Simulador Computacional de Circuitos Eletr^onicos para o ... · Luiz Kildery e Jos e Cleiton. Ao...

Faculdade Integrada da Grande Fortaleza – FGF

PROGRAMA ESPECIAL DE FORMACAO PEDAGOGICA DE DOCENTES

NA AREA DE LICENCIATURA EM FISICA

Simulador Computacional de Circuitos Eletronicospara o Ensino de Fısica

Gladstone de Alencar Alves

Monografia

Fortaleza - CE

Setembro de 2011


Simulador Computacional de CircuitosEletronicos para o Ensino de Fısica

Monogragia apresentado ao Programa Espe-

cial de Formacao Pedagogica de Docentes na

Area de Licenciatura em Fısica, da Faculdade

Integrada da Grande Fortaleza, como requisito

necessario para a Graduacao em Licenciatura

em Fısica.

Orientador: Mestre em Fısica Edi Rozembergh

Brasileiro da Silva Brandao

Fortaleza - CE

Setembro de 2011

Monografia submetida ao Programa Especial de Formacao Pedagogica de

Docentes na Area de Licenciatura em Fısica, como partes dos requisitos ne-

cessarios a obtencao do grau de Licenciado em Fısica, outorgado pela Facul-

dade Integrada da Grande Fortaleza - FGF.


Professor Mestre em Fısica Edi Rozembergh Brasileiro da Silva Brandao

Nota Obtida:

Monografia aprovada em:

Agradecimentos

A meu orientador Professor Mestre em Fısica Edi Rozembergh Brasileiro da

Silva Brandao e a todos os professores da area Contextual e Estrutural da

FGF por terem me dado esta oportunidade.

A minha esposa, Thallyta Alencar, por todo o carinho e apoio.

Aos amigos da Graduacao da FGF , principalmente Jeova, Cıcera Raquel,

Luiz Kildery e Jose Cleiton.

Ao Programa de Graduacao da FGF para minha formacao.

Resumo

Diante do contexto em que se encontra o ensino de Fısica, professores e

principalemente alunos sentem dificuldades no aprendizado de Fısica e sua

relacao com a linguagem matematica. O ensino tradicional, onde os professo-

res de Fısica buscam como unico recurso em sala a aula expositiva, utilizando

apenas quadro branco, pincel e apagador, e usando de meios abstratos para

tentar explicar algum modelo que venha representar alguma ideia Fısica.

Alem disso, os alunos nao despertam em nenhum momento interesse pela

disciplina, ja que a disciplina nao e vista de forma aplicativa no cotidiano, ou

seja, os alunos nao sao capazes de vislumbrar as aplicacoes das ideias fısicas

na sua realidade. O passo importante que devemos fazer, como professores

da disciplina de Fısica e buscarmos novas ferramentas de ensino de Fısica,

para que os alunos nao atentem somente a um mundo puramente abstrato,

ou so matematico, mas que possam compartilhar das novas formas de en-

sino. Esse trabalho tem o intuito de mostrar o uso de uma nova ferramenta

conhecida como Eletronics Workbench 5.0 (EWB), um simulador computa-

cional de circuitos eletricos, que dentro da realidade das escolas, sejam elas

publicas ou particulares, nao dispoem de recursos para montagem de labo-

ratorio, e tambem possam evitar certos danos, como perda de pecas, queima

do material, e etc.

Sumario

1 Introducao 1

2 Ferramenta Virtual para o Ensino de Circuitos Eletricos 4

2.1 Corrente Eletrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2 Circuitos Eletricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.1 Estudo dos resistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.2 Capacitores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2.3 Diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3 Eletronics Workbench 5.0 (EWB) 15

3.1 Multımetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.2 Gerador de Funcoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.3 Proposta para Atividade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.3.1 Usando o multımetro virtual . . . . . . . . . . . . . . . 24

vi

SUMARIO vii

3.3.2 Controle de corrente por diodo . . . . . . . . . . . . . 25

3.3.3 Usando um osciloscopio para observar a retificacao . . 26

3.3.4 Usando diodos em circuitos de corrente alternada . . . 28

3.3.5 Retificacao de meia onda . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.3.6 Retificador de onda completa . . . . . . . . . . . . . . 32

4 Conclusoes 35

Referencias Bibliograficas 37

Lista de Figuras

2.1 (a)Associacao de resistores em serie. (b)Resistor equivalente. . 10

2.2 Associacao de resistores em paralelo. . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3 Capacitor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.4 Representacao do diodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.5 Associacao de diodos em serie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.6 Associacao de diodos em paralelo. . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.1 Tela inicial do EWB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.2 (a)Icone para a caixa de componentes (b)Caixa de componentes. 16

3.3 (a)Icone para a caixa de componentes fonte (b)Caixa de com-

ponentes fonte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.4 Girar um componente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.5 Conector de fios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

viii

LISTA DE FIGURAS ix

3.6 (a)Caixa de Propriedade de Resistor (b)Caixa de Propriedades

de Bateria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.7 Caixa de Dialogo para confirmacao de apagar o item selecionado. 19

