Aula 5 Componentes e Equipamentos Eletrônicos Introdução Componentes Eletrônicos Equipamentos Eletrônicos Utilizados no Laboratório Tarefas INTRODUÇÃO O nível de evolução tecnológica evidenciado nos dias de hoje deve-se, principalmente, a evolução dos dispositivos e componentes eletrônicos. Em linhas gerais, todo o esforço envidado por pesquisadores e cientistas das áreas de concepção de dispositivos e componentes eletrônicos tem como pano de fundo, o aumento da capacidade de manipulação da corrente elétrica. Dentro deste contexto, será apresentado na sessão seguinte alguns componentes elétricos precursores na história da eletricidade que são ainda empregados em computadores e produtos eletrônicos em geral. Na seqüência, serão apresentados também alguns equipamentos eletrônicos bastante utilizados em laboratórios de ensino, pesquisa e desenvolvimento na área da eletrônica. Todos os componentes e equipamentos eletrônicos apresentados a seguir estão a disposição dos alunos do curso de Engenharia Elétrica da PUCRS, independente do nível ou semestre em que se encontram. Para tanto, cada aluno deve cadastrar-se no sistema de gerenciamento automático de equipamentos e componentes eletrônicos do Laboratório de Ensino Pesquisa LEP. COMPONENTES ELETRÔNICOS Pode-se dizer, sem perda de generalidade que os dispositivos e equipamentos eletrônicos em geral, tem seu comportamento descrito em função de duas variáveis elétricas que são, respectivamente a voltagem (também comumente conhecida como tensão) e a corrente elétrica. Baseado nestas duas variáveis define-se a potência e a energia elétrica consumida ou fornecida por qualquer componente, dispositivo ou equipamento elétrico ou eletrônico. Dentro deste contexto, serão apresentados nesta seção três diferentes componentes elétricos, derivando-se as relação entre as variáveis tensão, corrente, potência e energia elétrica em cada um deles. RESISTOR O primeiro componente elétrico a ser apresentado nesta seção é denominado de resistência elétrica, ou também de resistor. Este componente é utilizado tipicamente quando se deseja limitar a corrente elétrica em quaisquer dois pontos adjacentes de um circuito elétrico. Apresenta-se a seguir o símbolo deste componente e a relação matemática existente entre a tensão e a corrente elétrica que o caracteriza: Apostila elaborada pelos professores Anderson Royes Terroso e Luís Fernando Alves Pereira 1
Relação Matemática Lei de Ohm: Tensão = Resistência x Corrente Figura 5.1: Representação de uma resistência elétrica. Cada uma destas variáveis é representada por um símbolo diferente, representado também por unidades diferentes, i.e. Tensão = V (unidade = Volt (v)) Corrente = I (unidade = Ampere (A)) Resistência = R (unidade = Ohm (Ω)) V = R I (5.1) Outro dado importante acerca de um dispositivo elétrico é a potência consumida ou fornecida por ele. A medida da potência elétrica é realizada observando-se simultaneamente os valores de corrente e de tensão sobre o componente ou dispositivo de interesse. No caso simples de uma resistência elétrica, pode-se medir a corrente elétrica que nela circula, bem como a tensão elétrica aplicada em seus terminais, conforme apresentado na Figura 5., calculando-se então a potência elétrica dissipada pela resistência através do produto destas duas variáveis, ou seja: P = V I (5.) A R1 METER A V1 V METER VOLT Figura 5.: Circuito elétrico para medidas de corrente e tensão elétrica em uma resistência. A potência elétrica dissipada por uma resistência elétrica ainda pode ser expressa em função da própria resistência elétrica, derivando-se mais duas relações a partir das equações (5.1) e (5.). Descobrir quais são estas relações. Na Figura 5.3 é apresenta a fotografia de algumas resistências elétricas encontradas comercialmente. Observem que em cada uma delas existem listras coloridas, utilizadas para indicar o valor da resistência elétrica e da tolerância admitida em torno deste valor. A forma com que se determina o valor de cada resistência elétrica com base na disposição das listras é denominado de código de cores, apresentado na Figura 5.4. Apostila elaborada pelos professores Anderson Royes Terroso e Luís Fernando Alves Pereira
