Roteiro das Práticas do Laboratório de Materiais Elétricos - EMC0136

Conteúdo estudos de componentes resistivos capacitivos indutivos bimetal pares termoelétricos transformadores e componentes semicondutores diodos de junção zener LED termistores LDRs e fototransistor Estudos do comportamento das configurações do TBJ Implementação de circuitos simples com diodos e TBJs Prof Dr Gelson Antônio Andrêa Brigatto ROTEIROS DAS PRÁTICAS DA DISCIPLINA EMC0136 LABORATÓRIO DE MATERIAIS ELÉTRICOS 2 AVISOS E RECOMENDAÇÕES PARA AS PRÁTICAS DE LABORATÓRIO 1 O local da aulas é no Laboratório de Circuitos Elétricos e Materiais Elétricos sala H1 bloco H e cada horário de aula é ocupado por apenas uma turma 2 Todo experimento é dividido em 3 partes Cada parte é realizada em uma das bancadas do laboratório 3 Nas aulas as turmas são subdivididas em 3 grupos e cada grupo deverá ocupar as três bancadas através de um sistema de rodízio para poder realizar todo o experimento sendo o rodízio só ocorrendo quando todos os grupos tiverem terminado a respectiva prática da bancada 4 Antes de cada prática de laboratório é aconselhável ler o roteiro com antecedência para se interar sobre o assunto do experimento com o objetivo de melhor acompanhar a aula e discutir seus resultados 5 Quando uma prática de laboratório envolver montagem de circuito elétrico as seguintes recomendações devem ser seguidas para evitar problemas comuns nestes procedimentos 51 Realizar a montagem do circuito elétrico o mais parecido possível com o esquema do circuito dado no roteiro do experimento Isto facilita a correção de eventuais erros em sua montagem 52 Ao término da montagem de um circuito chamar o professor para que este verifique se a mesma está correta Caso negativo refazer a montagem e pedir novamente a avaliação do professor 53 Ligar primeiramente os medidores utilizados multímetros e osciloscópios selecionando a escala mais apropriada caso seja conhecido o valor dos medidas a serem obtidas ou em seu maior valor de escala fundo de escala caso o montante das medidas não seja previamente conhecido 54 Antes de ligar as fontes de tensão ao circuito certificar que as mesmas estejam desligadas ou zeradas As fontes de tensão são sempre os últimos elementos a serem ligados no circuito 55 Se as leituras dos medidores não estiverem condizentes com o esperado verificar se o circuito não apresenta terminais soltos mal contatos ou componentes danificados 56 A desmontagem dos circuito deve acompanhar o procedimento inverso ao descrito anteriormente primeiramente zeramse e desligamse as fontes de tensão em seguida desligamse os medidores e finalmente retiramse todos os componentes presentes na montagem do circuito 6 Quando terminado uma parte do experimento reflitir sobre o assunto de que trata a prática que acabou de realizar e discutir com outros membros do grupo Qualquer dúvida chamar o professor 3 LABORATÓRIO DE MATERIAIS ELÉTRICOS EXPERIMENTO 1 RESISTORES E RESISTÊNCIAS 10 OBJETIVOS Esta prática de laboratório tem como objetivos a identificação do valor nominal de resistores através de código de cores a construção e medição de resistores por trilha de grafite e sua disposição em série e paralelo e o estudo da variação da resistência elétrica com a temperatura com base em um filamento de lâmpada incandescente 20 RESUMO TEÓRICO Resistores são componentes utilizados para limitar corrente elétrica propiciar quedas de tensão ou desvios de corrente em circuitos e resistências são componentes utilizados para aproveitar o calor dissipado por efeito Joule São classificados em tipo fixos e variáveis conhecidos por potenciômetros trimpots e reostatos e apresentam diversos valores ôhmicos formas fios fitas e trilhas tamanhos potências e material resistivo grafite ligas metálicas etc Nos resistores de grafite o valor em Ohms e tolerância erro percentual mínimo e máximo são indicados através de código de cores que utiliza faixas pintadas no seu corpo com as equivalências numéricas dadas na tabela em anexo ao roteiro onde a potência referese ao tamanho físico dos mesmos maior tamanho maior potência Para o resistores de fio metálico resistivo estes dados valor ôhmico potência e tolerância são diretamente impressos no corpo do resistor e esta tecnologia é geralmente empregada para a construção de resistores de potência maior que 2W 30 MATERIAL UTILIZADO Para a realização deste experimento serão utilizados os seguintes materiais multímetros na opção ohmímetro 02 e amperímetro 01 resistores potenciômetros e reostatos diversos lápis de grafite macio tipo 4B ou similar lâmpada incandescente tipo pingo dagua de tensão nominal 6 V fonte de tensão CC 030 V fios de ligação 40 PROCEDIMENTOS PARTE 1 Esta parte visa conhecer os diversos tipos de resistores e identificar a resistência pelo código de cores 41 Para os vários resistores fornecidos na bancada discutir sobre suas aparências valor da resistência tipos fixos variáveis e ajustáveis tamanhos potências e revestimentos 42 A seguir selecionar dois resistores ao acaso determinar suas resistências e tolerâncias com auxílio da tabela de código de cores fornecida em anexo a este roteiro e verificar esta leitura medindo a resistência dos resistores escolhidos com um ohmímetro Anotar os dados cores e os resultados obtidos na tabela fornecida a seguir Resistência Sequência de cores Por código Por Ohmímetro Tolerância PARTE 2 Esta parte visa a construção de resistores de grafite 43 Na figura fornecida ao lado pinte com um lápis de grafite macio exemplo 4B o segmento entre as extremidades 1 e 2 até resultar em uma camada espessa A seguir meça com um ohmímetro a resistência entre estas extremidades 1 e 2 e anote o resultado na tabela