Conjunto de Aulas 2011

5/9/2018 Conjunto de Aulas 2011 - slidepdf.com

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Universidade Federal de Minas Gerais

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

SISTEMAS DE MEDIÇÃO

AULASDE

LABORATÓRIO

Prof. Flávio Henrique Vasconcelos



Sistemas de Medição

Laboratório

1

Sumário

Sumário

SEGURANÇA NO LABORATÓRIO ............................................................................................................... 2

ORGANIZAÇÃO E CUIDADOS NO AMBIENTE LABORATORIAL ......................................................... 4

RELATÓRIO DE ATIVIDADES ...................................................................................................................... 5

Módulo-1 INSTRUMENTAÇÃO BÁSICA ............................................................................................... 6

Módulo-2 CALIBRAÇÃO DE INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO ......................................................... 9

Módulo-3 MINIMIZAÇÃO DO EFEITO DE CARGA EM SISTEMAS DE MEDIÇÃO ................... 11

Módulo-4 MEDIÇÃO DE SINAIS EM CIRCUITOS NÃO-CONECTADOS À TERRA ....................................... 13

Módulo-5 MÉTODOS INDIRETOS PARA MEDIÇÃO DA CORRENTE ELÉTRICA ........................ 15 Módulo-6 INTEGRADOR ANALÓGICO COM AMPLIFICADOR OPERACIONAL ....................... 17

Módulo-7 MEDIÇÃO DE SINAIS AC .................................................................................................... 19

Módulo-8 LINEARIZAÇÃO DE SINAIS DE TRANSDUTORES COM CIRCUITOS EM PONTES .. 25

Módulo-9 SISTEMAS DIGITAIS DE MEDIÇÃO: ALIASING E FILTRO ANTI-ALIASING ............ 26

Módulo-10 SISTEMAS DIGITAIS DE MEDIÇÃO: conversores A/D ..................................................... 29

Módulo-11 MEDIÇÃO DE POTÊNCIA E ENERGIA ELÉTRICA .......................................................... 32

Módulo-12 MEDIÇÃO DA RESISTÊNCIA EM CIRCUITOS ELÉTRICOS .......................................... 33

Módulo-13 MEDIÇÃO DA FREQUÊNCIA, PERÍODO E FASE DO SINAL ......................................... 35

Apêndice–A MODELO DE RELATÓRIO .................................................................................................. 37 Apêndice–B PRÉ-RELATÓRIO .................................................................................................................. 38

Apêndice-C PROCEDIMENTO DE MEDIÇÃO: ....................................................................................... 40

Apêndice–D PRINCIPAIS COMPONENTES ELETRÔNICOS ................................................................. 42

Apêndice–E EQUIPAMENTOS E FERRAMENTAS DE LABORATÓRIO ............................................. 44

Apêndice–G LEITURA DO VALOR DE CAPACITORES ........................................................................ 47

Apêndice–H PROTOBOARD DO NI-ELVIS .............................................................................................. 50

Apêndice–I CONFIGURAÇÃO DE OSCILOSCÓPIOS ............................................................................ 52




Laboratório

2

SEGURANÇA NO LABORATÓRIO

Por que devemos nos preocupar com a segurança nos Laboratórios?A eletricidade é amplamente reconhecida por

apresentar grande risco a vida das pessoas que ficam

sujeitas a sofrer choques elétricos, queimaduras,

lesões, etc. Em um laboratório de eletricidade ou

eletrônica os usuários estão expostos às partes vivas

dos circuitos

Por que os acidentes acontecem?

A variedade de riscos nos laboratórios é muito ampla.

Dentre as causas de acidentes em laboratórios podemser citadas:

– instruções inadequadas.

– supervisão insuficiente e ou inapta do executor.

– uso incorreto de equipamentos.

– alterações emocionais e exibicionismo.

Medidas de segurança para o laboratório

1. Não trabalhe sozinho, principalmente fora do horário de expediente.

2. É imprescindível o conhecimento da localização dos acessórios de segurança.

3. Procure conhecer o equipamento antes de utiliza-lo. Leia as instruções de uso, manuais, etc.Certifique-se qual é a tensão de trabalho antes de conectá-los à rede elétrica. Quando nãoestiverem em uso, os aparelhos devem permanecer desconectados.

4. Usar roupas adequadas como calças compridas, sapatos fechados.

5. Sempre que os equipamentos estiverem ligados, usar os óculos de segurança.

6. Não são permitidos alimentos nas bancadas dos laboratórios.

7. Se tiver cabelos compridos, conserva-los presos.

8. Planeje o experimento procurando conhecer os riscos envolvidos e as precauções a seremtomadas.

9. Só opere equipamentos quando fios, tomadas e plugues estiverem em perfeitas condições e ofio terra estiver ligado.

10. Não opere equipamentos elétricos sobre superfícies úmidas.

11. Verifique periodicamente a temperatura do conjunto de plugue-tomada.




Laboratório

3

12. Certifique-se do valor da tensão da tomada antes de plugar o equipamento.

13. Não deixe equipamentos elétricos ligados após terminar a atividade.

14. Combata o fogo em equipamentos elétricos somente com extintores de CO2.

15. COMUNICAR QUAISQUER ACIDENTES AO PROFESSOR.

Concentre-se no que estiver fazendo.

LEMBRE-SE QUE DURANTE A AULA O SEU COMPORTAMENTO QUANTO À SEGURANÇA ESTARÁSENDO AVALIADO.




Laboratório

4

ORGANIZAÇÃO E CUIDADOS NO AMBIENTE LABORATORIAL

- O laboratório deve estar sempre organizado.

• Em cada bancada deverão estar até dois alunos, salvo em períodos exepcionais, quando o número

de bancadas for insuficiente para acomodar todos estudantes da turma.

• Os nomes dos componentes deverão ser comunicados ao professor e o grupo deve permanecer o

mesmo ao longo do semestre.

• Ao iniciar a atividade experimental, remova da bancada todo material estranho ao trabalho como

bolsa, livro, blusa e mesmo equipamentos que não fazem parte de seu experimento.

• Não entre, em hipótese alguma, com alimentos no ambiente laboratorial.

• Mantenha limpo de resíduos o tampo da bancada do laboratório.

• Faça uso de um caderno de laboratório1 para fazer anotações de todas as informações relevantes

produzidas durante o experimento, incluindo problemas da montagem, ocorrências inesperadas e

resultados do experimento.

• Para remover componentes e fios do protoboard use, preferencialmente, um alicate de bico ou

ferramenta similar. NÃO DANIFIQUE OS EQUIPAMENTOS E INSTRUMENTOS DO LABORATÓRIO.

• Procure montar o circuitos com a fiação rente ao protoboard para facilitar a tarefa de identificação

de possíveis erros e minimizar ruídos eletromagnéticos.

• Comunique ao professor mal-funcionamento de qualquer equipamento e/ou dispositivo do

laboratório.

DURANTE O SEMESTRE CORRENTE OS EQUIPAMENTOS E INSTRUMENTOS DO LABORATÓRIO

SÃO PARA O SEU USO E DE SEUS COLEGAS. PRESERVE-OS DA MELHOR MANEIRA POSSÍVEL.

LEMBRE-SE QUE EM TODA AULA O SEU COMPORTAMENTO QUANTO À ORGANIZAÇÃO E

ADEQUAÇÃO DE PROCEDIMENTOS ESTARÁ SENDO AVALIADO E RECEBERÁ NOTAS.

1 O caderno de laboratório deve ser para uso exclusivo no laboratório. Preferencialmente, ele é de tamanho pequeno e não deveocupar muito espaço na bancada. As anotações feitas no mesmo servirão para compor o relatório da atividade.




Laboratório

5

RELATÓRIO DE ATIVIDADES

• A pontuação para a atividade em laboratório é de 30 pontos, dos quais 5 serão atribuídos a uma

prova prática feita, por cada aluno, no meio do semestre, outros 10 para relatórios entregues e os15 restantes à prova prática no final do semestre.

• No início da aula cada aluno deverá demonstrar ao professor ter feito o pré-relatório. A não

observância desse ítem resultará em penalização de 50% na nota do mesmo.

• O pré-relatório deverá conter os estudos iniciais que embasarão as atividades no laboratório

durante a aula e será manuscrito.

• O pré-relatório deverá conter esboços dos circuitos elétricos a serem montados durante a aula,

cálculos prévios de valores e/ou resultados de simulações das medições a serm feitas.

• Após a aula cada aluno deverá elaborar um relatório de atividades que será entregue ao professor,

impreterivelmente, na data que ocorrer primeiro: ou na aula seguinte ou até 7 (sete) dias após.

• Os relatórios deverão ser elaborados de acordo com o modelo descrito no Apêndice-A.

• Cada relatório passará, inicialmente, por uma correção com objetivos de orientar o seu autor.

• O conjunto total de relatórios será dividido em 3 grupos de 4 a 5 relatórios. Os 10 pontos totais da

atividade serão distribuídos na forma de 2 pontos para o primeiro grupo, 3 para o segundo e 5

para o terceiro.Nota: Somente um relatório de cada grupo será usado para efeito de se computar a nota, com a escolha desse relatório

se dando por sorteio,

• Na hipótese de algum relatório não ter sido entregue, o aluno, mesmo tendo realizado o

experimento, ficará com nota zero para aquele grupo.

• Na hipótese de algum aluno não ter entregue um pré-relatório por razões não justificáveis, a sua

pontuação para o grupo de relatórios valerá 50% do total.

