Electrónica I
1º Semestre 2010/2011
Equipamento e Material de Laboratório
Guia de Utilização
Fernando Gonçalves
Teresa Mendes de Almeida
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO
Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Área Científica de Electrónica
Setembro de 2009
1 Objectivos
Com este guia pretende-se dar a conhecer os principais equipamentos (multímetro,
gerador de funções e osciloscópio) e materiais (breadboard e resistências) utilizados
nos laboratórios de electrónica.
Para complementar esta formação, no final deste guia é utilizado um circuito em que
deverão ser aplicados alguns dos conhecimentos adquiridos nas secções anteriores.
2 Equipamento para Ensaio Laboratorial

Multímetro

Gerador de funções

Osciloscópio

Breadboard

Fios

Conjunto de componentes
o
1 resistência de 1 k
o
1 resistência de 4,7 k
o
1 condensador de 10 nF
3 Notas Prévias
 Antes da comparência no laboratório é indispensável a leitura das secções
4a7
 A duração prevista para a realização da parte experimental deste trabalho é
de 30 min
4 Breadboard
O breadboard tem como objectivo facilitar a montagem de circuitos electrónicos.
O breadboard é constituído por várias tiras condutoras (normalmente cobre) que se
encontram escondidas sob uma superfície plástica (isolante). A Figura 1 ilustra uma
placa de breadboard típica.
As interligações existentes sob a superfície plástica e a existência de pequenas molas
que fixam os componentes nos orifícios, são as duas características que facilitam
consideravelmente a montagem dos circuitos.
Para a montagem de um circuito, os pinos dos componentes devem ser inseridos nos
orifícios existentes na placa. Cada orifício está ligado a uma das linhas de interligação
existentes no breadboard. Na Figura 2 estão assinaladas as ligações existentes sob a
superfície do breadboard.
1
Figura 1: Breadboard
Figura 2: Ligações internas de uma breadboard
Cada linha ou coluna de orifícios forma um possível nó do circuito. Para interligar
vários componentes num mesmo nó, basta colocar os pinos desses componentes na
mesma linha ou coluna.
De acordo com as indicações anteriores, torna-se evidente que a montagem de
circuitos integrados num breadboard só poderá ser efectuada da forma indicada na
figura acima.
As linhas horizontais na parte superior e inferior do breadboard são normalmente
destinadas para a distribuição das tensões de alimentação. Deve ser tido em atenção
que nalguns modelos de breadboards, estas ligações estão interrompidas a meio da
placa.
5 Multímetro
O multímetro é um instrumento que reúne diversas funcionalidades num único
instrumento (Figura 3). As funcionalidades mais relevantes são de voltímetro,
amperímetro e ohmímetro. Alguns multímetros podem ainda funcionar como
capacímetros ou frequencímetros.
Para a utilização do multímetro devem ser utilizadas duas pontas de prova
(normalmente, uma preta e outra vermelha). A ponta de prova preta deve ser sempre
ligada à entrada comum, normalmente identificada por “COM”. A ligação da ponta de
prova vermelha depende da funcionalidade que está a ser utilizada (voltímetro,
amperímetro ou ohmímetro). A forma de ligar esta ponta de prova está indicada nas
secções seguintes.
NOTA: A cor das pontas de prova é irrelevante. A escolha atrás indicada corresponde
à forma mais convencional de efectuar a ligação.
2
Figura 3: Multímetro portátil
5.1 Voltímetro (Medição de tensão)
1.
Ligar a ponta de prova vermelha ao terminal identificado com um “V” e colocar o
multímetro no modo pretendido: AC ou DC (ver secção 5.4).
2.
Num multímetro de escala manual (como o da Figura 3), seleccionar uma escala
que seja superior ao valor que se pretende medir. Caso a grandeza a medir seja
desconhecida, colocar na escala máxima e reduzir consoante as medições
efectuadas.
3.
Colocar o multímetro em paralelo com o troço do circuito onde se pretende medir
a diferença de potencial (tensão) (ver Figura 4).
V
R
Figura 4: Utilização do multímetro em modo de voltímetro para medição da tensão aos
terminais da resistência
5.2 Amperímetro (Medição de Corrente)
1.
Ligar a ponta de prova vermelha ao terminal identificado com um “A”. O terminal
deve ser escolhido de acordo com o valor da corrente a medir, sendo que o valor
máximo indicado em cada terminal nunca deve ser excedido. De seguida, colocar
o multímetro no modo pretendido: AC ou DC (ver secção 5.4).
2.
Num multímetro de escala manual, seleccionar uma escala que seja superior ao
valor que se pretende medir. Caso a grandeza a medir seja desconhecida, colocar
na escala máxima e reduzir consoante as medições efectuadas.
3.
Colocar o multímetro em série com o troço do circuito onde se pretende medir a
corrente (ver Figura 5), sendo para isso necessário interromper o circuito.
3
V
R
V
R
Figura 5: Utilização do multímetro em modo de amperímetro para medição da corrente
que passa na resistência e no gerador de tensão
5.3 Ohmímetro (Medição de Resistência)
1.
Ligar a ponta de prova vermelha ao terminal identificado com um “”.
2.
Seleccionar uma escala que seja superior ao valor que se pretende medir. Caso a
grandeza a medir seja desconhecida, colocar na escala máxima e reduzir
consoante as medições efectuadas.
3.
Colocar o multímetro em paralelo com a resistência que se pretende medir (ver
Figura 6), tendo em atenção que o circuito deve ser fechado unicamente através
do ohmímetro. Por esse motivo, a resistência deve ser electricamente separada
do circuito, ou pelo menos um dos seus terminais deve ser desligado.
NOTA: Não se podem medir resistências quando há passagem de corrente
eléctrica !
V
R
V
R
Figura 6: Utilização do multímetro em modo de Ohmímetro
5.4 AC versus DC
Um multímetro permite efectuar medições de duas formas distintas:

