FACULDADE DE TALENTOS HUMANOS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS DE MEDIDAS ELÉTRICAS VERSÃO: 1.0 AGOSTO DE 2013 PROF. ENG. ESP. ANTONIO CARLOS LEMOS JÚNIOR acjunior@facthus.edu.br
SUMÁRIO INSTRUÇÕES PARA ELABORAÇÃO DOS RELATÓRIOS:... 1 NORMAS DE CONDUTA E INSTRUÇÕES DO LABORATÓRIO DE MEDIDAS ELÉTRICAS:... 2 TÍTULO: Resistores e a Lei de Ohm - Comprovando a Lei de Ohm com instrumentos de medição... 3 TÍTULO: Leis de Kirchhoff - Comprovando as Leis de Kirchhoff com instrumentos de medição... 21 TÍTULO: Linearidade e Superposição - Comprovando a linearidade e superposição com instrumentos de medição... 27 TÍTULO: Teoremas de Thévenin e Norton - Comprovando os teoremas de Thévenin e Norton com instrumentos de medição... 33 TÍTULO: Teoria e utilização do osciloscópio... 40 TÍTULO: Circuitos RC e RL - CC Transitório... 63 TÍTULO: Circuito RLC - CC Transitório - Gerador de sinais e Osciloscópio... 82 TÍTULO: Potência complexa e fator de potência... 91 ii
INSTRUÇÕES PARA ELABORAÇÃO DOS RELATÓRIOS: Os relatórios a seguir deverão ser feitos em computador observando os seguintes critérios: Os relatórios deverão ser entregues impressos e com qualidade. Uma cópia do relatório deverá ser encaminhada ao e-mail do professor. Cópia idêntica a entregue impressa. Os relatórios deverão estar nas normas da faculdade (ABNT). Caso não possua a norma da faculdade para elaboração de trabalhos acadêmicos entre em contato para que a mesma possa ser enviada. Relatórios idênticos serão desconsiderados. Relatórios devem conter capa, folha de rosto, sumário, lista de figuras, lista de tabelas, referências bibliográficas, conclusão. Os relatórios devem conter os códigos fontes dos programas elaborados. 1
NORMAS DE CONDUTA E INSTRUÇÕES DO LABORATÓRIO DE MEDIDAS ELÉTRICAS: 1. As aulas práticas de Laboratório de Medidas Elétricas são desenvolvidas em grupo. Em razão disso, os estudantes podem e devem discutir os procedimentos e resultados entre si durante a realização das práticas. 2. O horário de realização das práticas deve ser rigorosamente cumprido. A manutenção do Laboratório exige o envolvimento de funcionários os quais não podem ficar à disposição dos seus usuários indefinidamente. 3. Será tolerado um atraso de, no máximo, 10 minutos. Decorrido esse tempo, será anotada falta ao estudante. Portanto, haverá controle de frequência em todas as aulas. 4. Portar uma cópia do roteiro da experiência em questão é indispensável a todos os alunos. Não compareça ao laboratório sem ela! 5. Ao finalizar os trabalhos em laboratório, deixar os equipamentos, os instrumentos e a bancada em ordem, para que possam ser utilizados posteriormente por outros alunos 6. O critério de avaliação do desempenho do estudante se dará pela avaliação das medidas encontradas nos relatórios práticos, montagem dos equipamentos para medições bem como das conclusões obtidas pelo mesmo ao final de cada aula prática. 2
TÍTULO: Resistores e a Lei de Ohm - Comprovando a Lei de Ohm com instrumentos de medição OBJETIVO: 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. Utilizar o multímetro como equipamento de medição FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA: Antes da realização prática dos experimentos serão abordados os conceitos pertinentes aos equipamentos e componentes que serão utilizados para a realização da parte experimental. 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 e CIs (circuitos integrados) sem que seja necessário usar solda. Existem de diversos tipos e tamanhos, mas basicamente todos têm o mesmo aspecto. A principal diferença são os números de pontos de conexão. Os barramentos verticais, em geral, são usados para alimentação (+Vcc, GND e -Vcc). Abaixo se pode verificar como é a configuração das trilhas do Protoboard e os bornes para conexão da alimentação, Observando também que o borne de cor preta está conectado ao terra, ou seja, possui ligação com a carcaça. Para os experimentos práticos é muito importante seguir a padronização das cores da fiação. Isso facilita na hora de identificar possíveis erros na montagem do experimento além de seguir com padrões técnicos na hora da montagem. 3