• Na hipótese do aluno ter razões justificadas para não ter realizado uma atividade, a nota será

proporcional e um dos demais relatórios entregues será então sorteado para efeito de se computar

a pontuação.




Laboratório

6

Módulo-1 INSTRUMENTAÇÃO BÁSICA

OBJETIVOS

− Organizar o ambiente laboratorial.− Conscientizar sobre os riscos de acidentes no ambiente laboratorial.

− Aprender a usar corretamente os instrumentos básicos do laboratório para realizar mediçõesde grandezas elétricas.

RESULTADOS DO APRENDIZADOApós realizar esta atividade o aluno deverá demonstrar que é capaz de:

– Descrever as funcionalidades e características metrológicas dos multímetros quanto à suacapacidade para realizar medições de grandezas elétricas.

– Elaborar procedimentos para realização de medições de grandezas elétricas com multímetros. – Usar de maneira competente multímetros (voltímetros, amperímetros e ohmímetros),

osciloscópios, fontes, etc. da plataforma NI-ELVIS para medição de grandezas elétricas. – Manter organizado o ambiente laboratorial para realização de medições de grandezas elétricas. – Utilizar instrumentos de medição sem expor a sí proprio e a outros a riscos de acidentes elétricos

ATIVIDADE EXPERIMENTAL2

a) Identificação de funcionalidades e principais características dos instrumentos da

plataforma NI-ELVIS.

b) Medição de tensão, corrente e resistência.

Identificação de funcionalidades e principais características do multímetro (DMM)

− Faça uma inspeção no DMM do NI-ELVIS para identificar as funcionalidades.

− Identifique os terminais do DMM e compare com multímetro convencional (JDR, ICEL, etc).

− Determine valor da resistência de entrada do DMM para medição de tensão e de corrente.

− Informe o valor da resolução da escala digital do DMM.

− Determine as faixas de medição de tensão AC e de corrente DC para o DMM.

− Determine a faixa de frequência do sinal que pode ser medida com DMM.

− Informe a exatidão do DMM, de acordo com sua especificação, para as faixas de 0 a 10V dc,

0 a 10V ac, 0 a 2A dc e de 0 a 2A ac.

− Qual o efeito da temperatura sobre a exatidão do DMM na medição de tensão dc?

− Determine o valor da tensão de modo-comum máxima (tensão suportável do DMM).

− Explique o significado do termo “voltage burden” (tensão de carga) nas especificações de

corrrente do DMM do NI-ELVIS.Medição de tensão contínua

Monte um circuito3 constituído por duas resistências ligadas em série e conectadas a uma

fonte de tensão referenciada à terra.

Empregue a fonte de tensão variável (0 – Vmax) do DMM ( referenciada à terra).

2 A atividade experimental deve ser executada com base em um procedimento escrito. 3 Não faça gambiarras. Utilize cabos e terminais do NI-Elvis apropriados para não prejudicar a qualidade da medição. Lembre-se dequanto mais curto (menor comprimento de cabos) for o circuito melhor a qualidade dos resultados.




Laboratório

7

Caso-1 – resistências de baixo valor ohmico

− Usar resistores deve ter resistência de valor, p. ex., 1 kΩ e o outro maior.

− Calcular* a queda de tensão sobre o resistor ligado à referência de terra da fonte.

− Medir a queda de tensão usando o DMM do NI-ELVIS. Registrar o resultado.− Comparar os resultados obtidos.

*Nota: atenção para o número de algarismos significativos do resultado.

Caso-2 resistências de alto valor ohmico

− Usar resistores deve ter resistência de valor, p. ex., 2 MΩ e o outro maior.


− Medir a queda de tensão usando o DMM do NI-ELVIS. Registrar o resultado.

− Comparar os resultados obtidos.*Nota: atenção para o número de algarismos significativos do resultado.

Analisar os resultados obtidos em ambos os casos.Medição de tensão alternada

Monte circuitos similares aos anteriores, sendo que agora a fonte será o Gerador de Função.

Caso-1 (com resistores de ≈10 kΩ e sinal da fonte com forma de onda senoidal)

− Usar o Gerador de Função do NI-Elvis para alimentar o circuito montado.


− Medir a queda de tensão usando o DMM do NI-ELVIS. Registrar o resultado.

− Medir a queda de tensão usando outro DMM do laboratório. Registrar o resultado.

− Comparar os 3 resultados obtidos.*Nota: atenção para o número de algarismos significativos do resultado.

Caso-2 (com resistores de ≈10 kΩ e sinal da fonte com forma de onda quadrada)

− Usar o Gerador de Função do NI-Elvis para alimentar o circuito montado.

− Medir a tensão RMS usando o DMM do NI-ELVIS. Registrar o resultado.

− Medir a mesma tensão RMS usando outro DMM do laboratório. Registrar o resultado.

− Comparar os resultados obtidos.*Nota: atenção para o número de algarismos significativos do resultado.

RELATÓRIO DA ATIVIDADE EXPERIMENTAL

Elementos para o relatório− Introdução (fundamentação)

• Informações gerais sobre multímetros e osciloscópios.

• Acessórios disponíveis.

• Identificação de tipo (digital ou analógico), fabricante, modelo, funcionalidades e principaiscaracterísticas do DMM, osciloscópio usado.

− Instrumentos, componentes e dispositivos utilizados.




Laboratório

8

1. Relacionar instrumentos, equipamentos e componentes empregados, fornecendo as as suascaracterísticas mais importantes.

Nota: NI-Elvis deve ser utilizado sempre que possível.

− Descrição do procedimento de medição4, proposto na “ATIVIDADE EXPERIMENTAL”.1. Indicação do mensurando (grandeza a ser medida).

2. Indicar o método de medição utilizado e o número de medições feitas (MÍNIMO 3).

3. Esboçar o circuito de medição, mostrando os pontos em que foram feitas as medidas no

circuito.

4. Descrever a configuração do instrumento para realizar as medições

1. Função; faixa de medição; resolução da escala; impedância; exatidão; terminais de medição.

5. Condições ambientais em que foram realizadas as medições.

− Resultados obtidos.

− Análise dos resultados.

− Conclusão.

− Referências bibliográficas

4De acordo com o VIM, procedimento é uma “Descrição detalhada de uma medição de acordo com um ou mais princípios de medição e

com um dado método de medição, baseada em um modelo de medição e incluindo todo cálculo destinado à obtenção de um resultado demedição.NOTA 1: Um procedimento de medição é geralmente documentado em detalhes suficientes para permitir que um operador realize uma medição.




Laboratório

9

Módulo-2 CALIBRAÇÃO DE INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO

OBJETIVOS

− Compreender a atividade de calibração de instrumentos de medição.− Organizar o ambiente laboratorial.− Conscientizar a respeito da segurança no ambiente laboratorial.

RESULTADOS DO APRENDIZADO• Ao finalizar esta atividade o aluno deverá ser capaz de:

– Escrever procedimentos para realizar a calibração de instrumentos de medição. – Determinar o resultado completo de uma grandeza (valor e incerteza), obtido por um

processo de medição. – Manter a organização do ambiente laboratorial visando o bom uso de equipamentos e

instalações – Comportar-se adequadamente no ambiente do laboratório, não expondo nem a sí nem a

outros a riscos sobre a sua integridade física.

ELEMENTOS PARA O RELATÓRIO DA ATIVIDADE EXPERIMENTAL

− Fundamentação

• Definições dadas no VIM5 para os seguintes termos:o Calibração.o Rastreabilidade.o Padrão.

• Sobre a norma técnica ABNT NBR-ISO/IEC-17025:2005 - Requisitos Gerais paraCompetência de Laboratórios de Ensaio e Calibração (resumo disponível no Moodle)

o O que esta Norma estabelece?

o De acordo com ela, quem pode (quais as condições para o laboratório) realizarcalibrações?

o Quais os tipos de requisitos que a Norma estabelece?o Quais os requisitos de caracter técnico são exigidos do laboratório para atender

a Norma?o Descreva, resumidamente, cada um dos requisitos de ordem técnica que a

Norma prescreve para o laboratório.

• Definir os termos definição, realização e representação aplicados à unidade de medida.

• Relatar sobre o propósito da (para que serve a) “calibração”.

− Procedimento de medição (pré-relatório)

(elaborar o procedimento para calibração do instrumento, de acordo com a atividade experimental):Ver a instrução DOQ-CGCRE-018 Revisão 00 – SETEMBRO/2006 INMETRO “ORIENTAÇÃO PARA CALIBRAÇÃO DEINSTRUMENTOS ANALÓGICOS E DIGITAIS DE MEDIÇÃO NA ÁREA DE ELETRICIDADE”, disponível no Moodle.

Pelo menos, as seguintes componentes de incerteza devem ser consideradas, quando relevantes, na avaliação daincerteza de medição:• a variabilidade das leituras;

5 Vocabulário Internacional de Termos Gerais e Fundamentais de Metrologia




Laboratório

10

Nota: se o instrumento for suficientemente sensível, indicações sucessivas poderão apresentar diferentesvalores para o mensurando;

• a resolução da escala do instrumento sob calibração;• as condições ambientais (pressão atmosférica, temperatura ambiente, humidade relativa do ar)

• a resolução, efetivamente utilizada, de leitura do padrão• a incerteza de calibração do padrão utilizado, declarada no certificado de calibração.

