções 4 a 7. A duração prevista para a realização da parte experimental deste trabalho (para um grupo de alunos sem experiência de laboratório) é de 45 minutos. 4 Breadboard O breadboard tem como objectivo facilitar a montagem de circuitos electrónicos. O breadboard é constituído por várias tiras condutoras (normalmente cobre) que se encontram escondidas sob uma superfície plástica (isolante). A Figura 1 ilustra uma placa de breadboard típica. As interligações existentes sob a superfície plástica e a existência de pequenas molas que fixam os componentes nos orifícios, são as duas características que facilitam consideravelmente a montagem dos circuitos. Para a montagem de um circuito, os pinos dos componentes devem ser inseridos nos orifícios existentes na placa. Cada orifício está ligado a uma das linhas de interligação existentes no breadboard. Na Figura 2 estão assinaladas as ligações existentes sob a superfície do breadboard. Cada linha ou coluna de orifícios forma um possível nó do circuito. Para interligar vários componentes num mesmo nó, basta colocar os pinos desses componentes na mesma linha ou coluna. De acordo com as indicações anteriores, torna-se evidente que a montagem de circuitos integrados num breadboard só poderá ser efectuada da forma indicada na figura acima. 1

As linhas horizontais na parte superior e inferior do breadboard são normalmente destinadas para a distribuição das tensões de alimentação. Deve ser tido em atenção que nalguns modelos de breadboards, estas ligações estão interrompidas a meio da placa. Figura 1: Breadboard 5 Multímetro Figura 2: Ligações internas de uma breadboard O multímetro é um instrumento que reúne diversas funcionalidades num único instrumento (Figura 3). As funcionalidades mais relevantes são de voltímetro, amperímetro e ohmímetro. Alguns multímetros podem ainda funcionar como capacímetros ou frequencímetros. Para a utilização do multímetro devem ser utilizadas duas pontas de prova (normalmente, uma preta e outra vermelha). A ponta de prova preta deve ser sempre ligada à entrada comum, normalmente identificada por COM. A ligação da ponta de prova vermelha depende da funcionalidade que está a ser utilizada (voltímetro, amperímetro ou ohmímetro). A forma de ligar esta ponta de prova está indicada nas secções seguintes. NOTA: A cor das pontas de prova é irrelevante. A escolha atrás indicada corresponde à forma mais convencional de efectuar a ligação. 5.1 Voltímetro (Medição de tensão) 1. Ligar a ponta de prova vermelha ao terminal identificado com um V e colocar o multímetro no modo pretendido: AC ou DC (ver secção 5.4). 2. Num multímetro de escala manual (como o da Figura 3), seleccionar uma escala que seja superior ao valor que se pretende medir. Caso a grandeza a medir seja desconhecida, colocar na escala máxima e reduzir consoante as medições efectuadas. 3. Colocar o multímetro em paralelo com o troço do circuito onde se pretende medir a diferença de potencial (tensão) (ver Figura 4). 2

Figura 3: Multímetro portátil V R Figura 4: Utilização do multímetro em modo de voltímetro para medição da tensão aos terminais da resistência 5.2 Amperímetro (Medição de Corrente) 1. Ligar a ponta de prova vermelha ao terminal identificado com um A. O terminal deve ser escolhido de acordo com o valor da corrente a medir, sendo que o valor máximo indicado em cada terminal nunca deve ser excedido. De seguida, colocar o multímetro no modo pretendido: AC ou DC (ver secção 5.4). 2. Num multímetro de escala manual, seleccionar uma escala que seja superior ao valor que se pretende medir. Caso a grandeza a medir seja desconhecida, colocar na escala máxima e reduzir consoante as medições efectuadas. 3. Colocar o multímetro em série com o troço do circuito onde se pretende medir a corrente (ver Figura 5), sendo para isso necessário interromper o circuito. V R V R Figura 5: Utilização do multímetro em modo de amperímetro para medição da corrente que passa na resistência e no gerador de tensão 3

