UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE DO PARANÁ –
UENP – CAMPUS BANDEIRANTES
UNIDADE DIDÁTICA
O USO DA MECATRÔNICA COMO FERRAMENTA NA
APRENDIZAGEM DOS CONTEÚDOS DE FÍSICA
MIGUEL KENNEDY MENDONÇA
2
JACAREZINHO - 2008
UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE DO PARANÁ –
UENP – CAMPUS BANDEIRANTES
UNIDADE DIDÁTICA
O USO DA MECATRÔNICA COMO FERRAMENTA NA
APRENDIZAGEM DOS CONTEÚDOS DE FÍSICA
MIGUEL KENNEDY MENDONÇA
Produção Didática apresentada ao Programa
de
Desenvolvimento
Educacional
da
Secretaria Estadual de Educação do Estado
do Paraná. Sob a orientação do Professor
Mestre Mauro Januário.
JACAREZINHO - 2008
3
APRESENTAÇÃO
O grande desafio dos professores de Física é relacionar os conteúdos
de sala de aula com situações encontradas no cotidiano dos alunos e mostrar a
eles a importância e a utilidade dos conteúdos aprendidos, ou seja, mostrar a
eles que os conceitos físicos estão intimamente ligados ao desenvolvimento
tecnológico, e a partir deles é possível explicar o funcionamento dos
equipamentos eletro-eletrônicos presentes no seu cotidiano.
Para vencer esse desafio, devemos inserir as tecnologias na sala de
aula a partir de projetos pedagógicos em que os alunos possam ter uma
participação mais ativa no processo de aprendizagem. Dessa forma, será
possível despertar nos alunos o interesse pela Física; tornar as aulas mais
dinâmicas e interessantes. Formando nos alunos uma consciência científica,
fazendo-os enxergar a “grandiosidade dessa Ciência”.
Acredito que os projetos mecatrônicos, apresentados nessa unidade
didática possam contribuir para que as tecnologias sejam inseridas no
ambiente escolar, e assim integrar os alunos mais facilmente ao mundo real
que os cercam.
A Mecatrônica pode ser definida como a integração da Mecânica,
Eletrônica e Computação de forma concorrente.
Para a construção dos projetos mecatrônicos contidos nesta unidade
didática composta de dois capítulos, serão necessário um conhecimento básico
de eletrônica e computação.
No capítulo 1 desta unidade didática são abordados os componentes
eletrônicos : os seus aspectos, símbolos, funções e estrutura interna, com o
objetivo de familiarizar os alunos com esses componentes, e porque eles são
utilizados nos aparelhos eletro-eletrônicos. Este capítulo contém também
exercícios propostos e a construção de circuitos eletrônicos com o objetivo de
mostrar para os alunos o funcionamento destes componentes.
No capítulo 2 referente aos projetos mecatrônicos , são apresentados a
fundamentação teórica e a construção passo-a-passo dos projetos, separados
conforme os conteúdos estruturantes de Física. Este capítulo contém também
4
atividades referentes a cada projeto. Essa unidade didática não tem a
pretensão
de ensinar mecatrônica ,mas através dos projetos mecatrônicos
ensinar os conteúdos de Física.
Espero
que
esse
trabalho
possa
incentivar
os
professores
desenvolverem projetos na área da educação tecnológica onde a Mecatrônica
seja introduzida como ferramenta na aprendizagem dos conteúdos de Física.
5
SUMÁRIO
Unidade 1 – O uso da Mecatrônica como ferramenta na aprendizagem dos
conteúdos de Física...............................................................................................
Capítulo 1 – Os componentes eletrônicos.........................................................07
1.1 – Introdução.................................................................................................07
1.2 – Resistores: ...............................................................................................08
Exercícios propostos...............................................................................10
Atividade 1: Ligação série/paralelo.........................................................10
Atividade 2: Questões.............................................................................14
1.3 – Capacitores:.............................................................................................18
Atividade 3: O capacitor utilizado como temporizador..............................20
Atividade 4: Questões...............................................................................22
1.4 – Indutores:.................................................................................................23
Exercícios propostos................................................................................26
1.5 – Transformadores:.....................................................................................27
Exercícios propostos...............................................................................29
Atividade 5: Fonte de alta tensão...........................................................29
1.6 – Transdutores ou sensores:......................................................................34
Exercícios...............................................................................................38
Atividade 6: Desligando um motor com um relé e um ímã.....................38
1.7 – Diodos:....................................................................................................41
Exercícios propostos...............................................................................46
Atividade 7: Experiências com o diodo...................................................47
Atividade 8: Questões.............................................................................50
1.8 – Transistores bipolares:............................................................................51
Atividade 9: Provador de continuidade..................................................55
Atividade 10: O transistor como amplificador........................................58
Atividade 11: Questões.........................................................................60
1.9 – Transistores unijunção ( TUJ )...............................................................61
Exercícios propostos.............................................................................63
1.10 - Transistores de efeito de campo ( FET ).............................................64
6
Exercícios propostos............................................................................69
Atividade 11: Eletroscópio eletrônico...................................................69
Atividade 12: Questões........................................................................71
Capítulo 2 – Os projetos Mecatrônicos...........................................................72
2.1 – VEÍCULO ACIONADO PELA LUZ.........................................................72
Atividade 1: Veículo acionado pela luz..................................................72
Atividade 2: Questões............................................................................76
2.2 – PARAFUSO DE ARQUIMEDES............................................................78
Atividade 3: Automatizando o parafuso de Arquimedes.........................79
Atividade 4: Questões.............................................................................84
2.3 – ELEVADOR COM PARADA AUTOMÁTICA..........................................86
Atividade 5: Elevador com parada automática........................................86
Atividade 6: Questões..............................................................................91
2.4 - BRAÇO HIDRÁULICO.............................................................................92
Atividade 7: Braço hidráulico....................................................................93
Atividade 8: Questões..............................................................................99
REFERÊNCIAS...............................................................................................101
7
CAPÍTULO 1: OS COMPONENTES ELETRÔNICOS.
1.1 – INTRODUÇÃO:
Os componentes eletrônicos presentes nos aparelhos eletro-eletrônicos
podem ser divididos em três categorias: os componentes passivos, ativos, e os
acessórios.
Os componentes passivos são aqueles que não amplificam nem geram
sinais sendo basicamente usados na função de polarização, acoplamento ou
desacoplamento de circuitos. São eles: os resistores, capacitores, indutores,
transformadores, diodos, transdutores ou sensores, e os varistores.
Os componentes ativos são aqueles que podem gerar ou amplificar
sinais. São eles os transistores bipolares, os transistores unijunção (TUJ), os
transistores de efeito de campo (FET), e os semicondutores da família dos
Tirestores ( SCR,GTO, TRIAC, SUS, SBS e DIAC ).
Os acessórios são aqueles componentes que sustentam partes de
circuitos ou fazem a sua conexão. São eles: placas de circuito impresso,
pontes de terminais ,
pilhas,
botões
de
placa universal, placa matriz de contato, suporte de
controle,
suporte
de
fusíveis,
tomadas
e
conectores,interruptores e chaves, cabos de ligação, caixas para montagem,
soquetes para circuitos
jacaré, etc.
integrados, radiadores de calor, bornes, garras de
8
1.2 – Resistores:
Os resistores são condutores que oferecem uma resistência à passagem
da corrente elétrica. Essa resistência pelo efeito Joule gera calor. A resistência
é medida no sistema internacional de unidades (SI), em “ohm”, representado
pela letra grega ômega (Ω). Também usamos nas especificações de
resistências o múltiplos do ohm: o quilohm ( kΩ 103 ohms ) e o megohm (MΩ
106 ohms ).
No chuveiro, o calor produzido pelo resistor ( chamado erroneamente de
resistência
elétrica
do
chuveiro),
aquece
a
água;
nas
lâmpadas
incandescentes, o calor produzido pelo filamento de tungstênio produz luz. Nos
circuitos eletrônicos os resistores são usados para controlar a intensidade da
corrente elétrica, ou
para fazer cair a tensão no circuito a um valor mais
conveniente. Esse calor fica armazenado no resistor e gradualmente vai sendo
transferido para o meio ambiente. Se o componente não fizer esta
transferência, ele acaba por aquecer demais e queima.