ATIVIDADE EXPERIMENTAL

1. Fazer a calibração do multímetro JDR, na função volt -DC, faixa de 2V, utilizando o método decomparação tomando por base a Norma Brasileira ABNT NBR ISO/IEC-17025 e a instrução DOQ-CGCRE-018 Revisão 00 – SETEMBRO/2006 INMETRO “ORIENTAÇÃO PARA CALIBRAÇÃO DE INSTRUMENTOS ANALÓGICOS

E DIGITAIS DE MEDIÇÃO NA ÁREA DE ELETRICIDADE”. Usar a fonte “Variable Power Supplly” do NI-Elvis,como fonte do sinal padrão.Nota-1: Sugere-se escrever a função de medição para a calibraçãoNota-2: Sugere-se preencher as tabelas abaixo.Nota-3: O resultado da calibração, em cada ponto de medição calibrado, é a verificação ou não de “conformidade com as

especificações”. Explicitar, no caso do instrumento em questão, os valores constantes no manual do instrumento, osvalores que serão comparados.

Dados de medição:

Padrão

Medidor

Planilha para Cálculo da Incerteza de Medição

Componentesde Incerteza

Tipo deIncerteza

Grandezade entrada

( X i) Distribuição Divisor *Ci ννννeff

uc - Incerteza Combinada

U - incerteza expandida (95%)




Laboratório

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Módulo-3 MINIMIZAÇÃO DO EFEITO DE CARGA EM SISTEMAS DE MEDIÇÃO

Objetivos

− Compreender a influência do medidor (ou sistema de medição) no resultado da medida.− Organizar o ambiente laboratorial.− Conscientizar a respeito da segurança no ambiente laboratorial.

Resultados do AprendizadoAo passar por esta atividade de ensino aprendizagem o aluno deverá ser capaz de: – Analisar o efeito da resistência finita do medidor na incerteza de medição. – Propor medidas para minimização desse efeito sobre a incerteza de medição.

– Manter a organização do laboratorio visando o bom uso de equipamentos e instalações. – Comportar-se adequadamente no ambiente do laboratório, não expondo nem a sí nem a

outros a riscos sobre a sua integridade física.

Elementos para o relatório da atividade experimental:

− Fundamentação• Efeitos sistemáticos e aleatórios que podem influênciar a medição da tensão Vth, entre os terminais

do resistor, conforme descrito no ítem “Atividade Experimental”.

• Expressão para o valor da tendência (erro) de medição da tensão V th causado pela resistência RM deentrada do medidor (efeito de carga).Nota: Rth é a resistência equivalente de Thevenin, determinada a partir dos terminais do resitor onde será conectado ovoltímetro (inclui R1, R2, Rf e quaisquer outros resistores do circuito).

• Esboço do gráfico (Vm /Vth) x RM, considerando os resistores Rth e RM (0 ≤ RM ≤ ∞).

• Tabela com estimativa do valor da tensão Vth, considerando os valores dados no ítem “AtividadeExperimental” e resistência do voltímetro infinita e também para o valor de resistência doinstrumento de valor dado no manual do fabricante.

• Estimativa da incerteza da medição para o caso anterior.

Considere que uRM <<uRth, onde uRM é o componente de incerteza devido à tolerância do resistor RM euRth o componente de incerteza devido a tolerância da resistência equivalente Rth.

• Características de dispositivos eletrônicos (amp.ops) para minimizar o efeito de carga.

• Procedimento de medição para a atividade experimental (pré-relatório).

• Equipamentos, componentes e instrumentos utilizados (pré-relatório).

• Resultados

• Conclusão

• Referências

Atividade experimental

Atividade-1

• Encontrar o valor da resistência Rf da fonte CC de tensão variável (0-15V) do Ni-Elvis.• Considere6 um circuito elétrico alimentado com a da fonte de tensão variável do Ni-Elvis,

referenciada à terra e formado por resistores ligados em série e com valores ôhmicos de

1MΩ, 900kΩ, 90kΩ, 9kΩ e 1kΩ. Deseja-se determinar, por medição, a queda de tensão nosterminais de cada uma dos resistores.Nota: a tensão da fonte deve ser ajustada para maximizar a qualidade (?) dos resultados da medição.

a) Escrever o procedimento de medição,

6 Obs. Faça montagens organizadas com os componentes e condutores rentes à placa de prototipação (proto-board).




Laboratório

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1 informe o princípio e o método de medição a serem empregados;2 esboçe o diagrama do circuito, dando destaque para os pontos onde serão feitas as

medições;3 informe-se sobre as características (valor ôhmico, tolerância, potência, etc.) de todos

os resistores que estarão envolvidos na medição;4 escreva a função de medição (para o caso geral);5 em uma tabela, informe os valores calculados das quedas de tensão em cada um dos

pontos onde serão feitas as medições;6 Escreva a sequência de ações para que seja realizada a medição.

b) Anotar os valores indicado pelo instrumento em cada condição de medição;

c) Comparar com o valores determinados por cálculo com os obtidos por medição em cada umdos terminais do circuito.

d) Elaborar hipóteses para explicar possíveis diferenças que aparecerem.

e) Qual o valor da incerteza dessas medições?

Atividade--2

• Se julgar necessário, use componentes eletrônicos (amplificadores operacionais, etc) para corrigir aseventuais discrepâncias encontradas nos resultados.

a) Faça as medições novamente e compare com os resultados obtidos na Atividade-1; b) Avalie o valor da incerteza de medição para pelo menos um dos casos mais críticos.




Laboratório

13

Módulo-4 MEDIÇÃO DE SINAIS EM CIRCUITOS NÃO-CONECTADOS À TERRA

OBJETIVOS – Entender as dificuldades para medir sinais em circuitos em que nenhum dos terminais está

diretamente conectado à terra.

– Apreender a minimizar o efeito da tensão de modo-comum em medições da diferença depotencial entre os terminais de circuitos não conectados à terra.

– Conscientizar sobre os riscos de acidentes no ambiente laboratorial, provocados pela tensão demodo-comum.

RESULTADOS DO APRENDIZADOAo completar essa atividade o aluno deverá ser capaz de:

– implementar circuitos eletrônicos de condicionamento de sinais para reduzir efeito datensão de modo-comum sobre o resultado da medição de tensão.

– analisar o efeito da tensão de modo comum no modelo (matemático) da medição.

ATIVIDADE EXPERIMENTAL7

Atividade-1 Medição Diferencial – método indireto

− Inspecionar o multímetro (NI-ELVIS-II, NI-ELVIS-traditional), para determinar se osterminais de entrada de sinal são referenciados a terra ou isolados. Compare com o

instrumento convencional;− Inspecionar os terminais de entrada do osciloscópio (NI-ELVIS-II, NI-ELVIS-traditional) para certificar se são referenciados a terra ou isolados. Compare com osde um instrumento convencional;

− Execute um procedimento para fazer medição da queda de tensão entre terminaisnão conectados diretamente à terra, de um circuito composto de uma fonte dealimentação AC (NI-ELVIS) e várias impedâncias. Pelo menos uma dessasimpedâncias deve ter alto valor ôhmico. O instrumento a ser usado deve ser oosciloscópio e um de seus terminais deve estar referenciado à terra.

Nota: cuidado para que a tensão de modo-comum não provoque acidentes ou danos nosinstrumentos.

Atividade-2 Medição Diferencial – método direto

− Execute procedimento para fazer medição da queda de tensão nos terminais domesmo circuito descrito na atividade anterior, agora usando um circuitocondicionador de sinais (amplificador de diferenças ou de instrumentação) paraminimizar o efeito da tensão de modo-comum no resultado da medição. O

7 A atividade experimental deve ser executada com base em um procedimento escrito.




Laboratório

14

instrumento a ser usado deve também ser o osciloscópio com um de seus terminaisreferenciado à terra. Agora apenas 1 (um) canal do instrumento pode ser usado namedição.

Nota: Certifique a que a tensão de modo-comum não irá provocar nem acidentes nem danos noscomponentes eletrônicos.

Obs. Faça montagens organizadas com os componentes e condutores rentes à placa de prototipação (proto-board).Esteja atento para as questões de segurança.


− Introdução:o Caracterizar:

Fonte de sinal referenciado à terra. Fonte de sinal isolada. Medição referenciada à terra Medição diferencial.

o Defina “sinal de modo-normal” (ou modo série) e “sinal de modo-comum”.o Dê exemplos de fontes de sinal (ruído) de modo-comum nos sistemas de mediçãoo Dê as características de dispositivos eletrônicos (amp.ops) que podem ser usados para

minimizar o efeito da tensão de modo-comum. Obs.: pesquise na internet (sugestão: http://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/2045).

− Procedimento de medição para a atividade experimental (PRÉ-RELATÓRIO).

− Equipamentos, componentes e instrumentos utilizados (PRÉ-RELATÓRIO).

− Resultados;

− Análise dos resultados:

Compare e analise os resultados de medições obtidas em cada um dos dois problemas. Construa o modelo matemático de medição para os casos tratados na parte

experimental. Análise o efeito da tolerância dos resistores do AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO

em seu funcionamento.− Conclusão;

− Referências bibliográficas.




Laboratório

15

Módulo-5MÉTODOS INDIRETOS PARA MEDIÇÃO DA CORRENTE ELÉTRICA

OBJETIVOS− Aprender a projetar e especificar dispositivos para medição da corrente elétrica (CC e CA).

− Aprender a elaborar procedimentos para realizar medições de altas correntes (CC e CA), incluindo omodelo matemático de medição.