Figura 1 - Matriz de pontos (Protoboard) Um multímetro é um instrumento que permite efetuar a medida de várias grandezas elétricas (tensão, resistência, corrente, capacitância, indutância, freqüência e outras) além de poder efetuar testes em diodos e transistores. Figura 2 - Multímetro e pontas de prova 4
Chave seletora de função: Seleciona qual a grandeza (corrente tensão ou resistência) que será medida. Para usar um multímetro: Use a chave de seleção de função para escolher a escala e o tipo de grandeza (Tensão CC ou AC, Corrente CC, Resistência) a ser medida tensão, corrente, resistência. Quando não estiver usando o multímetro deixe a chave na posição OFF (desligar). 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 medida que tenha polaridade). V_mA: Terminal para medir tensão, resistência, corrente. É o terminal positivo (no caso de medida de corrente e tensão). X(A): Terminal para medir corrente CC até X(A). É o terminal positivo. 2. OHMÍMETRO Para se efetuar medida 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. Quando há interesse em fazer medida de resistência relacionada ao isolamento, existe um ohmímetro especial chamado de Megômetro. Este instrumento é utilizado de 5
forma semelhante ao ohmímetro. A diferença básica é que o megômetro tem escala suficiente para alcançar valores muito alto de resistência. Figura 3 - Carga sendo desconectada do circuito elétrico 3. VOLTÍMETRO 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 medida. A resistência interna do voltímetro (ri) é um dos parâmetros que o caracteriza. Quanto maior a resistência interna ri, 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 (ri ) caso ele seja corretamente utilizado. Figura 4 - Medição de tensão utilizando um voltímetro 6
4. 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 alta tensão e em circuitos onde não é possível a interrupção da passagem de corrente elétrica. Para se efetuar uma medida 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). Obviamente o circuito deve estar ativo no ato da medição. A resistência interna de um amperímetro (ri) deve ser o mais próxima possível de zero. Para efeitos práticos, a resistência interna do amperímetro é considerada igual a zero (ri 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. Figura 5 - Medição de corrente utilizando amperímetro 5. FONTES O laboratório é equipado com fontes de tensão com saídas reguláveis conforme ilustrado na figura 6. 7
Figura 6 - Fonte de alimentação com saídas reguladas 1 - Botão Liga/Desliga 2 - Modo de operação 3 - Controle da fonte da direita 4 - Controles da fonte da esquerda 5 - Controle para fonte fixa 5 V Figura 7 - Botões de ajuste da fonte de tensão 8
6. RESISTORES 6.1 Resistores 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 8 - 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 9. Figura 9 - Resistores de fio 9
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. Figura 10 - Resistores de Filme de Carbono 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 8, que está associada com a Tabela 1. 10
Figura 11 - 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. Na Tabela 2 têm-se os valores os resistores encontrados comercialmente. Existe uma padronização baseada nos níveis de tolerância dos mesmos. Os padrões de tolerância são: 1%, 5%, 10% e 20%. Tabela 1- Código de cores para resistores 11
Tabela 2 - Valores padronizados para resistores de película 6.1 Potenciômetros Um potenciômetro, conforme a Figura 12, 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. 12