Os resistores usados nos circuitos eletrônicos , apresentam tamanhos e
formatos variados, e são feitos de materiais de diferentes resistividades.
Os resistores que se pode variar a sua resistência, são chamados de
resistores variáveis que são o potenciômetro e o trimpot.
Nem sempre dispomos de resistores que tenham a resistência elétrica
adequada para um determinado fim. Por isso, é preciso associá-los de modo a
obter a resistência elétrica
desejada. A grande maioria das associações de resistores pode ser
reduzida a dois tipos básicos: Associação em série e em paralelo (figura 1).
A figura 2, mostra os aspectos de alguns resistores usados nos circuitos
eletrônicos
Na
atividade
1:
ligação
características dessas associações.
série/paralelo,
serão
discutidas
as
9
Figura 1 – Associação em série e em paralelo
Figura 2 - Resistores
10
EXERCÍCIOS PROPOSTOS
1) Quais os materiais utilizados na construção dos resistores?
2) Quais os símbolos usados para representar ao resistores?
3) Construa a tabela do código de cores dos resistores.
4) Qual a resistência de um resistor com as seguintes cores
( vermelho, amarelo, verde e dourado) ?
5) Confronte o valor encontrado para a resistência do resistor da
questão 3, com o valor medido com um multímetro. Os valores
são os mesmos? Justifique.
6) Quais as cores de um resistor de resistência de 12MΩ, com
tolerância de 2% ?
ATIVIDADE 1: ligação série/paralelo.
Esta atividade propõe a construção de um circuito elétrico onde são
observados as ligações em série e em paralelo.
Materiais utilizados:
2 soquetes para lâmpadas de 110V ou 220V.
2 lâmpadas de 40W/110V
1 lâmpada de 60W/110V
1 lâmpada de 100W/110V
1 pedaço de madeira 30cm x 15cm
1 chave reversível (HH)
Diversos: cabo de alimentação, fios para a ligação, um multímetro.
Funcionamento:
Quando colocamos a chave na posição série, a corrente elétrica que sai
da fonte de alimentação percorre o circuito num único sentido ( trajetória azul),
11
(figura 3). Portanto, a corrente elétrica que percorre as lâmpadas é a mesma
que sai da fonte. Outras características dessa associação são:
- A soma das tensões das lâmpadas é igual a tensão fornecida pela
fonte de alimentação.
- A resistência equivalente da associação das lâmpadas é igual a soma
das resistências de cada lâmpada. Ou seja, na ligação em série a resistência
equivalente aumenta.
Figura 3 – Ligação em série
12
Figura 4 – Ligação em paralelo
Quando colocamos a chave na posição paralelo, a corrente que sai da
fonte de alimentação segue por dois caminhos (trajetória azul e vermelho),
figura 4.
Portanto, a corrente elétrica que sai da fonte é a soma das correntes que
percorre cada lâmpada. Outras características dessa associação são:
- A tensão fornecida pela fonte de alimentação é a mesma em cada
lâmpada
.- A resistência equivalente da associação diminui
Na figura 5, temos o esquema elétrico da montagem ligação
série/paralelo,.
13
Figura 5 – Esquema elétrico da montagem série/paralelo
14
ATIVIDADE 2 : Questões.
1) Verificação das características da ligação em série.
- Coloque as lâmpadas de 40W nos soquetes
- Coloque a chave na posição série
- Com um multímetro meça a tensão em cada lâmpada e a tensão
da fonte (figura 6a); e as correntes em cada lâmpada, e a corrente
fornecida pela fonte de alimentação (figura 6b).
a) A soma das tensões nas lâmpadas é igual à tensão da fonte?
b) A corrente que atravessa as lâmpadas é a mesma que sai da
fonte?
15
Figura 6 – Características da ligação em série.
16
2) Verificação das características da ligação em paralelo.
- Coloque as lâmpadas de 40W nos soquetes
- Coloque a chave na posição paralelo
- Com um multímetro meça a tensão da fonte, e a tensão em cada
lâmpada (figura 7a); e as correntes que percorrem cada lâmpada e a
corrente que sai da fonte (figura 7b).
a) A tensão em cada lâmpada é igual à tensão da fonte?
b) A soma das correntes que percorrem as lâmpadas é igual à
corrente que sai da fonte?
3) Determine para cada associação
a resistência equivalente
(Req), usando a fórmula, ( U=Req x I ), sendo (U) a tensão da
fonte de alimentação e (I) a corrente que sai da fonte.Em qual
associação o valor é maior? Os valores encontrados estão de
acordo com as características das associações em série e
paralelo?
4) Colocando a lâmpada de 40W em série com a de 60W, qual
terá maior brilho? E se elas fossem ligadas em paralelo?
Explique.
5) Colocando a lâmpada de 60W em série com a de 100W, qual
terá maior brilho? E se elas fossem ligadas em paralelo?
Explique.
17
18
Figura 7- Características da associação em paralelo.
.
19
1.3 - Capacitores:
A finalidade do capacitor é armazenar
eletrônicos os
carga elétrica. Nos circuitos
capacitores são usados como: temporizadores, filtros, como
espécie de reservatório de energia ou como amortecedores, evitando que
ocorram variações grandes de corrente no circuito.
Os
capacitores
são
especificados
pela
sua
capacitância
(ou
capacidade), que é medida no (SI) em farad (F). São usados também os
submúltiplos microfarad (µF 10-6 F) , nanofarad (nF 10-9 F) e o picofarad (pF
10-12 F).
A capacitância é a capacidade do capacitor para armazenar cargas
elétricas nas suas armaduras.
Os capacitores são formados por duas placas de metal tendo entre elas
um material isolante (dielétrico) que lhe dá o nome. Assim, se o material
isolante for uma espécie de plástico chamado poliéster, teremos um capacitor
de poliéster. Geralmente os dielétricos são; a mica , cerâmica e o poliéster.
Os capacitores que usam como isolante entre suas placas, um meio fixo
ou sólido qualquer, como por exemplo; plástico, poliéster, mica, papel, etc,
apresentam
baixa
capacitância.
Entretanto,
quando
necessitamos
de
capacitores com capacitância maior que 1uF, são usados os chamados
capacitores eletrolíticos., cujo meio isolante é formado quimicamente.
Temos também capacitores específicos para determinadas freqüências.
Por exemplo:
Os capacitores tubulares, que são formados por folhas de condutores e
dielétricos enrolados, são usados em circuitos de baixas e médias freqüências;
enquanto os que possuem armaduras e dielétricos planos , são usados em
circuitos de altas freqüências.
A fim de obter maior capacitância são usados os capacitores
eletrolíticos, que são componentes polarizados, ou seja, a armadura positiva
deve ser sempre a mesma
Se houver uma inversão, tentando-se carregar a armadura positiva com
cargas negativa
o dielétrico será destruído e o capacitor inutilizado. Uma das armaduras
do capacitor eletrolítico é de alumínio, que, em contacto com uma substância
20
quimicamente ativa, se oxida formando uma finíssima camada de isolante, que
vai ser o dielétrico.
Dessa forma, como a capacitância é tanto maior, quanto mais fino for o
dielétrico, podemos obter capacitâncias muito grandes com componentes
relativamente pequenos.
Na família dos capacitores eletrolíticos temos um tipo que emprega uma
substância que permite obter capacitâncias ainda maiores do que as obtidas
pelo óxido de alumínio.
Trata-se do óxido de tântalo, o que nos leva aos capacitores de tântalos.
Além da capacitância os capacitores possuem ainda outra especificação
muito importante: a tensão de isolação ou trabalho.
Se aplicarmos uma tensão muito grande nas armaduras de um
capacitor, a ddp (diferença de potencial) entre estas armaduras pode ser
suficiente para provocar uma centelha que atravesse o dielétrico e cause a
destruição do componente.