– projetar e implementar dispositivos para medição de corrente contínua e alternada. – avaliar o efeito dos dispositivos para medição de corrente, CC e CA, no modelo de medição. – elaborar procedimentos para medição de corrente (CC e CA), inclusive computando corretamente o

efeito dos dispositivos de medição sobre o modelo matemático de medição.


Atividade-1 método indireto – derivador de corrente (do inglês current shunt)

− Execute um procedimento para obter, por medição, o valor de correntes em circuitosCA (f≥50Hz) que excedam o valor de fundo de escala do medidor disponível,empregando um dispositivo derivador de corrente. O derivador deverá:

a) possibilitar ao amperímetro do NI-Elvis funcionar para correntes de até 1 A.

b) ter resistência menor do que 1Ω, medida entre seus terminais de entrada.

− A relação de divisão de corrente no circuito de medição deve ser determinada,considerando também a resistência interna do amperímetro do NI-Elvis.

− Escrever a equação da corrente no instrumento em relação à total, incluindo todos oscomponentes que sejam relevantes para a incerteza da medição.

Nota: disponível no laboratório: resistores de precisão 0,1Ω, resistores de 11Ω/5W e fonte dealimentação CA, 100V, 5A.

Atividade-2 método indireto - Conversor corrente/tensão

− Execute um procedimento para obter, por medição de tensão com o voltímetro do NI-Elvis, o valor da corrente de até 1A (f≥50Hz) em circuitos elétricos, utilizando um

conversor corrente/tensão. Esse conversor deverá:a) ter relação corrente/tensão de 1A/10V, independente da frequência.

b) ter resistência menor ou igual a 1Ω.

− Testar a qualidade do sinal de saída.− Escrever a equação da corrente de total em relação à medida com um voltímetro,

incluindo todos os componentes que sejam relevantes para a incerteza da medição.




Laboratório

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ELEMENTOS PARA O RELATÓRIO DA ATIVIDADE EXPERIMENTAL:− Fundamentação

• Descreva as características metrológicas dos seguintes dispositivos de medição de correntes:1. Derivadores ou shunts.2. Conversor corrente/ tensão.3. Transformadore de corrente convencional (não serão objeto de estudo nesta aula).4. Transformador de corrente com pastilha de efeito-Hall.5. Dispositivos óticos para medição de corrente elétrica.



− Resultados;


Compare e analise os resultados de medições obtidas em cada um dos dois problemas. Construa o modelo matemático de medição para os casos tratados na parte

experimental. Análise o efeito da tolerância dos resistores do AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO

em seu funcionamento.− Conclusão;

Referências bibliográficas.




Laboratório

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Módulo-6 FUNCIONAMENTO DO CIRCUITO INTEGRADOR ANALÓGICO

OBJETIVOS− Entender as consequências do uso de componentes não ideais no circuito integrador;

− Compreender a ação do circuito de descarga do capacitor no ramo de realimentação.

− Analisar o funcionamento do circuito integrador no domínio da frequência.


– projetar e implementar circuitos integradores analógicos com ou sem malha de dissipação. – avaliar a ação da malha de realimentação sobre o funcionameto do circuito integrador no domínio

da frequência. – elaborar procedimentos para obtenção de dados experimentais da ação do integrador analógico

sobre a variação do sinal de entrada com a frequência;


Atividade-1 Integrador analógico puro

− Faça um esboço do circuito do integrador analógico com amplificador operacional eescolha os valores dos componentes para RC≥100ms.

− Examine as características do AMP-OP que são importantes para o funcionamentodesse circuito.

− Monte em proto-board o circuito integrador projetado.− Execute um procedimento para mostrar o funcionamento do circuito integrador

puro. Sugestão: com o NI-ELVIS aplique um sinal quadrado, variando o seu “ciclo de carga” (duty-cycle) na

entrada. Verifique se o funcionamento é compatível com os valores calculados para otempo de integração.

− Caso seja constatada a saturação do circuito: execute um procedimento para monitorar o sinal de saída do circuito

integrador com AMP-OP, estando a fonte de sinal no nível zero (aterrada). − Execute um procedimento para se obter o funcionamento do circuito integrador

puro em função da frequência do sinal de entrada.

Atividade-2 Integrador analógico com circuitos de compensação do problema do AMP-OP.

− Monte e teste um circuito para minimizar a saturação do circuito integrador comcom AMP-OP, usando malha resistiva no circuito de realimentação. Sugestão: cuidado com o valor da resistência do resistor, para que o circuito não deixe de ser

integrador. − Execute um procedimento para obter medidas do sinal nos terminais de saída do

circuito integrador, variando o valor da resistência do resistor e o ciclo de carga dosinal de entrada. Compare com os valores obtidos anteriormente.

− Execute um procedimento para se obter o funcionamento do circuito integradorpuro em função da frequência do sinal de entrada.




Laboratório

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ELEMENTOS PARA O RELATÓRIO DA ATIVIDADE EXPERIMENTAL:− Fundamentação

• Faça esboços do circuito integrador simples e do integrador com AMP-OP.

• Obter o modelo matemático do integrador com AMP-OP.

• Discuta o efeito do AMP-OP neste circuito.

• Destaque as principais características que um AMP-OP deve ter para que o circuito funcionebem.

• Descreva três opções de circuito para minimizar eventuais problemas dos AMP-OPs.



− Resultados;


Compare e analise os resultados de medições obtidas em cada uma das atividades.− Conclusão;

− Referências bibliográficas.




Laboratório

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Módulo-7 MEDIÇÃO DE SINAIS AC

Parte-A – Medição do Valor RMS de Sinais: método do valor médio abasoluto

OBJETIVOSObter o valor RMS por meio da retificação do sinal alternado e medição do seu valormédio.

RESULTADOS DO APRENDIZADO:

Ao final desta atividade o aluno deverá demonstrar que é capaz de:

1. Analisar circuitos eletrônicos para fornecer o valor RMS de sinais com forma de onda comexpressão analítica conhecida, a partir da medição do valor médio retificado (absoluto).

2. Escrever procedimentos para fazer a medição do valor RMS de sinais com forma de ondacom expressão analítica conhecida, a partir do valor médio absoluto.

3. Escrever a função de medição e calcular a incerteza para circuitos eletrônicos de mediçãodo valor RMS de sinais com forma de onda com expressão analítica conhecida.

PRÉ-RELATÓRIO DA ATIVIDADE EXPERIMENTALBase teórica:

Escrever o modelo matemático para obtenção por medição do valor RMS de sinais a partir do valormédio absoluto, incluindo os fatores que mais contribuem para incerteza da medição.

Circuitos de mediçãoCircuito eletrônico completo para determinação do valor RMS de sinais a partir do valor retificado.

Procedimento de mediçãoTodos os ítens do procedimentos de mediçãoEquipamentos, Componentes e Instrumentos utilizados

Lista dos principais equipamentos, componentes e instrumentos utilizados.

ATIVIDADE EXPERIMENTAL:

− Montar um circuito eletrônico que forneça em sua saída apenas a parte positiva (ou anegativa) de sinais bidirecionais (alternados) variáveis no tempo colocados em suaentrada. Considere que a amplitude do sinal de entrada pode ser menor do que 1 volt eque eventuais efeitos sistemáticos produzidos devam ser minimizados.Dica: retificador de precisão de meia-onda.

− Fazer medições e registrar a forma de onda do sinal de saída bem como nos demais pontos

do circuito.− Inserir dispositivo que evite eventuais saturações do circuito acima.− Montar um circuito eletrônico para somar e amplificar dois sinais de fontes diferentes

colocados em sua entrada. O primeiro deverá ser amplificado por um fator duas vezesmaior do que o do segundo.

− Fazer medições e registrar a forma de onda do sinal de saída.




Laboratório

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− Montar um circuito eletrônico para amplificar sinais colocados em sua entrada por umfator (p.ex. 1,11) igual à relação entre o valor médio absoluto e o valor RMS de um sinal(i.e. senoidal) colocado em sua entrada.

− Fazer medições e registrar a forma de onda do sinal de saída.− Montar um circuito eletrônico que filtre sinais cujo componente fundamental de

frequência seja maior ou igual a 60Hz, deixando passar apenas o seu valor médio.Dica: considere que a frequência de corte do circuito deve ser bem menor do 60Hz.

− Agrupar os circuitos eletrônicos anteriores em um único bloco para produzir em sua saídao valor RMS de sinais de sinais que tem forma de onda com expressão analítica conhecida(senoidal, triangular, quadrada, etc ). A frequência fundamental do sinal de entrada deveser maior ou igual a 60Hz.

− Registrar a forma de onda na saída (retificador, amplificador, somador, filtro, etc).

− identifique os principais componentes de incerteza nessa medição.

ELEMENTOS PARA O RELATÓRIO DA ATIVIDADE EXPERIMENTALBase teórica:a) Expressão matemática e o significado físico do valor RMS para qualquer tipo de sinal.b) Relação matemática entre o valor RMS e o valor máximo para sinais contínuos no tempo,

com forma de onda conhecida (senoidal, triangular, quadrado, etc).c) Relação matemática entre o valor médio absoluto e o máximo para sinais contínuos no

tempo, com forma de onda conhecida (senoidal, triangular, quadrado, etc).d) Relação matemática entre o valor RMS e valor médio absoluto para sinais contínuos e

discretos no tempo, com forma de onda conhecida (senoidal, triangular, quadrado, etc).e) Função (modelo matemático) de medição para obtenção do valor RMS de sinais a partir do

valor médio absoluto, incluindo os fatores que mais contribuem para incerteza da medição.

