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EXPERIMENTO 1 – RESISTORES E CÓDIGO DE CORES Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 1. Objetivos Ler o valor nominal dos resistores através do código de cores; Medir o valor “real” dos resistores através do ohmímetro; Estimar a potência nominal dos resistores através de suas dimensões físicas. 2. Equipamentos e Componentes 1 Multímetro Digital; 1 Proto Board; 12 Resistores (diversos). 3. Informação Teórica Na prática, os resistores oferecem uma oposição à passagem de corrente elétrica por meio de seu material. Uma aplicação típica disso, como exemplo, é o resistor associado em série com um LED, como ilustrado na figura 1. Figura 1. Neste circuito, o resistor limita a corrente que passa através do LED, permitindo apenas uma intensidade suficiente para que ele possa acender. Sem esse resistor a intensidade de corrente através do LED iria danificá-lo permanentemente. O "retângulo" com terminais é uma representação simbólica para os resistores de valores fixos tanto na Europa como no Reino Unido; a representação em "linha quebrada" (zig-zag) é usada nas Américas e no Japão (figura 2). Apesar disso, nas ilustrações eletrônicas brasileiras (revistas, por exemplo) opta-se pelo "retângulo", talvez por simplicidade do desenho. Os livros de Física publicados no Brasil, em geral, usam o "zig-zag". Figura 2. Europa América e Japão Em outros circuitos, os resistores podem ser usados para dirigir frações da corrente elétrica para partes particulares do circuito, assim como podem ser usados para controlar o "ganho de tensão" em amplificadores. Resistores também são usados em associações com capacitores no intuito de alterar sua "constante de tempo" (ajuste do tempo de carga ou descarga). A maioria dos circuitos requer a presença de resistores para seu correto funcionamento. Assim sendo, é preciso saber alguns detalhes sobre diferentes tipos de resistores e como fazer uma boa escolha dos resistores disponíveis (valores adequados, seja em , k ou M), para uma particular aplicação. EXPERIMENTO 1 – RESISTORES E CÓDIGO DE CORES Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 3.1. Resistores de valores fixos A figura 3 mostra detalhes construtivos de um resistor de filme de carbono (carvão). Figura 3. Durante a construção, uma película fina de carbono (filme) é depositada sobre um pequeno tubo de cerâmica. O valor da resistência é obtido mediante a formação de um sulco, transformando a película em uma fita helicoidal. Esse valor pode variar conforme a espessura do filme ou a largura da fita. São acrescentados terminais (um em forma de tampa e outro em forma de fio) em cada extremo e, a seguir, o resistor é recoberto com uma camada isolante. A etapa final é pintar (tudo automaticamente) faixas coloridas transversais para indicar o valor da resistência. Resistores de filme de carbono (popularmente, resistores de carvão) são baratos, facilmente disponíveis e podem ser obtidos com valores de (+ ou -) 10% ou 5% dos valores neles marcados (ditos valores nominais). Resistores de filme de metal ou de óxido de metal são feitos de maneira similar aos de carbono, mas apresentam maior acuidade em seus valores (podem ser obtidos com tolerâncias de (+ ou -) 2% ou 1% do valor nominal). Há algumas diferenças nos desempenhos de cada um desses tipos de resistores, mas nada tão marcante que afete o uso deles em circuitos simples. Resistores de fio são feitos enrolando fios finos, de ligas especiais, sobre uma barra cerâmica. Eles podem ser confeccionados com valores de tolerância pequenos a ponto de serem recomendados para circuitos e reparos de multitestes, osciloscópios e outros aparelhos de medição. Alguns resistores de fio permitem passagem de corrente muito intensa sem que ocorra aquecimento excessivo e, como tais, podem ser usados em fontes de alimentação e circuitos de corrente bem intensa. A potência nominal desses resistores varia de 2 W até valores acima de 1.000 W. Existem outros tipos de resistores, como o Resistor SMD (Dispositivo de Montagem em Superfície). Esse tipo de resistor, atualmente muito utilizado em circuitos eletrônicos, é fabricado sem terminais para ser montado diretamente sobre a superfície de uma placa de circuito impresso. 3.2. Código de cores Os valores ôhmicos dos resistores podem ser reconhecidos pelas cores das faixas em suas superfícies, cada cor e sua posição no corpo do resistor representa um número, de acordo com o seguinte esquema (tabela 1). EXPERIMENTO 1 – RESISTORES E CÓDIGO DE CORES Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA Tabela 1. Cor Faixa 1 Faixa 2 Faixa 3 Faixa 4 Prata - - 0,01 +/-10% Ouro - - 0,1 +/-5% Preto 0 0 1 - Marrom 1 1 10 +/-1% Vermelho 2 2 100 +/-2% Laranja 3 3 1.000 - Amarelo 4 4 10.000 - Verde 5 5 100.000 - Azul 6 6 1.000.000 - Roxo 7 7 10.000.000 - Cinza 8 8 - - Branco 9 9 - - PRIMEIRA FAIXA em um resistor é interpretada como o PRIMEIRO DÍGITO do valor ôhmico da resistência do resistor. Para o resistor mostrado na figura 4, a primeira faixa é verde, assim o primeiro dígito é 5. Figura 4. A SEGUNDA FAIXA dá o SEGUNDO DÍGITO. Essa é uma faixa azul, então o segundo dígito é 6. A TERCEIRA FAIXA é chamada de MULTIPLICADOR e não é interpretada do mesmo modo. O número associado à cor do multiplicador informa quantos "zeros" devem ser colocados após os dígitos. Aqui, uma faixa amarela indica o acréscimo de 4 zeros. O valor ôhmico do resistor é então 560.000 ohms (560.000 ou 560 k). A QUARTA FAIXA (se existir), em geral um pouco mais afastada das outras três, é a faixa de TOLERÂNCIA. Ela informa a precisão do valor real da resistência em relação ao valor lido pelo código de cores. Isso é expresso em termos de porcentagem. A maioria dos resistores obtidos nas lojas apresentam uma faixa de cor prata, indicando que o valor real da resistência está dentro da tolerância dos 10% do valor nominal. O resistor apresenta uma quarta faixa de cor prata. Isso significa que o valor nominal que encontramos 560.000 tem uma tolerância de 10% para mais ou para menos. 10% de 560.000 são 56.000 , então, o valor real do resistor pode ser qualquer um dentro da seguinte faixa de valores: 560.000 – 56.000 = 504.000 560.000 + 56.000 = 616.000 . A ausência da quarta faixa indica uma tolerância de 20%! EXPERIMENTO 1 – RESISTORES E CÓDIGO DE CORES Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA Ainda sobre o código de cores O código de cores como explicado acima permite interpretar valores acima de 100 . Com devido cuidado, ele pode se estendido para valores menores. As cores para um resistor de valor nominal 12 serão: marrom, vermelho e preto. A cor preta (100) para a faixa do multiplicador indica que nenhum “zero” deve ser acrescentado aos dois dígitos já obtidos. O código de cores para 47 , por exemplo, será: amarelo, violeta e preto. Usando esse método, para indicar valores entre 10 e 100 , significa que todos os valores de resistor requerem o mesmo número de faixas. Para resistores com valores ôhmicos nominais entre 1 e 10 , a cor do multiplicador é mudada para OURO. Por exemplo, as cores marrom, preto e ouro indicam um resistor de resistência 1 (valor nominal). Outro exemplo, as cores vermelho, vermelho e ouro indicam uma resistência de 2,2 . Resistores de filme de metal, fabricados com 1% ou 2% de tolerância, usam frequentemente um código com 3 faixas coloridas para os dígitos, 1 faixa para o multiplicador e outra faixa para a tolerância, totalizando 5 faixas (figura 5). Figura 5. vermelho laranja roxo preto marrom - O valor ôhmico do resistor é então 237 , +/-1%. 2 3 7 100 1% Já, um resistor de 562.000 , 2% terá as seguintes faixas: verdeazul vermelho laranja vermelho 5 6 2 103 2% É provável que você utilize resistores de valores pequenos assim como resistores de filme de metal em algumas ocasiões, por isso é útil saber esses detalhes. A maioria dos circuitos eletrônicos, porém, será montada com resistores de carvão (filme de carbono) e, portanto, o mais usado será o código de três cores + tolerância. 