fornecida abaixo ao lado 44 Repetir o procedimento do item 43 para o segmento entre as extremidades 3 e 4 e anotar na tabela o valor da resistência entre as extremidades 3 e 4 45 A seguir pintar com um lápis apenas a emenda entre as extremidades 2 e 4 até resultar em uma camada espessa medir com o ohmímetro a resistência entre as extremidades 1 e 3 e anotar o resultado na tabela dada 46 Finalmente pintar com um lápis a emenda localizada entre as extremidades 1 e 3 até resultar em uma camada espessa medir a resistência entre as extremidades 1 e 4 e anotar o resultado na tabela fornecida ao lado Extremidades Resistência 1 2 3 4 1 3 1 4 1 emenda segmento 3 2 4 EXPERIMENTO 1 Resistores e resistências 4 PARTE 3 Esta parte visa o estudo da variação da resistência com a temperatura 47 Inicialmente medir a resistência da lâmpada com o filamento frio à temperatura ambiente e anotar o resultado Rlâmpada 48 A seguir montar o circuito fornecido abaixo e anotar na tabela dada os valores da corrente na lâmpada Ilamp medida pelo amperímetro A para cada valor pedido de tensão na lâmpada Vlamp ajustada pelo voltímetro V 49 Para cada par tensãocorrente obtido calcular a resistência Rcalc do filamento da lâmpada Rcalc VlampIlamp e anotar os resultados na tabela fornecida ao lado 50 QUESTÕES 51 Determine o valor da resistência e a tolerância para as seguintes sequências de cores vermelho roxo marron ouro azul cinza laranja incolor 52 Explique se há coerência nos resultados obtidos nos itens 45 e 46 R 53 Com o auxílio de um ohmímetro e de um trilha retangular pintado com grafite por exemplo o segmento obtido no item 43 explique como se poderia observar o princípio de funcionamento de um potenciômetro R 54 Em relação à Parte 3 trace o gráfico V x I na grade dada abaixo com os valores de corrente e tensão na lâmpada anotados na tabela A seguir ligue os pontos plotados no gráfico e explique qual o tipo de material NTC ou PTC do filamento da lâmpada com base no comportamento da curva obtida R 55 Em relação à Parte 3 monte uma tabela com tensões e correntes na lâmpada supondo a resistência do filamento constante e igual ao valor obtido no item 47 resistência à temperatura ambiente A seguir compare com os dados obtidos no experimento da parte 3 e comente R Vlamp V Ilamp mA Rcalc 10 20 30 40 50 60 L V Ilamp Vlamp A V 50 100 150 200 IlampmA 6 5 4 3 2 1 0 VlampV EXPERIMENTO 1 Resistores e resistências 5 ANEXO DA 1o PRÁTICA DE LABORATÓRIO CÓDIGO DE CORES PARA DETERMINAR O VALOR NOMINAL DA RESISTÊNCIA DE RESISTORES DE GRAFITE BARRAS DE CORES A PARTIR DE UMA EXTREMIDADE DO CORPO DO RESISTOR DÍGITOS CORES X Y Z T Preto 0 0 0 Marrom 1 1 1 1 Vermelho 2 2 2 2 Laranja 3 3 3 Amarelo 4 4 4 Verde 5 5 5 05 Azul 6 6 6 025 Roxo 7 7 7 01 Cinza 8 8 005 Branco 9 9 Ouro 1 5 Prata 2 10 Incolor 20 VALORES COMERCIAIS DISPONÍVEIS os resistores do tipo de grafite disponíveis no mercado apresentam resistência múltipla de 10 dos seguintes valores básicos Tolerância 5 10 11 12 13 15 16 18 20 22 24 27 30 33 36 39 43 47 51 56 62 68 75 82 91 Tolerância 10 10 12 15 18 22 27 33 39 47 56 68 82 Tolerância 20 10 15 22 33 47 68 POTÊNCIA resistores que utilizam o código de cores são encontrados nas seguintes potências 18 W 14 W 12 W 1 W e 2 W Os resistores de fio metálico já vêm com esta especificação em seu corpo R XY 10Z T X dígito mais significativo Y dígito menos significativo Z expoente da base 10 T tolerância X Y Z T 6 LABORATÓRIO DE MATERIAIS ELÉTRICOS EXPERIMENTO 2 CAPACITORES E INDUTORES 10 OBJETIVOS Esta prática de laboratório tem como objetivos a identificação do valor nominal de capacitores de poliéster através de seus diversos códigos e a construção de capacitores de placas paralelas e leitura das capacitâncias com o uso de medidor de capacitância bem como o estudo da indutância de bobinas com relação ao número de espiras e tipo do material do núcleo com o emprego de medidor apropriado para a leitura de suas indutâncias 20 RESUMO TEÓRICO Capacitor é um componente elétrico que armazena energia na forma de campo elétrico sendo o parâmetro que caracteriza esta propriedade denominado capacitância Como exemplo a capacitância C de um capacitor de placas paralelas ideal é proporcional à área A das placas e da permissividade dielétrica do meio dielétrico entre as placas e inversamente proporcional à distância d entre as placas figura ou seja d A C placas paralelas onde r o onde r admensional é a chamada permissividade relativa do dielétrico entre as placas e o é uma constante universal definida como a permissividade dielétrica do vácuo o 8854 x 1012 Fm Indutor ou bobina é um componente elétrico que armazena energia na forma de campo magnético e o parâmetro que caracteriza esta propriedade é denominado indutância Como exemplo a indutância L de um solenóide de camada simples é proporcional à permeabilidade magnética do material e da área A do núcleo e ao quadrado do número de espiras N da bobina e inversamente proporcional ao seu comprimento figura ou seja A N2 L obde r o onde r admensional é a chamada permeabilidade magnética relativa do material do núcleo e o é uma constante universal definida como a permeabilidade magnética do vácuo o 4 107 Hm 30 MATERIAL UTILIZADO Para a realização deste experimento serão utilizados os seguintes materiais medidor tipo LCR 02 capacitores comerciais diversos fixos e variáveis kit para montagem de capacitor de placas paralelas e folhas dielétricas kit de bobinas com núcleos cambiáveis núcleos de madeira e ferro silício em I e U fios de ligação 40 PROCEDIMENTOS PARTE 1 Esta parte visa conhecer os diversos tipos de capacitores e identificar a capacitância pelo código utilizado 41 Para os vários capacitores fornecidos discutir