Circuitos de Medição− Circuitos eletrônicos de precisão (onda completa) para determinação do valor absoluto

(retificado) de sinais variáveis no tempo.Dica: pesquisar os circuitos retificadores de precisão de meia-onda e de onda completa.

− Circuito eletrônico para determinação do valor médio de sinais.Dica-1: teorema do valor médio da matemática.Dica-2: Pesquisar, por exemplo, no livro de Circuitos Elétricos (Nilsson & Riedel cap.15).

− Circuito eletrônico completo para determinação do valor médio absoluto (retificado) desinais.

− Circuito eletrônico completo para determinação do valor RMS de sinais a partir do valormédio absoluto.

Procedimentos de medição− Descrição detalhada da medição, de forma itemizada, baseada no modelo de

medição.

− Esboço do circuito elétrico onde será feita a medição.

− Representação e localização dos instrumentos no circuito de medição.

− Relato da configuração dos instrumentos utilizados na medição.

Equipamentos, Componentes e Instrumentos utilizados




Laboratório

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− Especificação detalhada dos instrumentos utilizados na medição.

− Especificação detalhada dos componentes eletro-eletrônicos utilizados na medição.

− Especificação detalhada de equipamentos utilizados na medição.

Resultados.− Valores medidos

− Resultado da medição.Análise dos resultadosConclusãoReferências bibliográfica.

Perguntas:1. Considerando um sinal senoidal aplicado na entrada, quais as formas de onda do sinal

condicionado ao final de cada bloco do circuito acima?2. Visando melhorar o resultado da medição, existe critério para especificação:

a. dos amplificadores operacionais? b. dos diôdos?

3. Qual a influência dos resistores na qualidade da medição?4. Quais os principais componentes de incerteza na medição do valor RMS de sinais, feitos

com base no circuito montado no experimento?




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Parte-B - Medição do Valor RMS de Sinais: método do valor RMS verdadeiro

OBJETIVOS: Obter o valor RMS de sinais periódicos com forma de onda indeterminada.



1. Empregar circuitos eletrônicos para obter o valor RMS (raiz quadrada do valor médioquadrático) verdadeiro de sinais variáveis no tempo, cuja forma de onda não tenhaexpressão analítica conhecida.

2. Escrever procedimentos para fazer a medição do valor RMS-verdadeiro de sinais.3. Identificar os principais componentes de incerteza de circuitos eletrônicos de medição do

valor RMS-verdadeiro de sinais.

PRÉ-RELATÓRIO DA ATIVIDADE EXPERIMENTALBase teórica:Escrever o modelo matemático para obtenção por medição do valor RMS de sinais periódicos comqualquer forma de onda, incluindo os fatores que mais contribuem para incerteza da medição.

Circuitos de mediçãoCircuito eletrônico completo para determinação do valor RMS de sinais periódicos com forma deonda qualquer.

Procedimento de mediçãoTodos os ítens do procedimentos de medição

Equipamentos, Componentes e Instrumentos utilizadosLista dos principais equipamentos, componentes e instrumentos utilizados.

ATIVIDADE EXPERIMENTAL: Utilizando a plataforma NI-ELVIS:

− Montar um circuito eletrônico para inverter um sinal de amplitude de até 10 volts colocadoem sua entrada, de maneira que a alteração em amplitude não seja maior do que 1%.

− Usar o osciloscópio e o multímetro NI-ELVIS para verificar a amplitude após a inversão.

− Montar um circuito eletrônico para integrar um sinal periódico, sendo a frequência decorte bem menor do que 60Hz.

− Dica: assegure-se que o offset do AmpOp seja minimizado e que os componentes desse circuito sejam especificadoscorretamente.

− Usar o analisador de Bode do NI-ELVIS para verificar o comportamento do integrador.

− Montar um circuito eletrônico para somar dois sinais cujas amplitudes são de até 10V efrequência de até 10kHz, fazer a diferença de outros dois e multiplicar a soma peladiferença dividindo o resultando por 10.Dica: use um multiplicador de 4 quadrantes como o AD633 da Analog Devices ou o MPY634 da Texas Inc.

− Registrar a forma de onda do sinal na saída desse circuito e medir a sua amplitude com ummultímetro (AC ou DC?).




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− Agrupar os circuitos anteriores para que seja obtido o valor RMS de sinais com forma deonda qualquer.

− Comparar o resultado obtido fazendo medições do sinal utilizando o voltímetro do NI-Elvis

e um voltímetro comercial para RMS-verdadeiro.


Base teórica:− Significado do valor RMS verdadeiro.

− Valor esperado (médio) do produto entre duas funções. A primeira obtida da diferençaentre um valor constante e um polinômio cuja expressão é dada com base na série de

Fourrier ∑=

ϕ+ω= N

1i

ee )iti(senU2)t(Ui

rms representando um sinal periódico com uma forma

de onda qualquer. A segunda função é obtida pela soma entre o mesmo valor constanteanterior com o mesmo polinômio.Dica: use relacões trigonométricas para desdobrar termos quadráticos em termos simples (i.e. senA ou cosA).

Circuitos de Medição

− Circuitos eletrônico analógico para multiplicar o sinal de entrada com o seu inverso.(Dicas: multiplicadores analógicos de 4 quadrantes (Analog Devices AD633, Texas MPY634 ).

− Integração do sinal resultante do produto de 2 sinais (direto e inverso).

− Circuito eletrônico analógico para integração (valor médio) de um sinal periódico.Dica: considere a frequência mínima de 40Hz. ≫

.

− Propor solução para eliminar, caso houver, uma componente constante no sinal – proveniente do circuito multiplicador - a ser integrado.

− Esboço de um circuito eletrônico para obtenção do valor RMS (verdadeiro) para sinais periódicos com composição harmônica qualquer.

Procedimentos de medição

− Descrição detalhada da medição, de forma itemizada, baseada no modelo demedição.

− Esboço do circuito elétrico onde será feita a medição.

− Representação e localização dos instrumentos no circuito de medição.

− Relato da configuração dos instrumentos utilizados na medição.

Equipamentos, Componentes e Instrumentos utilizados

− Especificação detalhada dos instrumentos utilizados na medição.

− Especificação detalhada dos componentes eletro-eletrônicos utilizados na medição.− Especificação detalhada de equipamentos utilizados na medição.

Questões:

− Existem outras opções para medição do RMS-verdadeiro, além dessa estudada? Explique.− Que tipo de dispositivos poderiam ser usados com a solução desenvolvida acima para se ter

um medidor completo?− Tente fazer uma estimativa do custo aproximado desse medidor. Compare com um

voltímetro comercial.




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− Em sua opinião, é justificável a diferença de custos entre voltímetros comuns e os de RMS-verdadeiro (true-RMS)?o Páginas na Internet de fabricantes nacionais de instrumentos:

Minipa - http://www.minipa.com.br/ Icel - http://www.icel-manaus.com.br/, Politerm - http://www.politerm.com.br/,

o Páginas na Internet de fabricantes estrangeiros de instrumentos, disponíveis no mercadonacional Fluke - http://www.fluke.com.br/brpt/home/default.htm Agilent-http://www.home.agilent.com/agilent/home.jspx?cc=BR




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Módulo-8 LINEARIZAÇÃO DE SINAIS DE TRANSDUTORES COM CIRCUITOS EM PONTES




Laboratório

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Módulo-9 SISTEMAS DIGITAIS DE MEDIÇÃO: ALIASING E FILTRO ANTI-ALIASING

OBJETIVOS:Capacitar o aluno a:

− Compreender o funcionamento dos sistemas digitais de medição e evitar o falseamento(aliasing) dos componentes de frequência do sinal.

− Evitar o falseamento dos componentes de frequências (filtros anti-aliasing) em um sistemadigital de medições.



1. Configurar corretamente o sistema digital de aquisição de dados para evitar o falseamento(aliasing) dos componentes de frequência do sinal.

2. Projetar filtros ativos para evitar o falseamento dos componentes de frequências (filtros anti-

aliasing) para um sistema digital de medições.

PRÉ-RELATÓRIO DA ATIVIDADE EXPERIMENTALCircuitos de medição:

Filtro passa-baixas ativo (filtro anti-aliasing) para minimizar o aliasing durante medição (visualização)de sinais periódicos de frequência máxima de 3120Hz.A taxa de amostragem a ser usada, considerando o conversor A/D do sistema digital de 10 bits.Obs. A taxa de amostragem não deve ser superior a 6kHz.A topologia do filtro deve ser Sallen-Key ou a MFB (múltipla realimentação).O polinômio de aproximação usado (Butterworth, Bessel, Chebychev, etc).considerando o A/D C de 10 bits.



ATIVIDADE EXPERIMENTAL: Parte-1:

1. Use o Gerador de Funções do NI-Elvis para produzir um sinal com forma de onda senoidal. Este sinal deveráser visualizado com o Osciloscópio, que deve estar ajustado para a mais baixa taxa de amostragem (sample-rate) selecionável.

2. Sem alterar esse ajuste, aumente gradativamente a frequência do sinal no Gerador de Função e anote asindicações do seu valor no display do Osciloscópio. Seja particularmente cuidadoso quando os valores defrequência do sinal estiverem próximos da metade do valor da taxa de amostragem. Anote e comente os

efeitos que você observar.3. Continue aumentando a frequência do sinal ficando atento para valores múltiplos da taxa de amostragem dodigitalizador. Novamente, anote e comente as suas observações.