3.3. Valores Padronizados para Resistores de Carvão Na tabela 2, exemplifica os valores padronizados (comerciais) para resistores de carvão na tolerância de 10% e na tolerância de 5%. EXPERIMENTO 1 – RESISTORES E CÓDIGO DE CORES Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA Tabela 2. Os resistores são fabricados com resistências nominais de valores múltiplos desses vistos na tabela, por exemplo, 1,2 – 12 – 120 – 1.200 – etc. 3.4. Potência nos resistores Quando a corrente elétrica circula através de resistores, especificamente, e nos condutores, em geral, estes sempre se aquecem. Neles ocorre conversão de energia elétrica em energia térmica. A energia térmica produzida, via de regra, é transferida para fora do corpo do resistor sob a forma de calor. Isso se torna óbvio ao examinar o que acontece no filamento da lâmpada da lanterna. Seu filamento comporta-se como um resistor de resistência elevada (em confronto com as demais partes condutoras do circuito). Nele a energia elétrica proveniente das pilhas, via corrente elétrica, é convertida em energia térmica. Essa quantidade aquece o filamento até que ele adquira a cor branca e passa a ser transferida para o ambiente sob a forma de calor e luz. A lâmpada é um transdutor de saída, convertendo energia elétrica em energia térmica e posteriormente em calor (parcela inútil e indesejável) e luz (parcela útil). Embora não tão evidente como na lâmpada e em alguns resistores de fonte de alimentação, esse aquecimento devido à passagem de corrente elétrica ocorre com todos os componentes eletrônicos, sem exceção. A maior ou menor quantidade de energia elétrica convertida em térmica num componente depende apenas de dois fatores: a resistência ôhmica do componente e a intensidade de corrente elétrica que o atravessa. Estes dois fatores são fundamentais para se conhecer a rapidez com que a energia elétrica se converte em térmica. A rapidez de conversão de energia, em qualquer campo ligado à Ciência, é conhecida pela denominação de potência. A potência de um dispositivo qualquer nos informa "quanto de energia" foi convertida de uma modalidade para outra, a cada "unidade de tempo" de funcionamento. Potência = Energia convertida / Tempo para a conversão As unidades oficiais para as grandezas da expressão acima são: Potência em watt (W), Energia em joule (J) e Tempo em segundo (s). Em particular, na Eletrônica, a potência elétrica informa quanto de energia elétrica, a cada segundo, foi convertida em outra modalidade de energia. Em termos de grandezas elétricas a expressão da potência pode ser posta sob a forma: Potência elétrica = tensão x intensidade de corrente ou P = VI Dentro da Eletrônica, para os resistores, onde a energia elétrica é convertida exclusivamente em energia térmica (a mais degradada das modalidades de energia, algumas vezes "indesejável"), essa potência passa a ser denominada potência dissipada no resistor. Desse modo, pode-se escrever: P = VI = (RI)I = RI2. EXPERIMENTO 1 – RESISTORES E CÓDIGO DE CORES Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA Lembre-se disso: para calcular a potência dissipada por resistores pode-se usar as expressões: P = VI ou P = RI2 ou aind P = V2/R. É importante e indispensável que a energia térmica produzida num resistor seja transferida para o meio ambiente sob a forma de calor. Essa transferência irá depender, entre outros fatores, da superfície do corpo do resistor. Quanto maior for a área dessa superfície mais favorável será essa transferência. Um resistor de tamanho pequeno (área pequena) não poderá dissipar calor (perder energia térmica para o ambiente sob a forma de calor) com rapidez adequada, quando percorrido por corrente muito intensa. Ele irá se aquecer em demasia o que o levará a destruição total. A cada finalidade, prevendo-se as possíveis intensidades de corrente que o atravessarão, deve-se adotar um resistor de tamanho adequado (potência adequada) para seu correto funcionamento. Quanto maior o tamanho físico de um resistor maior será a potência que pode dissipar (sem usar outros artifícios). A figura 6 mostra resistores de tamanhos diferentes. Figura 6. Obs.: os resistores não estão em tamanho real. Os resistores de carvão de 0,5 W, em média, pelo seu tamanho, podem dissipar calor à razão de 0,5 joules a cada segundo, ou seja, têm potência máxima de 0,5 W. Alguns tipos de resistores (cujo tamanho físico não pode exceder umas dadas dimensões mesmo porque nem caberiam nas caixas que alojam o circuito) devem usar outros recursos que permitam uma maior dissipação para os seus tamanhos. Um dos recursos é manter uma ventilação forçada mediante ventiladores. Outro é colocá-los no interior de uma cápsula de alumínio dotada de aletas. Isso determina uma superfície efetiva bem maior. A figura 6 ilustra esta técnica para o resistor de 25 W. EXPERIMENTO 1 – RESISTORES E CÓDIGO DE CORES Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 4. Prática 4.1. Faça a leitura de cada resistor e anote na tabela 3 o tipo, o valor nominal, o valor medido, o erro percentual entre o valor nominal e o valor medido 100% Vn VmVn R , a tolerância e a potência: Tabela3. Resistor Tipo Código de Cores Valor Nominal Valor Medido Erro Percentual Tolerância Potência (W) (estime pelo tamanho, para isso solicite auxílio ao professor) R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 5. Questões 5.1. Determine a sequência de cores para os resistores abaixo: a) 330 M 2% b) 470 k 10% c) 0,22 2% d) 1 M 20% e) 1.500 10% f) 2,9 k 5% g) 10 5% 5.2. Dê duas funções que os resistores podem desempenhar em um circuito. 5.3. Cite três diferentes tipos de resistores. 5.4. Obtenha os valores nominais, além de seus máximos e mínimos, das resistências dos resistores marcados com as seguintes faixas: a) vermelho, verde, amarelo ----- ouro b) amarelo, laranja, marrom ----- prata 5.5. Como fica o código de cores para um resistor de 470 k 1% (nominal): a) usando o sistema de cinco cores? b) usando o sistema de quatro cores? 5.6. Um resistor submetido à tensão de 15 V é atravessado por corrente elétrica de intensidade 0,10 A. Qual sua resistência? Que potência ele dissipa? 5.7. Um resistor de 1.000 , 1/8 W é percorrido por corrente c.c. de 400 mA. A que tensão elétrica ele estaria sujeito? Que potência ele dissiparia? EXPERIMENTO 2 - MULTÍMETRO Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 1. Objetivos Familiarizar-se com o instrumento e suas escalas; Realizar medidas de tensão, corrente e resistência elétrica. 2. Equipamentos e Componentes 1 Multímetro Digital; 1 Proto Board; 1 Fonte de Tensão c.c.; Resistores: R1 = 10 k R3 = 10 k R5 = 1 k R7 = 100 R9 = 100 R2 = 10 k R4 = 10 k R6 = 100 k R8 = 100 R10 = 100 3. Informação Teórica Um medidor é um instrumento de medição. O resultado de uma medição é uma medida. Não há cunho científico onde não houver medida. Em Eletrônica, os amperômetros medem intensidades de corrente, os voltômetros medem a diferença de potencial (tensão) entre dois pontos e os ohmômetros medem as resistências elétricas dos condutores. Cometendo erros de nomenclatura, porém já consagrados pelo uso, tais aparelhos são mais conhecidos por: amperímetro, voltímetroe ohmímetro. Nota: O Sistema Internacional de Unidades, no trecho dedicado à nomenclatura, indica: aparelhos de medida direta são grafados com terminação em "ímetro" (tal como o paquímetro) e os de medida indireta são grafados com terminação "ômetro" (tais como o cronômetro, odômetro, amperômetro, voltômetro etc.). Os técnicos em eletricidade e eletrônica não 'falam' cronímetro ou odímetro, mas dão-se por satisfeitos com amperímetro, voltímetro etc. Um 'multímetro' (ou multitestes) incorpora todas essas funções de medidores e possivelmente outras mais, num só equipamento. Antes dos detalhes no manuseio dos multímetros, é importante para você ter uma ideia clara de como os medidores são conectados ao circuito sob inspeção. A figura1 mostra um circuito em duas situações, A antes e B depois de se ligar um amperímetro. Figura 1. EXPERIMENTO 2 - MULTÍMETRO Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA Para se medir a intensidade de corrente que circula por um dado componente ou num trecho de circuito, tal circuito deve ser "aberto", "cortado", "interrompido" para poder intercalar o amperímetro em série. Toda a corrente que passa pelo componente ou no trecho em questão deve passar também através do medidor. Na figura 1, não importa se o amperímetro é inserido na posição indicada, entre R1 e R2 ou entre R2 e a fonte de tensão. A introdução do amperímetro no circuito implica na introdução de uma nova resistência (a resistência interna do próprio aparelho), que afeta a resistência total e consequentemente a intensidade de corrente. Assim, para que a leitura seja confiável é necessário que a resistência própria do medidor seja a mais baixa possível. Um bom amperímetro deve ter resistência interna praticamente nula! Por sua vez, a figura 2 mostra um circuito em duas situações, A antes e C depois de se ligar um voltímetro. Figura 2. Observe que, para a medida de uma diferença de potencial (tensão) entre dois pontos (os terminais do resistor R2, figura 2), o circuito não precisa ser interrompido; o voltímetro é conectado em paralelo. Para que a inclusão do voltímetro não altere substancialmente o valor da resistência do trecho sob medição é preciso que a resistência própria (interna) do medidor seja a mais alta possível. Em outras palavras, a intensidade de corrente através do voltímetro deve ser mínima. Um bom voltímetro tem resistência interna praticamente infinita! Que medição você acha que é mais útil para o experimentador, intensidade de corrente (com amperímetro) ou tensão elétrica (com voltímetro)? Ambas são úteis, porém, a medida de tensão é muito mais prática e muito mais frequente. Ela é uma medição fácil, pois incorpora a vantagem de não necessitar nenhuma interrupção no circuito original. Neste tipo de medição, as pontas de prova do voltímetro são simplesmente encostadas nos pontos entre os quais quer se saber o valor de tensão. A figura 3 mostra um circuito em duas situações, A antes e D depois de se ligar um ohmímetro. EXPERIMENTO 2 - MULTÍMETRO Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA Figura 3. O ohmímetro não deve ser usado com o circuito conectado à fonte de alimentação. Ele não trabalha da mesma maneira que voltímetro e amperímetro. Estes dois usam a fonte de alimentação do circuito para suas leituras; o ôhmímetro não, ele tem sua própria fonte de tensão. Além disso, o componente cuja resistência está sob medição deve ser retirado do circuito. Na figura 3, o resistor R2 foi retirado para uma perfeita medição do valor de sua resistência. Na prática não é necessário dessoldar seus dois terminais, basta soltar um deles. A fonte de tensão interna do ohmímetro faz circular uma pequena intensidade de corrente pelo componente em teste e avalia a queda de tensão sobre ele; em função dessa tensão o medidor fornece, como leitura, a resistência do componente. A maioria dos ohmímetros tem, em seu interior, um fusível para protegê-lo contra "abusos" e falhas do operador. 