5.3 Ohmímetro (Medição de Resistência) 1. Ligar a ponta de prova vermelha ao terminal identificado com um Ω. 2. Seleccionar uma escala que seja superior ao valor que se pretende medir. Caso a grandeza a medir seja desconhecida, colocar na escala máxima e reduzir consoante as medições efectuadas. 3. Colocar o multímetro em paralelo com a resistência que se pretende medir (ver Figura 6), tendo em atenção que o circuito deve ser fechado unicamente através do ohmímetro. Por esse motivo, a resistência deve ser electricamente separada do circuito, ou pelo menos um dos seus terminais deve ser desligado. NOTA: Não se podem medir resistências quando há passagem de corrente eléctrica! V R V R Figura 6: Utilização do multímetro em modo de Ohmímetro 5.4 AC versus DC Um multímetro permite efectuar medições de duas formas distintas: Modo DC: mede o valor médio da grandeza (tensão ou corrente). Por exemplo, uma grandeza alternada sinusoidal sem componente contínua dará uma indicação nula. Modo AC: mede o valor eficaz da grandeza (tensão ou corrente). O valor eficaz de uma determinada grandeza define-se matematicamente pela raiz quadrada do valor quadrático médio dessa grandeza. No caso de um sinal sinusoidal de amplitude A, o valor eficaz é A / 2 0, 707 A. O valor eficaz de uma tensão alternada corresponde, em termos físicos, à tensão contínua que possui a mesma potência média. Saliente-se que as leituras em modo AC e DC de uma determinada grandeza só coincidem no caso de essa grandeza não variar ao longo do tempo (ser uma grandeza contínua). 6 Gerador de Funções O gerador de funções é um equipamento destinado a gerar sinais eléctricos que variam ao longo do tempo (sinusóides, ondas quadradas e ondas triangulares). A amplitude, o valor médio e a frequência dessas formas de onda podem ser controladas de uma forma muito fácil. A Figura 7 ilustra o painel frontal de um dos tipos de geradores de funções existentes nos laboratórios de electrónica. Neste guia apenas serão descritas as principais funcionalidades do gerador de funções, nomeadamente, os pontos assinalados na Figura 7 que estão descritos de seguida. A. Selector de frequência (ajuste largo) Estes interruptores permitem definir a gama de frequências (frequência máxima) para o sinal gerado. 4

B. Selector de frequência (ajuste fino) Este botão permite fazer um ajuste fino da frequência. Deve ser usado em conjunto com os interruptores indicados em A. para obter a frequência pretendida. C. Tipo de onda Estes interruptores permitem escolher o tipo de onda gerada: sinusoidal, quadrada ou triangular. D. Amplitude Este botão permite escolher a amplitude do sinal gerado. Terá de ser usado um osciloscópio para auxiliar na escolha da amplitude pretendida, uma vez que este botão não tem escala associada. E. Atenuador de amplitude Quando se pretendem gerar sinais com pequena amplitude, poderá ser necessário activar este interruptor para introduzir uma atenuação no sinal de saída. Uma atenuação de -20 db corresponde a um sinal 10x mais pequeno. F. Componente DC (Offset) Este botão permite adicionar uma componente contínua (DC) ao sinal gerado. Para activar esta funcionalidade, o botão deverá ser puxado para fora e rodado no sentido adequado até obter a componente DC pretendida. Terá de ser usado um osciloscópio para auxiliar na escolha da componente DC pretendida. G. Sinal de saída O sinal de saída com a forma de onda escolhida está disponível na ficha BNC com a indicação OUTPUT. A C E D B Figura 7: Gerador de funções F G 7 Osciloscópio O osciloscópio é um equipamento utilizado para visualizar sinais eléctricos. A principal vantagem do osciloscópio face a um voltímetro, consiste na possibilidade de observar os sinais directamente no ecrã, facilitando, por exemplo, a medição de frequências, amplitudes e diferenças de fase. Também tem a possibilidade de apresentar gráficos de uma tensão em função da outra (modo X- Y). Ambas as escalas (vertical e horizontal) podem ser ajustadas de acordo com as características do sinal que se pretende observar. As características dos osciloscópios variam de modelo para modelo. No entanto, as funcionalidades ilustradas neste guia são básicas, existindo em todos os modelos, embora com ligeiras diferenças na forma de apresentação no painel frontal do osciloscópio. A Figura 8 ilustra 5

um dos modelos de osciloscópios existentes nos laboratórios de electrónica. Esse será o modelo usado para descrever as principais funcionalidades de um osciloscópio. Figura 8: Osciloscópio O osciloscópio actualiza repetidamente o ecrã com novos valores de tensão. Este modo de funcionamento tem como problema o facto de cada varrimento começar com a forma de onda num nível de tensão diferente. No caso de uma onda triangular, se não forem tomadas medidas complementares, o resultado obtido poderá ser semelhante ao ilustrado na Figura 9. O sinal não pára no ecrã. Para contornar este problema, o osciloscópio possui um mecanismo designado por disparo (trigger). Assim, cada um dos varrimentos é sempre iniciado para um determinado nível de tensão do sinal de entrada e para um dado flanco (ascendente ou descendente). A Figura 10 representa duas situações diferentes em que se procura ilustrar a influência do nível de disparo e o flanco de disparo. Figura 9: Imagem do osciloscópio sem sincronismo Figura 10: Imagens do osciloscópio com sincronismo 6