3.8 Menu Arquivo aberto com a opcao Salvar habilitada. . . . . . . 19

3.9 (a)Multımetro- ıcone. (b) Multımetro aberto, (c) Janela de

ajuste do multımetro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.10 Amperımetro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.11 Voltımetro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.12 Ohmımetro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.13 Gerador de Funcoes: Senoidal, Triangular e Quadrada. . . . . 23

3.14 Osciloscopio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.15 Circuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.16 Associacao de resistores em serie. . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.17 Associacao de resistores em paralelo. . . . . . . . . . . . . . . 25

3.18 Exemplo de Circuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25



3.21 Circuito Corrente Alternado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

LISTA DE FIGURAS x

3.22 Circuito Corrente Alternado adicionado com o Diodo. . . . . . 29

3.23 Circuito Corrente Alternado com um Diodo e uma Lampada. . 30

3.24 Circuito Corrente Alternado com dois Diodos e uma Lampada. 30

3.25 Circuito em um novo formato. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.26 Circuito em um novo formato. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.27 Circuito com capacitor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.28 O uso do osciloscopio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.29 Retificador de onda completa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.30 Retificador de meia onda completa. . . . . . . . . . . . . . . . 34

Capıtulo 1

Introducao

Um dos maiores problemas verificado no ensino de Fısica nas escolas do

ensino medio e ensino superior e o da realizacao de experimentos de labo-

ratorio. De fato, nao basta ao aluno ler sobre as leis e fenomenos fısicos,

mas verificar sua validade em ambientes controlados. Isto so e possıvel em

laboratorio e com o uso de instrumentos e supervisao adequada.

Entretanto, dado o custo elevado que as instalacoes de um laboratorio

apresentam, e praticamente inviavel e neste contexto que surge a proposta

de um laboratorio virtual.

Muito embora existam na atualidade simuladores de altıssimo grau de

detalhamento e sofisticacao tecnologica, como o Eletronics Workbench 5.0

(EWB), e possıvel simular um Laboratorio de Eletronica completo. Os moti-

vos para a utilizacao do EWB foram o custo nulo para a sua aquisicao e a ja

existencia de computadores nas escolas do ensino medio e tambem no ensino

superior.

O simulador EWB realiza simulacoes de circuitos desde o nıvel mais

basico ate o mais avancado, atendendo assim, a lei de Diretrizes e Bases

CAPITULO 1. INTRODUCAO 2

da Educacao no Art.36, paragrafo 10, que recomenda a insercao de Topicos

avancados no ensino medio. Observa-se ainda que os ajustes e configuracoes

dos instrumentos gerados sao fieis aos encontrados nos instrumentos reais.

A aplicacao de simuladores como ferramentas didaticas de apoio a

educacao tecnologica no ensino medio e superior tem demonstrado ser uma

das principais solucoes para a viabilizacao de demonstracoes ensaios praticos.

Os simuladores de dispositivos eletro-eletronicos, ja apresentam avancado de-

senvolvimento tecnologico para tal aplicacao.

O EWB e um simulador eletronico, que permite construir e simular cir-

cuitos eletronicos dentro da area analogica e digital, sendo de grande utilidade

para os estudantes de eletronica.

Possui uma interface de facil acesso e compreensao, substituindo com

muitas vantagens as experiencias em laboratorios convencionais, uma vez

que, nao existe o risco de danificar equipamentos destinados aos ensaios e

medidas de circuitos ou componentes.

Sua vasta biblioteca permite simular experiencias em condicoes ideais

e reais, pois os valores e parametros podem ser modificados de acordo com

as necessidades do projeto. Existem versoes deste programa para ope-

rar em ambiente DOS e WINDOWS, sendo que neste curso abordaremos a

versao para WINDOWS, o EWB5.

Esta monografia tem por objetivo propor para o ensino medio e superior,

dentro das competencias e habilidades exigidas pelos PCNs e instituicoes de

ensino superior, como Universidades, Faculdades e outros, a utilizacao de

um Laboratorio Virtual de Eletronica. Para alcancar tal objetivo fizemos

uso do software simulador Eletronics Workbench, versao 5 (EWB5). Aqui,

nos concentramos especificamente nas competencias e habilidades a serem

CAPITULO 1. INTRODUCAO 3

desenvolvidas em Fısica e destacamos as que seguem:

1. Compreender enunciados que envolvam codigos e sımbolos fısicos.

2. Utilizar e compreender tabelas, graficos e relacoes matematicas para a

expressao do saber fısico. Ser capaz de discriminar e traduzir as lingua-

gens matematica e discursiva entre si.

3. Expressar-se corretamente utilizando a linguagem fısica adequada e ele-

mentos de sua representacao simbolica.

4. Apresentar de forma clara e objetiva o conhecimento apreendido, atraves

de tal linguagem.

5. Elaborar sınteses ou esquemas estruturados dos temas fısicos trabalha-

dos.

6. Desenvolver a capacidade de investigacao fısica.

7. Observar, estimar ordens de grandeza, compreender o conceito de medir,

fazer hipoteses, testar.

8. Conhecer e utilizar conceitos fısicos.

9. Relacionar grandezas, quantificar, identificar parametros relevantes.

10. Compreender e utilizar leis e teorias fısicas.

11. Construir e investigar situacoes-problema, identificar a situacao fısica,

utilizar modelos fısicos, generalizar de uma a outra situacao, analisar

previsoes.