3.1. Multímetros digitais Multímetros digitais são projetados por engenheiros eletrônicos e produzidos em massa. Tais medidores dão (como saída) uma exibição numérica normalmente através das propriedades dos mostradores de cristais líquidos. A figura 4 mostra dois modelos genéricos de multímetros digitais (há inúmeros modelos). O da esquerda, mais comum, tem suas funções e alcances (escalas) selecionadas mediante uma chave (ligada a um grande botão no meio do aparelho). O da direita, mais sofisticado, não é necessário selecionar nenhum alcance, apenas a função. Ele, automaticamente seleciona um alcance adequado. EXPERIMENTO 2 - MULTÍMETRO Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA Figura 4. Comentários: primeiro modelo. Mediante o acionamento do botão central, que pode assumir diversas posições, você tem que escolher aquela que convém para a adequada medição. Se esse botão foi dirigido para o setor V= e aponta para a faixa dos 20 V (figura 4) então, 20 V é a tensão máxima que pode ser medida. Em algumas situações pode-se utilizar o alcance 2 V ou ainda 200 mV. As faixas de tensões para fontes de polaridade fixa ou c.c (pilhas, baterias e fontes de alimentação) estão no setor indicado com V=. Leituras de tensões alternadas (c.a.) devem ser feitas com o botão central ajustado para o setor V~. Comentários: o segundo modelo. É um multiteste (multímetro) denominado multímetro auto-ajustável. Mediante o botão central você se limita a escolher uma função, ou seja, que grandeza quer medir (tensão, corrente, resistência, decibéis etc.), o restante o aparelho faz por conta própria. Ele escolhe qual o alcance mais indicado e apresenta no mostrador a leitura (digital) acompanhada da unidade de medida. Ele é mais caro que o medidor comum, mas, de manuseio mais simples. Atenção especial deve ser tomado para as ligações das pontas de prova no multiteste. O fio vermelho deve ser conectado ao terminal marcado com V, , mA e o fio preto deve ser inserido no terminal marcado com COM (COMUM). EXPERIMENTO 2 - MULTÍMETRO Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 3.2. Multímetros analógicos Nos medidores analógicos (figura 5) uma agulha movimenta-se diante de uma escala gravada no mostrador. Multímetros analógicos com alcances chaveados (selecionados por botão central) são mais baratos que os digitais, porém, de leituras mais difíceis para os novatos lerem com precisão, especialmente nas escalas de resistências. O aparelho é mais delicado que os digitais e, em caso de queda, é mais provável que se danifiquem. Figura 5. Cada tipo de medidor tem suas vantagens e desvantagens. Usado como voltímetro, um medidor digital é normalmente melhor porque sua resistência interna é muito mais alta (1 M ou 10 M) que aquela dos analógicos (200 k) numa faixa semelhante. Por outro lado, é mais fácil seguir o lento movimento da agulha em determinadas leituras de tensão que as trocas numéricas de um digital. Usado como amperímetro, um medidor analógico passa à frente do digital; primeiro por ter resistência interna bem menor e em segundo, por ser mais sensível (normalmente com escalas até 50 mA). Multímetros digitais mais caros podem igualar ou mesmo superar esse desempenho. A maioria dos multímetros modernos é digital; os tipos analógicos tradicionais estão destinados a ficar obsoletos. EXPERIMENTO 2 - MULTÍMETRO Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 4. Prática 4.1. Identificação do multímetro Faça um esquema do painel do multímetro de sua bancada. Identifique as principais funções, suas escalas, e os terminais onde as pontas de provas são inseridas. 4.2. Medidas de tensão Construa o circuito mostrado na figura 6 usando a matriz de contatos (proto board) e os resistores R1, R2, R3 eR4. Figura 6. EXPERIMENTO 2 - MULTÍMETRO Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA a) Usando o multímetro digital como voltímetro, meça a tensão fornecida pela fonte de alimentação e a seguir as tensões entre os pontos [A e B], [B e C], [C e D], [D e E] e [A e E] e anote na tabela 1. Que você observa com relação a esses resultados? Tabela 1. VFonte (V) VAB (V) VBC (V) VCD (V) VDE (V) VAE (V) b) Modifique o circuito, substituindo R1 por R5 e R4 por R6. Refaça as leituras de tensão e anote na tabela 2. Que você observa com relação a esses resultados? Tabela 2. VFonte (V) VAB (V) VBC (V) VCD (V) VDE (V) VAE (V) 4.3. Medidas de intensidades de correntes Construa o circuito mostrado na figura 7 usando a matriz de contatos (proto board) usando os resistores R7, R8, R9 e R10. Figura 7. Observe que a corrente tem que circular pelo amperímetro assim como pelo circuito. O circuito foi previamente interrompido e o amperímetro inserido em série. EXPERIMENTO 2 - MULTÍMETRO Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA a) Faça a leitura de intensidade de corrente conforme o posicionamento do "jumper" (pontos A, B, C e D). Anote na tabela 3. Tabela 3. I (mA) - jumper em A I (mA) - jumper em B I (mA) - jumper em C I (mA) - jumper em D b) Calcule, separadamente, a intensidade de corrente esperada em cada caso usando da Lei de Ohm. 5. Questões 5.1. Por que um voltímetro precisa ter uma resistência interna muito alta? 5.2. Por que um amperímetro precisa ter uma resistência interna muito baixa? 5.3. Um amperímetro ligado erroneamente em paralelo com um circuito provavelmente se danificará. E o que dizer de um voltímetro ligado erroneamente em série? EXPERIMENTO 3 – CIRCUITO SÉRIE, PARALELO E MISTO DE RESISTORES Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 1. Objetivos Saber reconhecer e montar uma associação série, uma associação paralela e uma associação mista de resistores; Identificar um circuito série e paralelo (associação mista); Conhecer as diferenças em termos de tensão e corrente entre as associações; Ser capaz de determinar a resistência equivalente de uma associação. 2. Equipamentos e Componentes 1 Multímetro Digital; 1 Proto Board; 1 Fonte de Tensão c.c.; Resistores: R1 = 6,8 kΩ R3 = 3,9 kΩ R5 = 10 kΩ R7 = 10 kΩ R2 = 2,2 kΩ R4 = 3,3 kΩ R6 = 10 kΩ R8 = 10 kΩ 3. Informação Teórica 3.1. Associação Série Uma conexão série dos elementos de um circuito é aquela onde a mesma corrente flui em cada um dos elementos. A tensão através dos elementos individuais na conexão série pode, todavia, ser diferente. A figura 1 mostra a estrutura básica da conexão série. Figura 1. Para o caso dos resistores, o valor equivalente da associação é dado pela soma dos valores ôhmicos de cada um dos resistores associados. NTotal RRRRR .......321 3.2. Associação Paralela Uma associação em paralelo de elementos em um circuito é aquela onde todos os elementos estão submetidos a mesma tensão. A corrente que flui através de cada elemento pode, todavia, ser diferente. A figura 2 mostra a estrutura básica da conexão em paralelo. Figura 2. Para o caso dos resistores, o valor equivalente da associação é fornecido pela expressão. n321eq R 1 ............ R 1 R 1 R 1 R 1 3.3. Correntes e Tensões nas Associações Como já foi mencionado, em uma associação série de resistores a corrente é comum a todos os resistores associados, enquanto que em uma associação paralela, a tensão é comum a todos os resistores associados. Aplicando-se a Lei de Ohm para ambos os casos, pode-se concluir: 1 R 22R 2RR1 EXPERIMENTO 3 – CIRCUITO SÉRIE, PARALELO E MISTO DE RESISTORES Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA Associação Série: se os resistores associados forem de valores diferentes, a queda de tensão em cada um deles será diferente, uma vez que a corrente é a mesma: V R I R1 1 V R IR2 2 Associação Paralela: Se os resistores associados forem de valores diferentes, a corrente que flui através de cada um deles será diferente, uma vez que a tensão aplicada é igual para todos: I V R R1 1 I V R R2 2 3.4. Associação Série/Paralela Raramente encontra-se em um circuito uma associação puramente série ou paralela. É bastante comum a mistura dos dois tipos de associação, como mostrado na figura 3. Figura 3. Nestes casos, a determinação da resistência equivalente deve ser feita passo a passo, utilizando as expressões: Série R R R R RTotsal N 1 2 3 ....... Paralela n321eq R 1 ............ R 1 R 1 R 1 R 1 Há situações que não se pode determinar a forma de ligação entre os resistores (série/paralela), nestes casos é comum utilizar a Transformação Estrela/Triângulo e Triângulo/Estrela, para que assim se possa verificar as associações série e paralela entre tais elementos de circuitos. Transformação Estrela/Triângulo b cbcaba ac R RRRRRR R c cbcaba ab R RRRRRR R a cbcaba bc R RRRRRR R 2RR1 R 3 b R R cc R a b a c RRac bc ab R a b c EXPERIMENTO 3 – CIRCUITO SÉRIE, PARALELO E MISTO DE RESISTORES Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA Transformação Triângulo / Estrela bcbcac abac a RRR RR R bcabac bcac c RRR RR R bcabac bcab b RRR RR R 4. Prática 4.1. Associação Série a) Monte o circuito da figura 4 (utilize o proto board). Figura 4. b) Calcule a resistência equivalente e anote na tabela 1. c) Utilizando o multímetro (função ohmímetro), meça a resistência equivalente do circuito e anote na tabela 1. d) Aplique uma tensão de 4 Volts ao circuito (utilize o voltímetro para o ajuste do valor) e meça a corrente fornecida pela fonte (anote na tabela 2). Tabela 1. RCalculada RMedida RLei de Ohm Tabela 2. IFonte (mA) VFonte (V) e) Através da Lei de Ohm (valores medidos - tensão e corrente) calcule o valor da resistência e anote o resultado na tabela 1. 