Aula 5 – Componentes e Equipamentos Eletrônicos

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL - PUCRS
FACULDADE DE ENGENHARIA - FENG
INTRODUÇÃO A ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO
Professores Avelino Francisco Zorzo e Luís Fernando Alves Pereira
Aula 5 – Componentes e Equipamentos Eletrônicos
Introdução
Componentes Eletrônicos
Equipamentos Eletrônicos Utilizados no Laboratório
Tarefas
INTRODUÇÃO
O nível de evolução tecnológica evidenciado nos dias de hoje deve-se, principalmente, a evolução
dos dispositivos e componentes eletrônicos. Em linhas gerais, todo o esforço envidado por pesquisadores e
cientistas das áreas de concepção de dispositivos e componentes eletrônicos tem como “pano de fundo”, o
aumento da capacidade de manipulação da corrente elétrica. Dentro deste contexto, será apresentado na
sessão seguinte alguns componentes elétricos – precursores na história da eletricidade – que são ainda
empregados em computadores e produtos eletrônicos em geral.
Na seqüência, serão apresentados também alguns equipamentos eletrônicos bastante utilizados em
laboratórios de ensino, pesquisa e desenvolvimento na área da eletrônica. Todos os componentes e
equipamentos eletrônicos apresentados a seguir estão a disposição dos alunos do curso de Engenharia
Elétrica da PUCRS, independente do nível ou semestre em que se encontram. Para tanto, cada aluno deve
cadastrar-se no sistema de gerenciamento automático de equipamentos e componentes eletrônicos do
Laboratório de Ensino Pesquisa – LEP.
COMPONENTES ELETRÔNICOS
Pode-se dizer, sem perda de generalidade que os dispositivos e equipamentos eletrônicos em geral,
tem seu comportamento descrito em função de duas variáveis elétricas que são, respectivamente a voltagem
(também comumente conhecida como tensão) e a corrente elétrica. Baseado nestas duas variáveis define-se a
potência e a energia elétrica consumida ou fornecida por qualquer componente, dispositivo ou equipamento
elétrico ou eletrônico. Dentro deste contexto, serão apresentados nesta seção três diferentes componentes
elétricos, derivando-se as relação entre as variáveis tensão, corrente, potência e energia elétrica em cada um
deles.
•
RESISTOR
O primeiro componente elétrico a ser apresentado nesta seção é denominado de resistência elétrica,
ou também de resistor. Este componente é utilizado tipicamente quando se deseja limitar a corrente elétrica
em quaisquer dois pontos adjacentes de um circuito elétrico. Apresenta-se a seguir o símbolo deste
componente e a relação matemática existente entre a tensão e a corrente elétrica que o caracteriza:
Apostila elaborada pelos professores Anderson Royes Terroso e Luís Fernando Alves Pereira
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Relação Matemática – Lei de Ohm:
Tensão = Resistência x Corrente
Cada uma destas variáveis é representada por um
símbolo diferente, representado também por unidades
diferentes, i.e.
Figura 5.1: Representação de uma resistência
elétrica.
Tensão = V (unidade = Volt (v))
Corrente = I (unidade = Ampere (A))
Resistência = R (unidade = Ohm (Ω))
V = R⋅I
(5.1)
Outro dado importante acerca de um dispositivo elétrico é a potência consumida ou fornecida por
ele. A medida da potência elétrica é realizada observando-se simultaneamente os valores de corrente e de
tensão sobre o componente ou dispositivo de interesse. No caso simples de uma resistência elétrica, pode-se
medir a corrente elétrica que nela circula, bem como a tensão elétrica aplicada em seus terminais, conforme
apresentado na Figura 5.2, calculando-se então a potência elétrica dissipada pela resistência através do
produto destas duas variáveis, ou seja:
P =V ⋅I
(5.2)
A
V1
V
R1
METER VOLT
METER A
Figura 5.2: Circuito elétrico para medidas de corrente e tensão elétrica em uma resistência.
A potência elétrica dissipada por uma resistência elétrica ainda pode ser expressa em função da
própria resistência elétrica, derivando-se mais duas relações a partir das equações (5.1) e (5.2).