Os osciloscópios disponíveis nos laboratórios têm a possibilidade de apresentar dois sinais em simultâneo, sendo um dos sinais atribuído ao canal 1 (CH1 ou X) e o outro sinal atribuído ao canal 2 (CH2 ou Y). As secções seguintes descrevem as principais funcionalidades de um osciloscópio, sendo, para efeitos ilustrativos, utilizado o painel frontal representado na Figura 11. A. Entrada de sinal Figura 11: Comandos do painel frontal do osciloscópio A entrada do sinal é efectuada através de uma ficha BNC, normalmente ligada a um cabo coaxial. No lado esquerdo está localizada a entrada do canal 1 (CH1 ou X), enquanto que do lado direito se encontra a entrada do canal 2 (CH2 ou Y). Note que há uma simetria no painel frontal relativamente aos botões dos dois canais. B. Modo de visualização Este interruptor determina qual o sinal, ou combinação de sinais, a apresentar no ecrã. As possibilidades são as seguintes: CH1 visualização apenas do canal 1 CH2 visualização apenas do canal 2 ALT visualização de ambos os canais (varrimento completo do canal 1, seguido de varrimento completo do canal 2, repetindo-se esta sequência) CHOP visualização de ambos os canais (durante um varrimento completo, os traços das curvas vão alternando entre o canal 1 e o canal 2) ADD C. Modo AC-DC-GND soma dos sinais dos dois canais Este interruptor define, para cada canal, a forma como o sinal entra no osciloscópio. Em modo DC, o sinal entra no osciloscópio sem qualquer modificação. Em modo AC, o osciloscópio 7

elimina a componente contínua da tensão de entrada (componente DC) e apenas é visualizada a componente AC. O modo GND coloca o sinal de entrada a zero (ground). Desta forma é possível identificar onde está localizada a tensão de referência (GND = 0 V). Para a medição de tensões, é importante conhecer a posição desta linha. Para evitar eventuais erros de medição, aconselha-se a colocação do GND sobre a linha central do ecrã. Nos casos em que tal não seja conveniente, a tensão de referência pode ser colocada noutro local do ecrã, mas tal deverá ser tido em conta aquando da medição das tensões e o seu posicionamento deve ser sempre registado. A localização deste traço horizontal é escolhida com os botões E. (deslocamento vertical). D. Escala vertical (tensão) Cada canal tem um controlo independente para o valor da tensão/divisão (VOLTS/DIV). O botão externo permite definir a tensão (VOLTS) associada à altura de cada um dos quadrados (DIV) do ecrã (ver Figura 12). O botão interior permite um ajuste fino da escala de tensão. Esta funcionalidade pode ser útil para algumas aplicações. Contudo, não permite efectuar medições de tensão com precisão, pois o valor de VOLTS/DIV assume um valor desconhecido. Por este motivo, sempre que iniciar a utilização do osciloscópio, confirme que esta funcionalidade está desactivada, rodando o botão no sentido dos ponteiros do relógio até que se ouça um click, ficando a escala vertical calibrada. Escala de tensão VOLTS/DIV Tensão Tempo Base de tempo TIME/DIV Figura 12: Ecrã de um osciloscópio E. Deslocamento vertical Cada canal possui um botão independente para efectuar o deslocamento vertical da forma de onda. Ao movimentar a forma de onda para cima ou para baixo, poderá conduzir a medições de tensão erradas, pois a posição onde se encontra o GND (tensão de referência) poderá ficar numa zona não conhecida. F. Deslocamento horizontal Este botão permite deslocar a forma de onda para a esquerda ou para a direita. G. Escala horizontal (tempo) Este botão permite definir o valor do tempo/divisão (TIME/DIV), definindo a duração (TIME) associada à largura de cada um dos quadrados (DIV) do ecrã (ver Figura 12). 8