4. Tente obter com o Gerador de Função um ajuste fino no valor da (alta) frequência do sinal para que o mesmopossa ser visualizado na tela do Osciloscópio, mantendo inalterada a sua configuração.

Parte-21 Considerando que o fenômeno observado na parte-1 não é desejável, tente encontrar uma solução que

impeça que isto ocorra (filtro anti-alisiang). O utilitário “Bode Analiser” (Analisador de Bode) do NI-Elvis podeser usado para verificar a efetividade dessa solução. Registre os dados obtidos e compare com valoresteóricos.




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a. Repita o experimento da parte-1, de forma que o sinal agora passe pelo filtro anti-aliasing e verifique se ofenômeno foi eliminado.

b. Registre os dados e formas de onda dos sinal na entrada e na saída do filtro. Discuta os resultados.

ELEMENTOS PARA O RELATÓRIO DA ATIVIDADE EXPERIMENTAL:

− Base teórica:

1. Arquitetura de um sistema digital de medição.2. Aliasing e a digitalização de sinais. Expressão para determinação da frequência falseada (aliased).3. Característica e critérios para especificação/projeto de filtros antialiasing.4. Topologias de filtros antialiasing/passa-baixas (Sallen-Key, Múltipla realimentação ou universal).

Utilizando a plataforma NI-ELVIS:1. procedimentos de medição:

Dica-1: escrever de forma itemizada e concisa todas as ações que serão executadas para se realizar as medições.Dica-2: fazer esboço de diagramas completos dos circuitos elétricos/eletrônicos a serem utilizados na medição, mostrando inclusive os

pontos onde deverão ser colocados os instrumentos para medição dos sinais.2. equipamentos, componentes e dispositivos utilizados:Dica: relatar com detalhes os equipamentos, componentes e dispositivos essenciais para medição. No caso de CI’s registrar a pinagem.

2. Resultados.a) registro dos resultados das medições realizadas e de dados obtidos na atividade.

b) correção do modelo matemático (função de medição) para obtenção do valor mensurando.

c) Determinação da incerteza de medição.

3. Análise dos resultados. Dica: analíse eventuais discrepâncias nos resultados encontrados e aponterazões para tanto.

4. Conclusão.5. Referências bibliográficas.

Determine:

1. O nível do sinal imposto pelo filtro na banda de atenuação (use o programa FILTERPRO8

para obter asespecificações) para que não ocorra o aliasing.

8 Disponível em http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/filterpro.html




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Laboratório

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Módulo-10 SISTEMAS DIGITAIS DE MEDIÇÃO: conversores A/D

SISTEMAS DIGITAIS DE MEDIÇÃO: conversor A/D Objetivos: Analisar a capacidade dos circuitos eletrônicos integradores de rejeitar ruídos com forma deonda senoidal.

Resultados do Aprendizado:


2. Propor soluções para melhorar a qualidade da medição.3. Montar circuitos integradores para filtrar ruídos eletromagnéticos sobrepostos ao sinal a ser

medido.4. Especificar componentes para montagem do circuito de filtros analógicos do tipo integrador.

Elementos para o pré-relatório da atividade experimental:

Base teórica:

− Definir o significado da NMRR9.

− Circuito eletrônico de filtros PB de 1ª ordem, sem AmpOP e com ampop (integrador).

− Comparação dos dois tipos.

− Análise do funcionamento do circuito integrador, incluindo a características dos componentes(AmpOp, etc).

Materiais e Método:− Procedimento para medição de sinais com varredura-única (single-shot) com o osciloscópio da NI-

ELVIS.

− Materiais e equipamentos utilizados: características (NI-Elvis, amp.op., resistor e capacitor, etc).

Atividade experimental:

Fazendo uso da plataforma NI-ELVIS:

b) Utilize o Gerador de Formas de Onda Arbitrárias (GFOA) da plataforma ELVIS para gerar osinal V(t):

= ∙ + ∙

sendo:

a. v1(t ) = (square(2*pi*10*t )+1)/2

i. onda quadrada, f = 10 Hz, com Vmín= 0 e Vmáx. = 1 V; b. v2(t ) = 1 + 0.5*sin(2*pi* f ruído*t );

i. onda com nível DC de 1 V (objetivo da medição) corrompido por um ruídosenoidal de freqüência variável ( f ruído) com amplitude de 0,5 V.

c. v3(t ) = (2*square(2*pi*10*t )-2)

9 Observe que CMRR e NMRR são diferentes. CMRR é a taxa de rejeição da tensão de modo-comum e NMRR (ou RSNR) é a taxa derejeição da tensão de modo normal ou série. Ver:pag.232 do livro adotado “Principles of Electrical Measurments” por S. Tumanski.




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i. onda quadrada, f = 10 Hz, com Vmín,= - 4 V e Vmáx. = igual a ZERO edefasada de v1(t );

d. v4(t ) = (square(2*pi*2.5*t )+1)/2

i. onda quadrada, f = 2,5 Hz, com Vmín,= a ZERO e Vmáx. = 1 V eDUTYCYCLE de 25 %.

e. observe que a onda “v1(t )v2(t )” permite a aplicação do sinal sob medição aointegrador, gerando a rampa de subida, e v3(t ) aplica um valor de tensão negativo

provocando a rampa de descida do integrador.

f. perceba que a onda v4(t ) tem por objetivo “zerar” a onda de entrada para que ointegrador volte à condição de tensão nula. A figura a seguir exemplifica V (t ) para f ruído = 60 Hz:

c) monte um circuito eletrônico para fazer a integração de sinais com constante de integração(1/RC) igual a 10.

d) prepare o osciloscópio do ELVIS para operar com tempo de varredura total de 100ms.

e) aplique o sinal do GFOA do ELVIS na entrada do integrador e utilize o osciloscópio pararegistrar este sinal e o sinal de saída do integrador para as seguintes condições:

a. v2(t ) = 1 + 0*sin(2*pi* 20 *t ); (1º. Caso, ruído igual a zero)

b. v2(t ) = 1 + 0,5*sin(2*pi* 20 *t );

c. v2(t ) = 1 + 0,5*sin(2*pi* 30 *t );

d. v2(t ) = 1 + 0,5*sin(2*pi* 40 *t );

e. v2(t ) = 1 + 0,5*sin(2*pi* 50 *t );

f. v2(t ) = 1 + 0,5*sin(2*pi* 80 *t );

4.7 4.8 4.9 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

tempo (s)

V ( t )




Laboratório

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g. v2(t ) = 1 + 0,5*sin(2*pi* 90 *t );

h. v2(t ) = 1 + 0,5*sin(2*pi* 120 *t );

i. v2(t ) = 1 + 0,5*sin(2*pi* 130 *t );

f) observe os diferentes tempos demandados para “zerar” a saída do integrador (rampa de descida)e compare os valores obtidos com o 1º. Caso (sem ruído).

g) estabeleça um procedimento para obtenção da curva NMRR (discussão em sala)

h) correlacione este experimento com a utilização de conversores A/D do tipo integrador emmultímetros digitais.

i) Escreva o procedimento para obtenção da curva NMRR.




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Módulo-11 MEDIÇÃO DE POTÊNCIA E ENERGIA ELÉTRICA

Objetivo: capacitar o aluno a obter o resultado completo de medições da potência elétrica emcircuitos de tensão CC e CA.

Resultados do Aprendizado:

Ao final desta atividade o aluno deverá demonstrar que é capaz de:1. Escrever procedimentos para realizar medição da potência em circuitos elétrico-

eletrônicos.2. Implementar circuitos elétro-eletrônicos para medição da potência elétrica.3. Analisar as fontes de incertezas do instrumento.

Elementos para o pré-relatório da atividade experimental:

Base teórica:- Métodos de medição da potência em circuitos elétricos (circuitos CC, CA (ativa, reativa,aparente e baixa e alta frequência), áudio, etc.).- Circuito eletrônico com base na multiplicação analógica para medição da potência.- Modelo matemático (equação) inicial relacionando as grandezas de entrada com a de saída.Obs. Considere a tensão senoidal e cargas que possam produzir defasamentos ecomponentes harmônicos. Escolha valores compatíveis com a plataforma NI-Elvis.- Esboço das formas de onda nos pontos mais importantes do circuito .- Identificação de possíveis fontes de incerteza no circuito elétrico esboçado.

Materiais utilizados:São os dispositivos, instrumentos e equipamentos a serem utilizados:

1. NI-Elvis:

2. Dispositivos:a. Amplificadores operacionais?b. Resistoresc. Capacitoresd. Multiplicadores analógicos (ver www.analog.com, www.ti.com etc).

3. Etc.

Atividade experimental:1. Use a plataforma educacional NI-ELVIS.

2. Implemente o circuito para medição da potência ativa com base na multiplicaçãoanalógica.3. Aplique tensão senoidal e cargas que possam produzir defasamentos e componentes

harmônicos no sinal de corrente.4. Obs. Escolha os valores compatíveis com o NI-Elvis.5. Realize medições e mostre a forma de onda em vários pontos do circuito.

6. A carga a ser utilizada deve proporcionar uma potência máxima de 0,2W.




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Módulo-12 MEDIÇÃO DA RESISTÊNCIA EM CIRCUITOS ELÉTRICOS

OBJETIVO: capacitar o aluno a obter o resultado completo de medições da resistência elétrica

em circuitos de tensão CC e CA.