Capıtulo 2

Ferramenta Virtual para o Ensino de

Circuitos Eletricos

Neste capıtulo daremos algumas argumentacoes para a utilizacao de uma

ferramenta virtual como auxılio no ensino de circuitos eletricos e no passo se-

guinte faremos uma revisao teorica dos conceitos fısicos que serao abordados

e discutidos no uso do simulador computacional.

O estudo relacionado a ciencia requer atencao, principalmente no caso

da Fısica, de acordo com [1], varios estudantes tem medo ou pensam que os

assuntos da disciplina de Fısica sao difıceis de serem aprendidos. O que pode

contribuir para esse descontentamento por partes deles, e o pouco tempo de

disponibilidade para aprimorar as habilidade, e que implica em dificuldades

de dar continuidade ao ensino com mais detalhes.

O ensino de Fısica, ainda de acordo com a [1], e um desafio para pro-

fessores e alunos. Utilizando-se dos metodos tradicionais, ou seja, quadro e

pincel ou giz, algumas coisas tornam-se difıceis de ensinar, como por exem-

plo, a eletricidade. Em Fısica tenta se criar modelos, abstratos, por exemplo,

CAPITULO 2. FERRAMENTA VIRTUAL PARA O ENSINO DE CIRCUITOS ELETRICOS5

que representam alguma teoria, fica difıcil para alguns alunos acompanhar o

raciocınio. Entao, seria melhor o uso de uma outra ferramenta que pudesse

auxiliar e facilitar ainda mais a compreeesao dos alunos, como exemplo, um

simulador.

Segundo a [2], os Parametros Curriculares Nacionais (PCN), coloca que

o ensino de Fısica deve ser voltado para a formacao de um cidadao contem-

poraneo e atuante, com conhecimento suficiente, para intervir, participar e

propor solucoes para a realidade a sua volta.

A visao do cidadao passa a ser mais ampla quando o mesmo procura

atraves dos conhecimentos adquiridos na disciplina de Fısica, e passa a con-

textualizar e articular com as outras disciplinas. Bom, para que isso ocorra

com eficiencia, e necessario que o professor procure ferramentas que possam

conjugar os assuntos vistos em sala de aula com o mundo real e atual.

Alguns experimentos didaticos sao extremamentes caros e de difıcil

acesso, fator que dificulta a sua utilizacao. O uso de computadores e ex-

tremamente mais acessıvel e amplamente disponıvel nas escolas publicas e

particulares.

Diante desse contexto, segundo a [3], a utilizacao das novas tecnologias e

comunicacao no ensino, como softwares educacionais, tem sido algo de grande

interesse, e isso nao e apenas um fenomeno nacional, os paıses desenvolvidos

desenvolve uma polıtica de incentivos nas instituicoes de ensino superior, para

que o professor sai qualificado e preparado no uso dessas ferramentas.

Os Parametros Curriculares Nacionais para o Ensino Medio (PCNEM),

de acordo com a [4], tem objetivos de desenvolver competencias e habili-

dades dos estudantes nas diferentes disciplinas, ao inves de focar apenas os

conteudos especıficos de cada disciplina. Entao, devido a essa nova reorga-

CAPITULO 2. FERRAMENTA VIRTUAL PARA O ENSINO DE CIRCUITOS ELETRICOS6

nizacao curricular, os cursos de Licenciatura em Fısica devem trabalhar na

preparacao dos professores para os novos parametros curriculares. Den-

tre as competencias e habilidades a serem desenvolvidas na area de Ciencias

da Natureza, como a Fısica, e a utilizacao de ferramenta computacional Ele-

tronics Workbench 5.0 (EWB), que dispensa qualquer conhecimento de lin-

guagem de programacao. O EWB e simulador eletronico, que permite cons-

truir e simular circuitos eletronicos dentro de uma realidade virtual, mas, que

nao deixa de representar algo que e real.

A implementacao do simulador eletronico EWB ira minimizar as difi-

culdades no processo de ensino aprendizagem dos circuitos eletricos, como

coloca a [5], o conteudo relacionado aos circuitos eletricos apresenta certas

dificuldades, seja na fundamentacao teorica, ou no uso de concepcoes alter-

nativas.

Diante dessa realidade descrita, a aplicacao do EWB na simulacao de

experimentos de circuitos eletricos ainda pode auxiliar na compreensao de

conceitos e suprir a carencia de recursos dos laboratorios de Fısica, principal-

mente nas escolas publicas, particulares e ate mesmo em algumas instituicoes

de ensino superior.

E possıvel atraves do EWB verificar e corrigir danos causados a elemen-

tos do circuito, devido a ligacoes inadequadas, sem nenhum custo e sem risco

de acidentes, pois as lampadas ou os motores queimados sao reparados com

um simples clique, apos ser corrigido o problema que originou a avaria.

Enfim, o uso deste software permite aos estudantes interagirem direta-

mente com o conteudo em estudo, atraves de experiencias virtuais. Para

realizar, em um laboratorio real de Fısica, a variedade de praticas permi-

tidas pelo aplicativo, seria necessario um investimento tanto na compra do

2.1. CORRENTE ELETRICA 7

material, como na sua eventual reposicao. Uma outra vantagem prevista e a

racionalizacao do tempo, tanto na preparacao das aulas, como no seu desen-

volvimento.