Devido á presença do material isolante separando as placas condutoras,
o capacitor não permite a passagem de corrente contínua, mas permite a
passagem da corrente alternada. Num circuito de corrente alternada o
capacitor apresenta uma resistência a passagem da corrente. Essa resistência
recebe o nome de reatância capacitiva e é abreviada por XC.
A figura 8 mostra os aspectos de alguns capacitores.
Figura 8 - Capacitores
ATIVIDADE 3: Capacitor utilizado como temporizador.
21
Materiais utilizados:
- 1 diodo 1N4004
- 1 resistor 220KΩ (vermelho, vermelho,amarelo)
- 1 lâmpada NEON, tipo NE-2
- 1 interruptor simples , tipo liga/desliga
- Capacitores de valores de capacitância variados, com tensão de
trabalho 150V, para rede de 110V; ou 250V, para rede de 220V.
- Diversos: cabo de alimentação, barra de conectores, fios de ligação,um
pedaço de madeira 20cm x 15cm.
Funcionamento:
- Com o interruptor desligado, coloque o capacitor entre os pontos
AeB( observe a polaridade, caso o capacitor seja eletrolítico). Figura 9a e 9b.
- Ligue o cabo de alimentação na tomada da parede, espere alguns
segundos ,geralmente o tempo (T ) que o capacitor leva para adquirir 2/3 da
sua carga total, depende do valor do resistor (R) e da capacitância do
capacitor( C), e é calculado pela seguinte fórmula: ( T=RxC ).
- Desligue o cabo da tomada, e ligue o interruptor. A lâmpada NEON,
acenderá e permanecerá acessa durante a descarga do capacitor.
- Repita o procedimento com os outros capacitores.
22
Figura 9 – Esquema elétrico da montagem do temporizador
ATIVIDADE 4: Questões.
23
1) Verificar a associação em série e em paralelo dos capacitores.
- Quando associamos dois ou mais capacitores em série, a
capacitância equivalente da associação diminui. Em paralelo, ela
aumenta.
- Coloque um capacitor eletrolítico de um determinado valor nos
pontos A e B. Meça o tempo (T).
- Associe dois capacitores idênticos ao do item anterior em série e
coloque-os nos pontos A e B. Meça o tempo, ele será a metade do
anterior.(T/2).
- Repita o procedimento com os capacitores ligados em paralelo.
Meça o tempo, ele será o dobro do tempo medido para o capacitor na
primeira experiência (2T).
2) Determine , através da fórmula ( T=RxC ), o tempo que a
lâmpada NEON permanece acesa , sendo o valor do resistor
220KΩ, e o valor da capacitância do capacitor 4700uF
3)
Faça uma pesquisa sobre os símbolos, formatos e os
dielétricos usados na construção dos capacitores.
1.4 - Indutores:
24
Os indutores ou bobinas são componentes formados por espiras de fio
esmaltados que podem ser enrolados numa forma sem núcleo, com núcleo de
ferro ou ferrite. A figura 10, mostra o aspectos de um solenóide, uma bobina
com núcleo de ferro laminado, e bobinas sem núcleo,ou núcleo de ar.
Figura 10 – Bobinas e solenóide
Qualquer fio condutor enrolado em hélice cilíndrica, recebe o nome de
solenóide. .Quando o fio condutor é enrolado em diversas camadas
superpostas, como se fosse um carretel, ele é chamado de bobina. Em
linguagem corrente, porém, os termos solenóides e bobinas costumam ser
usados como sinônimos. Nos livros de Física do ensino médio, é mencionado
também, uma pequena bobina , cujo raio de cada espira é bem maior do a sua
espessura ( comprimento), que recebe o nome de bobina chata.. O campo
magnético no seu centro é inversamente proporcional ao raio das espiras;
enquanto no solenóide, também chamado de bobina longa , o campo
magnético é inversamente proporcional ao comprimento do solenóide.
Quando uma corrente elétrica percorre uma bobina num único
sentido,um campo magnético sensivelmente uniforme, desde que não
tomemos pontos muitos próximos das extremidades, é formado no seu interior,
e suficiente forte para atrair materiais ferromagnéticos como o ferro, por
exemplo. As linhas de indução criadas pelo campo magnético produz nas
extremidades da bobina pólos magnético norte e sul. Dessa forma a bobina ou
solenóide se comporta como se fosse um ímã. Para determinar os pólos norte
e sul de uma bobina ou solenóide , é usada a regra da mão direita, ou
25
colocando uma bússola numa das extremidades do solenóide conforme mostra
a figura 11.
Figura 11 – Bobinas e solenóides.
Nessa figura
uma bobina de 300 espiras é ligada numa fonte de
corrente contínua de 12V. Se a extremidade da bobina, que está próximo da
bússola, atrair o pólo norte, esse será o pólo sul da bobina; a outra extremidade
será então o pólo norte da bobina.
A intensidade do campo magnético criado por um solenóide depende do
número de espiras, a intensidade da corrente do seu comprimento, e da forma
como são enrolados.Por exemplo , sem núcleo ou núcleo de ar , o campo
magnético será bem menor do que se o núcleo for de ferro ( a permeabilidade
magnética absoluta do meio ar é menor do que a do ferro). O solenóide com
um núcleo de ferro recebe o nome de eletroímã.
O relé, por exemplo, é um componente eletrônico constituído de um
simples eletroímã capaz de acionar, magneticamente, um ou mais contatos;
por essa
razão , os relés são também chamados de interruptores
eletromagnéticos.
As
bobinas
principalmente
em
ou
indutores
relação
às
apresentam
variações
propriedades
rápidas
de
elétricas
corrente.
Estas
propriedades são dadas pelo que chamamos de indutância.
A indutância de uma bobina é medida em Henry (H) e também é comum
o uso de seus submúltiplos: o milihenry (mH), e o microhenhy (µH), ou ainda
26
pelo número de espiras, diâmetro e comprimento, da forma , além do tipo do
núcleo Alguns indutores possuem núcleos ajustáveis para poder modificar sua
indutância.
Se uma bobina for percorrida por uma corrente variável, ou seja , uma
corrente cujo sentido varia periodicamente com uma determinada freqüência,
será criado um campo magnético variável. De acordo com a lei de Faraday, um
campo magnético variável produz corrente induzida num fio condutor devido á
criação de um campo elétrico variável na região em que se encontra o tal fio.
Essa variação periódica do campo elétrico e do campo magnético gera ondas
eletromagnéticas que podem propagar-se no espaço com a velocidade da luz
(300000Km/s) .
As ondas eletromagnéticas são responsáveis pela transmissão de
informações através do espaço, como por exemplo :
som e imagem. A
produção dessas ondas é feita por circuitos eletrônicos denominados de
osciladores. Eles estão presentes na estação transmissora da informação (uma
emissora de TV, por exemplo) e nos aparelhos que recebem a transmissão (a
televisão de nossas casas).
A frequência dos osciladores, que não sejam controlados por cristal é
determinado por um circuito ressonante LC , um indutor (bobina) e um
capacitor, figura 12.
As bobinas de poucas espiras, sem núcleo ou com núcleo de ferrite
(que aumentam sua indutância) são usadas em circuitos de altas freqüências
ou que trabalham com variações muito rápidas de corrente. Já as bobinas de
muitas espiras, os choques de filtros, por exemplo, que podem ter núcleos de
ferrite ou mesmo ferro laminado trabalham com correntes de médias e baixas
freqüências.
Os indutores facilitam a circulação de uma corrente contínua, mas
oferece oposição à passagem de uma corrente alternada.. Esta oposição
oferecida pelos indutores recebe o nome de reatância indutiva e é abreviada
por XL.
27
Figura 12 – Circuito LC.
Além dos réles e osciladores, outros componentes eletrônicos como o
transformador , o alto-falante, o microfone magnético, os galvanômetros e
motores, funcionam baseados nos princípios do eletromagnetismo.
EXERCÍCIOS PROPOSTOS:
1) Como é feita a comunicação do som produzido na estação de
AM e FM até os receptores (rádios ) de nossas casas?