Figura 5.3: Resistências comerciais com listras para indicação dos valores. DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DEE - FENG - PUCRS LABORATÓRIO DE ENSINO E PESQUISA RESISTORES DE CARBONO - VALORES COMERCIAIS TOLERÂNCIA ± 10% R1 R (SÉRIE E-1) RS = R1 + R R P = R1 + R 10-1 - 15-18 - - 7-33 - 39-47 - 56-68 - 8 0 0 X 1 Ω TIPOS TAMANHO NATURAL VALORES DISPONÍVEIS NO LEP 1 1 X 10 Ω CR-5 (0,5W) CR-37 (0,5W) CR-5 (0,67W) CR-68 (1,15W) 1Ω a 7MΩ 3 4 5 6 7 3 4 5 6 7 X 100 Ω X 1.000 Ω X 10.000 Ω X 100.000 Ω X 1.000.000 Ω X 0,1 Ω ±1% ±% ±5% ±10% CR-11 (,5W) 8 9 8 9 TOLERÂNCIA Figura 5.4: Tabela com código de cores de resistências elétricas. No conjunto de resistências fornecidas para cada grupo de alunos pelo LEP, identifique utilizando a idéia de código de cores, os valores de cada uma delas. Preencha cada uma das colunas da Tabela 5.1 com as cores de cada uma das listras, colocando nas duas últimas colunas da tabela o valor da resistência e a incerteza associada a cada uma delas. Listra 1 Listra Listra 3 Listra 4 Valor Incerteza Tabela 5.1: Cores das listras, valor estimado e incerteza associada. Apostila elaborada pelos professores Anderson Royes Terroso e Luís Fernando Alves Pereira 3
ASSOCIAÇÃO DE RESISTÊNCIAS EM SÉRIE Vários resistores estão associados em série quando são ligados um em seguida do outro, de modo a serem percorridos pela mesma corrente. Em uma associação em série de resistências observam-se as seguintes características: - Como há apenas um caminho possível para a corrente, ela tem o mesmo valor em todas as resistências da associação (mesmo que essas resistências sejam diferentes). - É fácil perceber que, se o circuito for interrompido em qualquer ponto, a corrente deixará de circular em todo o circuito. - Quanto maior for o número de resistências ligadas em série, maior será a resistência total do circuito. Portanto, se mantivermos a mesma tensão aplicada ao circuito, menor será a corrente nele estabelecida. - A resistência única R, capaz de substituir a associação de várias resistências R1, R, R3, etc., em série, é denominada resistência equivalente do conjunto, será dado pela soma das resistências. ASSOCIAÇÃO DE RESISTÊNCIA EM PARALELA Vários resistores estão associados em paralelo quando são ligados pelos terminais de modo que fiquem submetidos à mesma ddp. Apostila elaborada pelos professores Anderson Royes Terroso e Luís Fernando Alves Pereira 4
Em uma associação de resistências em paralelo, observamos as seguintes características: - A corrente total i, fornecida pela bateria, se divide pelas resistências da associação. A maior parte da corrente i passará na resistência de menor valor (caminho que oferece menor oposição). É possível interromper a corrente em uma das resistências da associação, sem alterar a passagem de corrente nas demais resistências. - Quanto maior for o número de resistências ligadas em paralelo, menor será a resistência total do circuito (tudo se passa como se estivéssemos aumentando a área total da seção reta da resistência do circuito). - Portanto, se mantivermos inalterada a tensão aplicada ao circuito, maior será a corrente fornecida pela pilha ou bateria. A tensão sobre cada resistência é a mesma, ou seja, no exemplo acima será 1Volts. MATERIAL UTILIZADO NO LABORATÓRIO PRONT BOARD FONTE MULTÍMETRO Apostila elaborada pelos professores Anderson Royes Terroso e Luís Fernando Alves Pereira 5
