ELETROTÉCNICA ELM ROTEIRO DA AULA PRÁTICA 01 A LEI DE OHM e AS LEIS DE KIRCHHOFF NOME: TURMA: DATA: / / OBJETIVOS: Ler o valor nominal de cada resistor através do código de cores. Conhecer os tipos de potenciômetros. Medir a variação da resistência do potenciômetro. Verificar a Lei de Ohm para resistores. 1. MATRIZ DE PONTOS (PROTOBOARD) A Matriz de Pontos (nome genérico) ou Protoboard (marca registrada) consiste de pontos ligados internamente possibilitando a montagem de componentes elétricos sem que seja necessário se fazer soldas. Os barramentos verticais, em geral, são usados para alimentação (+V cc, GND e -V cc ). Abaixo, se pode verificar como é a configuração das trilhas do Protoboard e os bornes para conexão da alimentação. Observa-se, também, que o borne de cor preta está conectado ao terra, ou seja, possui ligação com a carcaça. 2. MULTÍMETRO Figura 1 - Matriz de Pontos (Protoboard). Um multímetro é um instrumento que permite efetuar a medição de várias grandezas elétricas (tensão, resistência, corrente, capacitância, indutância, frequência e outras), além de poder efetuar testes em diodos e transistores. Figura 2 Descrição Resumida do Multímetro Aula 01: Lei de Ohm & Leis de Kirchhoff 1 Laboratório de Eletrotécnica (ELM)
Para usar um multímetro: Use a chave de seleção de função para escolher a escala (tensão CC ou AC: V cc, V ac ; corrente CC: ma, µa, ohm: Ω) e o tipo de grandeza a ser medida. Quando não estiver usando o multímetro deixe a chave na posição desligado. Em hipótese nenhuma ligue o instrumento a uma tensão quando a escala de corrente estiver selecionada. Bornes de Entrada: são os terminais através dos quais conectamos o instrumento ao circuito ou componente. Existem 3 bornes no seu instrumento: COM: terminal comum ou negativo (no caso de medição que tenha polaridade). V, Ω, ma: terminal para medir tensão, resistência, corrente. É o terminal positivo (no caso de medição de corrente e tensão). Lembre-se de que a grandeza resistência não tem polaridade. A ou ma: terminal para medir corrente CC na escala de A ou de ma. É o terminal positivo. 2.1. Ohmímetro Para se efetuar medição com o ohmímetro, deve-se desconectar o elemento que se quer medir do restante do circuito. Caso isto não seja feito, a resistência medida pode ser o resultado de uma associação de resistores e não do resistor que se deseja medir. 2.2. Voltímetro Figura 3 Medição de resistência com o Ohmímetro. O voltímetro é conectado em paralelo com o elemento para o qual se pretende medir a tensão (veja Figura 4), devendo o circuito deve estar ativo no ato da medição. A resistência interna do voltímetro (r i ) é um dos parâmetros que o caracteriza. Quanto maior a resistência interna r i, mais próximo o voltímetro está do ideal. Logo, a corrente que será desviada do circuito para dentro do voltímetro será mínima. Para efeitos práticos, a resistência interna do voltímetro é considerada igual a infinito (r i ), caso ele seja corretamente utilizado. Figura 4 Conexão do voltímetro em paralelo ao elemento do circuito ativo Aula 01: Lei de Ohm & Leis de Kirchhoff 2 Laboratório de Eletrotécnica (ELM)