2) Como o som e as imagens produzidos nas emissoras de
televisão chegam até os televisores de nossas casas?
3) Como é feita a transmissão da internet via rádio até os
computadores de nossas casas?
4) Um carrinho de brinquedo de controle remoto, opera numa
freqüência de 27MHz Determine a indutância e o número de
espiras necessário para a construção dessa bobina de núcleo
de ar (u = 4π x 10-7). Sendo o valor da capacitância do
capacitor 10pf, diâmetro de cada espira 1cm, e o comprimento
da bobina também 1cm.
5) Faça uma pesquisa sobre os símbolos e aspectos de
solenóides usados nos circuitos eletrônicos.
28
1.5 – Transformadores:
O transformador básico é constituído por duas bobinas enroladas num
núcleo comum a ambos, que pode ser de ferrite, ferro laminado, ou núcleo de
ar. A figura 13, mostra um transformador elevador de tensão com núcleo de
ferro laminado, contendo 300 espiras na bobina do primário e 12000 espiras na
bobina do secundário. Na figura 14, temos um transformador abaixador de
tensão. São 300 espiras na bobina do primário, e 5 espiras na bobina do
secundário.
Figura 13 - Transformador elevador de tensão.
29
Figura 14 – Transformador abaixador de tensão
Quando estabelecemos uma corrente alternada no enrolamento primário
aparece em torno da sua bobina um campo magnético cujas linhas de indução
se expandem e contraem á mesma freqüência da corrente.
O resultado é que, cada vez que estas linhas cortam as espiras do outro
enrolamento é induzida uma tensão que aparece nos seus extremos. A tensão
tem polaridade dada pelo movimento das linhas de indução de modo que ela
também se inverte na mesma freqüência da corrente no primário. Obtemos
então no secundário do transformador uma tensão alternada de mesma
freqüência que a aplicada no enrolamento primário.
Os transformadores são usados para alterar as características de um
sinal ou ainda uma tensão alternada.
O tipo mais usado de transformador é o denominado transformador de
alimentação ou transformador de força. Este tipo de transformador é usado em
fontes de alimentação, tanto para reduzir a tensão da rede de energia para um
valor menor de acordo com a aplicação, como para isolar a rede de energia
evitando assim choques em quem tocar no circuito do aparelho. Eles também
podem produzir no secundário tensões maiores que as aplicadas no primário,
dependendo da relação entre o número de espiras do primário e secundário.
Aumentando-se a tensão no secundário, a corrente nesse enrolamento será
menor do que a corrente no enrolamento primário.
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Os transformadores são especificados pela tensão de entrada
( primário ), tensão de saída e corrente de saída ( secundário ). A relação entre
as tensões no primário ( Vp) e secundário (Vs), e o número de espiras do
primário (Np) e secundário (Ns), é dada pela seguinte fórmula: ( Vp/Vs = Np/Ns
). Eles só podem operar com sinais alternados que tanto podem ser de baixas
freqüências ( como a tensão da rede de energia ), quanto de altas freqüências.
EXERCÍCIOS PROPOSTOS:
1) Determine a tensão e a corrente elétrica no secundário do
transformador mostrado na figura 13, sendo a tensão e a
corrente no primário respectivamente 120V, e 1A.
2) Repita os cálculos para o transformador mostrado na figura
14.
3) Por que, a espessura do fio da bobina do secundário do
transformador da figura 14, é bem maior do que o fio da
bobina do secundário do transformador mostrado na figura
13?
4) Qual a participação da bobina do carro na produção da faísca
das velas?
5) No motor movido a diesel é usado bobina? Por quê?
ATIVIDADE 5: Fonte de alta tensão.
Material utilizado:
- SCR –TIC106B, se a rede for 110V; e TIC106D, se a rede for 220V.
- lâmpada Neon comum.
- Diodo 1N4007
- Um potenciômetro de 1MΩ.
- R1 resistor de 220Ω x 10W, se a rede for 110V; ou 470Ω x 20W, se a
rede for 220V
- R2 resistor 47KΩ x 1/8W (amarelo, violeta, laranja).
- R3 resistor 10KΩ x 1/8W (marrom, preto, laranja).
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- C1 capacitor 2uF x 200V, se a rede for 110V; ou 2uF x 450V, se a rede
for 220V.
- C2 capacitor de poliéster 47nF x 100V.
- Um interruptor simples. Tipo liga/desliga.
- Uma bobina de ignição de automóvel (T1), ( pode ser usada, desde
que esteja em bom estado de funcionamento).
- Um duplicador (R), ou triplicador usados em televisores.
- Diversos: caixa para a montagem, ponte de terminais, solda, cabo de
alimentação, e fios para a ligação.
Funcionamento:
A bobina é um transformador de alta tensão ( o número de espiras no
secundário é bem maior do que no primário ) que necessita de um corrente
variável ou pulsante no seu primário para que tenha uma produção contínua
de alta tensão no seu secundário. No circuito, quando o SCR liga, pela ação da
descarga na lâmpada neon C2, o capacitor C1 se descarrega produzindo um
forte pulso. O resultado é o aparecimento de uma alta tensão no secundário da
bobina. Esta fonte fornece um tensão pulsante de 10000V a 20000V
(dependendo das características da bobina), com uma freqüência de 10Hz a
100Hz. Esta tensão após passar pelo duplicador ou triplicador ela sai duplicada
ou triplicada e contínua. As figura 15 e 16, mostram o esquema elétrico da
montagem da fonte de alta tensão.
EXPERIÊNCIAS COM A FONTE DE ALTA TENSÃO
- Acendendo uma lâmpada fluorescente:
Aproximando a lâmpada do eletrodo de alta tensão segurando-a pelo
tubo, ela deverá acender, figura 17.
- Acendendo uma lâmpada néon:
Segurando a lâmpada néon com um alicate, aproxime-a do eletrodo da
alta tensão e ela acenderá, figura 18.
32
Observação: Faça as experiências sobre um tapete isolante para que
não ocorram fugas que podem causar uma pequena sensação de choque, não
muito agradável.
Outras experiências podem ser realizados, como por exemplo: vento
iônico (ionização dor ar), gaiola de Faraday , motor iônico, etc.
Figura 15 – Esquema elétrico da montagem da fonte de alta tensão.
33
Figura 16 – Esquema elétrico da montagem da fonte de alta tensão
34
Figura 17 – Acendendo uma lâmpada fluorescente.
Figura 18 – Acendendo uma lâmpada néon.
35
1.6 – TRANSDUTORES OU SENSORES:
Os transdutores ou sensores são dispositivos que transformam uma
forma de energia em outra mais apropriada no processamento. Os transdutores
convertem energia elétrica
em outra forma de energia como o som, luz,
movimento etc. Por exemplo, o alto-falante, converte a corrente elétrica em
som. Os sensores, convertem alguma forma de energia em energia elétrica que
possa ser processada pelos circuitos eletrônicos. Por exemplo, o interruptor,
converte a pressão em corrente elétrica, Os sensores são considerados os
órgãos dos sentidos nos robôs, braços mecânicos, automatismos diversos,
automóveis, equipamentos médicos e industriais, e tudo mais que seja alvo da
mecatrônica.
- OS ALTO-FALANTES E FONES:
Convertem energia elétrica em som. São especificados pela impedância
em ohms, potência em watts e pelo tamanho.
- OS MICROFONES:
Convertem energia acústica ( som ) em energia elétrica.
O microfone dinâmico é um alto falante ao contrário (na verdade,
qualquer alto-falante também funciona como um microfone dinâmico). Quando
uma onda sonora incide em seu diafragma ela o faz vibrar e com isso a bobina
corta as linhas de força do campo magnético do ímã fazendo aparecer uma
corrente. Esta corrente é um retrato fiel do som original. Basta ampliá-la para
que ao ser aplicada num alto-falante ela reproduza o som original.
O microfone piezoelétrico utiliza um cristal que ao sofrer deformações
pela incidência de uma onda sonora, cria tensões que são o retrato fiel do som
original.
