DESAFIOS ENIAC - RESPONDIDO

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DESAFIOS ENIAC
ASSUNTO 1
A fonte senoidal tem papel fundamental em circuitos elétricos, especialmente a tensão alternada senoidal que é gerada nas usinas de energia elétrica no mundo inteiro.
Você está participando de um curso intensivo de engenharia elétrica/eletrônica, no qual estão sendo estudados circuitos elétricos (com resistores, capacitores e indutores) de CA alimentados com essas fontes senoidais. Quando um circuito é puramente capacitivo, a corrente é adiantada de 90º em relação à tensão (ou seja, o pico de corrente ocorre antes do pico de tensão). Já em circuito puramente indutivo, a corrente é atrasada de 90º em relação à tensão.
Sua turma foi desafiada a identificar quando uma função está adiantada ou atrasada em relação a outra. Para isso, você deve encontrar o ângulo de fase, Ø. Por exemplo, examine as duas senoides a seguir:
v1(t) = Vm sen(wt) e v2(t) = Vm sen(wt + Ø)
Observe que v2 está adiantada em relação a v1 em Ø, ou que v1 está atrasada em relação a v2 em Ø.
Sabendo-se dessa informação, calcule o ângulo de fase entre as funções v1(t) = -10 cos(wt + 50o) e v2(t) = 12 sen(wt - 10o).
Identifique qual senoide está avançada em relação a outra.
PADRÃO DE RESPOSTA ESPERADO
Para poder comparar v1 com v2, inicialmente, devemos expressá-la da mesma forma. Se expressarmos em termos de cosseno com amplitudes positivas, obtemos:
v1(t) = -10 cos(wt + 50o) = 10 cos(wt + 50o - 180o)
v1(t) = 10 cos(wt - 130o) = 10 cos(wt + 230o) [1]
v2(t) = 12 sen(wt - 10o) = 12 cos(wt - 10o - 90o)
v2(t) = 12 cos(wt - 100o) = 12 cos(wt + 260o) [2]
Podemos deduzir de [1] e [2] que a fase Ø = 260o - 230o = 30o, logo, v2 está avançada em relação a v1 em 30o.
ASSUNTO 2
Hoje em dia, os semicondutores são utilizados em diversas aplicações na indústria. Mas quando se trata da indústria eletrônica, ele é um material de suma importância e os dispositivos semicondutores são utilizados nos mais diversos tipos de circuitos. A partir dos semicondutores tipo – P e tipo – N, nesse material, são construídos diversos dispositivos com aplicações essenciais na indústria. Como exemplo, há os dispositivos utilizados na maioria dos sistemas eletrônicos, entre eles os diodos, os diodos emissores de luz (LED), os transistores, as células fotovoltaicas, os circuitos Integrados, entre outros.
Você é o responsável pela compra, instalação e bom funcionamento dos equipamentos eletrônicos de uma grande empresa de telecomunicações. Estão sendo feitos testes em alguns novos equipamentos de transmissão e, para poder demonstrar que os equipamentos funcionam sem falhas em qualquer ambiente, o diretor da empresa resolveu apresentar o aparato para importantes clientes, em campo aberto, onde não há energia elétrica. Como o equipamento também funciona com bateria de 12 Volts, você teve a idéia de ligá-lo em uma bateria de carro, uma vez que se trata de uma apresentação muito importante e não pode acontecer imprevistos, tais como ligar a alimentação do equipamento nas polaridades invertidas da bateria e queimá-lo.
Para garantir que o equipamento não seja danificado devido à ligação invertida da bateria, você pode utilizar um componente semicondutor. Diante da situação exposta, indique:
a) Qual componente semicondutor deve ser utilizado nessa situação? Justifique.
b) Como deve ser ligado o componente na bateria para que o equipamento não seja danificado devido à ligação invertida?