Com o uso desse ambiente virtual de aprendizagem espera-se que haja

um melhor aproveitamento do tempo, pois os alunos podem trabalhar e in-

teragir tambem fora do horario normal das aulas, ja que o mesmo em sala de

aula e muito curto. Espera-se tambem que o ambiente virtual interativo seja

um fator de motivacao dos alunos para a aprendizagem.

2.1 Corrente Eletrica

Com base nas [6] e [7], procuramos produzir uma rapida revisao teorica.

Corrente eletrica estar associado ao movimento ordenado de portadores de

carga eletrica. Neste caso, os portadores de carga eletrica sao os eletrons

livres nos condutores solidos (metais) e os cations e anions, nos condutores

eletrolıticos (solucoes ionicas e lıquidos). Os gases, normalmente isolantes,

sob a acao de um forte campo eletrico podem se ionizar, apresentando como

portadores de carga, ıons positivos, ıons negativos e eletrons livres.

Usa-se ainda a expressao corrente eletrica, que vem da antiga concepcao

de eletricidade como um fluido, que supostamente poderia ser canalizada por

condutores ou encanamentos hipoteticos, algo semelhante com a agua cor-

rente canalizada. Embora a analogia entre corrente eletrica e agua corrente

seja algo para facilitar a compreensao do que e uma corrente eletrica, mas,

esses dois fenomenos apresentam algumas caracterısticas muito diferentes.

Enquanto na agua encanada o que se movimenta e o lıquido, e todo o

2.1. CORRENTE ELETRICA 8

lıquido e qualquer partıcula nele inserida se desloca com aproximadamente

a mesma velocidade e no mesmo sentido, na corrente eletrica quem se mo-

vimenta sao os portadores de carga que representam uma pequena parte do

que e constituıdo o condutor, mesmo sendo muito numerosos.

Quando o sentido de um campo eletrico aplicado permanece sempre o

mesmo, os portadores de carga se deslocam (mesmo com baixa velocidade),

em media, em um so sentido. Neste caso, temos a representacao de uma

corrente contınua, por exemplo, baterias e pilhas.

No gerador mecanico-eletromagnetico ou dınamo ou alternador, o sentido

do vetor campo eletrico entre os seus terminais varia periodicamente, fazendo

com que os portadores de carga nos condutores alimentados com este gerador

praticamente nao se desloquem, mas oscilem em torno de posicoes fixas, em

um movimento de vaivem, em qualquer ponto do fio condutor. Neste caso,

temos uma corrente alternada.

As cargas positivas se deslocam, no condutor, no mesmo sentido do campo

eletrico, ou seja, sentido do potencial maior para o potencial menor (do polo

positivo para o polo negativo do gerador), sentido convencional. As cargas

negativas se deslocam em sentido contrario ao campo eletrico, vao do poten-

cial menor para o maior (do polo negativo para o polo positivo do gerador).

Este e o sentido real da corrente eletrica.

Considere um condutor retilıneo percorrido por uma corrente eletrica.

Imagine, neste condutor, uma seccao reta S, entao, a intensidade da corrente

(i),

i =∆Q

∆t, (2.1)

2.2. CIRCUITOS ELETRICOS 9

onde ∆Q e a quantidade de cargas que percorre o condutor por ∆t que e a

variacao do tempo,

∆Q = ne, (2.2)

sendo e = 1, 6 × 10−19C e n e numero de eletrons que atravessam a seccao

reta do condutor.

A intensidade de corrente eletrica de 1C/s e denominada 1 Ampere (1 A).

2.2 Circuitos Eletricos

Um circuito eletrico e constituıdo por dispositivos nos quais e possıvel

estabelecer uma corrente eletrica. Em um circuito eletrico em funciona-

mento, como existe corrente eletrica, e existem diferencas de potencial eletrico

(tensoes), havera conversao de energia eletrica em outras formas de energia.

Para que ocorra um circuito eletrico simples, deve haver, pelo menos, um

gerador, condutores e um receptor ou uma resistencia.

2.2.1 Estudo dos resistores

Quando uma corrente eletrica passa por um condutor solido, um numero

muito grande de eletrons livres se desloca nesse condutor e colidem entre si

e tambem contra os atomos que formam o condutor. Devido a essas colisoes,

os eletrons livres encontram uma certa dificuldade para se deslocar, existe

uma resistencia a passagem de corrente eletrica.

A grandeza fısica que mede essa dificuldade ou resistencia a passagem

de corrente eletrica e chamada resistencia eletrica, que depende da sua espes-


sura, do seu comprimento e da condutividade eletrica do material de que e

constituıdo o condutor (acondutividade esta relacionada ao numero de por-

tadores de carga). Alem disso, a resistencia eletrica tambem depende da

temperatura.

Define-se a resistencia eletrica (R) de um condutor pela razao,

R =U

i, (2.3)

onde U e a diferenca de potencial nas extremidades do condutor e i e a

intensidade da corrente eletrica que o atravessa.

A unidade ohm e representada pela letra grega omega (Ω),

1Ω =1V

1A(2.4)

Na associacao de resistores temos dois tipos de arranjos, em serie e pa-

ralelo. Resistores no arranjo em serie sao percorridos pela mesma corrente

eletrica. Na figura abaixo, temos um exemplo de associacao em serie e o

resistor equivalente.