2.3. Amperímetro Além de analógico ou digital, um amperímetro pode ser também classificado como convencional ou de alicate. O amperímetro de alicate normalmente é fabricado para medir correntes mais altas. É geralmente utilizado em redes elétricas de média e alta tensão e em circuitos onde não é possível a interrupção da passagem de corrente elétrica. Para se efetuar uma medição de corrente com um amperímetro convencional é necessário interromper o circuito para se intercalar o amperímetro, fazendo com que toda a corrente passe através do mesmo (veja Figura 5). A resistência interna de um amperímetro (r i ) deve ser a mais próxima possível de zero. Para efeitos práticos, a resistência interna do amperímetro é considerada igual a zero (r i 0), caso ele seja corretamente utilizado. Portanto, deve-se sempre fazer a ligação em série, pois se ligado em paralelo introduzirá um curto-circuito, podendo danificar componentes e o próprio amperímetro. 3. FONTES Figura 5 Conexão do amperímetro em série ao elemento do circuito ativo. O Laboratório de Circuitos Elétricos do DEE é equipado com fontes de tensão CC (corrente contínua) com saídas reguláveis conforme ilustrado pela Figura 6. As fontes podem ser utilizadas de forma independente (A ou B) ou combinadas em série (para até o dobro das tensões de cada um) ou em paralelo (para injetar o dobro de corrente de cada uma). Os terminais são: (vermelho positivo; verde terra; preto negativo) Ajuste de tensão Ajuste de corrente Terminais (+) (GND) (-) Seletor de operação: - em série - independente - em paralelo Liga/desliga Fonte A Fonte B Figura 6 Conexão do amperímetro em série ao elemento do circuito ativo. Aula 01: Lei de Ohm & Leis de Kirchhoff 3 Laboratório de Eletrotécnica (ELM)
4. RESISTORES 4.1. Resitores Fixos Os resistores fixos são geralmente especificados por três parâmetros: o valor nominal da resistência elétrica; a tolerância, ou seja, a máxima variação em porcentagem do valor nominal, e a máxima potência elétrica dissipada. Dentre os tipos de resistores fixos, destacamos os de fio, de filme de carbono e de filme metálico. Figura 7 Símbolo para resistores. Resistor de fio: Consiste basicamente de um tubo cerâmico que serve de suporte para o enrolamento de um determinado comprimento de fio de liga especial, para obter-se o valor de resistência desejado. Os terminais desse fio são conectados às braçadeiras presas ao tubo. Além desse, existem outros tipos construtivos esquematizados, conforme mostra a Figura 8. Figura 8 Resistores de Fio. Os resistores de fio são encontrados com valores de resistência de alguns ohms até alguns kilo- Ohms, e são aplicados onde se exige altos valores de potência, acima de 5W, sendo suas especificações impressas no próprio corpo do resistor. Resistor de filme carbono: Consiste de um cilindro de porcelana recoberto por um filme (película) de carbono. O valor da resistência é obtido mediante a formação de um sulco, transformando a película em uma fita helicoidal. Este valor pode variar conforme a espessura do filme ou a largura da fita. Como revestimento, encontramos uma resina protetora sobre a qual será impresso um código de cores identificando seu valor nominal e sua tolerância. Os resistores de filme de carbono são destinados ao uso geral e suas dimensões físicas determinam a máxima potência que pode dissipar. Resistor de filme metálico: Sua estrutura é idêntica ao do de filme de carbono, exceto que utiliza uma liga metálica (níquel-cromo) para formar a película, obtendo valores mais precisos de resistência, com tolerância de 1% e 2%. O código de cores, utilizado nos resistores de película, é ilustrado pela Figura 9. Ao lado dos resistores pode-se observar os valores das Aula 01: Lei de Ohm & Leis de Kirchhoff 4 Laboratório de Eletrotécnica (ELM)