Quando este botão é rodado para a posição X-Y, o osciloscópio é colocado num modo em que é apresentado um gráfico do sinal no canal 2 em função do sinal no canal 1. Em modo X- Y, a escala horizontal corresponde ao sinal do canal 1 (CH1 ou X), enquanto que a escala vertical corresponde ao sinal do canal 2 (CH2 ou Y). H. Nível e flanco de disparo (level e slope) Este botão tem uma dupla funcionalidade: (1) define o nível de tensão para o início do varrimento (ou disparo) e (2) o flanco usado para o disparo. O flanco usado para o disparo será o flanco positivo quando o botão é empurrado para dentro e será o flanco negativo quando o botão é puxado para fora. I. Fonte de disparo (interno vs. externo) Este interruptor define qual a fonte de sinal que define o início de um novo varrimento do ecrã. Essa fonte pode ser interna ou externa, mas nos trabalhos de laboratório será sempre usada a fonte interna, ou seja, um dos sinais ligados aos canais de entrada (CH1 ou CH2). A escolha do canal é efectuada através do interruptor J. J. Fonte de disparo interno Este interruptor determina qual o canal usado para o disparo. As posições CH1 e CH2 correspondem aos canais 1 e 2, respectivamente. 8 O Programa Himes O programa HIMES permite obter, em formato digital, gráficos dos sinais visualizados no osciloscópio digital. Podem ser guardados em memória até oito curvas distintas. São de seguida indicadas algumas das sequências de comandos necessárias às operações mais frequentes realizadas com o HIMES. 1- Para adquirir os sinais visualizados no osciloscópio devem ser efectuados os seguintes procedimentos: a) No osciloscópio carregar no botão STORAGE e depois em HOLD (a imagem fica congelada no ecrã do osciloscópio). b) Abrir o programa HIMES. c) Entrar no menu DISPLAY e seleccionar o submenu WINDOW (F2): Seleccionar SINGLE ou DUAL1 consoante se pretende ver um gráfico ou dois gráficos. Seleccionar as curvas (CH1 e/ou CH2 lidas do osciloscópio) que se pretende visualizar no primeiro gráfico. Executar o comando ESC. d) Seleccionar o menu DATA e executar READ (F1). e) Se foi seleccionado DUAL1, voltar a repetir o procedimento para o segundo gráfico (DUAL2). 2- Para efectuar cálculos com os sinais adquiridos deve ser usado o menu CALC. Por exemplo, para calcular a diferença entre os sinais dos CH1 e CH2: a) Entrar no submenu MATH (F4). b) Introduzir o operador -. c) Introduzir o primeiro operando (CH1). d) Introduzir o segundo operando (CH2). e) Indicar o canal em que se pretende guardar o resultado (CH3). f) Para visualizar o gráfico da curva obtida executar os procedimentos indicados em 1-c). 9

3- Para ver dois sinais (CH1 e CH2) em modo XY: a) Após terem sido adquiridos os dois sinais (como indicado em 1), basta ir ao menu OPTIONS, entrar no submenu DIV OPTIONS e seleccionar XY-MODE. 4- Para imprimir um gráfico ou guardá-lo num ficheiro: a) Entrar no menu DISPLAY e seleccionar o comando PRINT. b) Indicar um nome para o ficheiro de resultados (por exemplo: c:\temp\file.pcx). c) De seguida podem ser incluídas duas linhas de comentários de texto (por exemplo, número do turno e do grupo e nome da alínea do guia de trabalho a que se referem os resultados). d) Executar o comando ESC. e) Para sair do HIMES, entrar no menu DATA e seleccionar o comando QUIT. f) Após sair do HIMES, basta seleccionar o ficheiro file.pcx e imprimi-lo na impressora, ou incluí-lo num ficheiro de texto (dependendo da forma de realizar o relatório do trabalho de laboratório). 9 Código de Cores das Resistências Os valores das resistências usadas no laboratório podem ser determinados com base nas cores das faixas pintadas (ver a Figura 13), de acordo com a tabela que associa cada cor a um algarismo de 0 a 9 (ver a tabela no fim desta secção). 1ª faixa 3ª faixa 2ª faixa 4ª faixa Figura 13: Resistência standard As resistências standard têm quatro faixas pintadas. Para determinar o valor da resistência a partir das faixas pintadas, é preciso considerar que: as duas primeiras faixas compõem um número, a 3ª faixa corresponde a um factor multiplicativo e a 4ª faixa (se existir) corresponde ao valor da precisão. Por exemplo, a resistência ilustrada na Figura 13 tem as faixas com as seguintes cores: castanho, preto, vermelho e dourado. 1ª faixa: castanho = 1 2ª faixa: preto = 0 3ª faixa: vermelho = 10 2 = 100 1 0 x100 = 1.000 Ω = 1 kω Como a quarta faixa é dourada, trata-se de uma resistência de 1 kω e 5% de precisão. Também podem ser utilizadas resistências de precisão que têm 5 faixas pintadas. Nesse caso, as três primeiras faixas compõem o número, a 4ª faixa corresponde ao factor multiplicativo e a 5ª faixa à precisão. 10