Descobrir quais são estas relações.
Na Figura 5.3 é apresenta a fotografia de algumas resistências elétricas encontradas
comercialmente. Observem que em cada uma delas existem listras coloridas, utilizadas para indicar o valor
da resistência elétrica e da tolerância admitida em torno deste valor. A forma com que se determina o valor
de cada resistência elétrica com base na disposição das listras é denominado de “código de cores”,
apresentado na Figura 5.4.
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Figura 5.3: Resistências comerciais com listras para indicação dos valores.
DEPARTAMENTO DE ENGENHA RIA ELÉTRICA
DEE - FENG - PUCRS
LABORATÓRI O DE ENSINO E PESQUI SA
RESISTORES DE CARBONO - VALORES COMERCIAIS
TOLERÂNCIA ± 10%
(SÉRIE E-12)
10 - 12 - 15 - 18 - 22 - 27 - 33 - 39 - 47 - 56 - 68 - 82
TIPOS
RS = R1 + R 2
TAMANHO NATURAL
RP =
R1 × R2
R1 + R2
VALORES
DISPONÍVEIS NO LEP
1Ω a 27MΩ
CR-25
(0,25W)
CR-37
(0,5W)
CR-52
(0,67W)
CR-68
(1,15W)
CR-112
(2,5W)
0
0
X1Ω
1
1
X 10 Ω
2
2
X 100 Ω
3
3
X 1.000 Ω
4
4
X 10.000 Ω
5
5
X 100.000 Ω
6
6
X 1.000.000 Ω
7
7
X 0,1 Ω
8
8
9
9
±1%
±2%
±5%
±10 %
TOLERÂNCIA
Figura 5.4: Tabela com código de cores de resistências elétricas.
No conjunto de resistências fornecidas para cada grupo de alunos pelo LEP, identifique utilizando
a idéia de “código de cores”, os valores de cada uma delas. Preencha cada uma das colunas da
Tabela 5.1 com as cores de cada uma das listras, colocando nas duas últimas colunas da tabela o
valor da resistência e a incerteza associada a cada uma delas.
Listra 1
Listra 2
Listra 3
Listra 4
Valor
Incerteza
Tabela 5.1: Cores das listras, valor estimado e incerteza associada.
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ASSOCIAÇÃO DE RESISTÊNCIAS EM SÉRIE
Vários resistores estão associados em série quando são ligados um em seguida do outro, de modo a serem
percorridos pela mesma corrente.
Em
-
uma
associação
em
série
de
resistências
observam-se
as
seguintes
características:
Como há apenas um caminho possível para a corrente, ela tem o mesmo valor em todas as resistências
da associação (mesmo que essas resistências sejam diferentes).
É fácil perceber que, se o circuito for interrompido em qualquer ponto, a corrente deixará de circular em
todo o circuito.
Quanto maior for o número de resistências ligadas em série, maior será a resistência total do circuito.
Portanto, se mantivermos a mesma tensão aplicada ao circuito, menor será a corrente nele estabelecida.
A resistência única R, capaz de substituir a associação de várias resistências R1, R2, R3, etc., em série, é
denominada resistência equivalente do conjunto, será dado pela soma das resistências.
ASSOCIAÇÃO DE RESISTÊNCIA EM PARALELA
Vários resistores estão associados em paralelo quando são ligados pelos terminais de modo que fiquem
submetidos à mesma ddp.
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Em uma associação de resistências em paralelo, observamos as seguintes características:
-
-
A corrente total i, fornecida pela bateria, se divide pelas resistências da associação. A maior parte da
corrente i passará na resistência de menor valor (caminho que oferece menor oposição). É possível
interromper a corrente em uma das resistências da associação, sem alterar a passagem de corrente nas
demais resistências.
Quanto maior for o número de resistências ligadas em paralelo, menor será a resistência total do circuito
(tudo se passa como se estivéssemos aumentando a área total da seção reta da resistência do circuito).
Portanto, se mantivermos inalterada a tensão aplicada ao circuito, maior será a corrente fornecida pela
pilha ou bateria.