(a)

(b)

Figura 2.1: (a)Associacao de resistores em serie. (b)Resistor equivalente.

Tomando a d.d.p. correspondente a cada resistor respectivamente (U1,


U2 e U3) e tilizando a equacao de definicao da resistencia eletrica pode-se

expressar as d.d.p(s) em cada resistor da seguinte forma,

U1 = R1.i (2.5)

U2 = R2.i (2.6)

U3 = R3.i (2.7)

U = Req.i (2.8)

Como a diferenca de potencial e uma grandeza escalar que informa qual

e o trabalho do campo eletrico, e como o trabalho eletrico total entre dois

pontos e a soma dos trabalhos parciais, pode-se afirmar que a diferenca de

potencial total da associacao e igual a soma algebrica das diferencas de po-

tencial em cada resistor. Logo, podemos escrever,

U = U1 + U2 + U3 (2.9)

Req.i = R1.i + R2.i + R3.i (2.10)

Dividindo-se a ultima expressao por i, obtem-se a expressao do resistor

equivalente (Req) numa associacao em serie,

Req = R1 + R2 + R3 (2.11)

Vale lembrar que a associacao de resistores em serie nao e conveniente

para aparelhos eletricos em uma residencia, por exemplo. Se um aparelho

estivesse desligado ou deixasse de funcionar, interromperia todo o circuito.

Quando os resistores estao ligados de modo que sao oferecidos dois ou

mais caminhos para a corrente eletrica, se diz que a associacao e em paralelo.

O numero de caminhos para a corrente eletrica e igual ao numero de resistores

e os terminais de todos os resistores devem estar ligados a mesma fonte de

energia. Podemos observar a figura abaixo,


Figura 2.2: Associacao de resistores em paralelo.

2.2.2 Capacitores

Um capacitor e um dispositivo muito usado em circuitos eletricos a

funcao de armazenar cargas e, portanto, energia eletrica. Existe o capaci-

tor plano, o capacitor cilındrico, o capacitor esferico, etc. Independente do

tipo, o capacitor e sempre representado pelo sımbolo abaixo,

Figura 2.3: Capacitor.

Para carregar um capacitor, este deve ser ligado aos terminais de um

gerador, de forma que a placa positiva seja ligada ao polo positivo do gerador

e, a negativa, ao polo negativo do gerador. Diz-se, entao, que o capacitor fica

carregado com uma carga Q.

A quantidade de carga adquirida pelo capacitor depende da ddp do ge-

rador. A relacao entre a carga Q armazenada e a ddp U do gerador e uma

constante caracterıstica do capacitor, chamada capacitancia ou capacidade

eletrica C do capacitor,

C =C

Q, (2.12)


onde a unidade de capacidade no S.I e o coulomb por volt (C/V), que recebe

o nome de Farad (F), em homenagem a Michael Faraday.

O capacitor tem a funcao de armazenar energia durante um certo

tempo, assim, num dado momento, de acordo com a necessidade, fornecer

essa energia as cargas para manter a corrente eletrica. No trecho em que o

capacitor esta inserido nao ha passagem de corrente contınua, caso contrario,

haveria descarga entre as armaduras, danificando o dispositivo.

2.2.3 Diodo

O diodo e um componente eletrico que permite que a corrente atravesse-o

num sentido com muito mais facilidade do que no outro. O tipo mais comum

de diodo e o diodo semicondutor, no entanto, existem outras tecnologias de

diodo. Diodos semicondutores sao simbolizados em diagramas esquematicos

como na figura abaixo.

Figura 2.4: Representacao do diodo.

As importantes caracterısticas dos diodos sao: a corrente maxima de

fuga, que e a corrente que escapa quando o ele esta polarizado inversamente,

influenciada quase linearmente pela temperatura; a velocidade de resposta,

que e o tempo que leva para o diodo ligar e desligar, informacao importante

quando se trabalha com altas frequencias; a corrente de surto, que e a cor-

rente maxima que o diodo pode suportar por um tempo muito curto; e a


capacitancia que se forma no diodo quando este e polarizado inversamente,

outra informacao importante em altas frequencias.

Um conjunto de diodos do mesmo tipo associados em serie apresenta

uma capacidade de corrente direta igual a capacidade de cada unidade. A

tensao maxima reversa, entretanto, sera a soma das tensoes maximas rever-

sas individuais. E importante que os diodos sejam do mesmo tipo, ou havera

uma distribuicao irregular da tensao entre eles, causando a ruptura em um

valor inferior a esta soma.

Figura 2.5: Associacao de diodos em serie.

A montagem de diodos em paralelo costuma ser problematica, e deve ser

substituıda por um unico diodo com maior capacidade de corrente sempre que

possıvel. Nos diodos associados em paralelo, a tendencia sera de que aquele

com a menor barreira de tensao comece a conduzir primeiro, assumindo a

maior parte (senao toda) a corrente do circuito.

Figura 2.6: Associacao de diodos em paralelo.

Capıtulo 3

Eletronics Workbench 5.0 (EWB)

Para iniciar o EWB, de um duplo −→ clique no seu ıcone na area de

trabalho ou va para iniciar−→ Programas−→ Eletronics Workbench 5.0. A

seguinte tela sera exibida:

Figura 3.1: Tela inicial do EWB.