sobre suas aparências capacitâncias tamanhos e revestimentos 42 A seguir selecionar dois capacitores e determinar suas capacitâncias tolerâncias e tensões máximas com base em seu código para os tipo poliéster com código de cores a interpretação é dada na tabela em anexo e verificar a leitura da capacitância com o medidor apropriado Anotar estes dados e resultados na tabela fornecida a seguir Capacitância Código do capacitor cores números e letras Por Código Por Medidor Tolerância Tensão Máxima A d placa metálica dielétrico N espiras A EXPERIMENTO 2 Capacitores e indutores 7 PARTE 2 Esta parte tem como objetivo o estudo do comportamento da indutância de bobinas magnéticas em relação ao tipo de material e o formato de núcleos ferromagnéticos bem como o número de espiras 43 Para a bobina de núcleo cambiável fornecida conecte o medidor LCR nos terminais da mesma referente ao número de 600 espiras 44 A seguir meça a indutância da bobina para os diversos núcleos constantes na tabela ao lado e anote os valores lidos 45 Para finalizar conecte o LCR nos terminais da bobina referente ao número de 1200 espiras e repita o procedimento do item 44 PARTE 3 Esta parte visa a construção de capacitores de placas paralelas 46 Para o kit de capacitores de placas paralelas conecte um medidor de capacitância apropriado nos terminais das placas 47 Meça a capacitância do sistema com apenas as placas dielétrico ar e anote o valor lido na tabela ao lado 48 A seguir introduza entre as placas cada um dos dielétricos pedidos na tabela meça a capacitância do sistema e anote os valores na tabela 50 QUESTÕES 51 Determine a capacitância a tolerância e a tensão máxima para as seqüências de cores dadas a seguir laranja branco vermelho preto vermelho verde azul laranja branco azul 52 Analisando o valor das indutâncias medidas na Parte 2 obtenha conclusões sobre a variação da indutância para 521 Número de espiras iguais e núcleos diferentes R 522 Núcleos iguais e número de espiras diferentes R 53 Com relação à Parte 3 do experimento compare as capacitâncias obtidas com o uso de dielétricos sólidos em relação ao dielétrico ar e conclusão sobre a impacto dos dielétricos sólidos na capacitância do conjunto R 54 Determine a constante dielétrica dos materiais utilizados na Parte 3 do experimento R 55 Para um capacitor qualquer sabese que Q C V onde Q C e V referemse à sua carga capacitância e tensão respectivamente Seja o capacitor com dielétrico ar conectado em um circuito em regime permanente mostrado na figura ao lado Explique o que acontece com a carga a capacitância e a tensão no capacitor em regime permanente quando no mesmo é introduzido um dielétrico de constante dielétrica maior que o do ar e nas seguintes situações do circuito 551 A chave k é mantida fechada durante a introdução do dielétrico R 552 A chave k é aberta antes da introdução do dielétrico R Dielétrico Capacitância pF ar plástico papel plastificado papel impregnado Indutância mH Núcleos 600 esp 1200 esp ar madeira ferro V C k R dielétrico EXPERIMENTO 2 Capacitores e indutores 8 ANEXO DA 2o PRÁTICA DE LABORATÓRIO CÓDIGOS PARA A DETERMINAÇÃO DO VALOR NOMINAL DA CAPACITÂNCIA DE ALGUNS CAPACITORES COMERCIAIS 1 CAPACITORES DE POLIÉSTER 11 Leitura direta do valor da capacitância no corpo do capacitor em nF 12 Código em barras de cores a partir da extremidade superior do corpo do capacitor em pF DÍGITOS CORES X Y Z T M Preto 0 0 0 20 Marrom 1 1 1 Vermelho 2 2 2 250V Laranja 3 3 3 Amarelo 4 4 4 400V Verde 5 5 5 Azul 6 6 6 630V Roxo 7 7 7 Cinza 8 8 Branco 9 9 10 Ouro 1 Prata 2 Incolor VALORES COMERCIAIS DISPONÍVEIS 10 12 15 18 22 27 33 39 47 56 68 82 2 OUTROS TIPOS DE CÓDIGOS DISPONÍVEIS 21 Especificação direta em picofarads pF apresentam uma letra para indicação de tolerância F 1 H 25 J 5 K 10 M 20 Exemplo 56 J 56 pF com tolerância de 5 22 Código com três algarismos XYZ pF Onde XY dezena Z potência de 10 10Z Exemplo 472 47 102 pF 47 109 F 47 nF 23 Especificação direta em microfarads F apresentam no corpo também a indicação da tensão máxima Exemplo 01 250V 001 F 250 V 10 nF 250 V 24 Letra K simbolizando 103 e posição de vírgula em picofarads pF Exemplos 10K 10 103 pF 10 nF 4K7 47 103 pF 47 nF C XY 10Z pF T X dígito mais significativo Y dígito menos significativo Z expoente da base 10 T tolerância M tensão máxima X Y Z T M 56 J 472 10K 01 250V 9 LABORATÓRIO DE MATERIAIS ELÉTRICOS EXPERIMENTO 3 EFEITO SEEBECK BIMETAL E INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA 10 OBJETIVOS Esta prática de laboratório tem como objetivo o estudo de pares termoelétricos efeito Seebeck bem como o princípio de funcionamento de dispositivos sensores bimetálicos e transformadores de tensão 20 RESUMO TEÓRICO Par termoelétrico termopar constituise em dois fios metálicos diferentes unidos em uma de suas extremidades e que submetidos a temperaturas diferentes entre as extremidades desenvolvem uma diferença de potencial elétrico tensão entre os fios do nas extremidades em aberto Com a definição da relação entre a temperatura da junção com a tensão surgida podese empregar o par termoelétrico como um sensor de temperatura denominado pirômetro Bimetal é um dispositivo constituído por dois metais soldados de diferentes coeficientes de dilatação térmica que ao ser submetido a uma variação de temperatura sofre um encurvamento devido à dilatação diferente entre os metais do par Este efeito pode ser aproveitado em sensores térmicos tais como os termostatos e relés térmicos Transformadores são equipamentos que fazem uso da indução eletromagnética formados basicamente por duas ou mais bobinas compartilhando um núcleo ferromagnético de modo a possibilitar que o fluxo magnético gerado em uma bobina se