1. Escrever procedimentos para realizar medição da resistência elétrica em circuitos elétrico-eletrônicos, com destaque para a técnica de medição empregada.

2. Implementar circuitos de medição da resistência elétrica.3. Analisar as fontes de incertezas do sistema implementado.


Ações− Elaborar o procedimento de medição para determinação da resistência pelos métodos:

o Voltímetro/amperímetro;o Ponte de Weatstone;o Eletrônico com amplificador inversor

a) Método do voltímetro/amperímetro− Montar um circuito constituído de fonte variável de tensão CC de 10V, resistor limitador

de corrente, resistor de resistência desconhecida, voltímetro e (mili)amperímetro.− Energizar o circuito e medir a tensão e a corrente.− Calcular o valor da resistência.

b) Método da ponte de Weatstone− Montar um circuito constituído de fonte variável de tensão CC de 10V, circuito de

resistências de valor fixo (p.ex. 1k Ω), padrão de valor variável e resistência de valor desconhecido.

− As resistências devem estar ligadas em ponte.− Obter o equilíbrio da ponte, mudando o valor do resistor padrão.− Determinar o valor da resistência desconhecida.

c) Método eletrônico com amplificador inversor − Montar um circuito constituído de fonte variável de tensão CC de 10V, resistência

padrão de valor fixo (p.ex. 1k Ω), amplificador operacional ligado em configuraçãoinversora e resistência de valor desconhecido.

− Energizar o circuito.− Determinar o valor da resistência de valor desconhecido

ELEMENTOS PARA O RELATÓRIO DA ATIVIDADE EXPERIMENTAL:

Base teórica: Principais métodos de medição da resistência elétrica em circuitos elétricos:

• Voltímetro/amperímetro;

• Métodos por comparação de tensão:o Ponte Weatstoneo Ponte Kelvin;o Circuitos eletrônicos em ponte:

• Métodos por comparação de corrente




Laboratório

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• Circuito com amplificador inversor e comparação de tensões

Componentes, esquipamentos e instrumentos utilizados

Resultados.

Análise dos resultadosDica: analíse eventuais discrepâncias nos resultados encontrados e aponte as razões para tanto.

Conclusão.

Referências bibliográficas.




Laboratório

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Módulo-13 MEDIÇÃO DA FREQUÊNCIA, PERÍODO E FASE DO SINAL

Objetivo: capacitar o aluno a obter fazer medições da frequência, período e fase de sinaiselétricos variáveis no tempo.

ELEMENTOS PARA O RELATÓRIO DA ATIVIDADE EXPERIMENTAL:Base teórica:

Descrever os principais métodos para medição de frequência de sinais periódicos:1. Osciloscópio e figuras de Lissajours;2. Circuito com comparador e contador de pulsos.3. Circuito ressonante.

Escrever o modelo matemático para obtenção da frequência do sinal, para os métodos

descritos, incluindo os fatores que mais contribuem para incerteza da medição.Circuitos de mediçãoCircuito de medição para determinação da frequência e fase de sinais periódicos pelos métodos 1 e 2descritos acima.




Utilizando a plataforma NI-ELVIS:a. Osciloscópio XY e figuras de Lissajours:

Determinar, por medição, a frequência e a diferença de fase de sinais periódicos(senoidal, triangular, etc.) com base na técnica das figuras de Lissajours emosciloscópio, para sinais cuja frequência seja:

i. Igual a da frequência do sinal de referência e esteja em fase;ii. Duas vezes a frequência do sinal de referência e esteja em fase;iii. Três vezes a frequência do sinal de referência e esteja em fase;iv. Igual a da frequência do sinal de referência e esteja defasado de 45º;v. Duas vezes a frequência do sinal de referência e esteja defasado de 90º;vi. Três vezes a frequência do sinal de referência e esteja defasado de 30º;

b. Circuito com comparador e contador de pulsos

Montar um circuito elétrico baseado num comparador de tensão (Schmidt trigger)para determinação da frequência de sinais elétricos, utilizando o contador depulsos da plataforma NI-Elvis.

i. Primeiramente cada ciclo do sinal periódico deve ser convertido em umaonda retangular;

ii. O sinal resultante deve ser aplicado ao contador de pulsos do NI-Elvis, deforma que se possa determinar o número de ciclos (frequencia) por unidadede tempo.




Laboratório

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iii. Aí determina-se a frequência do sinal original.2. Resultados.

Análise dos resultados. Dica: analíse eventuais discrepâncias nos resultados encontrados.3. Conclusão.4. Referências bibliográficas.




Laboratório

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Apêndice–A MODELO DE RELATÓRIO

A elaboração de relatório de atividades de laboratório é muito importante para que o aluno

desenvolva a sua habilidade de comunicar informações técnicas de maneira clara e objetiva. Otexto deve ser manuscrito e é importante também ter cuidado com a caligrafia, para que asinformações sejam compreendidas pelos possíveis leitores. As seções devem ser organizadas emuma sequência que reflita a ordem que as atividades ocorreram.Sugere-se que o relatório contenha pelo menos as seguintes seções: cabeçalho (título do tópico,nome de quem participou da aula e elaborou o relatorio, data) – objetivos - resumo do tópico daaula - equipamento, materiais e métodos – resultados e discussão – conclusão.

CabeçalhoO relatório deve conter o título do tópico e identificação do relatório, os nomes dos participantesautores do relatorio e por fim a data.

ObjetivosNesta seção devem ser sumarizados as atividades a serem desenvolvidas e os ganhos a seremobtidos com a aula de laboratório.

Introdução (Embasamento teórico e colocação do problema a ser resolvido)Todo trabalho preparatório de anotações e cálculos feito antes da aula.

Atividade Experimental

Componentes, dispositivos e equipamentos utilizadosNesta seção devem ser relacionados os equipamentos e materiais utilizados (de maneira

discriminada) bem como suas principais características (tensão, corrente, resistência, etc.)fabricante, modelo, etc.

Metodologia de mediçãoRefere-se à descrição genérica da organização lógica das operações usadas na medição. Exemplo:método de substituição, método diferencial, etc.

Procedimento de mediçãoDeve ser feita uma descrição detalhada do experimento a ser executado, bem como diagramasilustrativos que permitam compreender como os dados foram coletados e, se for necessário,alguém possa repetir o experimento.

Resultados das medições

Os resultados obtidos através de medição devem ser relatados aqui nesta seção. É importante quesejam apresentados de forma compreensível e, se for necessário, fazendo uso de tabelas, gráficosou figuras cuidadosamente construídos para possibilitar um facil entendimento dos resultados.

ConclusãoO relatório termina com comentários – feitos com coerência e conhecimento – sobre osresultados obtidos, inclusive com a explicação para eventuais desvios que tenham acontecido.




Laboratório

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Apêndice–B PRÉ-RELATÓRIO

O objetivo do PRÉ-RELATÓRIO é fazer com que o aluno já inicie a atividade com algumapreparação prévia.

A ênfase do PRÉ-RELATÓRIO deve recair, principalmente, sobre a preparação da atividadeexperimental:

– Metodologia; – Procedimento; – Equipamentos, instrumentos e componentes utilizados.

O texto do PRÉ-RELATÓRIO deve ser manuscrito sendo elaborado para servir como um guia dasatividades na aula.

Tópicos:

Cabeçalho

Bastante simples. Apenas para identificar qual tópico ou atividade estará sendo objeto de atenção.

Metodologia:Descrever o método a ser usado nas medições

Procedimento

− Escrever, de forma simplificada, a função de medição. (para possibilitar saber previamenteo que será efetivamente medido).

− Fazer o(s) diagrama(s) esquemático(s) do(s) circuito(s) de medição.

− Identifique e represente, de forma inequívoca, no diagrama esquemático do circuito demedição, instrumentos e outros equipamentos relevantes.

− Determine valores dos componentes a serem usados.

− Faça estimativas (cálculos) iniciais do(s) valor(es) da(s) grandezas a ser(em) medida(s).

− Fazer uma descrição simplificada sobre como o experimento será conduzido:Exemplo:

o medidas serão feitas;o escalas de medição;o ajustes dos instrumentos;o etc.

Componentes, Instrumentos e Equipamentos

– Relacione e dê as características mais importantes dos principais instrumentos eequipamentos que serão usados no trabalho experimental.

– Relacione e dê as principais características dos componentes que serão usados:o pinagem dos CI (circuitos integrados);




Laboratório

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o amplificadores operacionais (se requerer alguma característica especial, i.e., altaimpedância de entrada, baixa corrente de polarização, alta slew-rate, etc).

o características dos resistores (valor, tolerância, potência);o diôdos (rápido, comum, especiais);o etc.




Laboratório

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Apêndice-C PROCEDIMENTO DE MEDIÇÃO:

1. Mensurando (objeto da medição):Corrente elétrica fornecida pela da fonte CC de +15 V, do NI-Elvis, quando uma carga de 100Ω estiver

conectada entre os seus terminais.

2. Requisitos da medição:exatidão: 1,5%Nota: este dado orienta a escolha do medidor e dos demais componentes do circuito de medição.