Modo DC: mede o valor médio da grandeza (tensão ou corrente). Por exemplo,
uma grandeza alternada sinusoidal sem componente contínua dará uma indicação
nula.

Modo AC: mede o valor eficaz da grandeza (tensão ou corrente). O valor eficaz
de uma determinada grandeza define-se matematicamente pela raiz quadrada do
valor quadrático médio dessa grandeza. No caso de um sinal sinusoidal de
amplitude A, o valor eficaz é A / 2  0,707 A .
O valor eficaz de uma tensão alternada corresponde, em termos físicos, à tensão
contínua que possui a mesma potência média.
Saliente-se que as leituras em modo AC e DC de uma determinada grandeza só
coincidem no caso dessa grandeza não variar ao longo do tempo (grandeza contínua).
4
6 Gerador de Funções
O gerador de funções é um equipamento destinado a gerar sinais eléctricos que
variam ao longo do tempo (sinusóides, ondas quadradas e ondas triangulares). A
amplitude, o valor médio e a frequência dessas formas de onda podem ser controladas
de uma forma muito fácil.
A Figura 7 ilustra o painel frontal de um dos tipos de geradores de funções existentes
nos laboratórios de electrónica.
A
C
E
D
B
F
G
Figura 7: Gerador de funções
Neste guia apenas serão descritas as principais funcionalidades do gerador de
funções, nomeadamente, os pontos assinalados na Figura 7 que estão descritos de
seguida.
A. Selector de frequência (ajuste largo)
Estes interruptores permitem definir a gama de frequências (frequência máxima)
para o sinal gerado.
B. Selector de frequência (ajuste fino)
Este botão permite fazer um ajuste fino da frequência. Deve ser usado em
conjunto com os interruptores indicados em A. para obter a frequência pretendida.
C. Tipo de onda
Estes interruptores permitem escolher o tipo de onda gerada: sinusoidal, quadrada
ou triangular.
D. Amplitude
Este botão permite escolher a amplitude do sinal gerado. Terá de ser usado um
osciloscópio para auxiliar na escolha da amplitude pretendida, uma vez que este
botão não tem escala associada.
E. Atenuador de amplitude
Quando se pretendem gerar sinais com pequena amplitude, poderá ser
necessário activar este interruptor para introduzir uma atenuação no sinal de
saída. Uma atenuação de -20 dB corresponde a um sinal 10x mais pequeno.
F.
Componente DC (Offset)
Este botão permite adicionar uma componente contínua (DC) ao sinal gerado.
Para activar esta funcionalidade, o botão deverá ser puxado para fora e rodado no
sentido adequado até obter a componente DC pretendida. Terá de ser usado um
osciloscópio para auxiliar na escolha da componente DC pretendida.
5
G. Sinal de saída
O sinal de saída com a forma de onda escolhida está disponível na ficha BNC
com a indicação “OUTPUT”.
7 Osciloscópio
O osciloscópio é um equipamento utilizado para visualizar sinais eléctricos. A principal
vantagem do osciloscópio face a um voltímetro, consiste na possibilidade de observar
os sinais directamente no ecrã, facilitando, por exemplo, a medição de frequências,
amplitudes e diferenças de fase. Também tem a possibilidade de apresentar gráficos
de uma tensão em função da outra (modo X-Y). Ambas as escalas (vertical e
horizontal) podem ser ajustadas de acordo com as características do sinal que se
pretende observar.
As características dos osciloscópios variam de modelo para modelo. No entanto, as
funcionalidades ilustradas neste guia são básicas, existindo em todos os modelos,
embora com ligeiras diferenças na forma de apresentação no painel frontal do
osciloscópio. A Figura 8 ilustra um dos modelos de osciloscópios existentes nos
laboratórios de electrónica. Esse será o modelo usado para descrever as principais
funcionalidades de um osciloscópio.
Figura 8: Osciloscópio
O osciloscópio actualiza repetidamente o ecrã com novos valores de tensão. Este
modo de funcionamento tem como problema o facto de cada varrimento começar com
a forma de onda num nível de tensão diferente. No caso de uma onda triangular, se