concatene com as espiras da outra bobina para a transferência de energia elétrica entre enrolamentos 30 MATERIAL UTILIZADO Para a realização desta prática serão utilizados os seguintes materiais multímetros 02 fonte CC 030 V 02 transformador de múltiplos taps kit didático de pares termelétricos kit didático de dispositivo bimetálico bobinas de núcleo cambiável com 300 espiras e 6001200 espiras núcleos ferromagnéticos nos formatos I e U fios de ligação 40 PROCEDIMENTOS PARTE 1 Esta parte tem como objetivo o estudo do efeito Seebeck com a medição da tensão elétrica gerada por pares termoelétricos submetidos a diferenças de temperatura bem como a identificação de polaridade do par 41 Ajuste do botão de temperatura da resistência para a posição T1 conecte um voltímetro nas extremidades em aberto de cada par termoelétrico pedido e anote na Tab 1 o valor da tensão obtido Repita o procedimento para a posição T2 Por fim identifique a perna positiva perna e negativa perna de cada par e anote na Tab1 Tab 1 T1 T2 Par termoelétrico ddp mV ddp mV perna perna 1 cobre constantan 2 constantan nicromo 3 ferro aço 4 aço cobre PARTE 2 Esta parte tem como objetivo o estudo do princípio de funcionamento de uma peça bimetálica por meio de um dispositivo regulador de temperatura denominado termostato esquema do kit didático na Fig 1 abaixo 42 Inicialmente conecte o fio do sensor térmico termopar disponível no kit a um multímetro com opção de medição de temperatura em oC 43 Ajuste o botão na posição 1 ligue o interruptor do kit e observe a atuação da peça bimetálica na desconexão dos contatos elétricos lâmpada se apaga 44 A seguir aguarde a lâmpada se acender novamente Observe a lâmpada se apagar espere a temperatura medida pelo multímetro atingir o valor máximo e anote esta leitura como temperatura de ajuste do termostato 44 Repita o item 44 e anote novamente a temperatura de ajuste calor L R 220V botão de ajuste Fig 1 contatos elétricos bimetal EXPERIMENTO 3 Termopar bimetal e transformador 10 PARTE 3 Esta parte visa o estudo do fenômeno da indução eletromagnética entre bobinas 45 Monte o esquema com bobinas mostrado na Fig 2 dada abaixo acoplamento 3001200 espiras e núcleo de ar ajustando a fonte de tensão de entrada vS para fornecer 12 VRMS e anote na Tab 2 a leitura do voltímetro 46 Repita o procedimento para o esquema da Fig 3 acoplamento 3001200 espiras e núcleo de ferro em U 47 Repita o procedimento para o esquema da Fig 4 acoplamento 3001200 espiras e núcleo de ferro em O 48 Repita o procedimento para o esquema da Fig 5 acoplamento 300600 espiras e núcleo de ferro em O Tab 2 Casos Fig 2 Fig 3 Fig 4 Fig 5 Leitura do voltímetro V 50 QUESTÕES 51 Com relação à Parte 1 do experimento explique a leitura obtida para o par cobrecobre R 52 Com relação à Parte 1 do experimento conclua sobre a relação entre variação de temperatura e tensão gerada R 53 Com base nos resultados obtidos na Parte 2 explique o princípio de funcionamento do termostato R 54 Com relação à Parte 3 conclua sobre a tensão induzida na bobina do secundário 6001200 espiras quanto a a Material empregado como núcleo para o acoplamento magnético entre os enrolamentos R b Relação de espiras razão entre o número de espiras do sencundário e do primário R 300 esp Fig 2 vS 600 esp 600 esp V 300 esp vS 600 esp 600 esp V 300 esp vS 600 esp 600 esp V 300 esp vS 600 esp 600 esp V Fig 3 Fig 4 Fig 5 11 LABORATÓRIO DE MATERIAIS ELÉTRICOS EXPERIMENTO 4 CARACTERÍSTICA CORRENTETENSÃO DO DIODO DE JUNÇÃO PN E CIRCUITOS RETIFICADORES COM DIODOS 10 OBJETIVOS Esta prática de laboratório tem como objetivos estudar o comportamento em polarização direta e reversa de diodos de junção PN comum e visualizar o comportamento dos circuitos retificadores de meia onda e onda completa 20 RESUMO TEÓRICO Diodos de junção bipolar símbolo esquemático na Fig 1a são dispositivos eletrônicos que comportamse na pratica como uma chave ligadesliga denominada função retificadora A Fig 1b mostra a relação da corrente ID em função da tensão VD aplicada aos terminais de um diodo característica correntetensão ou IV com a qual observase que quando em polarização dita direta VD 0 e a partir de um certo valor de tensão de limiar V VD V o diodo conduz montantes de corrente utilizáveis comportandose idealmente como uma chave fechada mas quando em polarização reversa VD 0 ou com tensão menor que o valor de limiar VD V o diodo praticamente não conduz corrente comportandose idealmente como uma chave aberta Circuitos retificadores são aqueles que convertem sinais de tensão CA que geralmente se dispõe em um sinal de tensão CC que a maioria dos circuitos eletrônicos requer Os tipos mais comuns empregam diodos e são classificados como os de meia onda e os de onda completa 30 MATERIAL UTILIZADO Para esta prática serão utilizados os seguintes materiais diodos comuns 06 fonte CC 01 multímetros 02 osciloscópios 02 resistores 100 01 e 1 k 02 capacitores eletrolíticos de 50 02 e 1000 F 01 fonte AC transformador de múltiplos taps de saída potenciômetro de 10 k 01 cabos para osciloscópio 03 fios de ligação 40 PROCEDIMENTOS PARTE 1 Esta parte visa o estudo da característica correntetensão de um diodo de junção comum 41 Monte o circuito da Fig 2 polarização direta Ajuste a fonte CC e obtenha os pares de tensão VD medida pelo voltímetro V e corrente ID medida pelo amperímetro A pedidos na tabela a seguir VD V 00 03 05 ID mA 5 25 50 75 100 42 A seguir monte o circuito da Fig 3 polarização reversa e varie a tensão VD no diodo até o seu valor máximo da fonte CC 30 V Anote o valor da corrente reversa IR para a tensão máxima da fonte IR PARTE 2 Esta parte visa o estudo de um circuito retificador de meia onda 43 Monte o circuito da