A tensão sobre cada resistência é a mesma, ou seja, no exemplo acima será 12Volts.
MATERIAL UTILIZADO NO LABORATÓRIO
•
PRONT’BOARD
•
FONTE
•
MULTÍMETRO
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A Pront’Board consiste em uma placa destinada a experiências laboratoriais. Os bornes consistem
em terminais para serem conectados os cabos da fonte de alimentação. A área reservada para a montagem do
circuito é formada por linhas verticais e horizontais. Nas linhas horizontais, os furos estão interligados por
baixo, portanto a linha está em curto circuito, conforme apresentado na figura abaixo. Enquanto que as
colunas verticais estão curto circuitadas conforme apresentado abaixo.
Linhas horizontais –
estão em interligadas
como mostra a ilustração.
Bornes
utilizados para
conectar a fonte
de alimentação.
As linhas verticais
são destinadas a
alimentação. Os
furos estão
interconectados.
Serão apresentados aqui dois equipamentos eletrônicos fundamentais em laboratório de ensino,
pesquisa ou desenvolvimento de circuitos eletrônicos. O primeiro deles é a fonte de alimentação de corrente
contínua, também conhecida por Fonte CC, utilizada para o fornecimento de energia elétrica para os
componentes eletrônicos. As Figuras (5.7) e (5.8) apresentam, respectivamente, o símbolo e uma fonte de
alimentação CC.
Figura 5.7: Símbolos de uma fonte de alimentação
de corrente contínua.
Figura 5.8: Fonte CC do LEP.
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O segundo equipamento eletrônico de laboratório a ser apresentado, é um equipamento de medida
denominado Multímetro ou também conhecido como Multiteste, apresentado na Figura 5.9. Este
instrumento é utilizado para realização de medidas elétricas de diferentes naturezas. Pode-se, com este
equipamento, realizar medidas de resistência, tensão e corrente elétricas. Alguns destes equipamentos
também são utilizados para medidas de capacitância. A Figura 5.9 apresenta um dos modelos de Multiteste
existente no LEP.
Figura 5.9: Multímetro existente no LEP.
TAREFA:
1.
Faça a leitura do código de cores dos resistores. Nas colunas Listras 1, 2, 3 e 4, escreva as cores de cada
uma das listras e em Valor Lido, escreva o valor em ohms do resistor em questão. Calcule a incerteza
±XXXohms (Incerteza), depois meça a resistência utilizando o multímetro (Valor Medido). Compare os
valores medidos com os valores fornecidos pelo fabricante e verifique se cada um dos componentes esta
dentro da faixa de variação permitida.
Listra 1
Listra 2
Listra 3
Listra 4
Valor Medido
Valor Lido
Incerteza
Tabela 5.2: Cores das listras, valor medido e estimado e incerteza associada a cada resistor.
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TAREFA:
Monte o circuito abaixo e para diferentes valores de resistores determine:
Resistor R1
Resistor R2
1k
10k
2k2
2k2
10k
1k
Tensão em R2
Tensão em R1
Cálculo da Corrente
Escala de
Tensão
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CAPACITOR
Outro componente elétrico presente em computadores e equipamentos eletrônicos em geral é o
capacitor. Este componente elétrico é fisicamente constituído de placas paralelas separadas por um elemento
isolante, denominado de dielétrico. Ao ser aplicada uma tensão elétrica em seus terminais, as placas
paralelas que formam o capacitor carregam-se de cargas elétricas positivas e negativas. As cargas elétricas
armazenadas nas placas do capacitor fazem deste dispositivo um armazenador de energia eletrostática.
Apresenta-se a seguir o símbolo deste componente e a relação matemática existente entre a tensão e a
corrente elétrica que o caracteriza.
Relação Matemática:
Corrente = Capacitância x Variação Temporal da Tensão Elétrica
Cada uma destas variáveis é representada por um símbolo diferente,
representado também por unidades diferentes, i.e.
Corrente = I (Ampère (A))
Capacitância = C (Faraday (F))
Variação Temporal da Tensão Elétrica = dV/dt (Volt/seg)
Figura 5.5: Representações simbólica
de um capacitor.