não forem tomadas medidas complementares, o resultado obtido poderá ser
semelhante ao ilustrado na Figura 9. O sinal “não pára no ecrã”.
Para contornar este problema, o osciloscópio possui um mecanismo designado por
disparo (trigger). Assim, cada um dos varrimentos é sempre iniciado para um
determinado nível de tensão do sinal de entrada e para um dado flanco (ascendente
ou descendente). A Figura 10 representa duas situações diferentes em que se
procura ilustrar a influência do nível de disparo e o flanco de disparo.
6
Figura 9: Imagem do osciloscópio sem sincronismo
Disparo no flanco
ascendente
Nível de disparo
(trigger)
Nível de disparo
(trigger)
Disparo no flanco
descendente
Figura 10: Imagens do osciloscópio com sincronismo
Os osciloscópios disponíveis nos laboratórios têm a possibilidade de apresentar dois
sinais em simultâneo, sendo um dos sinais atribuído ao canal 1 (CH1 ou X) e o outro
sinal atribuído ao canal 2 (CH2 ou Y).
As secções seguintes descrevem as principais funcionalidades de um osciloscópio,
sendo, para efeitos ilustrativos, utilizado o painel frontal representado na Figura 11.
G
E
F
H
I
E
Canal 1
Canal 2
D
D
A
A
C
B
J
C
Figura 11: Comandos do painel frontal do osciloscópio
7
A.
Entrada de sinal
A entrada do sinal é efectuada através de uma ficha BNC, normalmente ligada a
um cabo coaxial. No lado esquerdo está localizada a entrada do canal 1 (CH1 ou
X), enquanto que do lado direito se encontra a entrada do canal 2 (CH2 ou Y).
Note que há uma simetria no painel frontal relativamente aos botões dos dois
canais.
B.
Modo de visualização
Este interruptor determina qual o sinal, ou combinação de sinais, a apresentar no
ecrã. As possibilidades são as seguintes:
CH1
visualização apenas do canal 1
CH2
visualização apenas do canal 2
ALT
visualização de ambos os canais (varrimento completo do canal 1,
seguido de varrimento completo do canal 2, repetindo-se esta
sequência)
CHOP visualização de ambos os canais (durante um varrimento completo, os
traços das curvas vão alternando entre o canal 1 e o canal 2)
ADD
C.
soma dos sinais dos dois canais
Modo AC-DC-GND
Este interruptor define, para cada canal, a forma como o sinal entra no
osciloscópio. Em modo DC, o sinal entra no osciloscópio sem qualquer
modificação. Em modo AC, o osciloscópio elimina a componente contínua da
tensão de entrada (componente DC) e apenas é visualizada a componente AC.
O modo GND coloca o sinal de entrada a zero (ground). Desta forma é possível
identificar onde está localizada a tensão de referência (GND = 0 V). Para a
medição de tensões, é importante conhecer a posição desta linha. Para evitar
eventuais erros de medição, aconselha-se a colocação do GND sobre a linha
central do ecrã. Nos casos em que tal não seja conveniente, a tensão de
referência pode ser colocada noutro local do ecrã, mas tal deverá ser tido em
conta aquando da medição das tensões e o seu posicionamento deve ser sempre
registado.
A localização deste traço horizontal é escolhida com os botões E. (deslocamento
vertical).
D.
Escala vertical (tensão)
Cada canal tem um controlo independente para o valor da tensão/divisão
(VOLTS/DIV). O botão externo permite definir a tensão (VOLTS) associada à
altura de cada um dos quadrados (DIV) do ecrã (ver Figura 12).
O botão interior permite um ajuste fino da escala de tensão. Esta funcionalidade
pode ser útil para algumas aplicações. Contudo, não permite efectuar medições
de tensão com precisão, pois o valor de VOLTS/DIV assume um valor
desconhecido. Por este motivo, sempre que iniciar a utilização do osciloscópio,
confirme que esta funcionalidade está desactivada, rodando o botão no sentido
dos ponteiros do relógio até que se ouça um click, ficando a escala vertical
calibrada.
8
Escala
de tensão
Tensão
VOLTS/DIV
Tempo
Base de tempo
TIME/DIV
Figura 12: Ecrã de um osciloscópio
E.
Deslocamento vertical
Cada canal possui um botão independente para efectuar o deslocamento vertical