CAPITULO 3. ELETRONICS WORKBENCH 5.0 (EWB) 16

De acordo com a [7], podemos inserir um componente na area de traba-

lho, quando clicamos na caixa de componentes que o contem. Por exemplo:

resistores, capacitores, indutores encontram-se na caixa de componentes cujo

ıcone e relativo a figura 3.2(a). Dando um clique nesse ıcone, sera aberta a

caixa de componentes chamada Basica, figura 3.2(b).

(a) (b)

Figura 3.2: (a)Icone para a caixa de componentes (b)Caixa de componentes.

Fonte de tensao, de corrente, terra e outro ,elementos assemelhados

encontram-se na caixa de componentes cujo ıcone e semelhante ao da figura

3.3(a). Dando um clique nesse ıcone, sera aberta a caixa de componentes

chamadas Fontes, figura 3.3(b).

(a) (b)

Figura 3.3: (a)Icone para a caixa de componentes fonte (b)Caixa de componentes fonte.

Para colocar qualquer um dos componentes na area de trabalho, clique

com o botao esquerdo do mouse no sımbolo do componente e arraste para a

area de trabalho.

Selecionando um componente, voce pode modificar qualquer coisa

(dar valor, girar, deletar, etc.) em um componente, e preciso primeiro

seleciona-lo. Para selecionar, de um clique nele ou arraste o mouse em cima


do componente o qual, quando selecionado, ficara destacado em vermelho.

Girando o componente, podemos girar um componente, selecione-o,

inicialmente dando um clique nele ou arrastando o mouse sobre ele. Para

indicar a selecao, o componente fica vermelho. Va para Circuito → Girar ou

CTR+R ou usando um dos ıcones da Barra de Ferramentas de circuito, de

acordo com a figura 3.4, vejamos,

Figura 3.4: Girar um componente.

Conectando os componentes, para conectar dois componentes ou

instrumentos, aponte para um dos terminais, que ficara destacado, e arraste

com o botao esquerdo ate aparecer uma linha. Aponte para o terminal do

outro componente (sem soltar o botao esquerdo do mouse) e quando ele ficar

destacado tambem, solte o botao e um fio ligara automaticamente os dois

terminais.

Para conectar dois ou mais fios, use o conector que esta na caixa de

componentes basicos,

Figura 3.5: Conector de fios.

Dando valor ao componente, sendo que cada componente possui um

valor pre-configurado. Por exemplo, o default (pre-configuracao) do resis-

tor e 1KΩ e o da fonte e 12V. Para alterar o valor do componente, de um


duplo-clique nele, ou alternativamente voce pode usar a Barra de Ferramen-

tas Circuito → Propriedade do componente. Em qualquer caso sera aberta

a caixa de dialogo mostrada na figura 3.6.

(a)

(b)

Figura 3.6: (a)Caixa de Propriedade de Resistor (b)Caixa de Propriedades de Bateria.

Para deletar um componente, selecione o componente e va para

Editar → Apagar, ou com o componente selecionado aperte a tecla Delete

(ou Del do teclado numerico com Num Lock desativada). Em qualquer caso

aparecera uma caixa de dialogogo pedindo a confirmacao. Use o atalho (clique

com botao direito em cima do componente a ser deletado).


Figura 3.7: Caixa de Dialogo para confirmacao de apagar o item selecionado.

Salvando o circuito, podemos usar ou fazer alteracoes futuras, voce

deve salvar o seu trabalho. Va para Arquivo → Salvar ou use Ctrl + S. Em

qualquer caso aparecera a caixa de dialogo da figura 3.8,

Figura 3.8: Menu Arquivo aberto com a opcao Salvar habilitada.

Personalizando uma caixa de ferramenta, se formos construir um

circuito que tem bateria, resistores, transistores, diodos, lampadas, teremos

que abrir cinco caixas diferentes. E possıvel colocar todos esses componentes

3.1. MULTIMETRO 20

em uma mesma caixa chamada de Favoritos. Para adicionar o componente

a caixa Favoritos, abra a caixa em que esta o componente, em seguida de

um clique com o botao direito do mouse em cima do sımbolo componente e

clique em adicionar a favoritos.

3.1 Multımetro

Como coloca a [8], a representacao do multımetro usado e digital. E o

primeiro instrumento da Barra de Instrumentos.

(a) (b)

(c)

Figura 3.9: (a)Multımetro- ıcone. (b) Multımetro aberto, (c) Janela de ajuste do multımetro.

3.1. MULTIMETRO 21

A Figura 3.9 (a) e o seu ıcone que representa o multımetro e na figura

3.9(b) e o multımetro aberto (dar clique duplo para abrir cada instrumento)

ajustado para medir tensao contınua.

A ilustracao abaixo, figura 3.10, mostra o multımetro sendo usado como

amperımetro. Para se medir a intensidade de corrente que circula por um

Figura 3.10: Amperımetro.

dado componente ou trecho de um circuito o amperımetro deve ser colocado

em serie.