3. Procedimento de medição(corrente elétrica fornecida pela fonte CC de +15V do NI-Elvis, com resistência de 100Ω ligada entre seusterminais)a. Esboço do circuito com indicação dos terminais onde será ligado o instrumento de medição

b. Estimativa do valor da corrente no circuito, a ser medida:

= +

= 15 +100 ≤ 150

c. Equipamentos e instrumento utilizados:1. fonte de tensão, referenciada à terra, +15V, que compõe o NI-Elvis.2. amperímetro digital, resolução 4 dígitos, exatidão ±(0,5%*lido+3mA) compõe NI-Elvis3. Cabos de ligação do multímetro.4. Proto-board do NI_Elvis

5. Resistor de 100Ω, tolerância ≤1%, 1/4W.6. Fios de conexão em proto-board (tipo wire-up).

d. Descrição do procedimento: • (observe sempre as regras de segurança e organização para o laboratório de eletricidade).

• inserir o resistor de 100Ω no proto-board do NI-Elvis, preferencialmente usando alicate de bico, para nãodanificar o proto-board.

• conectar, um de seus terminais, aos terminais da fonte de tensão de +15V, do NI-Elvis.

• conectar o outro terminal do resistor a um dos terminais do amperímetro (o amperímetro fica inserido oentre o resistor de carga e o terminal de referência de terra).

• inserir, no protoboard um condutor (fio de wire-up) em paralelo com o amperímetro deixando os seusterminais em curto-circuito.

• com a fonte ainda desligada, ligar o instrumento:o escolher a função corrente CC.




Laboratório

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o ajustar o instrumento para o menor valor de corrente de fundo de escala imediatamente superior a

(15V/100 Ω =)150mA.

• ligar a fonte de tensão, mantendo o curto-circuito entre os terminais do amperímetro.• aguardar cerca de 1 minuto para estabilização da fonte e do instrumento.

• anotar as condições ambientais (pressão atmosférica, temperatura ambiente, humidade relativa do ar).• retirar o curto-circuito entre os terminais do amperímetro.

• registrar a indicação do amperímetro.

• repetir a ação anterior por mais 4 vezes, aguardando cerca de 30 (?) segundos entre cada mediçãosucessiva ou alterando a posição dos cabos de ligação e do instrumento de medição.

• para finalizar, reinserir o condutor deixando os terminais do medidor em curto-circuito.

• desligar o NI-Elvis.

• remover as conexões da fonte de tensão e do instrumento de medição.

4. Usando os dados obtidos no passo anterior, determine o valor médio (e o desvio-padrão da média) para acorrente no circuito.




Laboratório

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Apêndice–D PRINCIPAIS COMPONENTES ELETRÔNICOS

Resistores

código IEC E-96 (tolerância 1%):5X (1Ω, 10Ω, 100Ω; 1kΩ; 10kΩ; 100kΩ; 1MΩ)

Capacitorescódigo IEC E24 (tolerância 5%) – material : policarbonato, poliester, poliestireno, etc.

5x (1µF; 0,5 µF)

Diôdos10X tipo: 1N4148

Amplificadores Operacionais

10x TL-071C – tipo J-FET, fabricante Texas Instruments ou similar.

Figura - Pinagem do AmpOP TL-071. Esta pinagem é a mesma do LM-741.

Amplificadores de Instrumentação:2x INA-114 (General purpose Instrumentation Amplifier) fabricante Texas Inst. (Burr-Brown)

Multiplicador AnalógicoAD-633 – (low cost analog multiplier) fabricante Analog-Devices

Figura – Pinagem do multiplicador analógico AD-633JN.




Laboratório

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Filtro Ativo de 2ª ordem3X UAF-42 (UNIVERSAL ACTIVE FILTER) (fabricante Texas Instruments)

Figura - pinagem do UAF-42, filtro universal.




Laboratório

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Apêndice–E EQUIPAMENTOS E FERRAMENTAS DE LABORATÓRIO

• Óculos de proteção

• Desencapador de fios

• Alicates de bico chato




Laboratório

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•

• Ferro de soldar



S i s t e m a s d e M e d i ç ã o

L a b o r a t ó r i o

4 6

A p ê n d i c e – F

T A B E L A

D E R E S I S T O R E S E

C A P A C I T O R E S




Laboratório

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Apêndice–G LEITURA DO VALOR DE CAPACITORES

Diferentemente dos resistores de filme carbono, que sempre utilizam códigos de cores em anéis, os valores nominais

dos capacitores são expressos geralmente por outro tipo de marcação. O que são todas aquelas letras e números

encontrados em grande parte dos capacitores disponíveis comercialmente e que sempre geram dúvidas de leitura.

Como saber se o valor utilizado é o desejado sem ter um instrumento que possa medi-lo? É o que será visto neste

texto.

Marcações básicas

Diversamente do que acontece com resistores, cada fabricante de capacitor adota uma marcação específica para

indicar seu valor nominal, de acordo com suas características. Isto acaba gerando uma grande confusão,

principalmente no estudante de Eletrônica e/ou hobbista, que não está acostumado com a codificação utilizada. A

única exceção é a grande maioria dos capacitores eletrolíticos (polarizados), cuja marcação geralmente apresenta

todo o valor nominal e é mostrada de maneira clara e de fácil leitura. Alguns capacitores de poliéster, mais antigos,

ainda usam a marcação de valor nominal através do código de cores, com anéis. Mas isso é cada vez mais raro. A

unidade de medida de capacitância (farads) por vezes é mostrada em submúltiplos diferentes em cada capacitor,

sendo apresentada em μF, nF, kpF ou pF. O problema é que não está escrito no corpo do capacitor qual é o

submúltiplo utilizado! A simples troca de um capacitor queimado por outro equivalente poderá gerar transtornos, se o

valor da capacitância não for observado. Para fazer a leitura de capacitores, primeiramente precisamos saber quais

são as informações mais comuns que são apresentadas em seu invólucro:

Capacitância:

É a capacidade de armazenamento de cargas que o capacitor possui. Sua unidade de medida é o farad, mas o

fabricante pode expressar essa unidade em diversos submúltiplos: μF, nF, kpF ou pF. Por exemplo: os capacitores

cerâmicos quando trazem números inteiros (150; 220; etc.), têm a unidade de medida em pF. Quando usam números

decimais (0,47; 0,1; etc.), a unidade de medida é em μF.

Tensão de trabalho:

Valor máximo de tensão que pode ser aplicada às placas do capacitor sem provocar o rompimento do dielétrico.

Geralmente expresso em volts ou quilovolts.

Tolerância:

Devido ao processo de fabricação, o valor nominal pode variar dentro de um limite negativo e positivo, geralmenteexpresso em porcentagem. Assim, um capacitor de 10 μF com ±10% de tolerância pode apresentar valores reais de 11

μF ou 9 μF. Como não é comum o uso de código de cores em capacitores (somente em modelos mais antigos) estas

informações são apresentadas como letras e números. Outro motivo para isto é que a área de um invólucro é

pequena, então não é possível escrever toda a informação (10 μF ±10% 250 V), utilizando-se apenas letras que

informam este valor (101KB), muito mais compacto. As tabelas 1 e 2 mostram uma codificação usada por diversos

fabricantes. Note que elas têm equivalência com a que se usa no código de cores de resistores. Só que, no lugar de

cores, utilizam-se números para indicar cada caractere. Esta tabela serve para capacitores com 5 caracteres, onde os

três primeiros são referentes ao valor da capacitância, o quarto refere-se à tolerância e o quinto à tensão de trabalho.




Laboratório

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1º caractere 2º caractere 3º caractere 4º Caractere

Algarísmo

significativo

Algarísmo

significativoMultiplicador

Tolerância do Capacitor

até 10pF código acima de 10pF

-------- 0 0=10 0,1pF B

1 1 1=10 0,25pF C

2 2 2=10 0,5pF D

3 3 3=103

0,75pF E

4 4 4=10 1,0pF F 1%

5 5 5=105

G 2%

6 6 não utilizado H 3%

7 7 não utlizado J 5%

8 8 8=10 K 10%

9 9 9=109

M 20%

N 0,05%

S 50% / - 20%

Z +80% / - 20%

P +100% / - 0%

Tabela 1 - 4 primeiros caracteres em capacitores

5º Caractere / Tensão de trabalho

A = 100V J = 2.000V S = 12.000V

B = 250V K = 2.500V T = 15.000V

C = 300V L = 3.000V U = 20.000V

D = 500V M = 4.000 V = 25.000V

E = 600V N = 5.000V W = 30.000V

F = 1.000V P = 6.000V X = 35.000V

G = 1.200V Q = 8.000V

H = 1.500V R =10.000V

Tabela 2 - 5° caractere / Tensão de trabalhoOutras informações

Além das informações básicas (capacitância, tolerância, tensão de trabalho), uma outra que costuma ser fornecida é avariação do valor da capacitância em função da temperatura de trabalho do capacitor, conhecida como coeficiente detemperatura. Isto é importante para diversas aplicações comerciais, onde o ambiente em que o capacitor ficarámontado passe por grandes variações de temperatura, e por conseqüência, sofra grandes alterações de capacitância.

O código de cores para alguns capacitores de poliéster metalizado é similar ao usado para os resistores (tabela-3).




Laboratório

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S i s t e m a s d e M e d i ç ã o

L a b o r a t ó r i o

5 0

A p ê n d i c e – H

P R O T O B O A R D D

O N

I - E L V

I S




Laboratório

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Apêndice–I CONFIG

Figura-1


Laboratório

RAÇÃO DE OSCILOSCÓPIOS

– Principais controles do osciloscópio

52



Fi

Figura- 3 Aj


Laboratório

ura- 2 Ajustes do osciloscópio

stes horizontal e vertical do osciloscópio

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Figur


Laboratório

a – 4 Controle do trigger (disparo)

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