da forma de onda. Ao movimentar a forma de onda para cima ou para baixo,
poderá conduzir a medições de tensão erradas, pois a posição onde se
encontra o GND (tensão de referência) poderá ficar numa zona não
conhecida.
F.
Deslocamento horizontal
Este botão permite deslocar a forma de onda para a esquerda ou para a direita.
G.
Escala horizontal (tempo)
Este botão permite definir o valor do tempo/divisão (TIME/DIV), definindo a
duração (TIME) associada à largura de cada um dos quadrados (DIV) do ecrã (ver
Figura 12).
Quando este botão é rodado para a posição X-Y, o osciloscópio é colocado num
modo em que é apresentado um gráfico do sinal no canal 2 em função do sinal no
canal 1. Em modo X-Y, a escala horizontal corresponde ao sinal do canal 1 (CH1
ou X), enquanto que a escala vertical corresponde ao sinal do canal 2 (CH2 ou Y).
H.
Nível e flanco de disparo (level e slope)
Este botão tem uma dupla funcionalidade: (1) define o nível de tensão para o
início do varrimento (ou disparo) e (2) o flanco usado para o disparo.
O flanco usado para o disparo será o flanco positivo quando o botão é empurrado
para dentro e será o flanco negativo quando o botão é puxado para fora.
I.
Fonte de disparo (interno vs. externo)
Este interruptor define qual a fonte de sinal que define o início de um novo
varrimento do ecrã. Essa fonte pode ser interna ou externa, mas nos trabalhos de
laboratório será sempre usada a fonte interna, ou seja, um dos sinais ligados aos
canais de entrada (CH1 ou CH2). A escolha do canal é efectuada através do
interruptor J.
J.
Fonte de disparo interno
Este interruptor determina qual o canal usado para o disparo. As posições CH1 e
CH2 correspondem aos canais 1 e 2, respectivamente.
9
8 Código de Cores das Resistências
Os valores das resistências usadas no laboratório podem ser determinadas com base
nas cores das faixas pintadas (ver Figura 13), de acordo com a tabela que associa
cada cor a um algarismo de 0 a 9.
1ª faixa
3ª faixa
4ª faixa
2ª faixa
Figura 13: Resistência standard
Também podem ser utilizadas resistências de precisão que têm 5 faixas pintadas.
Nesse caso, as três primeiras faixas compõem o número e a 4ª faixa corresponde ao
factor multiplicativo.
Resistências
standard
1ª e 2ª faixa
3ª faixa
(multiplicador)
4ª faixa
(tolerância)
Resistências
de precisão
1ª, 2ª e 3ª
faixa
4ª faixa
(multiplicador)
5ª faixa
(tolerância)
0
Preto
0
x10 = 1
Castanho
1
x10 = 10
Vermelho
2
1
1%
2
2%
x10 = 100
3
Laranja
3
x10 = 1.000
Amarelo
4
x10 = 10.000
Verde
5
x10 = 100.000
Azul
6
Violeta
7
Cinzento
8
Branco
9
4
5
0,5%
6
0,25%
7
0,1%
x10 = 1.000.000
x10 = 10.000.000
Dourado
5%
Prateado
10%
sem cor
20%
Por exemplo, a resistência ilustrada na Figura 13 tem as seguintes cores:
1ª faixa: castanho = 1
2ª faixa: preto = 0
1
0
x100
3ª faixa: vermelho = 102 = 100
= 1.000  = 1 k
10
9 Exemplo
Para familiarização com o equipamento de laboratório descrito neste guia, será
utilizado o circuito representado na Figura 14.
R1
R1 = 1 k
vI
C1
R2
vO
R2 = 4,7 k
C1 = 10 nF
Figura 14: Circuito utilizado como exemplo
1)
Na entrada do circuito (vI), aplique uma tensão constante de 5 V. Para
este efeito recorra à tensão obtida a partir da base de experimentação.
2)
Usando o multímetro, meça a tensão na saída do circuito (vO).
Deverá obter um
valor em torno de
4,12 V.
3)
Usando o multímetro, meça a corrente que percorre a resistência R2.
NOTA: tenha atenção ao procedimento indicado na secção 5.2.
Deverá obter um
valor em torno de
0,87 mA.
4)
Substitua a fonte de tensão constante por uma forma de onda sinusoidal
com amplitude 5 V (10 V pico-a-pico) e frequência 50 kHz.
5)
No osciloscópio visualize o sinal de entrada, vI, e de saída, vO.
6)
Substitua a sinusóide por uma onda quadrada compreendida entre 0 V e
5 V, com frequência 10 kHz.
7)
No osciloscópio visualize o sinal de entrada, vI, e de saída, vO.
Validar o resultado
com o docente.
Validar o resultado
com o docente.
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