4.2. Associação Paralela a) Monte o circuito da figura 5 (utilize o proto board). Figura 5. 3 R 1R 2R R4 R R5 6 R R7 8 EXPERIMENTO 3 – CIRCUITO SÉRIE, PARALELO E MISTO DE RESISTORES Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA b) Calcule a resistência equivalente e anote na tabela 3. c) Utilizando o multímetro (função ohmímetro), meça a resistência equivalente do circuito, anotando os valores na tabela 3. d) Aplique uma tensão de 4 Volts ao circuito (utilize o voltímetro para o ajuste do valor) e meça a corrente fornecida pela fonte (anote na tabela 4). Tabela 3. RCalculada RMedida RLei de Ohm Tabela 4. IFonte (mA) VFonte (V) e) Através da Lei de Ohm (valores medidos - tensão e corrente) calcule o valor da resistência e anote o resultado na tabela 3. 4.3. Associação Série/Paralela a) Monte o Circuito A da figura 6 (utilize o proto board). Figura 6. Circuito A Circuito B b) Calcule a resistência equivalente e anote na tabela 5. c) Utilizando o multímetro (função ohmímetro), meça a resistência equivalente do circuito, anotando os valores na tabela 5. d) Aplique uma tensão de 4 Volts ao circuito (utilize o voltímetro para o ajuste do valor) e meça a corrente fornecida pela fonte (anote na tabela 6). Tabela 5. Circuito A Circuito B RCalculada RMedida RLei de Ohm 2RR1 R8 R5 EXPERIMENTO 3 – CIRCUITO SÉRIE, PARALELO E MISTO DE RESISTORES Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA Tabela 6 Circuito A Circuito B IFonte (mA) VFonte (V) e) Através da Lei de Ohm (valores medidos - tensão e corrente) calcule o valor da resistência e anote o resultado na tabela 5. f) Monte o Circuito B da figura 6 (utilize o proto board).g) repita os itens b a e para esse novo circuito montado. 4.4. Associação “indeterminada” a) Monte o circuito da figura 7 (utilize o proto board). Figura 7. b) Calcule a resistência equivalente e anote na tabela 7. Para isso, utilize a Transformação Estrela/Triângulo e Triângulo/Estrela. c) Utilizando o multímetro (função ohmímetro), meça a resistência equivalente do circuito, anotando os valores na tabela 7. d) Aplique uma tensão de 4 Volts ao circuito (utilize o voltímetro para o ajuste do valor) e meça a corrente fornecida pela fonte (anote na tabela 8). Tabela 7. RCalculada RMedida RLei de Ohm Tabela 8. IFonte (mA) VFonte (V) e) Através da Lei de Ohm (valores medidos - tensão e corrente) calcule o valor da resistência e anote o resultado na tabela 7. EXPERIMENTO 3 – CIRCUITO SÉRIE, PARALELO E MISTO DE RESISTORES Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 5. Questões 5.1. Ache a resistência equivalente do circuito da figura 8. Figura 8. a) R1 = 3,9 k; R2 = 3,9 k; R3 = 3,9 k; R4 = 3,9 k. b) R1 = 10 k; R2 = 3,9 k; R3 = 10 k; R4 = 4,7 k. 5.2. Ache a resistência equivalente do circuito da figura 9. Figura 9. a) R1 = 2,7 k; R2 = 5 k; R3 = 15 k; R4 = 18 k. b) R1 = 18 k; R2 = 8,2 k; R3 = 6,8 k; R4 = 15 k. 5.3. Ache a resistência equivalente do circuito da figura 10. Figura 10. a) R1 = 8,2 k; R2 = 12 k; R3 = 10 k. b) R1 = 10 k; R2 = 6,8 k; R3 = 4,7 k. 4 R1 2R2 R3 R 3 R 1R 2R R4 2RR1 R 3 EXPERIMENTO 4 – LEIS DE KIRCHHOFF Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 1. Objetivos Comprovar a Lei das Correntes de KIRCHHOFF através dos dados obtidos; Identificar nós, ramos, caminhos fechados e malhas. 2. Equipamentos e Componentes 1 Multímetro Digital; 1 Proto Board; 1 Fonte de Tensão c.c.; Resistores: R1 = 100 R3 = 390 R5 = 2,7 k R7 = 4,7 k R2 = 330 R4 = 270 R6 = 3,3 k R8 = 1,2 k 3. Informação Teórica Para que se possa iniciar o estudo das leis é necessária a definição de alguns termos: Nó – um ponto de ligação entre dois ou mais ramos. Ramo – representação de um único elemento conectado entre dois nós. Caminho fechado – caminho formado por um nó de partida, passando por outros nós uma única vez e retornando ao nó de partida. Malha – caminho fechado sem elementos no seu interior. No circuito apresentado na figura 1, pode-se verificar a presença de cinco nós (a, b, c, d = e, f), seis ramos (R1, R2, R3, R4, V1 e V2), três caminhos fechados ([a-b-c-d-e-f-a], [a-b-e-f-a] e [b-c-d-e-b]) e duas malhas ([a-b- e-f-a] e [b-c-d-e-b]). Figura 1. Pode-se agora começar as considerações sobre as duas leis de GUSTAV ROBERT KIRCHHOFF: Lei de Kirchhoff das Correntes (LKC) – a soma algébrica das correntes que chegam a um nó é nula. No circuito da figura 2, pode-se visualizar o que foi afirmado. Figura 2. O circuito apresenta dois nós, A e B, para equacioná-lo é necessário a adoção de uma convenção para as correntes do nó: EXPERIMENTO 4 – LEIS DE KIRCHHOFF Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA CORRENTE QUE SAI DO NÓ É NEGATIVA. CORRENTE QUE ENTRA NO NÓ É POSITIVA. Assim fazendo a soma algébrica das correntes do nó A, tem-se: 321 321 0 IIII IIII T T O circuito apresentado é conhecido mais comumente como DIVISOR DE CORRENTE uma vez que a corrente fornecida pela fonte é dividida entre os ramos que compõe o circuito. Através da LEI DE OHM e da expressão da resistência equivalente de resistores associados em paralelo pode- se determinar a expressão do DIVISOR DE CORRENTE. Esta expressão permitirá que seja determinada a corrente de saída em qualquer dos resistores de um circuito paralelo. Desta forma: T n n Rn I RRR R I 1 ...... 11 1 21 Para um circuito paralelo formado por apenas dois resistores, a expressão se reduz a: 21 2 1 . RR RI I TR 21 1 2 . RR RI I TR Lei de Kirchhoff das Tensões (LKT) – a soma algébrica das tensões ao longo de um caminho fechado qualquer é nula. No circuito da figura 3, pode-se visualizar o que foi afirmado. Figura 3. O circuito apresentado é conhecido mais comumente como DIVISOR DE TENSÃO uma vez que a tensão aplicada ao circuito pela fonte é dividida entre os ramos que compõe o circuito. Através da LEI DE OHM e da expressão da resistência equivalente de resistores associados em série pode-se determinar a expressão do DIVISOR DE TENSÃO. Esta expressão permitirá que seja determinada a tensão de saída em qualquer dos resistores de um circuito série. Desta forma: V RRR R V n n Rn ......21 Para um circuito série formado por apenas dois resistores, a expressão se reduz a: 21 1 1 . RR RV VR 21 2 2 . RR RV VR EXPERIMENTO 4 – LEIS DE KIRCHHOFF Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 4. Prática a) Monte o circuito da figura 4 (utilize o proto board). Figura 4. b) Meça as correntes I1, I2, I3 e IT, anotando os resultados na tabela 1. c) Some os valores de I1, I2, I3 e anote na tabela 1. d) Calcule a corrente em cada um dos resistores (aplique a Lei de Ohm) anotando os valores na tabela 1. Some os valores de I1, I2, I3 calculados e anote na mesma tabela. e) Calcule a resistência equivalente. De posse do valor calculado, determine a corrente IT anotando o valor na tabela 1 Tabela 1. I (mA) Medido Calculado I1 (R1) I2 (R2) I3 (R3) IT (Fonte) I1 + I2 + I3 f) Monte o circuito da figura 5 (utilize o proto board). Figura 5. g) Meça a resistência equivalente com auxílio do ohmímetro (vista pelos terminais da fonte) e a corrente total do circuito (IT) anotando os resultados na tabela 2. Tabela 2. Medido Calculado IT (mA) Req () h) Calcule a resistência equivalente (utilize a transformação triângulo/estrela, por exemplo). De posse da resistência equivalente calculada, determine a corrente total do circuito (IT) (utilizando a Lei de Ohm) e anote o resultado obtido na tabela 2. i) Meça as correntes e a tensões indicadas no circuito e anote os valores na tabela 3. De posse dos valores de corrente, calcule os valores de tensão anotando na mesma tabela. EXPERIMENTO 4 – LEIS DE KIRCHHOFF Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA Tabela 3. Valor medido (mA) Valor medido (V) Valor calculado (V) IT VFONTE IR4 VR4 IR5 VR5 IR6 VR6 IR7 VR7 IR8 VR8 5. Questões 5.1. Usando os dados da tabela 1, demonstre a LCK (Lei das Correntes de Kirchhoff). 5.2. Comprove as Leis de Kirchhoff a partir dos dados medidos contidos na tabela 3. Para tanto, equacione as correntes nos nós (LKC) e as tensões nas malhas (LKT) 5.3. Utilizando a LEI DE OHM e a associação de resistores em paralelo, deduza a expressão do divisor de corrente encontrada na INFORMAÇÃO TEÓRICA. 5.4. Utilizando a LEI DE OHM e a associação de resistores em série, deduza a expressão do divisor de tensão encontrada na INFORMAÇÃO TEÓRICA. EXPERIMENTO 5 – RESISTORES VARIÁVEIS Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 1. Objetivos Medir a resistência de um potenciômetro; Conectar um potenciômetro como divisor de tensão e como reostato; Medir a resistência de um LDR; Verificar o funcionamento do LDR como um sensor de luz simples. 