Fig 4 retificador de meiaonda sem conectar o capacitor Ajuste a fonte de entrada vS para fornecer 4 V de pico A seguir meça no osciloscópio o período da tensão de entrada vS T ms 44 Ajuste convenientemente a varredura de tempo e meça ângulo de condução do diodo i ms D V ID VD A V 100 Fig 2 D V IR VD A V 100 Fig 3 V VD ID Fig 1 pol reversa pol direta b a VD ID EXPERIMENTO 4 Característica correntetensão do diodo de junção PN e circuitos retificadores com diodos 12 45 A seguir ajuste convenientemente a varredura de amplitude e de tempo no osciloscópio anote estes dados e desenhe na grade dada as formas de onda da tensão de entrada vS e da tensão na saída de carga resistor de 1 k 46 Por fim conecte o capacitor de 50 F ao circuito e observe a magnitude do ripple na tensão de saída de carga A seguir substitua o capacitor de 50 F pelo de 1000 F e desenhe na grade a forma de onda da tensão na carga PARTE 3 Esta parte visa o estudo de um circuito retificador de onda completa do tipo ponte de diodos 47 Monte o circuito da Fig 5 retificador de onda completa em ponte sem conectar o capacitor Ajuste a fonte de entrada vS para fornecer 17 V de pico e um valor qualquer de resistência no potenciômetro 48 Utilizando apenas um canal do osciloscópio ajuste convenientemente a varredura de amplitude e de tempo anote estes dados e desenhe na grade dada a forma de onda da tensão na carga resistor potenciômetro 49 Em seguida conecte o capacitor ao circuito e varie o potenciômetro Observe as mudanças na onda da tensão de carga e desenhe na grade a forma de onda desta tensão quando o potenciômetro está em seu valor mínimo 50 QUESTÕES 51 Com base nos dados obtidos na tabela do item 41 determine um modelo em condução para o diodo empregado V V Rf 52 Sabese que um amperímetro tem uma queda de tensão típica de 01 V e um voltímetro conduz uma corrente típica de 1 A Com base no montante de correntes e tensões envolvidos nos circuitos das Figs 2 e 3 explique as razões para a escolha do local da conexão do amperímetro em cada circuito R 53 Com relação à Parte 2 determine a tensão de limiar do diodo empregado com base nas medições coletadas R 54 Com relação à Parte 2 explique a proporcionalidade entre a magnitude do ripple na tensão de saída e o valor da capacitância do capacitor de filtro empregado no circuito retificador R 55 Com relação à Parte 3 explique a proporcionalidade entre a magnitude do ripple na tensão de saída e o valor da resistência de carga do circuito retificador R D canal 1 do osciloscópio referência do osciloscópio canal 2 do osciloscópio voltsdiv msdiv 1 k Fig 4 C vS voltsdiv msdiv referência do osciloscópio canal do osciloscópio 1 k Fig 5 50 F vS 10 k 13 LABORATÓRIO DE MATERIAIS ELÉTRICOS EXPERIMENTO 5 PORTAS LÓGICAS AND E OR GRAMPO E DETECTOR DE PICO POSITIVOS GRAMPEADOR CC POSITIVO ZENER E LED 10 OBJETIVOS Esta prática de laboratório tem como objetivo implementar alguns circuitos simples com diodos portas lógicas AND e OR grampo de diodo positivo grampeador CC e detector de pico positivo Esta prática visa também estudar o comportamento do diodo Zener em polarização reversa e dos diodos LEDs em polarização direta 20 RESUMO TEÓRICO Portas lógicas OR são circuitos digitais que apresentam saída em nível alto em torno de 5 V quando pelo menos uma de suas entradas apresentar nível lógico alto Portas lógicas AND por sua vez apresentam nível lógico alto na saída somente se todas as entradas apresentam nível lógico alto Circuitos ceifadores tipo grampo são empregados para limitar um sinal acima ou abaixo de um valor de referência ao passo que detectores de pico atuam de forma dual aos circuitos grampo isto é são empregados para identificar se um sinal de entrada ultrapassa um certo nível positivo ou negativo de referência especificado Grampeador CC por sua vez é um circuito que adiciona na saída um nível CC constante ao sinal de entrada Zeners são diodos de finalidade específica que atuam nas regiões de condução e corte mas são otimizados para trabalhar também na região de ruptura onde comportase como um regulador de tensão pelo fato de poder sofrer grandes variações de corrente com pequenas variações de tensão em seus terminais LEDs são diodos de finalidade específica que emitem radiação luz quando polarizados em condução devido à recombinação de portadores minoritários injetados Dentre suas aplicações podese citar fornecimento de luz ambiente e automotiva avisos luminosos e circuitos de controle por acoplamento óptico com um fotodetector 30 MATERIAL UTILIZADO Os materiais necessários ao experimento LEDs infravermelho vermelho verde azul e bicolor 01 de cada Zener 5V1 1W fonte de tensão CC 030 V 05 multímetros 03 resistores 10 k 02 e 10010W diodos comuns 03 capacitor 50 F 01 transformador de múltiplos taps osciloscópio fios de ligação 40 PROCEDIMENTOS PARTE 1 Esta parte visa o estudo de portas lógicas OR e AND simples implementada com diodos 41 Monte o circuito da Fig 1 porta OR A seguir ajuste o valor de tensão das fontes V1 e V2 tal como pedido na tabela fornecida ao lado do circuito e anote o valor da tensão Vo obtida na saída 42 Monte o circuito da Fig 2 porta AND A seguir ajuste o valor de tensão das fontes V1 e V2 tal como pedido na tabela fornecida ao lado do circuito e anote o valor da tensão Vo obtida na saída V1 V V2 V Vo V 0 0 5 0 0 5 5 5 D2 10 k Vo Fig 1 D1 V2 V1 V 10 k Vo Fig 2 V1 V V2 V Vo V 0 0 5 0 0 5 5 5 V2 D1 V D2 V1 5 V EXPERIMENTO 5 Portas lógicas AND e OR grampo e detector de pico positivos grampeador CC Zener e LED 14 PARTE 2 Esta parte visa o estudo de circuitos com diodos grampo e detector de pico positivos e grampeador CC 43 Monte o circuito da Fig 3 grampo positivo ajustando a fonte de entrada