PADRÃO DE RESPOSTA ESPERADO
​​​​​​​a) Como o diodo é o componente semicondutor que deixa passar a corrente elétrica em apenas um sentido (sentido direto), bloqueando totalmente a passagem da corrente elétrica no sentido contrário, é ele o componente que deve ser utilizado, pois, se conectado o equipamento de maneira invertida na bateria, o diodo não deixará passar a corrente no inverso (sentido contrário).
b) O diodo deve ser ligado com seu conector positivo (catodo) no positivo da bateria e com o lado negativo (anodo) na alimentação do equipamento, como demonstrado na figura a seguir.
ASSUNTO 3
Se você observar os dispositivos eletrônicos que fazem parte da sua rotina diária, como computadores, smartphones e tablets, verá que boa parte deles faz uso de tensão contínua (DC) para a sua alimentação. Entretanto, se você também observar atentamente, verá que a rede elétrica disponível na sua casa possui uma característica alternada (AC).
Você, enquanto eletricista, sabe que o processo de retificação da tensão, ou seja, a transformação do sinal alternado em uma tensão contínua, é baseado no emprego de diodos retificadores, cuja junção PN é um elemento primordial.
A partir dessas informações, você deve dizer quais são as formas de onda que melhor representam as tensões da fonte (V), diodo (VD) e resistor (VR) do circuito apresentado.
PADRÃO DE RESPOSTA ESPERADO
O comportamento da tensão de entrada do circuito (V) tem uma caraterística senoidal, sendo assim, possui amplitudes positivas e negativas, dependendo do instante de tempo da análise. Baseado nesse comportamento da fonte de entrada, a junção PN do diodo retificador será polarizada direta ou reversamente, e isso vai depender do instante de tempo da análise.
Durante o semiciclo positivo da tensão da fonte (tensão maior ou igual à tensão de barreira do diodo), o diodo é polarizado diretamente. Nessa condição, o ele está conduzindo, isto é, se comportando muito próximo de um curto circuito, sendo assim, sua tensão tende a ser constante e com amplitude igual à tensão de barreira da junção PN. Por conta dessa condução sobre o diodo, e pela característica serial do circuito, a corrente elétrica também circula sobre o resistor, provocando, assim, a presença de uma tensão sobre o dispositivo.
Durante o semiciclo negativo (tensão da fonte menor que a tensão de barreira), o diodo fica polarizado reversamente, isto é, o dispositivo se comporta como um elemento isolante. Nessa condição, toda a tensão da fonte de entrada é aplicada sobre os terminais do diodo. Como em polarização reversa não existe corrente elétrica expressiva circulando através do diodo, também não há corrente elétrica sobre o resistor, o que provoca uma tensão nula sobre o ele.
ASSUNTO 4
No mercado dos componentes eletrônicos existem diversas soluções para a estabilização de tensões contínuas, mas, o que todas essas soluções têm em comum é a utilização do diodo Zener como componente principal.
Em uma indústria é necessária a ligação de um motor de corrente contínua de 5V e 330mA para um sistema de automação. Porém, a alimentação da corrente contínua (CC) disponível no local é de 12 volts.
Foi conferido a você criar um circuito utilizando o diodo Zener. Projete um circuito que além de fornecer os 5 volts para o motor, também garanta a segurança do circuito com a limitação de corrente para que o diodo não seja danificado.
PADRÃO DE RESPOSTA ESPERADO
Primeiramente, é necessária a configuração do circuito, a qual será similar ao apresentado a seguir:
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Sendo assim, é necessário definir a corrente total do circuito para poder definir o valor de R1.
Avaliando o datasheet do Zener 1N4733A é possível determinar a sua corrente máxima como sendo de 255mA. Sabendo que a corrente drenada pelo motor CC é de 330mA, a corrente total do circuito pode ser definida como sendo:​​​​​​​
{I} rsub {T} =330m+255m =585 mA
Como a diferença de potencial em R1 é igual a diferença entre a tensão da fonte e a tensão Zener, pode ser determinado um valor mínimo de resistência:
{R} rsub {1} = {12-5} over {{585x10} ^ {-3}} =12 Ω
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ASSUNTO 5
Em uma indústria, o controlador PID instalado junto a um sistema de controle de temperatura, parou de funcionar.
