1 Exercícios Pré-Laboratório - mit

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MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY
6.071: Introdução ao Laboratório de Eletrônica
Laboratório 1: Equipamentos de Laboratório e Redes de Resistores
2º Trimestre de 2002
1 Exercícios Pré-Laboratório
A conclusão dos exercícios pré-laboratório é uma exigência. Responda todas as perguntas e mostre
seu trabalho. Você deve completar com sucesso os exercícios pré-laboratório a fim de prosseguir
com o laboratório. O professor assistente irá corrigir os exercícios pré-laboratório próximo ao
começo da seção, e não será permitido que você continue no laboratório se eles não estiverem
completos.
1.1 Divisores de Tensão e Corrente
Considere os circuitos nas figuras 1 e 2. A Figura 1 representa o circuito divisor de tensão
fundamental e a figura 2 mostra o circuito divisor de corrente. Esses são circuitos importantes que
usaremos repetidamente durante o semestre.
Figura 1: Divisor de tensão
Figura 2: Divisor de corrente
P.: Calcule as tensões V1 ao longo de R1 e V2 ao longo de R2 .
V1 = ______
V2 = ______
P.: Calcule a corrente I1 e I2 .
I1 = ______
I2 = ______
1.2 Fontes de Tensão e Corrente: Dissipação da Potência
As fontes de tensão e corrente são dispositivos modelados com resistências internas Rint , conforme
exibido na Figura 3.
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Nome:
saída
Carga
saída
Fonte de tensão Fonte de corrente
Figura 3: Modelos de fontes de tensão e corrente
Não é uma boa idéia ligar fontes de tensão diretamente em paralelo e fontes de corrente diretamente
em série. Vamos ver o porquê.
Considere as conexões mostradas na figura 4, de fontes +5V e +15V. As fontes são modelada como
fonte de tensão em série com um pequeno resistor (0,5? ) resistor. Assumiremos que a energia
dissipada na fonte de tensão é igual à dissipada pelo resistor. Na prática, essa é uma sub-estimativa,
mas é suficiente para o propósito deste problema.
Figura 4: Conexões com a fonte de alimentação
Lembre-se de que P = IV. Para Rcarga ser igual a 10k? , 1? e 0?, calcule:
? A corrente circulando pelos resistores
? Potência dissipada no resistor de carga (Rcarga)
? Potência dissipada na fonte de alimentação de 15V
? Assumindo um resistor de ¼ de watt e uma dissipação de energia de no máximo 10 watts da
alimentação, quais destas configurações são seguras e quais são inseguras? Nas inseguras, qual é o
problema?
R
10k?
1?
0
Corrente
Potência (Rcarga) Potência (alimentação 15V)
Seguro? Qual o problema?
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Nome:
1.3 Introduzindo Carga
Agora vamos voltar para a figura 1. Assuma que V2 seja medido usando um dispositivo com
resistência interna de 1MΩ.
Desenhe um circuito simples do modelo.
Qual é o valor de tensão que você esperaria medir?
Se exigíssemos um erro máximo de 5% na medição da tensão, qual seria o valor
mínimo/máximo (circule um) da resistência interna do dispositivo de medição? Mostre seu trabalho.
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Nome:
2 Laboratório 1
2.1 Objetivo
O objetivo deste Laboratório é desenvolver algumas das habilidades necessárias para utilizar os
equipamentos básicos do laboratório, para construir circuitos eletrônicos e caracterizar o
comportamento e o desempenho desses circuitos.
2.2 Preparação
? Complete os exercícios pré-laboratório e prepare-os para serem corrigidos pelo professorassistente no início da seção de laboratório.
? Prepare-se: leia a apostila antes de entrar no laboratório.
2.3 Familiarizando-se com o equipamento laboratorial
A melhor maneira de se familiarizar com o equipamento de laboratório é usando-o. Em nosso
laboratório, lidaremos com três tipos de equipamento: O osciloscópio, o multímetro digital e o
gerador de função. O professor-assistente explicará a operação desses dispositivos, e depois você
começará a usá-los para fazer algumas medições fundamentais.
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Nome:
Ajuste da posição. Use isto para garantir que o aterramento está em 0
volts e a forma de onda está centralizada horizontalmente
Seleciona quais pontas de probe exibir. Ajusta "CH 1" e "20MHz BW
Quais medições fazer. Brinque com estes botões e veja o que
Limit"
eles podem fazer.
Ajustes de exibição. Mexa nele se a
imagem estiver fora de foco ou escura.