Resistências standard 1ª e 2ª faixa 3ª faixa (multiplicador) 4ª faixa (tolerância) Resistências de precisão 1ª, 2ª e 3ª faixa 4ª faixa (multiplicador) 5ª faixa (tolerância) Preto 0 x10 0 = 1 Castanho 1 x10 1 = 10 1% Vermelho 2 x10 2 = 100 2% Laranja 3 x10 3 = 1.000 Amarelo 4 x10 4 = 10.000 Verde 5 x10 5 = 100.000 0,5% Azul 6 x10 6 = 1.000.000 0,25% Violeta 7 x10 7 = 10.000.000 0,1% Cinzento 8 Branco 9 Dourado 5% Prateado 10% sem cor 20% 10 Sinal Sinusoidal Uma forma de onda sinusoidal é caracterizada pela sua amplitude, X M, e pela sua frequência linear, f (medida em Hz), ou, de forma equivalente, pela sua frequência angular, ω (medida em rad/s), ou pelo seu período, T (medido em s). 2π x( t) = X M cos( 2π f t) = X M cos( ω t) = X M cos t T No caso da grandeza sinusoidal corresponder a uma tensão, a amplitude mede-se em V (volt), e se se tratar de uma corrente, as unidades a utilizar são A (ampére). Dependendo da ordem de grandeza dos valores numéricos, os múltiplos e submúltiplos mais habituais são: M (mega) = 10 6 ; k (kilo) = 10 3 ; m (mili) = 10-3 ; µ (micro) = 10-6 ; n (nano) = 10-9 ; etc. 11

11 Exemplo de Aplicação Para familiarização com o equipamento de laboratório descrito neste guia, será utilizado o circuito resistivo representado na Figura 14. Este circuito é constituído por um gerador de sinal, v I (t), que aplica o sinal de entrada (input), e duas resistências, R 1 e R 2. Admite-se que a saída (output) do circuito é a tensão medida aos terminais da resistência R 2, e que por isso aparece indicada na figura como v O (t). Figura 14: Circuito utilizado como exemplo 1) Identifique as duas resistências através das cores das suas faixas. Também pode usar o multímetro para medir os seus valores (ver o procedimento na secção 5.3). 2) Monte o circuito da figura na placa de breadboard, utilizando para v I a fonte de tensão constante disponível na base de experimentação. Para além das resistências devem ser usados fios para fazer as ligações a v I e à massa (referência de 0 V). 3) Na entrada do circuito (v I ), aplique uma tensão constante de 4 V. Meça o valor de v I com o voltímetro em modo DC (ver os procedimentos nas secções 5.1 e 5.4). 4) Altere a posição do multímetro, para medir agora a tensão na saída do circuito (v O ). 5) Usando o multímetro, meça a corrente que percorre a resistência R 2 (tenha atenção ao procedimento indicado na secção 5.2). Deverá obter um valor perto de 4 V. Deverá obter um valor em torno de 2,35 V. Deverá obter um valor em torno de 0,5 ma. 6) Substitua a fonte de tensão constante por uma forma de onda sinusoidal com amplitude 3,5 V (7 V pico-a-pico) e frequência 1 khz. 7) No osciloscópio ajuste a tensão de referência dos dois canais para o centro do ecrã e escolha a escala horizontal e as escalas verticais de forma a poder visualizar um período completo das duas formas de onda. No osciloscópio observe os sinais de entrada, v I, (no canal 1) e de saída, v O, (no canal 2). Registe as suas formas de onda, assim como as escalas e o posicionamento dos níveis de referência (GND = 0 V). 8) Com o voltímetro em modo AC (ver os procedimentos nas secções 5.1 e 5.4) meça o valor eficaz do sinal de saída. Compare o resultado com o valor obtido para a amplitude na alínea anterior. O sinal de saída deve ser sinusoidal com a mesma frequência e amplitude aproximadamente 2 V. Deve obter um valor perto de 1,4 V. 12