vS para fornecer 17 V de pico 44 Ajuste convenientemente a varredura de amplitude e tempo no osciloscópio anotando estes dados Com auxílio dos dois canais do osciloscópio desenhe na grade dada as formas de onda da entrada vS e da saída vo A seguir varie a tensão da fonte CC e observe o comportamento do sinal de saída vo 45 Inverta o diodo do circuito e apenas observe a forma de onda da saída vo obtida detector de pico positivo 46 Monte o circuito da Fig 4 grampeador CC ajustando a fonte de entrada vS para fornecer 68 V de pico e com auxílio dos dois canais do osciloscópio desenhe na grade dada as formas de onda da entrada vS e da saída vo PARTE 3 Esta parte visa o estudo do diodo zener na região de ruptura e do diodo LED em condução 47 Monte o circuito da Fig 5 zener em polarização reversa e ajuste a fonte CC para obter os pares de tensão VDZ medida pelo voltímetro V e corrente reversa IDZ medida pelo amperímetro A pedidos na Tab 1 dada seguir Tab 1 VDZ V 00 30 50 IDZ mA 20 60 100 48 Monte o circuito da Fig 6 com um LED vermelho em polarização direta e ajuste a fonte CC para obter os pares de tensão VD voltímetro V e corrente direta ID amperímetro A pedidos na Tab 2 dada seguir 49 Apenas para verificação faça testes com os LEDs verde azul bicolor e infravermelho introduzidos no circuito Tab 2 LED Vermelho VD V 00 10 18 ILED mA 20 60 100 50 QUESTÕES 51 Para o circuito da Fig 3 obtenha uma equação matemática conveniente para o sinal de tensão no diodo e desenhe a forma de onda deste sinal com base nas formas de onda de tensão de entrada e saída obtidas 52 Com base na Tab 1 obtenha um modelo para o zener na ruptura VZ V RZ canal 1 do osciloscópio referência do osciloscópio canal 2 do osciloscópio voltsdiv msdiv Fig 3 vS D voltsdiv msdiv Fig 4 50 F vS 10 V 10 k vo D canal 2 do osciloscópio vo canal 1 do osciloscópio referência do osciloscópio Fig 5 Fig 6 V IDZ VDZ A V 100 DZ V ILED VLED A V 100 LED 15 LABORATÓRIO DE MATERIAIS ELÉTRICOS EXPERIMENTO 6 REGULADOR ZENER TERMISTOR LDR E FOTOTRANSISTOR 10 OBJETIVOS Esta prática de laboratório tem como objetivos o estudo de um circuito regulador de tensão zener simples e aplicações com termistor e fototransistor além de obtenção de resistências apresentadas por um LDR e um termistor 20 RESUMO TEÓRICO Devido ao comportamento como fonte de tensão CC fixa na região de ruptura uma das principais aplicações dos diodos Zener são em circuitos reguladores de tensão Para obter este efeito as variações de tensão de entrada e de carga devem contudo ser tais que sejam respeitadas os limites de corrente mínima e máxima do Zener na ruptura Certos dispositivos semicondutores são construídos de modo a ter grande sensibilidade a um determinado tipo de energia incidente Termistor sensível à variações de temperatura e LDR sensível à variações de luminosidade são dispositivos semicondutores similares a resistores NTC Fototransistor é um componente semicondutor similar ao fotodiodo cuja condução depende da quantidade de energia luminosa incidente na sua junção PN coletorbase 30 MATERIAL UTILIZADO Materiais necessários à esta prática LEDs vermelho e bicolor 01 de cada diodo Zener 5V1 01 fonte CC 02 multímetros 02 resistores 47 100 e 33 k termistores 20 e 800 01 de cada LDR 01 fototransistor TIL 78 01 lâmpada incandescente de 5V transformador de múltiplos taps capacitor de 1000 F 01 diodo comum 01 osciloscópio 01 soldador 01 cabos para osciloscópio 02 fios de ligação diversos 40 PROCEDIMENTOS PARTE 1 Esta parte visa o estudo de um projeto de regulador de tensão simples com zener Especificações de projeto desejase construir uma fonte de tensão que forneça em torno de 5 V contínuos na saída e que possa operar a vazio ou consumir uma potência máxima de 250 mW Para isso será utilizado um diodo zener para regular a tensão na carga cujas especificações na ruptura são VZ 51 V e PZ 1 W 41 Com base nas condições de projeto determine as resistências mínima e máxima para a modelagem da carga RLMIN RLMAX 42 Com base nas especificações do zener determine máxima IZM e mínima IZK do zener na ruptura IZM mA IZK 10 a 20 de IZM mA 43 Monte o circuito da Fig 1 e ajuste a fonte vS para fornecer 12 V de pico Com o zener desconectado do circuito visualize no osciloscópio o sinal de tensão na saída canal 2 para a resistência mínima de carga RLMIN e observe que a tensão na carga apresenta um elevado ripple e desse modo não atende as condições de projeto 44 A seguir conecte o zener no circuito e visualize no osciloscópio a forma de onda da tensão de saída canal 2 para as resistências de carga mínima RLMIN conectado e máxima RLMIN desconectado Observe então que o zener proporciona condições para regular satisfatoriamente a tensão de saída em torno de 5 V para todos os valores de carga e desse modo o circuito está sendo eficiente em atender as condições de projeto da fonte 45 Com base na forma de onda da tensão VS de saída do retificador canal 1 anote seus valores mínimo e máximo VSMIN V VSMAX V D Fig 1 1000 F vS canal 2 do osciloscópio canal 1 do osciloscópio referência do osciloscópio 47 RLMIN DZ 5V1 VS EXPERIMENTO 6 Regulador zener LDR termistor e fototransistor 16 PARTE 2 Esta parte visa a medição da resistência de um LDR perante mudanças na intensidade de luz incidente bem como o estudo de um circuito simples de detecção de luminosidade com um fototransistor 46 Meça a resistência do LDR na presença de luz exemplo luz ambiente e na ausência de luz por exemplo cobrindo o LDR com um anteparo ou pano anotando os resultados na Tab 1 47 Monte o circuito da Fig 2 Aproxime o LED infrafermelho IV do fototransistor FTR verifique se LED azul está aceso ou apagado e anote esta observação na Tab 2 ao lado A seguir