Escala de tempo
Chave de alimentação
Ajusta a escala de tensão (pode estar fora do fator de
exatamente 10 com algumas pontas de probe)
Em "GND", o liga-desliga exibe uma linha reta. Em CA, remove
qualquer offset de CC. Ajuste a CC para propósitos de 6.071
Disparo. Estabelece quando o osciloscópio traz à
tela. Coloca em canal automático de CA.
Figura 5: Ajustando o osciloscópio
Primeiro, ligue seu osciloscópio e o gerador de funções. Conecte a saída do gerador de sinal no
osciloscópio. Ajuste os botões até obter um sinal. A configuração adequada do osciloscópio e do
gerador de função é mostrada na figura 5. Se você não conseguir fazer com que isso funcione
rapidamente (5 minutos de tentativa de obtenção de sinal), peça ajuda ao professor-assistente.
Agora vamos calibrar o osciloscópio. Ajuste os botões do offset (no alto do osciloscópio, com o
nome “posição” - position – e veja como o sinal se move para cima e para baixo. Ajuste o canal 1
para o modo “ground”. Isso liga a entrada ao aterramento em vez de tirá-lo da ponta de probe, então
você verá uma linha reta. Gire o botão de offset até que ele esteja centralizado na tela. Gire-o de
volta para o modo "DC".
Ajuste o gerador de função para emitir uma onda senoidal de 1KHz a 5V. Meça a amplitude da
saída no osciloscópio (pico a pico) e no multímetro digital (ajustado para CA). Registre os valores
na tabela abaixo:
Valor
Gerador de Função
Osciloscópio
Multímetro digital
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Nome:
Divida o valor do osciloscópio por aquele do multímetro digital a fim de calcular a diferença nas
medições. Qual é a fonte dessa diferença? Dica: Veja suas anotações de aula e recorde os tipos de
medições de tensão.
Agora apresentaremos alguns offsets de CC. Embora nossos geradores de sinal tenham um botão
de offset, iremos apresentá-lo manualmente ao colocar uma média de 5 volts. Construa o circuito
mostrado na figura 6.
Figura 6: Divisor de tensão usado como gerador de offset de CC.
Calcule a quantidade de offset que este circuito deveria dar. Agora, alterne o osciloscópio para o
modo "DC". Meça (você precisará fazer uma estimativa) o offset no osciloscópio e o valor da CC
no multímetro.
Como medição final, ajuste o osciloscópio no modo "DC" e coloque uma das linhas de medição
na parte superior da forma de onda. Agora alterne para o modo "AC" usando a chave abaixo do
botão de escala de tensão, e mova a outra linha para a parte superior da nova forma de onda. Essa é
uma maneira conveniente de se obterem saídas precisas para as medições de CC em um
osciloscópio ao evitar os erros que vários multímetros apresentam. Insira suas saídas na tabela
abaixo.
Valor
Offset calculado
Osciloscópio (modo de CC)
Multímetro digital
Osciloscópio (diferença de modo CACC)
Agora, explicaremos medir a tensão ao longo de um resistor, e não de Vsaída em relação ao terra.
Como o pequeno plugue preto do tipo jacaré na ponta de probe do osciloscópio está aterrado, não
podemos simplesmente colocar uma ponta de probe ao longo do resistor, já que estaríamos dando
um curto em algum nodono aterramento. Em vez disso, conectaríamos uma ponta de probe em cada
ponto final do resistor e subtrairíamos os valores das duas pontas de probe. Observe que cada
dispositivo possui seu próprio ponto de massa. A menos que conectemo-los juntos, não podemos
contar que o aterramento do osciloscópio seja o mesmo da fonte de alimentação. Ele ainda pode
confundir a operação do circuito se o conectarmos a um nodo que não deveria estar no ponto de
massa.
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Nome:
Forme um aterramento comum ao conectar os plugues do tipo jacaré das pontas de probe do
osciloscópio no aterramento da fonte de alimentação. Coloque o osciloscópio no modo diferencial
(os botões "add" e "invert" acima dos botões de faixa de tensão, e não selecione nenhum canal) e
conecte as pontas de probe do osciloscópio em cada lado do resistor que você escolher para medir.
Qual é tensão da CC ao longo do resistor?
Valor CC: _________
Qual é a tensão pico-a-pico com o gerador de sinal a 5V?
Valor CA: _________
2.3.1 Medindo Temperatura
Agora estamos prontos para usar um dispositivo bastante sofisticado para medir temperatura.
Usaremos um dispositivo termistor, que é um resistor variável com resistência estabelecida por
temperatura. Os termistores vêm em vários tipos. Há os termistores com “Coeficie nte Positivo de
Temperatura” (PTC) (a resistência aumenta com a temperatura) e os termistores com “Coeficiente
Negativo de Temperatura” (NTC) (a resistência diminui com a temperatura). Os termistores
normalmente são projetados por seu valor de resistência em certas temperaturas. Em seu kit, você
tem um termistor com resistência de 10k ? em 25ºC. Dê uma olhada na folha de especificações para
se familiarizar com a nomenclatura.