A ilustracao, figura 3.11, a seguir mostra o multımetro sendo usado

como voltımetro. Observe que, para a medida de uma diferenca de poten-

Figura 3.11: Voltımetro.

cial (tensao) entre dois pontos (os terminais do resistor R2, na ilustracao) o

voltımetro e conectado em paralelo.

A ilustracao, figura 3.12, abaixo mostra o multımetro sendo usado como

3.2. GERADOR DE FUNCOES 22

ohmımetro.

Figura 3.12: Ohmımetro.

O ohmımetro nao deve ser usado com o circuito conectado a fonte de

alimentacao. Ele nao trabalha da mesma maneira que o voltımetro e o am-

perımetro. Esses dois usam a fonte de alimentacao do circuito para suas

leituras; o ohmımetro nao, ele tem sua propria fonte de tensao.

Alem disso, o componente cuja resistencia esta sob medicao deve ser re-

tirado do circuito. Na ilustracao, o resistor R1 foi retirado para uma perfeita

medicao do valor de sua resistencia.

3.2 Gerador de Funcoes

O gerador de funcoes do software EWB pode produzir sinais quadrados,

triangulares ou senoidais na faixa de frequencias que vai de 1Hz a 999Mhz.

A figura 3.13 mostra o aspecto do nosso gerador de funcoes quando

aberto.

O osciloscopio e um dos instrumentos mais versateis em um laboratorio,

permitindo medir tensao ao mesmo tempo que a forma da onda e visualizada.

O osciloscopio usado e o padrao, com dois canais, permitido, portanto, amos-

3.2. GERADOR DE FUNCOES 23

Figura 3.13: Gerador de Funcoes: Senoidal, Triangular e Quadrada.

trar duas formas da onda ao mesmo tempo. A figura 3.14 mostra o ıcone e o

osciloscopio com os principais controles.

Figura 3.14: Osciloscopio.

X POS: Desloca a forma de onda na horizontal (limite −5 a +5).

Y POS: Desloca a forma de onda na vertical (limite −3 a +3).

Y/T: Mostra a forma de onda em funcao do tempo (caso mais comum). Deixe

essa opcao sempre selecionada.

3.3. PROPOSTA PARA ATIVIDADE 24

3.3 Proposta para Atividade

O seguinte questionario pode ser aplicado para os alunos do ensino medio

e do ensino superior do curso de Fısica. As informacoes e observacoes podem

despertar a participacao dos alunos, dentro do contexto da [9] e [10] , o pro-

fessor nas aulas praticas e nas discussoes teoricas podem usar como sugestao

as questoes abaixo.

3.3.1 Usando o multımetro virtual

Como coloca a [11], podemos iniciar as observacoes medindo a corrente

total que flui da bateria. Onde deveremos posicionar o amperımetro, no

ponto X, Y ou Z?

Queremos medir a d.d.p. atraves da lampada L2. Escolha dois pon-

tos(X, Y, Z) para conectar o voltımetro.

Para medir a resistencia de qualquer uma dessas lampadas, como deve-

mos proceder?

Figura 3.15: Circuito.


Na associacao abaixo, determine o valor da resistencia equivalente entre

os pontos A e E.

Figura 3.16: Associacao de resistores em serie.

Na associacao abaixo, qual deve ser a resistencia equivalente entre os

pontos A e H?

Figura 3.17: Associacao de resistores em paralelo.

3.3.2 Controle de corrente por diodo

Observe os circuitos abaixo, de acordo com a [12], responda as pergun-

tas,

Figura 3.18: Exemplo de Circuito.


A lampada ira acender quando a chave for fechada?

Se a bateria for invertida, a lampada acendera? Explique.


Que lampada(s) deve(m) acender quando a chave for fechada na figura

Explique o que ocorre.

E se a bateria for invertida, que lampada(s) deve(m) acender ao fechar-

mos a chave? Explique o que ocorre.

Que lampada(s) deve(m) acender antes de a chave ser fechada no cir-

cuito?

Que lampada(s) deve(m) acender apos a chave ser fechada?

Se a bateria for invertida, que lampada(s) deve(m) acender antes e depois

de a chave ser fechada?

3.3.3 Usando um osciloscopio para observar a retificacao

Se fizermos uso de um osciloscopio, e de posse das ideias da [13], pode-

mos observar claramente o papel de um diodo em um circuito submetido a

corrente alternada.

Veja um esquema de um circuito simples, sem diodo, que sofre a



influencia direta de corrente alternada.

Ao aplicarmos uma corrente alternada no circuito, observamos que os

potenciais aplicados atraves do resistor de carga (1kΩ), variam senoidal-

mente.

Vejamos agora o que acontece quando adicionamos um diodo ao circuito,

Nesse caso temos um grafico com uma forma de onda diferente do visto

anteriormente.

Nos dois casos vistos acima, o gerador de sinais pode ser substituıdo por

um transformador simples de 220/12V. Ao utilizarmos o gerador de sinais,

teremos a possibilidade de substituir o osciloscopio por um galvanometro

que oscile positiva e negativamente.

Como voce explicaria a mudanca que se observa no grafico quando

adicionamos o diodo?

Se revertermos o diodo, o que muda?

Se fizermos um curto-circuito atraves do diodo, o que acontece?


Figura 3.21: Circuito Corrente Alternado.