afaste o LED IV do fototransistor e repita o procedimento PARTE 3 Esta parte visa o estudo da variação da resistência de um termistor NTC com a temperatura bem como o estudo de um circuito simples de indicação visual de temperatura utilizando um termistor como sensor térmico 48 Meça a resistência do termistor de Ramb 1 k na temperatura ambiente e anote o resultado na Tab 3 A seguir use a ponta de um soldador para causar um leve aquecimento no termistor por exemplo tocando a ponta de solda em um de seus terminais meça novamente sua resistência e anote o resultado na Tab 3 49 Com o termistor de Ramb 1 k monte o circuito mostrado na Fig 3 ao lado e anote na Tab 4 a cor predominante emitida pelo LED bicolor na temperatura ambiente isto é sem aquecimento do termistor 410 A seguir aproxime do termistor de uma ponta de solda ou toque a ponta num dos fios terminais do termistor Espere até que o LED bicolor sofra uma mudança na cor predominante emitida retire a ponta de solda e anote na Tab 4 a cor final emitida pelo LED bicolor 50 QUESTÕES 51 Para o circuito regulador de tensão da Fig 1 considere os valores teóricos do zener na ruptura VZ IZK e IZM as resistências de carga mínima RLMIN e máxima RLMAX e os valores mínimo VSMIN e máximo VSMAX da tensão de saída do retificador de meia onda VS obtidas e determine a faixa de valores em que deverá estar o resistor de desacoplamento RS e explique se o valor adotado 47 está satisfatoriamente dimensionado R 52 Explique se os resultados obtidos nas Tabs 1 e 3 estão coerentes com o tipo de dispositivo sensor estudado R 53 Com base nos resultados obtidos na Tab 2 explique o funcionamento do circuito da Fig 2 R 54 Com base nos resultados obtidos na Tab 4 explique o funcionamento do circuito da Fig 3 R Tab 3 Temperatura Rtermistor ambiente com aquecimento Tab 1 LDR RLDR presença de luz ausência de luz Tab 2 LED IV LED azul perto do FTR afastado do FTR Tab 4 Temperatura cor predominante ambiente com aquecimento Fig 3 10 V NTC 1 k 270 green red T LED bicolor 100 saturaçã o Fig 2 5 V LED IV 33 4V 100 FTR LED azul C E 17 LABORATÓRIO DE MATERIAIS ELÉTRICOS EXPERIMENTO 7 CONFIGURAÇÕES BCEC E CC DO TBJ 10 OBJETIVOS Esta prática de laboratório tem como objetivos realizar um estudo dos modos de operação de um TBJ a partir da identificação de pontos de operação nas característica IV de saída das configurações base comum e emissor comum bem como o estudo da configuração coletor comum como casador de impedâncias 20 RESUMO TEÓRICO O transistor bipolar de junção TBJ é constituído por três substratos chamados emissor E base B e coletor C que formam duas junções PN e desse modo podese dizer que o TBJ constituese de dois diodos diodo emissor JE e diodo coletor JC A formação de duas junções PN acarreta então em dois tipos de TBJ NPN e PNP Fig 1a O TBJ apresenta seis variáveis correntes de emissor IE base IB e coletor IC e tensões emissorbase VEB coletorbase VCB e emissorcoletor VCE No funcionamento de um TBJ ocorrem principalmente três modos de operação ativo direto JE em condução e JC no corte saturação JE e JC em condução e bloqueio JE e JC no corte Para atingir os modos de operação o TBJ pode ser conectado em três configurações base comum CB emissor comum EC e coletor comum CC onde sua características IV de saída Fig 1b e 1c demonstram sua operação 30 MATERIAL UTILIZADO Materiais fonte CC 05 multímetros 06 TBJ de uso geral NPN 02 e PNP 01 resistores 1 k 03 e 47 k gerador de função capacitor de 220 nF autofalante FTE fios de ligação 40 PROCEDIMENTOS PARTE 1 Esta parte visa o estudo dos modos de operação de um TBJ na configuração basecomum BC 41 Monte o circuito da Fig 2 A seguir ajuste a fonte VE de modo a obter os valores de ddp entre a base e o coletor VBC pedidos na Tab 1 e anote as correspondentes corrente de emissor IE e coletor IC nesta tabela 42 Com base nos resultados da Tab 1 e na característica IV de saída em base comum mostrada na Fig 1b conclua então sobre o modo de operação em que se encontra o TBJ em cada ponto de operação Tab 1 Ponto de operação VBC V IE mA IC mA TBJ modo de operação 1 90 2 60 3 30 4 00 5 05 6 07 Fig 2 1 k V A A VE 9 V 1 k IE IC VBC entrada saída Fig 1 TBJ a simbologias características IV de saída nas configurações b base comum e c emissor comum E C B PNP E C B NPN VCE V IC IB1 0 IB2 IB3 IB4 reta de carga 03 corte ativo direto saturação IC IE1 0 VBC V IE2 IE3 IE4 05 ativo direto corte reta de carga a b c saturação EXPERIMENTO 7 Configurações BC EC e CC do TBJ 18 PARTE 2 Esta parte visa o estudo dos modos de operação de um TBJ na configuração emissorcomum EC 43 Monte o circuito da Fig 3 A seguir ajuste a fonte VB de modo a obter os valores de ddp entre o coletor e o emissor VCE pedidos na Tab 2 e anote as correspondentes corrente de base IB e coletor IC nesta tabela 44 Com base nos resultados da Tab 2 e na característica IV de saída em emissor comum mostrada na Fig 1c conclua então sobre o modo de operação em que se encontra o TBJ em cada ponto de operação Tab 2 Ponto de operação VCE V IB A IC mA TBJ modo de operação 1 120 2 90 3 60 4 30 5 03 6 01 PARTE 3 Esta parte visa o estudo do TBJ na configuração coletorcomum CC como casador de impedância 45 Seja uma fonte de sinal de aúdio hipotética formada por um gerador de sinal senoidal de 2 VPP de amplitude e de freqüência 2 kHz em série com um capacitor de 100 nF que representa sua impedância interna de saída valor da reatância 800 para f 2 kHz Desejase utilizar um autofalante FTE de 8 como carga pra esta fonte 46 Para estabelecer um parâmetro de comparação monte inicialmente o circuito da Fig 4 gerador de função vS conectado diretamente ao FTE e observe o volume de áudio emitido Considere este volume como