Figura 12 - Estrutura interna básica de um potenciômetro Na prática, encontramos vários modelos de potenciômetros, que, em função do tipo de aplicação, possuem características mecânicas diversas. A Figura 13 mostra um potenciômetro de fio e a Figura 14, alguns tipos de potenciômetros de película de carbono. Figura 13 - Potenciômetro de fio Os potenciômetros de fio são aplicados em situações onde é maior a sua dissipação de potência, possuindo uma faixa de baixos valores de resistência (até Kilo- Ohm). Os potenciômetros de película são aplicados em situações de menor dissipação de potência, possuindo ampla faixa de valores de resistência (até Mega-Ohm). 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. Estas características são vistas nas Figuras 15 e Figura 16. O potenciômetro logarítmico é muito utilizado para controlar o volume de saída do som em amplificadores de sinais de áudio. 13
Figura 14 - Potenciômetro de película de carbono Figura 15 - Característica de variação da resistência de um potenciômetro linear (LIN) Figura 16 - Característica de variação da resistência de um potenciômetro logarítmico 14
Para medirmos a variação da resistência de um potenciômetro utilizamos um ohmímetro, devendo este ser conectado entre o terminal central e um dos extremos, como ilustra a Figura 17. Figura 17 - Medida da resistência de um potenciômetro Ao girarmos o eixo no sentido horário, como mostra a Figura 17, teremos uma diminuição da resistência entre os terminais B e C e um aumento entre os terminais A e C, sendo que a soma destes dois valores será sempre igual à resistência nominal. O símbolo de um potenciômetro pode ser visto na Figura 18. Figura 18 - Símbolo de um potenciômetro 7. POTENCIÔMETROS Em um bipolo ôhmico, a tensão aplicada aos seus terminais é diretamente proporcional à intensidade de corrente que o atravessa. Assim sendo, podemos escrever: 15
Levantando-se, experimentalmente, a curva da tensão em função da corrente para um bipolo ôhmico, tem-se uma característica linear, conforme mostra Figura 19. Figura 19 - Curva característica de um bipolo ôhmico. Pela figura 19 nota-se que:, onde concluímos que (resistência Ω). Um bipolo ôhmico é aquele que segue esta característica linear. 8. MATERIAL UTILIZADO Fonte de tensão variável (DC Power Supply) Transferidor. Resistores: 560Ω, 1kΩ, 12kΩ e 56kΩ. (1/4W ou 1/2W) Potenciômetro: 4,7KΩ/LIN. Multímetro (Voltímetro, Amperímetro e Ohmímetro). 9. PRÉ-RELATÓRIO Ler o item 10 (Parte Experimental) e resolver teoricamente os circuitos propostos com os valores nominais para os resistores, preenchendo as tabelas nas linhas que se referem aos valores calculados e verificar com o instrumento de medida se os valores correspondem com a prática. 10. PARTE PRÁTICA 10.1 Resistores 16
10.1.1 - Identifique e meça os resistores (diversos) preenchendo a Tabela 3 abaixo. Tabela 3 - Leitura das resistências 10.2 Potenciômetros: 10.2.1 Medir a resistência entre o terminal central e um dos terminais externos do potenciômetro P1 (4,7 kω/lin) de maneira a preencher a Tabela 4. Tabela 4 - Leitura da resistência entre os terminais do potenciômetro. 10.3 Lei de Ohm 10.3.1 Para levantar a curva característica de um bipolo ôhmico (Resistência), precisase medir a intensidade de corrente que o percorre e a tensão aplicada aos seus terminais, para isso, monta se o circuito da Figura 20, de tal maneira a preencher os dados requisitados na Tabela 5. 17
Figura 20 - Circuito para comprovação da lei de Ohm. Tabela 5 - Tensão X Corrente 10.3.2 Baseado nos valores práticos de tensão e corrente da Tabela 5, calcule o valor médio de cada resistência e preencha a Tabela 6. Tabela 6 - Cálculo das resistências a partir da Tabela 5. 18
11. QUESTIONÁRIO 11.1 Determine a sequencia de cores para os resistores abaixo: a) 2,2kΩ ±5% b) 33kΩ ±10% c) 4,7Ω ±5% d) 118Ω ±1% e) 0,56Ω ±2% 11.2 Os experimentos se mostraram válidos? Explique por quê? 11.3 Comente os resultados, erros encontrados e possíveis fontes de erros. 19
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