I =C⋅
dV
dt
(5.3)
Observe que, diferentemente do caso da resistência elétrica, onde as
relações de tensão e corrente seguem a equação algébrica (5.1), no
caso do capacitor a corrente no capacitor esta associada a variação
temporal da tensão, expressa em (5.3) pelo símbolo dV dt .
Uma vez que a potência elétrica em um componente elétrico é expressa pelo produto entre a
corrente elétrica que circula pelo componente e a tensão elétrica aplicada nos terminais do componente,
pode-se determinar a potência elétrica instantânea existente em um capacitor, i.e.
Pc = Vc ⋅ I c = Vc ⋅ C ⋅
dVc
dt
(5.4)
As equações (5.3) e (5.4) são denominadas de equações diferenciais temporais, e a energia eletrostática
armazenada pelo capacitor pode ser obtida através destas equações, ou seja:
E c = ∫ Pc ⋅ dt = ∫ C ⋅ Vc ⋅ dVc =
C ⋅ Vc2
2
(5.5)
Capacitores podem ser utilizados para fornecer energia para dispositivos que apresentam baixo consumo
elétrico, mantendo estes dispositivos ativos mesmo quando desconectados de uma fonte externa de energia.
Uma outra utilização bastante comum dos capacitores é quando se deseja filtrar sinais
indesejáveis em um circuito eletrônico. Explique com base na equação (5.3), como isto é
possível.
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•
INDUTOR
O último componente elétrico a ser apresentado nesta aula é denominado de indutor. O indutor é
um outro elemento com capacidade de armazenamento de energia, neste caso eletromagnética. Fisicamente
o indutor é constituído por espiras de material condutor de energia elétrica que, ao circular corrente elétrica
por entre os seus terminais faz surgir um fluxo magnético que envolverá as espiras do indutor. Com a
variação temporal deste fluxo magnético surge, entre os terminais do indutor, uma tensão elétrica.
Apresenta-se a seguir o símbolo deste componente e a relação matemática existente entre a tensão e a
corrente elétrica que o caracteriza.
Relação Matemática:
Tensão = Indutância x Variação Temporal da Corrente Elétrica
Ar
Cada uma destas variáveis é representada por um símbolo
diferente, representado também por unidades diferentes, i.e.
Tensão = V (Volts (V))
Indutância = L (Henry (H))
Variação Temporal da Corrente Elétrica = dI/dt (Ampere/seg)
Ferrite
V = L⋅
Ferro
dI
dt
(5.6)
Observe que, de forma dual ao capacitor, a tensão existente
Figura 5.5: Representações simbólica
entre os terminais do indutor depende diretamente da variação
de indutores com núcleo de Ar,
temporal da corrente elétrica que circula pelo componente, expressa
Ferrite e Ferro.
pelo termo dI/dt na equação (5.6).
A equação de que descreve a potência elétrica instantânea em um indutor é dada a seguir:
PL = L x I L x
dI L
dt
(5.7)
Da equação (5.7), deriva-se a energia eletromagnética armazenada em um indutor, i.e.
E L = ∫ PL dt = PL ∆t = ∫ LI L dI L =
LI 2L
2
(5.8)
Indutores encontram-se presentes em diversos tipos de equipamentos eletrônicos, mas
especialmente em computadores eles são responsáveis pela energia elétrica convertida da rede elétrica para
alimentação dos circuitos integrados e outros dispositivos eletrônicos que compõe os computadores atuais. O
indutor é o componente principal das chamadas Fontes Chaveadas, cujo princípio de funcionamento é
completamente baseado na equação (5.8). O circuito simplificado de um tipo de fonte chaveada é
apresentado na Figura 5.6.
DIODE
Vcc
R
L
C
C
MOSFET N
Transformador
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Figura 5.6: Diagrama simplificado de uma fonte chaveada do tipo Flyback.
Explique, com base na equação (5.8), o princípio básico de funcionamento de uma Fonte
Chaveada, explicando porque com a diminuição do período de chaveamento ∆t pode-se conseguir
potências proporcionalmente maiores.
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