Finalmente, temos os microfones de eletreto. São formados por
substâncias que liberam cargas elétricas quando submetidos a deformações.
36
Estas cargas retratam o som original e podem controlar correntes mais
intensas
a partir de transistores de efeito de campo. Os transistores
amplificadores já são incorporados aos próprios microfones deste tipo, o que
lhes garante enorme sensibilidade e tamanho reduzidos.
- AS LÂMPADAS:
As lâmpadas transformam energia elétrica em luz. Como exemplo, de
lâmpadas temos:
A lâmpada incandescente, produz
luz, devido a passagem de uma
corrente elétrica pelo seu filamento.
A lâmpada fluorescente, e a neon , ambas produzem luz ,devido a
tensão aplicada nos seus terminais.
Os LEDs (diodos emissores de luz), são diodos especiais que convertem
energia elétrica em luz.
- OS MOTORES:
Convertem energia elétrica em movimento e força mecânica. Como
exemplo de motores temos: Os de corrente contínua, de passo, indução, e o
servomotor.
Os motores de corrente contínua ( DC ou CC ) rodam praticamente sem
controle, a não ser de velocidade, e são usados apenas nas aplicações que se
deseja movimento. Eles são especificados pela tensão de operação e pela
corrente que exigem, quando alimentados pela tensão de operação sob
determinada carga ou velocidade.
Os motores de passo são motores de precisão que se movem colocando
partes de um equipamento em posições definidas com altos graus de precisão.
Por exemplo, o posicionamento de leitura de um DVD, ou de impressão de uma
impressora. Além da tensão e corrente de operação de cada bobina, eles são
especificados pelo número de bobinas ou número de fases que possuem. Os
tipos mais comuns são os de duas e quatro fases.
37
Os motores de indução operam exclusivamente com corrente alternada,
obtem movimento sem ruídos ( o motor de indução não tem escovas),e
velocidades com pequena variação (dependendo da carga), e boa eficiência.
O servomotor é um dispositivo que converte um sinal elétrico, por
exemplo uma tensão, num movimento proporcional de uma alavanca ou ainda
um cursor. O servomotor básico consta de um motor que, por meio de um
sistema de redução ou não, aciona um dispositivo de realimentação e uma
alavanca. O dispositivo de realimentação serve para indicar a posição da
alavanca de modo que o circuito de controle possa leva-la até uma posição
desejada.
- OS SOLENÓIDES E RELÉS:
Os solenóides e relés convertem energia elétrica em mecânica.
Os solenóides são formados por uma bobina dentro da qual pode
deslizar um núcleo de material ferroso. Quando uma corrente percorre a
bobina, o campo magnético criado puxa o núcleo para dentro com força. Está
força pode ser usada para acionar os mais diversos dispositivos como, por
exemplo, abrir e fechar uma válvula de água numa máquina de lava, abrir a
fechadura de um portão, etc.
Os relés
são chaves eletromagnéticas. Eles são formados por uma
bobina e um conjunto de contatos que podem ser acionados pela ação de um
campo magnético criado por uma bobina.
Aplicando uma tensão na bobina, ela atrai a armadura (que é uma peça
ferrosa presa aos contatos) de modo que eles se movimentam comutando
assim a corrente de um circuito externo.
Os relés são usados para se controlar circuitos a partir de correntes
fracas ou de forma isolada. Podemos aplicar uma baixa tensão a uma bobina
de relé para controlar um circuito de alta corrente que seja ligado aos seus
contatos.
- SENSORES MAGNÉTICOS:
O tipo mais comum de sensor magnético é o interruptor de lâminas ou
reed-switch. Quando o campo magnético de um ímã ou de uma bobina age
38
sobre as lâminas , magnetizando-as, aparece uma força de atração que une
essas lâminas fechando o circuito em que o dispositivo está ligado.
- SENSORES RESISTIVOS:
Os tipos mais comuns de sensores resistivos são os de temperatura, luz
e pressão.
Como sensores de temperatura temos: O NTCs ( Negative Temperature
Coeefficient ), a sua resistência diminui quando a temperatura aumenta. E os
PTCs ( Positive Temperature Coeefficient ), a
sua resistência aumenta
quando a temperatura aumenta.
O tipo mais conhecido de sensor resistivo de luz é o LDR ( resistor
dependente de luz).
Os
LDRs são muito sensíveis , apresentando uma resistência de
milhões de ohms no escuro e algumas dezenas ou centenas de ohms quando
iluminados.
- SENSORES MECÂNICOS:
Os sensores mecânicos podem ser utilizados como detector de fim-decurso, detector de batidas, detector de posição e em muitas outras aplicações.
Como exemplo temos: o interruptor de pressão, o micro-switch, o sensor de
pêndulo, e a chave de mercúrio.
- SENSORES ÓPTICOS:
Os sensores ópticos transformam a luz em corrente elétrica. Como
exemplos temos: Os fotodiodos, os fototransistores e as fotocélulas.Quando a
luz incide numa junção polarizada no sentido inverso, portadores de cargas são
liberados provocando uma pequena corrente de fuga da ordem de
milionésimos de ámpere, dependendo da intensidade da luz incidente Os
fototransistores operam segundo o mesmo princípio dos fotodiodos. Uma das
vantagens do fototransistor em relação ao fotodiodo é que podemos ter um
sinal amplificado, dependendo do modo como o utilizamos.
As fotocélulas ou células solares convertem energia luminosa ( energia
radiante) em energia elétrica.
39
Além dos sensores analisados, há outros que podem ser empregados
em automatismos, projetos mecatrônicos e robôs. Dentre eles destacamos os
seguintes:
Sensores
de
aproximação,
sensores
de
toque,
sensores
piroelétricos, sensores de gás, sensores de pressão atmosférica, e sensores de
aceleração.
EXERCÍCIOS PROPOSTOS:
1) Como funcionam os sensores de aproximação usados nas
portas automáticas usadas nos grandes Shopping Centers?
2) Faça uma pesquisa a respeito dos materiais sensíveis a luz
utilizados nos LDRs, fotodiodos, fototransitores e fotocélulas.
3) Faça uma pesquisa sobre os símbolos e aspectos de sensores
e transdutores.
ATIVIDADE 6: Desligando um motor com um relé, e um ímã.
Materiais utilizados:
- 5m de fio esmaltado número 26.
- 2 ímãs circulares de alto-falante, com diâmetros de 5,5cm cada.
- 1 sensor magnético reed-switch.
- 8 pilhas de 1,5V cada.
- 2 fixadores de trilhos de cortina.
- 1 parafuso de 7cm.
- Um interruptor do tipo liga/desliga.
- Uma lâmina de lata, medindo cerca de 8cm x 0,5cm.
- Um pedaço de madeira medindo cerca de 10cm x 8cm, para a
construção do réle.
- Um pedaço de madeira medindo cerca de 20cm x 15cm, para a
construção do motor.
- Diversos: suporte de pilhas, parafusos para fixação na madeira,
canaleta para passagem de fios, adesivo de epoxy, uma caneta sem carga.
40
Montagem do réle:
- Enrole no parafuso , de 200 a 300 espiras de fio, para a construção do
eletroímã.
- Fixe um parafuso na madeira, de maneira que o tubo fique encaixado
nele.
- Fixe com a massa epoxy a lâmina de lata no tubo da caneta, e na base
de madeira.
- Fixe o parafuso que é suporte do eletroímã na madeira, de maneira
que a lâmina fique a 2mm da cabeça do parafuso.
Montagem do motor:
- Faça uma bobina de 10 espiras com o fio número 26. As extremidades
do fio usado deverão ficar com 8cm livres de cada lado.
- Com um pedaço de fio número 8, faça dois suportes para a bobina.
- Raspe o esmalte de cada extremidade da bobina somente num
hemisfério.
- Coloque a bobina entre os ímâs.
Na figura 19, temos os aspectos do réle e do motor.