Você foi chamado para o avaliar e percebeu que o problema estava na fonte de alimentação, a qual precisaria ser substituída. Você notou que é possível a reutilização do transformador, o qual tem relação de 5:1, pois mediante a testes averiguou que ele não foi afetado, porém, o restante do circuito deverá ser refeito e os componentes substituídos.
O controlador PID é analógico e utiliza amplificadores operacionais com alimentaçãode ±5V.
Sabendo que a tensão da localidade é igual a 127 volts, crie um projeto com diodos, capacitores e reguladores de tensão, de forma a atender a essa situação. Considere que a carga a ser alimentada pode ser de até 500mA.
PADRÃO DE RESPOSTA ESPERADO
Primeiramente, é necessário saber qual é a tensão no secundário do transformador, a qual pode ser obtida conforme abaixo:
ASSUNTO 6
O interruptor da figura está na posição mostrada por um longo tempo.
No instante t=0s ele é trocado para a posição b. Qual é a carga sobre o capacitor e a corrente I através do resistor?
a) imediatamente após o interruptor ser fechado?
b) em t=50μs?
c) em t=200μs?
PADRÃO DE RESPOSTA ESPERADO
O capacitor descarrega no resistor. Devo assumir o fio como sendo ideal, isto é, sem resistência. A chave no circuito da figura está na posição a. Quando mudo a chave para a posição b o circuito passa a ser composto por um capacitor e um resistor.
a) imediatamente após o interruptor ser fechado?
O capacitor está totalmente carregado o que implica em ter uma carga inicial igual a Q0 = CΔV = Cε = (4μF).(9V) = 36μC
Exatamente após a mudança da chave para a posição b, a carga no capacitor fica Q0 = 36μC. A corrente no resistor é:
I0=ΔVRR=9V25Ω=0,36A
b) em t=50μs?
A carga decai seguindo a equação:Q=Q0e−t/τ
Onde,τ=RC=(25Ω).(4μF)=100μs
Assim,Q=(36μC).e−50μs/100μs=(36μC)e−0,5=21,8μC≃22μC
e a corrente;I=I0e−t/τ=(0,36A).e−50μs/100μs=0,218A≃0,22AC
c) em t=200μs?
Refazendo o cálculo do item “b)” eu obtenho Q e I:Q=(36μC).e−200μs/100μs=(36μC)e−2=4,87μC
e a corrente:I=I0e−t/τ=(0,36A).e−200μs/100μs=(0,36A).e−2=0,0487AC=48,7mA
ASSUNTO 7
O programa de eficiência energética da sua empresa deseja melhorar, na área de iluminação, com lâmpadas e refletores de melhor rendimento e menor consumo. Dentre as opções do mercado, opte por tecnologias mais modernas em substituição às lâmpadas incandescentes. Cite as vantagens desta nova tecnologia, comparando as lâmpadas incandescentes, compactas fluorescentes e LED.
Identifique a vida útil das lâmpadas de cada uma das tecnologias acima listadas.
PADRÃO DE RESPOSTA ESPERADO
Dentre as três tecnologias disponíveis, as lâmpadas incandescentes são as mais baratas, mas consomem mais energia, com menor iluminação. Tem vida útil de cerca de 1000 horas apenas.
As lâmpadas compactas fluorescentes consomem menos que as incandescentes, são mais caras e têm vida útil, também, de cerca de 1000 horas.
As lâmpadas LED têm maior rendimento, pois consomem menos e produzem maior energia luminosa. Tem preço mais elevado, mas chegam a durar mais de 20.000 horas. A relação preço/benefício é bem maior para as lampadas LED.
ASSUNTO 8