Agora construiremos um circuito ao incorporar o dispositivo termistor para medir a temperatura.
A idéia fundamental aqui é que queremos converter a resistência em tensão. Como a dependência
da resistência com a temperatura é conhecida, podemos medir a tensão a partir da qual deduzimos a
resistência do termistor e, assim, a temperatura.
Faremos isso ao incorporar o termistor em um circuito divisor de tensão.
Desenhe neste espaço o circuito que você construirá.
Ao construir o circuito, observe como os contatos no termistor são pequenos. Cuidado para que
eles não se quebrem quando você conectá -los, e mexa-os um pouco para garantir que eles têm uma
boa conexão.
Seu gerente de engenharia lhe pediu para construir este dispositivo para medir a temperatura ao
longo de uma faixa muito ampla (-10ºC a 100ºC). Olhe o manual e as notas de aplicação com mais
detalhes. Que valor você teria escolhido para a resistência fixa no circuito? Por que você escolheu
esse valor?
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Nome:
Agora, meça a tensão ao longo do resistor e do termistor em temperatura ambiente (25ºC) e em
temperatura corporal (37ºC). Calcule a alteração na resistência sobre uma alteração na temperatura
(dR/dT).
Para fins de comparação, meça a resistência do termistor com o multímetro digital em 25º e 37º.
Como isso se compara com os valores que você observou no divisor de tensão? Nota: O multímetro
funciona ao aplicar uma pequena tensão ao elemento e medir a corrente. Se já houver uma tensão
no elemento, como seria o caso na maioria dos circuitos, o multímetro pode dar uma leitura
incorreta.
Calcule o fluxo da corrente ao longo do circuito. Se essa corrente fosse muito grande, quais
problemas poderia causar na medição da temperatura ambiente? Dica: Se você não conseguir
descobrir isso, veja a seção Introduzindo carga, parte 1, e volte para esta pergunta.
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Nome:
2.3.2 Introduzindo carga, parte 1 (dissipação de energia)
Em seus exercícios pré-laboratório, você viu que conectando as alimentações de +5V nas de
+15V pode levar a efeitos negativos (figura 4). Nesta experiência, veremos isso em prática.
Ligue os fios ao aterramento e aos terminais de +15V na fonte de alimentação do protoboard.
Disponha vários resistores sobre uma mesa. Faça com que o aterramento e os fios de +15V toquem
os resistores. Brinque com isso um pouco e registre o resistor de menor valor que você pode usar
sem queimar o resistor. Como você pode lembrar da aula, os resistores podem ficar bastante
quentes, então faça com que os fios entrem em contato com os resistores, e não vice-versa. Além
disso, embora você deva usar a fonte de alimentação do protoboard, não aplique corrente no
protoboard em si; estes são projetados para pequenas correntes, e você pode derreter os pequenos
contatos dentro dele. Quanta potência esse resistor está dissipando (assuma que a fonte de
alimentação é suficientemente poderosa para ficar fornecendo 15V)? Não se preocupe em explodir
a fonte de alimentação; ela foi projetada para uso estudantil, então é bastante robusta e deve
cortar a corrente antes de explodir (e se não cortar, é fácil consertar).
Dê um curto usando dois fios. Saem faíscas? Os fios ficam quentes? Por que ou por que não?
Pense na resistência dos fios e para quanto à dissipação de potência vai já que R à 0. Além disso,
lembre-se da quantidade de área sobre a qual o fio pode dissipar calor e compare-a com a do
resistor.
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Nome :
2.3.3 Introduzindo carga, parte 2 (Resistência Interna)
Figura 7: Mais um Divisor de Tensão
Conecte dois resistores R idênticos para formar um divisor de tensão de 0V a 15V, como
mostrado na figura 7. Para R = 1k ? ; 100k? e 10M? , meça a tensão em um com seu multímetro
digital e osciloscópio e insira as saídas na tabela abaixo.
Resistência
Calculada
Medição (multímetro digital)
Medição
(osciloscópio)
1k ?
100k?
10M?
Explique as discrepâncias entre os valores de tensão calculados e medidos. Explique também
quaisquer discrepâncias entre as medições feitas pelo multímetro digital e o osciloscópio.
Qual dispositivo tem uma resistência interna maior?
Calcule a resistência interna do multímetro.
Qual dispositivo de medição de tensão é o mais preciso?