Funcionamento:
A corrente elétrica ao atravessar o eletroímã, após ter passado pelo
reed-switch, produz um campo magnético que atrai a lâmina fechando o
circuito formado pela bateria (B2), que alimenta o motor, e o motor. Dessa
forma o motor começa a funcionar. Se colocarmos um ímã próximo do reedswitch as suas lâminas se abrirão, a corrente que alimenta a bobina é
interrompida, a lâmina volta a sua posição inicial, e o motor é desligado. Na
figura 20, temos a montagem do circuito elétrico formado pelo motor e réle.
41
Figura 19 – Aspectos do Réle , e do Motor.
Figura 20 - Esquema e montagem do circuito elétrico do motor e
réle.
42
1.7 – Diodos:
O diodo é um componente eletrônico polarizado obtido quando,
juntamos dois materiais semicondutores de tipos diferentes (um do tipo “P” e
um do tipo “N” ) formando entre eles uma junção semicondutora “PN”. O diodo
permite a passagem da corrente num único sentido, por essa razão ele é
utilizado num circuito eletrônico como retificador da corrente alternada em
contínua, além de outras funções.
O Germânio (Ge) e o Silício (Si), são semicondutores usados na
fabricação do material semicondutor do tipo “P e N”. Ambos têm na última
camada quatro elétrons.
Assim formando um cristal, tanto o Germânio como o Silício fazem com
que os átomos compartilhem os elétrons havendo sempre oito deles em torno
do núcleo de cada átomo, o que significa um equilíbrio estável.
De fato, os elétrons ficam tão firmemente presos aos átomos nestas
condições que não tendo movimento não podem funcionar como portadores de
carga e com isso transmitir a corrente elétrica. Por esse motivo o Germânio e o
Silício puros, na forma cristalina, apresentam uma resistência muito alta, muito
mais próxima dos isolantes do que propriamente dos condutores, se bem que
numa faixa intermediária. Nesta forma cristalina de grande pureza, eles não
servem para a elaboração de componentes eletrônicos, mas a situação pode
mudar com a adição de certas “impurezas” ao material.
Estas impurezas consistem na adição de algum elemento que tenha três
ou cinco elétrons na sua última camada, e se faz em proporções extremamente
pequenas, da ordem de uma parte por milhão.
A figura 21a, mostra um semicondutor tipo “N”, formado através da
adição do Arsênio(As), na estrutura cristalina do Germânio.
Como o átomo de Arsênio contém 5 elétrons na sua última camada,
sobra um elétron (o equilíbrio se dá com 8 elétrons) que adquire mobilidade
para servir de portador de cargas do material.
O resultado é que a resistividade ou capacidade de conduzir se altera e
o Germânio ou Silício se tornam um bom condutor de eletricidade.
Acrescentando na estrutura cristalina do Germânio ou Silício uma
impureza cujos átomos tenham três elétrons na sua última camada, como por
43
exemplo, o Índio(In), obtemos um material semicondutor do tipo “P” (figura
21b).
Veja que, no local em que se encontra o átomo de Índio não existe 8
elétrons para serem compartilhados (a soma agora é de 7 elétrons) , de modo
que sobra uma vaga, ou lacuna.
Esta lacuna também funciona como um portador de cargas, pois
elétrons que queiram se movimentar através do material podem “saltar” de
lacuna em lacuna obtendo-se um percurso com pouca resistência.
Como os portadores de cargas neste caso são lacunas, e a falta de
elétrons, corresponde a uma carga positiva, dizemos que o material
semicondutor assim obtido é do tipo “P” (P de positivo). Podemos formar
materiais semicondutores do tipo “N e P”, com elementos como o Germânio,
Silício, Selênio, Gálio, etc.
Figura 21 – Material semicondutor.
44
Conectando o pólo positivo da bateria no material “P” e o pólo negativo
no material “N’, a junção “PN”, fica polarizada no sentido direto (figura 22a). A
barreira de potencial que aparece na junção “PN” (devido a neutralização dos
elétrons do material “N”, com as lacunas do material “P” ) diminui, e uma
corrente intensa atravessa com facilidade a junção “PN”.
No entanto, se invertemos a polaridade da bateria em relação aos
semicondutores, o que ocorre é uma atração dos portadores de material N para
o pólo positivo e do material P para o negativo, ou seja, eles se afastam da
junção, conforme mostra a figura 22b.
O resultado é que em lugar de termos uma aproximação das cargas na
região da junção temos seu afastamento, com um aumento da barreira de
potencial que impede a circulação de qualquer corrente. O material polarizado
desta forma não deixa passar corrente alguma.
45
Figura 22 – Polarização do diodo.
Na prática uma pequena corrente, denominada “de fuga” circula, da
ordem milionésimos de ampére, devido ao fato de que o calor ambiente pode
“soltar” portadores de carga dos átomos da junção os quais se recombinam.
Esta junção “PN’, recebe o nome de diodo. Nos diodos de germânio, a
circulação da corrente começa ocorrer com uma tensão de aproximadamente
0,2V, e nos diodos de silício com cerca de 0,6V. Este pedaço de material
semicondutor”PN” é colocado dentro de um invólucro, conforme mostra a figura
23.
46
Figura 23 – Junção PN.
Os diodos são encontrados numa grande variedade de tamanhos e tipos
de acordo com a sua aplicação.Os diodos funcionam como vias de sentido
único para as correntes, ou seja, conduzem a corrente em um único sentido.
Os diodos comuns (diodo retificador , ou de uso geral), são
especificados em função de corrente máxima que podem conduzir no sentido
direto (If), e pela tensão máxima que suportam no sentido inverso (Vr). Por
exemplo, o diodo 1N4005, e um diodo retificador de Silício que suporta uma
corrente máxima de 1A no sentido direto, e uma tensão máxima no sentido
inverso de 600V.
Existem também, diodos especiais que apresentam propriedades
adicionais. Além de conduzir a corrente num único sentido, podem ser usados
47
em aplicações eletrônicas interessantes. Podemos citar os LEDs, que são
diodos que emitem luz (acendem) quando percorridos por uma corrente
elétrica. Há ainda os fotodiodos que deixam a corrente passar quando
iluminados e que, por isso, podem ser usados como sensores. Também
existem diodos que podem regular tensões e até mesmo gerar sinais de
freqüência muito altas como o diodo “zener” e os diodos “tunnel”,
respectivamente.
Enquanto nos diodos comuns a tensão máxima inversa pode causar a
queima do componente, o diodo zener é projetado para operar justamente com
esta tensão inversa máxima . Ou seja, enquanto o diodo comum funciona
somente quando polarizado diretamente, o diodo zener funciona somente
quando polarizado inversamente.
A figura 24,mostra os símbolos e aspectos de alguns diodos.
48
Figura 24 - Símbolos e aspectos de alguns diodos.
EXERCICÍOS PROPOSTOS:
1) Qual a função do diodo 1N4004, usado no temporizador da
atividade 2 ?
2) Qual a função do diodo 1N4007, usado na fonte de alta tensão
da atividade 6 ?
3) Qual a corrente máxima direta e tensão máxima inversa dos
diodos 1N4004, e 1N4007 ?
4) Explique a emissão de luz produzida pelo LED.
49
5) A emissão de luz pelo LED, tem ligação com o efeito
fotoelétrico?
ATIVIDADE 7: Experiências com o diodo.
Material utilizado:
- Um diodo 1N4004.
- Duas chaves HH (2 pólos x 2 posições).
- Uma lâmpada 60W/110V, ou 60W/220V.
- Um soquete para a lâmpada.
- Um led vermelho.
- Um resistor de 470Ω x 1/8W (amarelo, violeta, marrom).
- Quatro pilhas de 1,5V cada.
- Diversos: suporte para as pilhas, madeira para a fixação dos
circuitos, ponte de terminais, fios de ligação, solda.
Experiência 1: O diodo na corrente alternada.
A figura 25 mostra o esquema elétrico da montagem.