2. Equipamentos e Componentes 1 Multímetro Digital; 1 Proto Board; 1 Fonte de Tensão c.c.; Resistores: R1 = 10 k R2 = 100 k R3 = 1 k R4 = 100 R5 = 1 M 1 Potenciômetro: P1 = 100 k (linear); 1 LDR de 5 mm. 3. Informação Teórica Existem resistores que apresentam a possibilidade de variação de seu valor ôhmico, podendo ser classificados basicamente em dois grandes grupos. ResistoresAjustáveis; Resistores Variáveis. 3.1. Resistores Ajustáveis Seu valor de resistência pode ser ajustado dentro de uma determinada faixa. São usados em aplicações do tipo calibração: uma vez ajustado seu valor o resistor é selado. Podem ser de dois tipos: De fio para circuitos de corrente elevada; De carvão para circuitos de baixa corrente, podem ser divididos em: trimpots de 1 volta; e trimpots de multivoltas. A representação geral dos resistores ajustáveis é mostrada na figura 1. Figura 1. 3.2. Resistores Variáveis Seu valor de resistência pode ser variado dentro de uma determinada faixa. São usados em aplicações que exijam constantes variações de resistência, do tipo controle de volume de áudio, por exemplo. Podem ser divididos em dois tipos: De fio para circuitos de corrente elevada; De carvão para circuitos de baixa corrente, podendo ser de dois tipos: linear (sua resistência varia linearmente com o movimento do cursor); e logarítmico (sua resistência varia logaritmicamente com o movimento do cursor). A representação geral dos resistores variáveis é mostrada na figura 2. Figura 2. EXPERIMENTO 5 – RESISTORES VARIÁVEIS Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 3.3. Potenciômetro O potenciômetro (figura 3) é um resistor variável que apresenta três terminais (de forma semelhante aos resistores ajustáveis). Figura 3. (a) Potenciômetro (b) Estrutura física de um potenciômetro. Entre os dois extremos (A e C) mede-se uma resistência constante, em função da qual se especifica o potenciômetro (resistência máxima – “nominal”). Entre o terminal central, cursor móvel, e os extremos, obtêm-se resistências variáveis e proporcionais aos deslocamentos do cursor, terminal central, de tal forma que: R R R AC AB BC Quando se gira o cursor do potenciômetro (figura 4) tem-se duas situações possíveis: Figura 4. Resistência entre B e A aumenta. Resistência entre B e C diminui. Resistência entre B e A diminui. Resistência entre B e C aumenta. Para ambos os casos, RAC se mantém constante. EXPERIMENTO 5 – RESISTORES VARIÁVEIS Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 3.3.1. Divisor de tensão com potenciômetro O circuito da figura 5 mostra os terminais extremos do potenciômetro ligados a uma fonte de tensão. Figura 5. Ao se variar a posição do cursor RBC varia e, consequentemente, a tensão sobre ele. Com este circuito forma- se um divisor de tensão entre RAB e RBC, cuja tensão de saída é dada por: AC BC saida R RV V Deve-se observar que a tensão de saída depende diretamente da posição do cursor. 3.3.2. Potenciômetro como reostato (resistor variável com dois terminais) O potenciômetro pode também ser utilizado como um resistor variável de dois terminais, denominado de REOSTATO. Basta para isto que sejam curto-circuitados um dos dois terminais extremos e o terminal central, como mostra a figura 6. Figura 6. B A POT C Assim, RAB será sempre igual a zero e a resistência total do potenciômetro será agora RBC. Em função da posição do cursor o valor desta resistência poderá variar desde zero até seu valor nominal (resistência máxima). Esta configuração pode ser utilizada como divisor de tensão, juntamente com um resistor fixo, e como limitador de corrente. A figura 7 ilustra estas duas possibilidades. Figura 7 – Utilização do potenciômetro (reostato). Utilizado como divisor de tensão. Utilizado como limitador de corrente. EXPERIMENTO 5 – RESISTORES VARIÁVEIS Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 3.4. LDR (Resistor Dependente de Luz) O LDR (figura 8) é um elemento de circuito passivo do tipo resistor variável, no qual sua resistência varia a partir da luminosidade captada. Figura 8. LDR Simbologia O LDR é constituído de cádmio, um material semicondutor, que é disposto na superfície do componente. Esse material tem a propriedade de diminuir sua resistência quando a luminosidade sobre ele aumenta (luminosidade muita alta → resistência mínima, cerca de 100 ). Já quando está escuro ou a luminosidade é baixa, a sua resistência é aumentada (nenhuma luminosidade → resistência máxima, geralmente acima de 1 M). O LDR é muito utilizado nas chamadas fotocélulas que controlam o acendimento de poste de iluminação e luzes em prédios. De forma simples, um sensor de luz usa um LDR como parte de um divisor de tensão (figura 9). Figura 9. No circuito da figura 9, o "sensor de luz" entrega na saída uma tensão BAIXA quando o LDR está intensamente iluminado e uma tensão ALTA quando o LDR está na sombra. O circuito do divisor de tensão dá uma tensão de saída que se altera com a iluminação. O que aconteceria se a saída fosse tomada sobre o resistor R? 4. Prática 4.1. Medida de Resistência do Potenciômetro 1) Utilizando um multímetro digital e adotando a notação a seguir, meça as resistências do potenciômetro (figura 10) em função dos dados da tabela 1, anotando os resultados na mesma. Figura 10. A B C EXPERIMENTO 5 – RESISTORES VARIÁVEIS Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA Tabela 1. Posição do Cursor RAB (k) RBC (k ) RAC (k) RAC (k) Calculado em C entre B e C em B (centro) entre B e A em A 2) Utilizando os valores medidos de RAB e RBC em cada situação, calcule a resistência total do potenciômetro, utilizando a expressão existente na Informação Teórica. Anote os resultados na tabela 1. 4.2. Divisor de Tensão 1) Monte o circuito da figura 11. Figura 11. A 10V SAIDA C P 1 V B 2) Meça e anote os valores de tensão de saída do circuito para os valores de P1 existentes na tabela 2. Tabela 2. RBC (k) VSAIDA (V) Medido VSAIDA (V) Calculado 0 25 50 75 100 (máximo) 3) Calcule, utilizando a expressão fornecida na Informação Teórica, o valor da tensão de saída em cada valor de P1 existente na tabela 2. Anote os resultados na mesma. EXPERIMENTO 5 – RESISTORES VARIÁVEIS Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 4.3. O Potenciômetro como Reostato 1) Monte o circuito da figura 12. Figura 12. B P C 1 A 2) Preencha a tabela 3 medindo as resistências solicitadas. Tabela 3. Posição do Cursor RAB (k ) RBC (k ) RAC (k) em C entre B e C em B (centro) entre B e A em A 4.4. Limitador de Corrente 1) Monte o circuito da figura 13. Figura 13. A C 10V B R1 1P mA 2) Meça a corrente do circuito para os valores de P1 existentes na tabela 4, anotando os resultados na mesma. 3) Calcule o valor da corrente do circuito para cada valor de resistência da tabela 4, anotando os resultados na mesma. Tabela 4. RAC (k ) IT (mA) Medido IT (mA) Calculado 0 25 50 75 100 (máximo) EXPERIMENTO 5 – RESISTORES VARIÁVEIS Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 4.5. Medida de Resistência do LDR 1) Faça a medida da resistência elétrica do LDR conforme tabela 5 (sugestão: inicie o procedimento com o ajuste do ohmímetro na escala de 200 k). Tabela 5. Situação Resistência () medida Sob luz (iluminação do laboratório) Sob sombra (crie uma determinada área de sombra sobre o LDR) Completa escuridão (cubra totalmente o LDR) Observação: Se a leitura começar a "flutuar", procure obter uma média dos valores indicados para cada situação. 4.6. LDR como um Sensor de Luz Simples 1) Faça a montagem do circuito da figura 14 (sensor de luz). Figura 14. 2) Meça e anote os valores de tensão de saída do circuito para cada um dos resistores indicados, alternando a situação de iluminação sobre o LDR, conforme tabela 6. Você perceberá que alguns resistores, fornecerão leituras da tensão de saída muito diferentes, sob luz e sob sombra. Tabela 6. ResistoresTensão de saída (V) (Vsaída sob sombra) – (Vsaída sob luz) LDR sob luz (iluminação do laboratório) LDR sob sombra (crie uma determinada área de sombra sobre o LDR – padronize para as medições) R1 R2 R3 R4 R5 3) Na coluna final da tabela 6 determine a diferença entre as tensões de saída. Observe o maior e o menor valor encontrado. É de se esperar que o resistor utilizado que dê o melhor resultado no circuito sensor de luz tenha um valor aproximado que seja a “média” desses extremos. De fato, o divisor de tensão é mais sensível quando a resistência do resistor fixo é igual à resistência do LDR. EXPERIMENTO 5 – RESISTORES VARIÁVEIS Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 5. Questões 5.1. Observando os dados da tabela 1, responda: a) A resistência RAC variou durante a rotação do eixo do potenciômetro? Justifique. b) O que ocorre com RBC enquanto RAB aumenta? Explique. 5.2. Observando os dados da tabela 2, explique a razão pela qual a tensão de saída aumenta quando RBC aumenta. 5.3. Na tabela 4, como se comporta a corrente a medida que diminui RAC? Justifique este comportamento utilizando a LEI DE OHM. 5.4. Considerando o circuito da figura 14, responda: a) A tensão de saída é ALTA ou BAIXA, na “luz”? b) Que resistor utilizado fornece a maior alteração da tensão de saída entre as situações “claro” e “escuro”? c) Que resistor você usaria para fazer o seu sensor de luz ficar o mais sensível possível às alterações da iluminação? EXPERIMENTOS 6 E 7 – TEOREMAS DE THEVENIN E DE NORTON Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 1. Objetivos Comprovar o Teorema de Thevenin e o Teorema de Norton. 