sendo alto 47 A seguir monte o circuito da Fig 5 fonte hipotética alimentando o FTE e observe o volume do áudio emitido Descreva então este volume como sendo alto ou baixo em comparação ao verificado no item 46 48 Finalmente monte o circuito da Fig 6 TBJ ligado na configuração coletor comum empregado como casador de impedância entre a fonte hipotética e o FTE e observe o volume do áudio emitido Descreva então este volume como sendo alto ou baixo em comparação ao verificado no item 46 50 QUESTÕES 51 Com os dados obtidos na Tab 1 calcule o ganho de corrente direta em base comum F no modo ativo direto R 52 Com os dados da Tab 2 calcule o ganho de corrente direta em emissor comum F no modo ativo direto R 53 Com os dados obtidos na Tab 2 explique como o TBJ em emissor comum funciona como chave ligadesliga R 54 Com os resultados obtidos na Parte 3 do experimento analise o volume obtido com os circuitos implementados e conclua sobre o efeito casador de impedância do TBJ empregado na configuração coletor comum R Fig 4 Fig 5 Fig 6 3 V FTE 8 vS 100 nF fonte de áudio hipotética 33 k vS 100 nF fonte de áudio hipotética FTE 8 vS FTE 8 gerador de função 1 k V IB IC VCE 12 V A entrada saída Fig 3 47 k A VB 19 LABORATÓRIO DE MATERIAIS ELÉTRICOS EXPERIMENTO 8 IMPLEMENTAÇÃO DE CIRCUITOS SIMPLES COM TBJs 10 OBJETIVOS Esta prática de laboratório tem como objetivo implementar circuitos simples com TBJs funcionando como chave ligadesliga e como amplificador além do estudo do optoacoplamento LEDfototransistor 20 RESUMO TEÓRICO O TBJ operando na configuração emissor comum pode ser empregado como chave ligadesliga controlada por corrente e como amplificador de sinais O comportamento chave pode ser conseguido através do controle da corrente de base de modo a saturálo com IB elevado com o TBJ comportandose como uma chave fechada devido à pequena tensão de saída VCE 0 ou leválo ao corte com IB desprezível com o TBJ comportandose como uma chave aberta devido à pequena corrente de coletor Podese também aproveitar o ganho de corrente direta F para amplificar sinais de tensão com o TBJ operando no ativo direto onde ocorre uma inversão de fase entre os sinais de entrada e saída Osciladores são circuitos que a partir de uma fonte DC geram oscilações de tensão na saída Exemplos de circuitos osciladores são os chamados FlipFlops que geram pulsos de tensão em sua saída Optoacoplador é um dispositivo que associa um LED a um fotodetector que pode ser um fototransistor A vantagem deste dispositivo é a isolação elétrica entre os circuitos porque o único contato entre eles é um feixe de luz O relé é um dispositivo eletromecânico contendo uma bobina e contatos que operam nas lógicas normalmente aberto NA ou normalmente fechado NF Energizandose sua bobina a partir de um certo valor de corrente elétrica fechase os contatos NA e abrese os contatos NF sendo que as consequências destes efeitos dependerá da lógica empregada no circuito O relé também permite uma isolação elétrica entre circuitos de tensõespotências distintas 30 MATERIAL UTILIZADO Materiais utilizados no experimento fonte CC 04 fonte AC TBJ NPN 03 e PNP 01 LDR 02 diodo optoacoplador LEDfototransistor resistores 33 k 470 k 100 02 270 e 1 k capacitor 47 F relé eletromecânico lâmpada de 220 V lâmpada de 6 V osciloscópio 02 cabos para osciloscópio 03 fios de ligação 40 PROCEDIMENTOS PARTE 1 Visa a implementação de um circuito oscilador fotocontrolado tipo FlipFlop com TBJs complementares 41 Monte o circuito da Fig 1 Na presença de luz ambiente e com o auxílio do osciloscópio meça e anote o valor da ddp entre o coletor e o emissor VCE do TBJ NPN e conclua sobre seu modo de operação VCE V Modo de operação 42 A seguir cubra o LDR com alguma superfície fosca até que a lâmpada L comece a piscar Anote o valor de VCE do TBJ NPN quando a lâmpada se acendeapaga e conclua sobre seu modo de operação em cada situação Lâmpada apagada VCE V Modo de operação Lâmpada acesa VCE V Modo de operação LDR 33 k 470 k 47 F 3 V L canal ref do osciloscópio canal 1 do osciloscópio Fig 1 EXPERIMENTO 8 Implementação de circuitos com TBJs 20 PARTE 2 Esta parte visa a implementação de um controlador de luminosidade por LDR e relé eletromecânico 43 Monte o circuito da Fig 2 e com a presença de luz ambiente incidente no LDR ou uma lanterna acesa anote na tabela fornecida o estado da lâmpada L acesaapagada 44 A seguir desligue as lâmpadas da sala ou cubra o LDR com alguma superfície fosca para representar uma ausência de luz ambiente e anote na tabela fornecida o estado da lâmpada L acesaapagada PARTE 3 Esta parte visa a implementação de um circuito optoacoplador com estágio de ganho de tensão na saída 45 Monte o circuito da Fig 3 selecionando a fonte vS para 16 V de pico A seguir ajuste o osciloscópio para análise AC e observe a inversão de fase e amplificação do sinal na saída Por fim desenhe na grade as formas de onda do fototransistor sinal de entrada do TBJ canal 1 e o potencial no catodo no TBJ sinal de saída do TBJ canal 2 50 QUESTÕES 51 Com base nas análises feitas na Parte 1 do experimento explique o funcionamento do circuito da Fig 1 R 52 Com base nos resultados obtidos na tabela da Parte 3 explique o funcionamento do circuito da Fig 2 R 53 No circuito da Fig 2 explique a finalidade do diodo comum colocado em paralelo com a bobina do relé R 54 Com base nas formas de onda obtidas no circuito da Fig 3 calcule o ganho de tensão do circuito calculando a razão entre os valores máximos do sinal de saída e do sinal de entrada R voltsdiv msdiv Fig 3 100 3 V 100 1 k 270 8 V canal 1 canal 2 canal ref vS optoacoplador Luz no LDR Lâmpada L acesaapagada Presença de luz Ausência de luz LDR 4 V Fig 2 L Relé 220 V NF NA C