50
Figura 25 – O diodo na corrente alternada
Funcionamento:
A corrente alternada fornecida pela rede é composta de semi-ciclos
positivos e semi-ciclos negativos. Quando ligamos a chave na posição em
que o diodo fica em série com a lâmpada; os semi-ciclos positivos polarizam
o diodo no sentido direto. A corrente passa através do diodo e chega até a
51
lâmpada. Já os semi-ciclos negativos são impedidos de atravessar o diodo,
pois eles polarizam o diodo no sentido inverso.
Mudando a posição da chave, tanto os semi-ciclos positivos quantos
os negativos atravessam a lâmpada.
Experiência 2: O diodo na corrente contínua.
Afigura 26, mostra o esquema elétrico da montagem.
Figura 26 – O diodo na corrente contínua
52
Funcionamento:
O led é um diodo emissor de luz. Quando a chave é colocada na
posição em que o led fica polarizado no sentido direto, a corrente passa e
ele acende. Mudando a posição da chave, o led não acende porque fica
polarizado no sentido inverso.
ATIVIDADE 8: Questões.
1) Qual a tensão na lâmpada na experiência 1, com a chave na
posição em que o diodo fica em série com a lâmpada ? Qual a
sua potência?
2) Mudando a posição da chave o brilho da lâmpada é maior? pôr
que?
3) Na experiência 1, uma lâmpada de 150W/110V, acenderá com a
chave em
qualquer posição? Pôr que?
4) A corrente máxima e a tensão máxima inversa de um diodo
são respectivamente 0.5A e 5V. Uma lâmpada de 6V/0,5A é
ligada em série com esse diodo.A lâmpada acenderá se a
polarização do diodo for direta ou inversa? Explique.
53
1.8 – TRANSISTORES BIPOLARES:
Os transistores são componentes formados por três pedaços de
materiais semicondutores como o Silício e o Germânio dos tipos “P” e “N”.
Para obter uma estrutura equivalente a um transistor devemos empilhar
ou formar três regiões semicondutoras de polaridades alternadas de modo que
entre eles existam duas junções. As regiões semicondutoras receberão os
nomes de emissor (E), base (B), e coletor (C). Podemos fazer a estrutura
indicada de duas formas diferentes, o que nos leva a dois tipos de transistores:
o “PNP”, e o “NPN”. Podemos comparar a estrutura interna do transistor a dois
diodos comuns ligados anodo com anodo, ou catodo com catodo. A figura 27,
mostra a estrutura e os símbolos dos transistores bipolares.
Figura 27- Estrutura e símbolos dos transisitores bipolares
54
Os transistores são os componentes mais importantes dos circuitos
eletrônicos, pois podem gerar e amplificar sinais, além de funcionar como
chaves controladas eletrônicamente.
Para que o transistor funcione, ou seja, amplifique um sinal, é necessário
que ele seja polarizado corretamente.
Na figura 28, temos um transistor NPN, e a sua estrutura interna
representada por dois diodos. No diodo de baixo que está polarizado
diretamente, portanto permitindo a passagem da corrente, a corrente sai do
pólo positivo, atravessa a base e o emissor, e chega ao pólo negativo (sentido
convencional da corrente; o sentido real da corrente é do pólo negativo para o
positivo). Durante esse trajeto, o diodo de cima fica polarizado inversamente,
impedindo que essa corrente circule da base para o coletor. Isso faz então com
que uma forte corrente possa atravessar o transistor, entre os terminais “C” e
“E”.
Como ambas as correntes (tanto a fraca, como a forte ) saem pelo
emissor, podemos então afirmar que a corrente do emissor é a soma das
correntes de base e de coletor.A corrente de emissor (forte) ou do coletor ( se
considerarmos o sentido real da corrente), é dentro de certos limites
diretamente proporcional à corrente (fraca) de base.
A relação entre a corrente de base e a corrente de coletor, determina o
fator de amplificação ou ganho do transistor (Hfe).
Tirando as inversões de polaridade, o transístor PNP se comporta de
maneira idêntica ao NPN.
55
Figura 28- Polarização do transistor.
No corpo do transistor está impresso um código, que dá informações
sobre o seu tipo função e potência. Por exemplo: BC548, BD136, TIP32,
BF254.
O BC548, transistor NPN de Germânio, de uso geral e de baixa potência
(amplifica sinais de pequena intensidade e baixa freqüência).
O BD136, transistor PNP de Germânio, e o TIP32 são destinados a
operarem em circuitos com correntes intensas, mas com sinais de baixa
freqüência. Os transistores desta família operam com correntes de coletor
máxima de até 15 ampères. Tensões máximas entre coletor e emissor na faixa
de 20 a 100V, e freqüência que varia de 100KHz até perto de 40MHz.
O BF254, transistor NPN de Germânio é destinado a amplificar ou gerar
sinais de freqüências elevadas, mas com pequenas intensidade. A figura 29,
mostra os aspectos de alguns transistores.
56
Figura 29 – Aspectos de alguns transistores.
Para que os
transistores
funcionem
corretamente e não acabem
inutilizados é necessário respeitar alguns parâmetros tais como:
Ic. máx. – È a corrente máxima de coletor.
Vce. máx. – È a máxima tensão aplicável entre o coletor e o emissor.
Hfe – É o ganho ou fator de amplificação do transistor.
Pc. máx. – É a potência ( em watts) máxima obtida no coletor do
transistor.
F. máx – È a máxima freqüência de funcionamento, sem que o ganho do
transistor se reduza a menos que um..
A figura 30, mostra para um transistor NPN os principais parâmetros a
serem medidos, calculados ou conhecidos, para que possamos operar o
transistor corretamente:
Ib – corrente de base.
Ic – corrente de coletor.
Ie – corrente de emissor.
Rb – resistor de base (ou de polarização).
Rc – resistor de coletor (ou de carga).
Vce – tensão medida entre os pontos A e B.
Vcb – tensão medida entre os pontos A e a base.
Vbe – tensão medida entre a base e o ponto B.
Vin – tensão de entrada, medida entre a base e o ponto B.
Vout – tensão de saída, medida entre coletor e o ponto B.
57
Figura 30 - Parâmetros do transistor bipolar.
ATIVIDADE 9: Provador de continuidade.
Material utilizado:
- R1 - resistor 10KΩ x 1/4W ( marrom, preto, laranja).
- R2 – resistor 500Ω x 1/4W ( verde, preto, marrom).
- Um LED vermelho comum.
- T1- transistor BC548, NPN.
- P1 – ponta de prova vermelha.
- P2 – ponta de prova preta.
- Duas pilhas de 1,5V cada
- Um pedaço de madeira 20cm x 15cm..
- Diversos: ponte de terminais, suporte para as pilhas, fios de ligação
58
Na figura 31, temos o esquema elétrico do provador de continuidade.
Figura 31 – Esquema elétrico da montagem do provador de
continuidade.
Procedimentos:
A fim de testar o aparelho, vamos utilizar o transistor BC548 (NPN). Na
figura 32a, os diodos que representam a estrutura interna do transistor é
59
polarizado no sentido direto, nota -se que o led acende nas duas situações. Se
isso não ocorrer o transistor estará em curto, Na figura 32b, os diodos são
polarizados no sentido inverso, o led deve ficar apagado nas duas situações.
Se isso não ocorrer, o transistor estará aberto Mas falta ainda provar a
continuidade entre o coletor e o emissor, figura 32c. Durante o teste o led deve
ficar apagado nas duas situações. Se isso não ocorrer o transistor estará em
curto.
Figura 32 – Teste de continuidade
60
ATIVIDADE 10: O transistor como amplificador.
Materiais utilizados:
- T1- transistor BC548 (NPN).
- R1- resistor de 470Ω x 1/4W
- R2- resistor de 500Ω x 1/4W.
- P1- potenciômetro ou trimpot de 1MΩx 1/4W.
- Um LED vermelho comum.
- P- ponte de terminais.
- Quatro pilhas de 1,5V cada.
- Suporte para as pilhas.
- Um pedaço de madeira 15cm x 20cm.
A figura 33, mostra o esquema elétrico da montagem.
61
Figura 33 - esquema elétrico da montagem do transistor como
amplificador
Funcionamento:
Com o trimpot na posição de máxima resistência, ligamos o interruptor.