A Pront Board consiste em uma placa destinada a experiências laboratoriais. Os bornes consistem em terminais para serem conectados os cabos da fonte de alimentação. A área reservada para a montagem do circuito é formada por linhas verticais e horizontais. Nas linhas horizontais, os furos estão interligados por baixo, portanto a linha está em curto circuito, conforme apresentado na figura abaixo. Enquanto que as colunas verticais estão curto circuitadas conforme apresentado abaixo. Linhas horizontais estão em interligadas como mostra a ilustração. As linhas verticais são destinadas a alimentação. Os furos estão interconectados. Bornes utilizados para conectar a fonte de alimentação. Serão apresentados aqui dois equipamentos eletrônicos fundamentais em laboratório de ensino, pesquisa ou desenvolvimento de circuitos eletrônicos. O primeiro deles é a fonte de alimentação de corrente contínua, também conhecida por Fonte CC, utilizada para o fornecimento de energia elétrica para os componentes eletrônicos. As Figuras (5.7) e (5.8) apresentam, respectivamente, o símbolo e uma fonte de alimentação CC. Figura 5.7: Símbolos de uma fonte de alimentação de corrente contínua. Figura 5.8: Fonte CC do LEP. Apostila elaborada pelos professores Anderson Royes Terroso e Luís Fernando Alves Pereira 6
O segundo equipamento eletrônico de laboratório a ser apresentado, é um equipamento de medida denominado Multímetro ou também conhecido como Multiteste, apresentado na Figura 5.9. Este instrumento é utilizado para realização de medidas elétricas de diferentes naturezas. Pode-se, com este equipamento, realizar medidas de resistência, tensão e corrente elétricas. Alguns destes equipamentos também são utilizados para medidas de capacitância. A Figura 5.9 apresenta um dos modelos de Multiteste existente no LEP. Figura 5.9: Multímetro existente no LEP. TAREFA: 1. Faça a leitura do código de cores dos resistores. Nas colunas Listras 1,, 3 e 4, escreva as cores de cada uma das listras e em Valor Lido, escreva o valor em ohms do resistor em questão. Calcule a incerteza ±XXXohms (Incerteza), depois meça a resistência utilizando o multímetro (Valor Medido). Compare os valores medidos com os valores fornecidos pelo fabricante e verifique se cada um dos componentes esta dentro da faixa de variação permitida. Listra 1 Listra Listra 3 Listra 4 Valor Medido Valor Lido Incerteza Tabela 5.: Cores das listras, valor medido e estimado e incerteza associada a cada resistor. Apostila elaborada pelos professores Anderson Royes Terroso e Luís Fernando Alves Pereira 7
TAREFA: Monte o circuito abaixo e para diferentes valores de resistores determine: Resistor R1 Resistor R Tensão em R Tensão em R1 Cálculo da Corrente 1k 10k k k 10k 1k Escala de Tensão Apostila elaborada pelos professores Anderson Royes Terroso e Luís Fernando Alves Pereira 8
CAPACITOR Outro componente elétrico presente em computadores e equipamentos eletrônicos em geral é o capacitor. Este componente elétrico é fisicamente constituído de placas paralelas separadas por um elemento isolante, denominado de dielétrico. Ao ser aplicada uma tensão elétrica em seus terminais, as placas paralelas que formam o capacitor carregam-se de cargas elétricas positivas e negativas. As cargas elétricas armazenadas nas placas do capacitor fazem deste dispositivo um armazenador de energia eletrostática. Apresenta-se a seguir o símbolo deste componente e a relação matemática existente entre a tensão e a corrente elétrica que o caracteriza. Relação Matemática: Corrente = Capacitância x Variação Temporal da Tensão Elétrica Cada uma destas variáveis é representada por um símbolo diferente, representado também por unidades diferentes, i.e. Corrente = I (Ampère (A)) Capacitância = C (Faraday (F)) Variação Temporal da Tensão Elétrica = dv/dt (Volt/seg) Figura 5.5: Representações simbólica de um capacitor. I dv = C (5.3) dt Observe