3.3.4 Usando diodos em circuitos de corrente alternada

Use uma fonte de corrente alternada de baixa voltagem para ver o que

acontece ao bulbo de uma lampada no circuito a seguir,

Podemos observar que a lampada acendeu. Voce pode explicar como

isso ocorreu? A corrente que passa pela lampada e alternada ou contınua?

Que relacao pode ser feita com o experimento anterior?

De acordo com o que voce sabe, a lampada fica acesa de forma ininter-

rupta?

Repita o experimento anterior adicionando outro diodo, conforme mos-

tra a figura 3.24,


Figura 3.22: Circuito Corrente Alternado adicionado com o Diodo.

O bulbo acendeu? Explique o que aconteceu?

Reorganize o circuito de acordo com a figura 3.25,

Que lampadas acenderam? Por que?. Elas acenderam ao mesmo tempo

ou de forma alternada?

Observe agora o circuito abaixo,

Alguma lampada acende quando a chave esta aberta?Qual?

E apos fechar a chave, o que muda? Compare a sua resposta com a do

experimento anterior e explique o que voce entendeu?


Figura 3.23: Circuito Corrente Alternado com um Diodo e uma Lampada.

Figura 3.24: Circuito Corrente Alternado com dois Diodos e uma Lampada.

3.3.5 Retificacao de meia onda

Como os experimentos anteriores mostraram, podemos transformar uma

corrente alternada em uma corrente contınua. No entanto, vimos que seu va-

lor oscila entre um valor de pico que e atingido uma vez a cada ciclo da

corrente alternada, e o valor zero que e mantido a cada meia onda da cor-

rente alternada. Para resolvermos esse problema, podemos fazer uso de um

capacitor.

Monte o circuito da figura 3.27, de modo que diferentes capacitores pos-

sam ser usados.

Ao montarmos o circuito acima descrito, usando o osciloscopio, podemos


Figura 3.25: Circuito em um novo formato.

Figura 3.26: Circuito em um novo formato.

encontrar um grafico aproximado do mostrado logo abaixo, vejamos,

No grafico acima temos uma comparacao do grafico encontrado quando

fazemos uso de um capacitor e quando nao usamos o capaitor.

Explique com suas palavras o que aconteceu com o sinal gerado. O que

ocasionou essa mudanca?


Figura 3.27: Circuito com capacitor.

3.3.6 Retificador de onda completa

Vimos anteriormente que a corrente aproveitada no circuito era apenas

metade da de um ciclo completo, ou seja, tınhamos o desperdıcio de metade

da energia que nos era fornecida. Desse modo nao estavamos utilizando todo

o potencial da corrente fornecida e consequentemente nao fornecemos toda

a corrente contınua que poderamos.

A partir dessa constatacao, podemos contornar o problema com o uso

de um retificador de onda completa, figura 3.29.

Para completar o processo basta que, semelhante ao que foi feito com o

retificador de meia onda, se adicione um capacitor ao circuito, figura 3.30.


Figura 3.28: O uso do osciloscopio.

Figura 3.29: Retificador de onda completa.


Figura 3.30: Retificador de meia onda completa.

Capıtulo 4

Conclusoes

Neste trabalho de monografia, propusemos e discutimos sobre um

simulador computacional, Eletronics Workbench 5.0 (EWB), para aplicacao

no laboratorio de circuitos eletricos. Utilizando alguns exemplos que sao

feitos em sala de aula, onde o professor utiliza meios abstratos, com auxılio

do quadro branco, pincel e suas habilidades de desenho, torna-se difıcil

de alguns alunos acompanharem, daı a necessidade de uma ferramenta

que facilite essa compreensao, entao, utilizando o simulador computacional

EWB, ele mostra-se bastante conveniente para tal abordagem. Alem disso

o professor pode acompanhar os alunos durante a montagem e analise dos

circuitos, trabalhando os conteudos teoricos de forma pratica.

O simulador computacional EWB foi completamente descrito, onde foi

possıvel visualizar os ıcones referentes aos dispositivos essenciais para a mon-

tagem e analise de um circuito eletrico. O simulador computacional EWB

tambem e possıvel mostrar a compreensao dos enunciados que envolvem

codigos e sımbolos fısicos, a utilizacao de graficos e relacoes matematicas

para a expressao do saber fısico. Ser capaz de discriminar e traduzir as lin-

CAPITULO 4. CONCLUSOES 36

guagens matematica, expressar-se corretamente utilizando a linguagem fısica

adequada e elementos de sua representacao simbolica. O professor de posse

do EWB pode desenvolver a capacidade de investigacao fısica dos alunos,

procurar aprimorar as estimativas de ordens de grandeza, conhecimento e

utilizacao dos conceitos fısicos. Desenrolar situacoes-problema, identificando

a situacao fısica, modelos fısicos, generalizando de uma a outra situacao, e

fazer previsoes.

O tratamento permite, dessa forma, que alunos coloquem em pratica

os conteudos que sao colocados em sala de aula, ou seja, atraves de uma

realidade totalmente virtual, as ideias colocadas com o auxılio do simulado

computacional EWB, mas que nao deixam de ser aplicados no mundo real,

na realidade dos proprios alunos.

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Simulador Computacional de Circuitos Eletr^onicos para o ... · Luiz Kildery e Jos e Cleiton. Ao...

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