resistências obtidas utilizando-se os códigos de cores. Figura 9 Código de Cores para Resistores. Observações: 1 - A ausência da faixa de tolerância indica que esta é de 20%. 2 - Os resistores de precisão apresentam cinco faixas, onde as três primeiras representam o primeiro, segundo e terceiro algarismos significativos e as demais, respectivamente, o fator multiplicativo e a tolerância. Resistores SMD: A constante miniaturização dos equipamentos eletrônicos levou a criação de uma tecnologia chamada Surface Mounting Devices, mais conhecida como SMD. Os componentes SMD são pequenos e geralmente são soldados diretamente nas trilhas de cobre das placas de circuito impresso. Observe na figura 10 alguns componentes SMD. Nesse código, os dois primeiros números representam os dois primeiros dígitos da resistência, no caso 30. O terceiro dígito significa o fator de multiplicação ou número de zeros que deve ser acrescentado. Para resistências de menos de 10 ohms pode ser usada a letra R tanto, para indicar isso como em lugar da vírgula decimal. Assim, podemos 10R para 10 ohms ou 4R7 para 4,7 Ohms. Em certos casos, com resistores na faixa de 10 a 99 ohms podemos ter o uso de apenas dois dígitos para evitar confusões: 33 ou 56 para indicar 33 ohms ou 56 ohms. Também existem casos em que o K (quilo) ou M (mega) é usado em lugar da vírgula. Figura 10 Resistores SMD. Aula 01: Lei de Ohm & Leis de Kirchhoff 5 Laboratório de Eletrotécnica (ELM)
4.2. Potenciômetros Um potenciômetro, conforme a Figura 10, consiste basicamente de uma película de carbono ou de um fio, que ao ser percorrido por um cursor móvel, através de um sistema rotativo ou deslizante, altera o valor da resistência entre seus terminais. Comercialmente, os potenciômetros são especificados pelo valor nominal da resistência máxima impresso em seu corpo. Figura 10 Estrutura interna básica de um Potenciômetro. Na prática, encontramos vários modelos de potenciômetros, que, em função do tipo de aplicação, possuem características mecânicas diversas. Quanto à variação de resistência, os potenciômetros de película de carbono podem ser lineares ou logarítmicos, isto é, conforme a rotação do seu eixo, sua resistência varia obedecendo a uma característica linear ou logarítmica. O potenciômetro logarítmico é muito utilizado para controlar o volume de saída do som em amplificadores de sinais de áudio, uma vez que a resistência cresce exponencialmente com o deslizar do cursor. A Figura 11 apresenta a simbologia do potenciômetro. Figura 11 Símbolo de um potenciômetro. 5. LEI DE OHM Em um bipolo ôhmico, a tensão aplicada aos seus terminais é diretamente proporcional à intensidade de corrente que o atravessa. Assim sendo, podemos escrever: v(t) R i(t) onde : v(t) tensão aplicada (V) R Resistência Elétrica () i(t) intensidade de corrente (A) Levantando-se, experimentalmente, a curva da tensão em função da corrente para um bipolo ôhmico, teremos uma característica linear, conforme mostra Figura 12. Aula 01: Lei de Ohm & Leis de Kirchhoff 6 Laboratório de Eletrotécnica (ELM)
Figura 12 Curva característica de um bipolo ôhmico. Pela Figura nota-se que: tg v, onde concluímos que i tg R Um bipolo ôhmico é aquele que segue esta característica linear. 6. LEIS DE KIRCHHOFF Estas leis são baseadas no Princípio da Conservação da Energia e são empregadas na análise de circuitos elétricos mais complexos, como por exemplo, aqueles com mais de uma fonte de tensão em série ou em paralelo. A aplicação conjunta das Leis de Kirchhoff e de Ohm permite obter um conjunto de equações cuja resolução conduz aos valores das intensidades de corrente e das tensões aos terminais dos componentes. 1ª Lei de Kirchhoff: Num circuito elétrico a soma algébrica das correntes elétricas que se dirigem para qualquer nó é nula, ou seja, a soma das correntes que entram é igual à soma das que saem. 2ª Lei de Kirchhoff: Ao longo de qualquer malha de um circuito elétrico a soma algébrica das tensões em todos os elementos é nula, ou seja, a soma de todas as tensões geradas é igual a soma de todas as tensões consumidas numa malha. Aula 01: Lei de Ohm & Leis de Kirchhoff 7 Laboratório de Eletrotécnica (ELM)