que, diferentemente do caso da resistência elétrica, onde as relações de tensão e corrente seguem a equação algébrica (5.1), no caso do capacitor a corrente no capacitor esta associada a variação temporal da tensão, expressa em (5.3) pelo símbolo dv dt. Uma vez que a potência elétrica em um componente elétrico é expressa pelo produto entre a corrente elétrica que circula pelo componente e a tensão elétrica aplicada nos terminais do componente, pode-se determinar a potência elétrica instantânea existente em um capacitor, i.e. dvc Pc = Vc I c = Vc C (5.4) dt As equações (5.3) e (5.4) são denominadas de equações diferenciais temporais, e a energia eletrostática armazenada pelo capacitor pode ser obtida através destas equações, ou seja: C Vc Ec = Pc dt = C Vc dvc = (5.5) Capacitores podem ser utilizados para fornecer energia para dispositivos que apresentam baixo consumo elétrico, mantendo estes dispositivos ativos mesmo quando desconectados de uma fonte externa de energia. Uma outra utilização bastante comum dos capacitores é quando se deseja filtrar sinais indesejáveis em um circuito eletrônico. Explique com base na equação (5.3), como isto é possível. Apostila elaborada pelos professores Anderson Royes Terroso e Luís Fernando Alves Pereira 9
INDUTOR O último componente elétrico a ser apresentado nesta aula é denominado de indutor. O indutor é um outro elemento com capacidade de armazenamento de energia, neste caso eletromagnética. Fisicamente o indutor é constituído por espiras de material condutor de energia elétrica que, ao circular corrente elétrica por entre os seus terminais faz surgir um fluxo magnético que envolverá as espiras do indutor. Com a variação temporal deste fluxo magnético surge, entre os terminais do indutor, uma tensão elétrica. Apresenta-se a seguir o símbolo deste componente e a relação matemática existente entre a tensão e a corrente elétrica que o caracteriza. Relação Matemática: Ar Ferrite Ferro Figura 5.5: Representações simbólica de indutores com núcleo de Ar, Ferrite e Ferro. Tensão = Indutância x Variação Temporal da Corrente Elétrica Cada uma destas variáveis é representada por um símbolo diferente, representado também por unidades diferentes, i.e. Tensão = V (Volts (V)) Indutância = L (Henry (H)) Variação Temporal da Corrente Elétrica = di/dt (Ampere/seg) di V = L (5.6) dt Observe que, de forma dual ao capacitor, a tensão existente entre os terminais do indutor depende diretamente da variação temporal da corrente elétrica que circula pelo componente, expressa pelo termo di/dt na equação (5.6). A equação de que descreve a potência elétrica instantânea em um indutor é dada a seguir: dil PL = L x IL x (5.7) dt Da equação (5.7), deriva-se a energia eletromagnética armazenada em um indutor, i.e. LIL E L = PLdt = PL t = LILdIL = (5.8) Indutores encontram-se presentes em diversos tipos de equipamentos eletrônicos, mas especialmente em computadores eles são responsáveis pela energia elétrica convertida da rede elétrica para alimentação dos circuitos integrados e outros dispositivos eletrônicos que compõe os computadores atuais. O indutor é o componente principal das chamadas Fontes Chaveadas, cujo princípio de funcionamento é completamente baseado na equação (5.8). O circuito simplificado de um tipo de fonte chaveada é apresentado na Figura 5.6. Vcc DIODE R L C C MOSFET N Transformador Apostila elaborada pelos professores Anderson Royes Terroso e Luís Fernando Alves Pereira 10
Figura 5.6: Diagrama simplificado de uma fonte chaveada do tipo Flyback. Explique, com base na equação (5.8), o princípio básico de funcionamento de uma Fonte Chaveada, explicando porque com a diminuição do período de chaveamento t pode-se conseguir potências proporcionalmente maiores. Apostila elaborada pelos professores Anderson Royes Terroso e Luís Fernando Alves Pereira 11