2. Equipamentos e Componentes 2 Fontes de Tensão c.c. (6 V e 12 V); 1 Multímetro Digital; 1 Proto Board; Resistores: R1 = 1,0 k R3 = 1,5 k R5 = 2,2 k R7 = 3,3 k (2 unid.) R2 = 1,2 k R4 = 1,8 k R6 = 2,7 k (2 unid.) R8 = 3,9 k 3. Informação Teórica O Teorema de Thevenin é usado para simplificar a análise de circuitos complexos, uma vez que os reduzem a uma associação série de uma fonte de tensão VTH (tensão de circuito aberto ao retirar a carga) e um resistor RTH. O teorema de Norton, assim como o de Thevenin, também procura reduzir circuitos complexos em simples. Entretanto, em vez de trocar a carga por um circuito aberto, trocar a mesma por um curto-circuito, ou seja, depois de utilizar o teorema de Norton o resultado será uma resistência (RN) em paralelo com uma fonte de corrente (IN). 3.1. Determinação de RTH = RN Por definição o valor da resistência de Norton RN é igual à resistência de Thevenin RTH . Assim, para o circuito da figura 1. Figura 1. Vcc R1 B R3 R2 A 31 31 2 RR RR RRR THN 3.2. Determinação da VTH A fonte de tensão equivalente de Thevenin (VTH) é o valor de tensão entre os terminais que se deseja determinar o equivalente, quando abertos. Esta tensão é determinada através dos métodos de análise de circuitos. No exemplo da figura 1 tem-se: 31 3 RR VR V CCTH Observação: Não há circulação de corrente por R2, devido a isto ele não interfere na determinação de VTH. O circuito equivalente (figura 2) fica então: Figura 2. EXPERIMENTOS 6 E 7 – TEOREMAS DE THEVENIN E DE NORTON Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 3.3. Determinação de IN Para determinar IN: 1) Faz-se um curto-circuito nos terminas A e B (figura 3); Figura 3. 2) Determina-se a corrente que passa por esse curto-circuito, mediante qualquer método de circuito (figura 4); Figura 4. 3) Substitui-se o circuito original por uma fonte de corrente (IN) em paralelo com a resistência de Norton (RN) (figura 5); Figura 5. 4. Prática 1) Monte o circuito da figura 6. Figura 6. A B 6 V 12 V EXPERIMENTOS 6 E 7 – TEOREMAS DE THEVENIN E DE NORTON Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 2) Meça a tensão e a corrente entre os pontos A e B do circuito original, utilizando como carga (RL) os valores existentes na tabela 1, anotando os valores na mesma. Tabela 1. Tensão (V) Corrente (mA) Carga ( ) R5 = RL R6 = RL R7 = RL 3) Com os terminais A e B em aberto, meça a tensão existente e determine VTH. Anote o resultado na tabela 2. 4) Calcule utilizando os métodos de análise de circuitos, a tensão de Thevenin, anotando o resultado na tabela 2. 5) Com os terminais A e B em curto, meça corrente existente e determine IN. Anote o resultado na tabela 2. 6) Calcule utilizando um método de análise de circuitos a corrente de Norton, anotando o resultado na tabela 2. 7) Apenas desligue as duas fontes e meça a resistência de Thevenin (RTH) = resistência de Norton (RN). Anote o resultado __________ (valor medido). 8) Substitua agora as fontes por curto-circuito (equivale tensão das fontes nulas) e meça a resistência de Thevenin (RTH) = resistência de Norton (RN). Anote o resultado na tabela 2. Observação: não faça um curto- circuito nas fontes, mas sim nos locais do circuito onde as fontes estavam inseridas. 9) Os valores medidos de resistência nos itens 7 e 8 são iguais? Justifique. 10) Calcule a resistência equivalente de Thevenin e anote na tabela 2. Tabela 2. VTH (V) IN (mA) RTH = RN ( ) Medido Calculado 11) Inverta a polaridade da fonte de 6 V e refaça os itens 3, 5 e 8, anotando os valores medidos na tabela 3. O que você pode concluir comparando os respectivos resultados (tabelas 2 e 3)? Tabela 3. VTH (V) IN (mA) RTH = RN ( ) Medido 5. Questões 5.1. Simule em programa computacional o circuito equivalente de Thevenin (tabela 2) utilizando uma fonte de tensão (como VTH) e um resistor (como RTH). Meça a tensão e a corrente entre os pontos A e B do circuito equivalente, utilizando como carga (RL) os valores existentes na tabela 1. Anote os resultados e compare com os valores medidos (tabela 1). 5.2. Simule em programa computacional o circuito equivalente de Norton (tabela 2) utilizando uma fonte de corrente (como IN) e um resistor (como RN). Meça a tensão e a corrente entre os pontos A e B do circuito equivalente, utilizando como carga os valores existentes na tabela 1. Anote os resultados e compare com os valores medidos (tabela 1). 5.3. Durante a montagem do circuito, por um “pequeno” equívoco você inseriu no local do resistor R1 o resistor R8 e vice-versa. Neste caso, o que acontecerá com os valores VTH , IN e RTH = RN? EXPERIMENTO 8 – TEOREMA DA SUPERPOSIÇÃO Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 1. Objetivos Comprovar o Teorema da Superposição. 2. Equipamentos e Componentes 2 Fontes de Tensão c.c. (8 V e 12 V); 1 Multímetro Digital; 1 Proto Board; Resistores: R1 = 1,2 k R2 = 2,7 k R3 = 3,9 k R4 = 6,8 k R5 = 3,3 k 3. Informação Teórica A superposição é uma propriedade dos circuitos lineares com mais de uma fonte que nos permite calcular tensões e correntes em qualquer ponto do circuito aplicando uma fonte de cada vez, observando os resultados de cada aplicação e somando-os (algebricamente) para obter o resultado final. Deve-se compreender com profundidade o significado de aplicar uma fonte de cada vez, pois feito isto, as demais fontes devem ser anuladas (fontes de tensão, substituídas por um curto-circuito e fontes de corrente substituídas por um circuito aberto). No circuito da figura 1 têm-se duas fontes de tensão V1 e V2 e deseja-se determinar a tensão sobre R1. Figura 1. 1 V 1Ra R2 b 2 V 3R a) Efeito de V1 sobre R1 Substituindo V2 por um curto-circuito tem-se o circuito da figura 2. Figura 2. b 1 a V I1 1R RR2 3 V V R R R R R1 1 1 2 3 1 / / b) Efeito de V2 sobre R1 Substituindo V1 por um curto circuito tem-se o circuito da figura 3. Figura 3. a Rb I 1 1 R2 3R V 2 )//( // 21 213 2 1 RR RRR V VR c) A tensão total sobre R1 será, a soma algébrica dos valores de VR1 impostos pelas fontes V1 e V2. EXPERIMENTO 8 – TEOREMA DA SUPERPOSIÇÃO Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA VR1Total = Efeito de V1 + ( – Efeito de V2) Assim os efeitos são subtraídos em função de que a circulação de corrente provocada por V1 tem sentido contrário à provocada por V2. 4. Prática 1) Monte o circuito da figura 4. Figura 4. 2) Usando R5 como carga (entre os pontos A e B) e com as fontes de 8 e 12 V conectadas (circuito energizado), meça e anote (tabela 1) a tensão e a corrente em R5. 3) Aplique o Teorema da Superposição substituindo ora a fonte de 8 V ora a fonte de 12 V por um curto- circuito e meça a tensão e a corrente em R5 para ambos os casos. Anote os resultados na tabela 1. Observação: não faça um curto-circuito nas fontes, mas sim nos locais do circuito onde as fontes estavam inseridas. Tabela 1. MEDIDOS 8 V (12 V → 0) 12 V (8 V → 0) 8 V e 12 V VR5 (V) IR5 (mA) 4) Calcule as tensões e correntes de R5 devidas às fontes de 8 e 12 V e a tensão e corrente total sobre R5. Anote os resultados obtidos na tabela 2. Tabela 2. CALCULADOS 8 V (12 V → 0) 12 V (8 V → 0) 8 V e 12 V VR5 (V) IR5 (mA) 5) Inverta a polaridade da fonte de tensão de 12 V e refaça os itens 2 e 3, anotando os valores medidos na tabela 3. O que você observa com esta mudança? Tabela 3. MEDIDOS 8 V (12 V → 0) 12 V (8 V → 0) 8 V e 12 V VR5 (V) IR5 (mA) 8 V 12 V EXPERIMENTO 9 – GERADORES ELÉTRICOS E MÁXIMA TRANSFERÊNCIA DE POTÊNCIA Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 1. Objetivos Determinar, experimentalmente, a resistência interna, a força eletromotriz e a corrente de curto circuito de um gerador; Levantar a curva característica da potência de um gerador; Verificar, experimentalmente, os parâmetros onde a potência transferida pelo gerador é máxima. 2. Equipamentos e Componentes 1 Multímetro Digital; 1 Proto Board; 1 Fonte de Tensão c.c.; Resistor: 100 (Rx); Conjunto de resistores (simulação da década resistiva). 3. Informação Teórica Geradores elétricos são dispositivos que mantêm entre seus terminais uma diferença de potencial, obtida a partir de uma conversão de outro tipo de energia em energia elétrica. Essa conversão pode ser de várias formas, destacando-se os geradores que transformam energia mecânica, química ou térmica em energia elétrica denominados, respectivamente, de geradores eletromecânicos, eletroquímicos e eletrotérmicos. Como exemplo, tem-se: a) eletroquímicos - pilhas e baterias, que a partir de uma reação química, separam as cargas elétricas positivas das negativas, provocando o aparecimento de uma tensão elétrica entre dois terminais denominados pólos. b) eletromecânicos - os dínamos e os alternadores, que a partir de um movimento mecânico geram respectivamente energia elétrica contínua e alternada. c) termoelétricos - o par-termoelétrico onde dois metais diferentes recebem calor e proporcionalmente geram uma tensão entre seus terminais. Um gerador elétrico, alimentando uma carga, deve fornecer tensão e corrente que esta exigir. Portanto, na realidade, o gerador fornece tensão e corrente. O gerador ideal é aquele que fornece uma tensão constante, denominada de Força Eletromotriz (E), qualquer que seja a corrente exigida pela carga. Seu símbolo e sua curva característica, tensão em função da corrente, são mostrados na figura 1. Figura 1 - (a) Gerador ideal e (b) Curva característica de um gerador ideal. O gerador real irá perder energia internamente e, portanto, a tensão