7. MATERIAL UTILIZADO Fonte de tensão variável (DC Power Suply). Resistores: (R1) 1,0k, (R2) 1,2 k, (R3) 4,7k, (R4) 5,6k e (R5) 10,0k. Potenciômetro: 1k/LIN (linear). Multímetro (Voltímetro, Amperímetro e Ohmímetro). 8. PRÉ-RELATÓRIO Ler o item 9 Parte Experimental e resolver teoricamente os circuitos propostos nas figuras 13 e 14, com os valores nominais para os resistores. Preencher as tabelas 2, 3 e 5 nas linhas que se referem aos valores calculados. Reescrever as tabelas em folha A4 separada para entrega do prérelatório. 9. PARTE EXPERIMENTAL (sempre que possível utilizar duas casas decimais nas medições) 9.1 Resistores Identifique e meça os 4 primeiros resistores (R1 a R4) preenchendo a Tabela 1: TABELA 1 Leitura das resistências. R 1 R 2 R 3 R 4 Resistência Nominal [k] Resistência Medida [k] Tolerância[%] Erro [%] 1,0 1,2 4,7 5,6 9.2 Potenciômetros Medir a resistência entre o terminal central e um dos terminais externos do potenciômetro P 1 (10 k/lin) de maneira a preencher a Tabela 2: Aula 01: Lei de Ohm & Leis de Kirchhoff 8 Laboratório de Eletrotécnica (ELM)
TABELA 2 Leitura da resistência entre os terminais do potenciômetro. Resistência (k) Ângulo () Valor Calculado Valor Medido 0? Máx ¼? Máx ½? Máx ¾? Máx? 9.3 Lei de Ohm Para levantarmos a curva característica de um bipolo ôhmico (Resistência), precisamos medir a intensidade de corrente que o percorre e a tensão aplicada aos seus terminais, para isso, monta-se o circuito da Figura 13: Figura 13 Circuito para comprovação da lei de Ohm. Preencher os dados requisitados na Tabela 3. Apenas os valores calculados devem ser entregues no pré-relatório. Os dados medidos são obtidos durante a experiência. TABELA 3 Tensão X Corrente. Aula 01: Lei de Ohm & Leis de Kirchhoff 9 Laboratório de Eletrotécnica (ELM)
Baseado nos valores práticos de tensão e corrente da Tabela 3 calcule o valor médio de cada resistência e preencha a Tabela 4. TABELA 4 Cálculo das resistências a partir da Tabela 3. Resistência Nominal [] Valor Medido [] Erro Percentual [%] R1= R1= R2= R2= R3= R3= R4= R4= 9.4 Leis de Kirchhoff Montar o circuito da Figura 14 considerando a tensão na fonte igual a 6,0 V. Medir os valores das correntes e tensões sobre cada resistor e na fonte CC e anotar os resultados na Tabela 5. Figura 14 Circuito para comprovação das leis de Kirchhoff. TABELA 5 Tensões e correntes nos resistores. Valores Calculados Valores Medidos Resistores Tensão [V] Corrente [A] Tensão [V] Corrente [A] R1 R2 R3 R4 R5 Aula 01: Lei de Ohm & Leis de Kirchhoff 10 Laboratório de Eletrotécnica (ELM)
10. RELATÓRIO FINAL 10.1 Determine a sequência de cores para os resistores abaixo: a) 18k5% b) 3510% c) 4805% d) 4201% e) 0,572% 10.2 Foi possível verificar as Leis de Kirchhoff neste experimento? Se sim, explique. 10.3 Apresentar a solução analítica (cálculo teórico) para circuito da Figura 14. 10.4 Compare os resultados teóricos e práticos da comprovação da Lei de Ohm. 10.5 Compare os resultados teóricos e práticos da comprovação das Leis de Kirchhoff. Aula 01: Lei de Ohm & Leis de Kirchhoff 11 Laboratório de Eletrotécnica (ELM)