de saída não será constante, sendo atenuada com o aumento da corrente exigida pela carga. Pode-se representar essa perda por uma resistência interna (r), e consequentemente, o gerador como um gerador ideal em série com esta resistência, conforme mostra a figura 2. EXPERIMENTO 9 – GERADORES ELÉTRICOS E MÁXIMA TRANSFERÊNCIA DE POTÊNCIA Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA Figura 2 - Gerador real. Do circuito equivalente do gerador real, observa-se que a resistência interna causa uma queda da tensão de saída, quando este estiver alimentando uma carga. Essa situação é mostrada na figura 3. Figura 3 - Gerador real alimentando uma carga. Assim, E = Vr + V, onde: Vr= rI e V = RLI. Logo, a equação do gerador real é dada por: V = E – rI, dela obtém- se a curva característica do gerador real, que é vista na figura 4. Figura 4 - Característica de um gerador real. Pela curva, nota-se que ao aumentar o valor da corrente, a tensão diminui e quando esta atingir o valor zero, tem-se um valor de corrente que é denominada de corrente de curto circuito (Icc), pois nessas condições o gerador encontra-se curto-circuitado. A característica completa é mostrada na figura 5. Figura 5 - Característica completa de um gerador real. Na condição de curto circuito, tem-se que: V = E – rI; 0 = E - rIcc; Icc=E/r A corrente de curto circuito bem como a resistência interna do gerador, devem ser obtidas experimentalmente, ou seja, levantando-se a curva característica do gerador e extraindo-se desta, esses dois parâmetros, conforme mostrado na figura 6, ou seja: r = tg = V/I e Icc=E/r 0 V I E Icc EXPERIMENTO 9 – GERADORES ELÉTRICOS E MÁXIMA TRANSFERÊNCIA DE POTÊNCIA Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA Figura 6 - Curva característica de um gerador real. As perdas internas de um gerador real fazem com que a tensão de saída diminua de valor com o aumento do consumo de corrente. Analisando em termos de potência, pode-se dizer que a potência útil ou aproveitável na saída é gerada com exclusão da potência perdida internamente, ou seja: Pu = Pg - Pp, onde: Pu = VI (potência útil) Pg = EI (potência gerada) Pp = rI2 (potência perdida) Portanto, pode-se escrever que a potência transferida (útil) pelo gerador é: Pu = EI – rI2 e o rendimento como sendo a relação entre a potência útil e a potência gerada: = Pu/Pg = VI/EI = V/E Nota-se que, a equação da potência útil, representa uma função do segundo grau, onde E e r são parâmetros constantes, sendo a potência e a corrente variáveis em função da carga. Levantando-se esta característica, tem-se uma parábola vista na figura 7. Figura 7 - Característica da potência útil de um gerador. Como Pu = EI – rI2 = I(E – rI), então Pu = 0 quando I = 0 ou quando E – rI = 0. Da segunda condição resulta: I = E/r = Icc (corrente de curto circuito). Sendo a parábola uma figura simétrica, conclui-se que a potência será máxima quando a corrente for igual à metade do valor da corrente de curto circuito, isto é, I0 = Icc/2 = E/2r Para determinar a potência máxima, basta substituir na equação da potência útil o valor de I por I0, ou seja: Pumax = E (E/2r) – r (E/2r)2 = E2 /2r – E2/4r = E2/4r Substituindo na equação do gerador o valor da corrente por I0, obtém-se a tensão relativa a esse ponto de máxima potência, V0 = E – r I0 , V0 = E – r E/2r = E / 2 Portanto estando o gerador na condição de máxima potência, a tensão de saída será V0 = E/2 e a corrente I0 = E/2r. Através desses parâmetros pode-se estabelecer o valor da carga. EXPERIMENTO 9 – GERADORES ELÉTRICOS E MÁXIMA TRANSFERÊNCIA DE POTÊNCIA Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA RL = V0/I0; RL = (E/2)/(E/2r); RL = r Onde se conclui que, para extrair a máxima transferência de potência de um gerador, a carga deve ter um valor igual ao da resistência interna deste. Nestas condições, o rendimento do gerador será: = Pu/Pg = V0/E = (E/2)/E = 0,5 4. Prática 1) Monte o circuito da figura 8. Aplique a tensão de 5 V. Figura 8. Observações: a. O resistor Rx (100 ) está simulandoa resistência interna do gerador, pois uma fonte estabilizada, dentro de uma faixa de corrente, comporta-se como um gerador ideal. b. A década resistiva (carga) será simulada utilizando o conjunto de resistores (associações ou não). 2) Meça a tensão entre os pontos A e B com a década desconectada. Anote na tabela 1. Tabela 1. E (V) 3) Ajuste a resistência da década de acordo com a tabela 2. Meça e anote para cada valor, a tensão e a corrente na carga. Tabela 2. R () 1000 600 1200// 1200 500 1000// 1000 400 300 200 100 60 50 100// 100 40 30 20 10 0 V (V) I (mA) Pu(mW) % 5. Questões 5.1. Com os dados obtidos na tabela 2, construa a curva característica do gerador V = f(I). 5.2. Determine a resistência interna e a corrente de curto circuito através da curva do item 5.1. 5.3. Escreva a equação do gerador. 5.4. Calcule a potência útil e o rendimento do gerador para cada valor de resistência ajustada na década, completando o preenchimento da tabela 2. 5.5. Com os dados obtidos (no item 5.4), levante a curva da potência útil em função da corrente Pu = f(I). 5.6. Determine, graficamente, a potência útil máxima transferida pelo gerador e a corrente de curto circuito. 5.7. Determine o valor da resistência de carga, da tensão do gerador, da corrente e o rendimento para máxima transferência de potência do gerador. EXPERIMENTO 10 – CAPACITORES Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA Dielétrico Placa Condutora B Placa Condutora A 1. Objetivos Reconhecer os principais tipos de capacitores; Ler o valor nominal dos capacitores através de códigos; Medir o valor “real” dos capacitores através do capacímetro; Ser capaz de determinar a capacitância equivalente de uma associação de capacitores. 2. Equipamentos e Componentes 1 Multímetro Digital; 1 Proto Board; 12 capacitores (diversos). 3. Informação Teórica 3.1. Capacitor É um dispositivo elétrico que tem por finalidade armazenar energia em seu campo elétrico. É formado por duas placas condutoras de metal (também denominadas de armaduras), separadas por um material isolante chamado dielétrico. Ligados a estas placas condutoras estão os terminais para conexão com outros componentes (figura 1). Figura 1 - Capacitor (estrutura e símbolo). (a) Estrutura (b) Símbolos 3.2. Tipos de capacitores Na prática encontra-se vários tipos de capacitores, com aplicações específicas, dependendo dos aspectos construtivos, tais como, material utilizado como dielétrico, tipo de armaduras e encapsulamento. Dentre os diversos tipos, destacam-se: Capacitores Plásticos (poliestireno, poliéster): Consistem em duas folhas de alumínio separadas pelo dielétrico de material plástico. Os terminais são ligados às folhas de alumínio e o conjunto é bobinado e encapsulado, formando um sistema compacto. Uma outra técnica construtiva é a de vaporizar alumínio em ambas as faces do dielétrico, formando o capacitor. Essa técnica é denominada de metalização e traz como vantagem, maior capacidade em comparação com os de mesmas dimensões dos não metalizados. A tabela 1 mostra como interpretar o código de cores (leitura das especificações) dos capacitores desse tipo. EXPERIMENTO 10 – CAPACITORES Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA Tabela 1. No capacitor "A" (figura 2), as 3 primeiras cores são, laranja, laranja e laranja, correspondem a 33000 pF (Picofarad = x10-12 F), equivalendo a 33 nF (Nanofarad = x10-9 F). A cor branca, logo adiante, é referente a 10% de tolerância e o vermelho, representa a tensão, que é de 250 volts. O capacitor “B” é de 10 nF 10% e 250 volts. Figura 2. Exemplos de capacitores de poliéster metalizado (código de cores). Outra codificação que atualmente está sendo adotada é apresentada na tabela 2. Capacitores Eletrolíticos de Alumínio: Consistem em uma folha de alumínio anodizada como armadura positiva, onde por um processo eletrolítico, forma-se uma camada de óxido de alumínio que serve como dielétrico, e um fluido condutor, o eletrólito, que impregnado em um papel poroso, é colocado em contato com outra folha de alumínio ou de zinco, de maneira a formar a armadura negativa. O conjunto é bobinado, sendo a folha de alumínio anodizada ligada ao terminal positivo e a outra ligada ao terminal negativo. Constituem tipo muito especial de capacitores. Geralmente se apresentam em forma tubular metálica de alumínio, onde se coloca uma espiral de folha de alumínio e enche-se o cilindro com uma solução altamente oxidante (por exemplo, composto de boro - “Bórax”). Pela ação eletroquímica o alumínio fica coberto por uma finíssima camada de óxido de alumínio que é ótimo isolante e forma o dielétrico. A figura 3 ilustra na prática as reações químicas envolvidas. Figura 3. O oxigênio do Bórax oxida as placas de Zinco e de Alumínio e forma-se o óxido de Alumínio, que é muito isolante-Película de Al2 O3 (Óxido de Al). O zinco não tem finalidade capacitiva; serve, apenas, como elemento condutor. EXPERIMENTO 10 – CAPACITORES Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA Os capacitores eletrolíticos (figura 4) por apresentarem o dielétrico como uma fina camada de óxido de alumínio e em uma das armaduras um fluído, constituem uma série de altos valores de capacitância, mas com valores limitados de tensão de isolação e terminais polarizados. Figura 4. Exemplos de capacitores eletrolíticos. A leitura das especificações desse tipo de capacitor é fácil: A tensão máxima de operação, a capacitância e a temperatura de trabalho estão escritas no invólucro do componente! Cuidado: Ao montar um circuito c.c. com esse tipo de capacitor, nunca inverta a polaridade marcada no componente. Faça sempre: “positivo no positivo” e “negativo no negativo”! (figura 5). Figura 5. Capacitores Cerâmicos: Apresentam como dielétrico um material cerâmico que é revestido por uma camada de tinta, que contém elemento condutor formando as armaduras. O conjunto recebe um revestimento isolante. Geralmente, os capacitores cerâmicos são de baixa capacidade e frequentemente são utilizados em aparelhos de som, TV., etc. A figura 6 exemplifica alguns capacitores cerâmicos e seus códigos. Figura 6. Código 1 Código 2 Com relação a leitura das especificações, para o Código 1, a tabela 2 indica que o valor do capacitor, "A", é de 3300 pF (Picofarad = x10-12 F); ou 3,3 nF (Nanofarad = x10-9 F); ou 0,0033 µF (Microfarad = x 10-6 F). No capacitor "B", onde se lê 104, o valor é de 100000 pF; ou 100 nF; ou 0,1µF. Da tabela 2, o valor do capacitor "C" (Código 2) é de 3300 pF; ou 3,3 nF; ou 0,0033 µF. Por sua vez, o valor do capacitor "D" é de 22000 pF; ou 22 nF; ou 0,022 µF. EXPERIMENTO 10 – CAPACITORES Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA Tabela 2. Códigos capacitores cerâmicos e plásticos. Código Valor 1 2 3 4 Microfarad Nanofarad Picofarad 0,5 p5 0,0000005 0,0005 0,5 1 1p0 0,000001 0,001 1 1,2 1p2 0,0000012 0,0012 1,2 1,5 1p5 0,0000015 0,0015 1,5 1,8 1p8 0,0000018 0,0018 1,8 2,2 2p2 0,0000022 0,0022 2,2 2,7 2p7 0,0000027 0,0027 2,7 3,3 3p3 0,0000033 0,0033 3,3 3,9 3p9 0,0000039 0,0039 3,9 4,7 4p7 0,0000047 0,0047 4,7 5,6 5p6 0,0000056 0,0056 5,6 6,8 6p8 0,0000068 0,0068 6,8 8,2 8p2 0,0000082 0,0082 8,2 10 10 0,00001 0,01 10 12 12 0,000012 0,012 12 15 15 0,000015 0,015 15 18 18 0,000018 0,018 18 22 22 0,000022 0,022 22 27 27 0,000027 0,027 27 33 33 0,000033 0,033 33 39 39 0,000039 0,039 39 47 47 0,000047 0,047 47 56 56 0,000056 0,056 56 68 68 0,000068 0,068 68 82 82 0,000082 0,082 82 101 n10 0,0001 0,1 100 121 n12 0,000120,12 120 151 n15 0,00015 0,15 150 181 n18 0,00018 0,18 180 221 n22 0,00022 0,22 220 271 n27 0,00027 0,27 270 331 n33 0,00033 0,33 330 391 n39 0,00039 0,39 390 471 n47 0,00047 0,47 470 561 n56 0,00056 0,56 560 681 n68 0,00068 0,68 680 821 n82 0,00082 0,82 820 102 1n .001 0,001 1 1000 122 1n2 .0012 0,0012 1,2 1200 152 1n5 .0015 0,0015 1,5 1500 182 1n8 .0018 0,0018 1,8 1800 222 2n2 .0022 0,0022 2,2 2200 272 2n7 .0027 0,0027 2,7 2700 332 3n3 .0033 0,0033 3,3 3300 EXPERIMENTO 10 – CAPACITORES Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA Tabela 2. Códigos capacitores cerâmicos. Código Valor 1 2 3 4 Microfarad Nanofarad Picofarad 392 3n9 .0039 0,0039 3,9 3900 472 4n7 .0047 0,0047 4,7 4700 562 5n6 .0056 0,0056 5,6 5600 682 6n8 .0068 0,0068 6,8 6800 822 8n2 .0082 0,0082 8,2 8200 103 10n .01 u01 0,01 10 10000 123 12n .012 u012 0,012 12 12000 153 15n .015 u015 0,015 15 15000 183 18n .018 u018 0,018 18 18000 223 22n .022 u022 0,022 22 22000 273 27n .027 u027 0,027 27 27000 333 33n .033 u033 0,033 33 33000 393 39n .039 u039 0,039 39 39000 473 47n .047 u047 0,047 47 47000 563 56n .056 u056 0,056 56 56000 683 68n .068 u068 0,068 68 68000 823 82n .082 u082 0,082 82 82000 104 100n .1 u1 0,1 100 100000 124 120n .12 u12 0,12 120 120000 154 150n .15 u15 0,15 150 150000 184 180n .18 u18 0,18 180 180000 224 220n .22 u22 0,22 220 220000 274 270n .27 u27 0,27 270 270000 334 330n .33 u33 0,33 330 330000 394 390n .39 u39 0,39 390 390000 474 470n .47 u47 0,47 470 470000 564 560n .56 u56 0,56 560 560000 684 680n .68 u68 0,68 680 680000 824 820n .82 u82 0,82 820 820000 105 1 1 1u 1 1000 1000000 Alguns fabricantes fazem capacitores com valores impressos como os apresentados na figura 7. Figura 7 Da figura 7, nota-se o aparecimento de uma letra maiúscula ao lado dos números. Esta letra refere-se à tolerância do capacitor, ou seja, o quanto que o capacitor pode variar de seu valor em uma temperatura padrão de 25° C. Os códigos B, C, D e F são usados para capacitores de valor nominal até 10 pF e as outras letras para capacitores acima de 10 pF. Por exemplo, a letra "J" significa que este capacitor pode variar até 5% de seu valor, a letra "K" = 10% ou "M" = 20%. A tabela 3 mostra os referidos códigos de tolerâncias de capacitância. EXPERIMENTO 10 – CAPACITORES Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA Tabela 3. Até 10 pF Código Acima de 10 pF 0,1 pF B 0,25 pF C 0,5 pF D 1,0 pF F 1% G 2% H 3% J 5% K 10% M 20% S +50% -20% Z +80% -20% ou +100% -20% P +100% -0% Outro aspecto importante é o Coeficiente de Temperatura "TC", o qual define a variação da capacitância dentro de uma determinada faixa de temperatura. Uma forma de representar os coeficientes de temperatura (sequências de letras e números) é apresenta na figura 8. Tal simbologia é comumente usada em capacitores que se diferenciam pela alta capacitância por unidade de volume (dimensões reduzidas) devido à alta constante dielétrica. São recomendados para aplicação em desacoplamentos, acoplamentos e supressão de interferências em baixas tensões. Figura 8. Para um capacitor Z5U, a faixa de operação é de +10°C que significa "Temperatura Mínima" e +85°C que significa "Temperatura Máxima" e uma variação de "Máxima de capacitância", dentro desses limites de temperatura, que não ultrapassa -56%, +22%. Veja as tabelas 4 a 6 para compreender este exemplo e entender outros coeficientes. Tabela 4. Temperatura Mínima X -55°C Y -30°C Z +10°C Tabela 5. Temperatura Máxima 2 +45°C 4 +65°C 5 +85°C 6 +105°C 7 +125°C Tabela 6 Variação Máxima de Capacitância A 1.0% B 1.5% C 2.2% D 3.3% E 4.7% F 7.5% P 10% R 15% S 22% T -33%, +22% U -56%, +22% V -82%, +22% EXPERIMENTO 10 – CAPACITORES Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 3.3. Equação Geral da Capacitância Capacitância é a habilidade que o capacitor apresenta de armazenar energia na forma de um campo elétrico e é igual à quantidade de carga elétrica que pode ser armazenada num capacitor, dividida pela tensão aplicada às placas. Quando se aplica uma tensão de 1 Volt (V) e o capacitor armazenar 1 Coulomb (C), tem- se, então, uma capacitância de 1 Farad (F). A capacitância de um capacitor depende da área das placas condutoras, da distância entre as mesmas e da constante dielétrica () do material isolante. Assim, para capacitores de placas paralelas, tem-se: onde A é a área de uma das placas, d é a distância entre placas e o é a constante dielétrica do ar ou vácuo, igual a 8,85 x 10 -12 (F/ m) (figura 9). Figura 9. Devido as dificuldades construtivas para a maioria dos capacitores, 1 Farad é uma unidade muito grande para indicar a sua capacidade. Por isso tornou-se conveniente a utilização de submúltiplos como o microfarad (F), que é igual a um milionésimo de farad (10 -6 F), o nanofarad (nF), que é igual a 1 bilionésimo de farad (10 -9 F) e picofarad (pF), que é igual a um milionésimo de microfarad (10 -6 F). A maioria dos capacitores pode ser ligada aos circuitos elétricos sem se dar importância à polaridade. Os capacitores eletrolíticos e certos capacitores cerâmicos devem ter as suas polaridades respeitadas (aplicação c.c.). Além do valor da capacitância, é preciso especificar o valor limite da tensão a ser aplicada entre seus terminais. Esse valor é denominado tensão de isolação e varia conforme o tipo de capacitor. 3.4. Armazenamento de Energia A energia armazenada em um capacitor é dada pela seguinte equação: onde WA é a energia armazenada dada em Joules, C é a capacitância nominal do capacitor e V é a tensão nominal aplicada em seus terminais. As figuras 10 e 11 ilustram a energia armazenada na forma de Campo Elétrico. É importante lembrar, que numa associação de capacitores em paralelo a energia armazenada aumenta. C = Q/VAB C = A/d WA = ½ CV2 EXPERIMENTO 10 – CAPACITORES Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA Figura 10 - Capacitor carregado (energia armazenada). Figura 11 - Associação de capacitores (mais energia armazenada). 4. Prática 4.1. Faça a leitura de cada capacitor e anote na tabela 7 o tipo, o valor nominal, o valor medido, a tolerância, a tensão nominal e a temperatura máxima de trabalho (estas últimas informações, se disponível). Tabela 7. Capacitor Código Tipo Valor Nominal Valor Medido Tolerância Tensão Nominal Temperatura Máxima C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12 4.2. Escola e associe em série, e depois em paralelo, dois capacitores de mesmo tipo. Faça as leituras das capacitâncias equivalentes e anote na tabela 8. Nesta mesma tabela anote os valores das capacitâncias equivalentes calculadas. Considerando que as associações são submetidas a tensão V, qual armazenará menor quantidade de energia? Tabela 8. Capacitores selecionados Capacitância equivalente (medição) Capacitância equivalente (calculado) série paralela série paralela EXPERIMENTO 10 – CAPACITORES Laboratório de Circuitos Elétricos I (2017/2) – FEEB/UFPA 5. Questões 5.1. Determine a sequência de cores para os capacitores de poliéster abaixo: a) 4,7 nF, 20%, 630V – b) 39 nF, 10%, 400V – c) 10 nF, 20%, 250V – d) 1,2 µF, 10%, 400V – e) 330 pF, 20%, 250V – 5.2. Dê três funções que os capacitores podem desempenhar num circuito. 5.3.
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