Embora o transistor esteja polarizado no sentido de conduzir, a corrente de
base é fraca e consequentemente a corrente de coletor também, o que leva o
led acender com um brilho muito fraco. Além da corrente de base,uma tensão
mínima de 0,6V (para o transistor de Germânio esse valor é de 0,2V, e o de
Silício 0,6V) deve ser aplicada a base para vencer a barreira de potencial da
junção emissor-base e o
transistor comece a conduzir. A medida que
62
diminuímos a resistência do trimpot, a corrente de base aumenta e
consequentemente a corrente de coletor também, vemos que o brilho do led
aumenta. Chega entretanto um instante em que o led atinge o brilho máximo. O
transistor estará saturado e mesmo continuando a diminuir a resistência do
trimpot não temos aumento correspondente de corrente de coletor.
EXERCÍCIOS PROPOSTOS
1) Com o provador de continuidade, determine os terminais base,
coletor e emissor dos transistores TIP121 e BC548.
2) O transistor TIP121 (ganho HFE – 1000),é usado num cicuito
eletrônico como chave (modo saturado) para ligar e desligar
um motor cuja tensão e corrente são respectivamente 6V e
500mA.Determine:
a) O resistor de base;
b) A corrente de base.
3) Faça uma pesquisa sobre os circuitos integrados.
63
1.9 – TRANSISTOR UNIJUNÇÃO ( TUJ ) :
O transistor unijunção ( TUJ ) é formado por apenas dois blocos de
material semicondutor, um do tipo “P” e um do tipo “N”. O material “P”,
entretanto, é de dimensões bem reduzidas (em relação ao material “N”),
ficando com que incrustado ou embutido em determinado ponto da superfície
do material “N”. O termo unijunção é devido a única junção existente entre eles,
figura 34.
Figura 34 - Transistor Unijunção (TUJ).
Podemos comparar a estrutura interna do TUJ, a um diodo com o seu
terminal de catodo ligado á junção de dois resistores chamados de resistores
de bases, Rb1 e Rb2.
Isto quer dizer que podemos interpretar da seguinte maneira: o bloco
relativamente grande de material “N’ não passa de um bloco resistivo, e a
junção do material “N” com o material “P” age como se fosse um diodo, figura
35.
64
Figura 35 – Estrutura interna do TUJ.
Sendo o bloco “N”, um material semicondutor, a sua resistência é muito
alta, logo Rb1 e Rb2 são altos.
Se aplicarmos uma tensão positiva ao terminal B2 e negativa ao terminal
B1, uma pequena corrente percorrerá os resistores em série Rb1 e Rb2.
Para que o TUJ, funcione é necessário que apliquemos uma tensão
positiva acima de 0,6V (tensão mínima) no seu terminal emissor, o que fará
com que o diodo interno fique polarizado diretamente em relação a B1.
Essa tensão fará com que a resistência interna da base caía
drasticamente para um valor muito baixo, fazendo com que uma considerável
corrente passa a percorrer o componente no sentido B2-B1. Uma corrente
(chamada corrente de emissor) também, passa a percorrer o componente no
sentido E-B1, figura 36.
65
Figura 36 – Polarização do TUJ.
Não é difícil perceber, então, que o TUJ age como se fosse um
interruptor controlado, onde B2 e B1 são os terminais do interruptor, e o
emissor (E), o terminal de controle ou autorização. Devido a essa característica
de lidar com a corrente num regime de praticamente “tudo ou nada”, o TUJ não
se presta muito bem para trabalhar como amplificador. Mas pode ser utilizados
nos circuitos como oscilador.
EXERCÍCIOS PROPOSTOS:
1) Quais os parâmetros usados para o TUJ?
2) Faça uma pesquisa sobre os códigos e aspecto do TUJ.
66
1.10 – TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO ( FET ):
Embora o FET admita mais de um método de disposição física
interna dos materiais que o constituem, o FET do tipo mais comum,
chamado de FET de barreira, é constituído da seguinte forma: a um bloco
de material semicondutor “P” ou “N” são ligados através de contatos, dois
terminais metálicos chamados de dreno ( D ) e fonte ( S ). Acoplado a esse
bloco principal de material semicondutor existe no FET, uma incrustação de
material “N”, se o bloco principal for “P” ou “P” se o bloco principal for de
material “N”, ao qual está conectado um terceiro terminal externo chamado
porta ou comporta ( G ), através do qual podemos controlar o fluxo de
elétrons que passam pelo bloco principal, figura 37. Se o material incrustado
no bloco principal do semicondutor for do tipo “N”, temos o FET de canal
“N”; se for “P”, temos o FET de canal “P”.
67
Figura 37 – Transistor de efeito de campo (FET).
O transistor de efeito de campo é um dispositivo excitado por tensão.
Isso quer dizer que uma variação de tensão aplicada ao terminal de controle
68
( porta ) é que determina uma variação no sinal obtido saída; diferente do
transistor comum (bipolar) que é um dispositivo excitado por correntes, ou
seja, é uma variação de corrente no seu terminal de controle (base), que
determina uma variação no seu sinal de saída.
A função do terminal “G” (porta) é controlar a passagem dos elétrons
que saem do terminal “S” (fonte) e chega até o terminal ”D” (dreno). Por
essa razão o terminal “S” (fonte ) é polarizado negativamente, enquanto o
terminal “D” (dreno), é polarizado positivamente.
Se for aplicada uma tensão negativa ao terminal “G” (porta) do FET
de canal “N”, forma-se um campo elétrico, também chamado de área de
deplexão
de polaridade negativa. Dependendo da intensidade da
polarização aplicada ao terminal “G” (porta), esse campo pode penetrar
mais ou menos no bloco no bloco principal do FET, apertando ou
estreitando o canal por onde passam os elétrons. Quanto mais negativo
estiver o terminal “G” (porta), maior será o campo e mais estreito será o
canal (passam menos elétrons). Por outro lado, se aplicarmos polarização
positiva de certa intensidade ao “G”(porta), o campo elétrico diminui, o canal
interno se alarga , e passam mais elétrons. Figura 38.
69
Figura 38 – Polarização do FET.
Os pequenos transistores de efeito de campo podem ser usados
como amplificadores e osciladores enquanto que os maiores denominados
POWER FETs ou ainda POWER MOSFETs ou transistores de efeito de
campo de potência podem controlar correntes muito intensas (de até
dezenas de ámperes), sendo por isso, muito empregados em controles de
motores nos projetos de Mecatrônica.
O MOS-FET, vem da sua denominação em inglês “Metal Oxide
Semiconductor Field-Effect Transistor”ou traduzindo , transistor de efeito de
campo de óxido de metal semicondutor.
A base de montagem do semicondutor é um substrato, de material
“P” ou “N”, que conforme o nome sugere serve apenas de suporte físico
para a montagem dos demais elementos. Neste substrato ‘P” por exemplo,
70
são difundidos duas regiões de material semicondutor do tipo “N” que são
interligados por um pedaço de material condutor que forma o canal.
Sobre o canal é colocada uma placa de filme metálica e isolando-a
do material condutor do canal existe uma finíssima camada de óxido de
silício.
Os eletrodos ligados ao material “N” recebem o nome de fonte (S) e
dreno (D). No material condutor isolado pela capa de óxido de silício temos
um eletrodo que recebe o nome de porta ou comporta (G), figura 39. A
figura 40, mostra os símbolos dos MOSFETs.
Figura 3 – Estrutura do MOSFET.
71
Figura 40 – Símbolos dos MOSFETs.
EXERCÍCIOS PROPOSTOS:
1) Quais os parâmetros dos FETs e POWER-FETs ?
2) Faça uma pesquisa sobre os componentes eletrônicos SCR e
TRIAC, que são membros da família dos Tirestores.
ATIVIDADE 12: Eletroscópio eletrônico.
As figuras 41 e 42, mostram o esquema elétrico da montagem.
Material utilizado:
- R1 - resistor de 1,5KΩ x 1/4W ( marrom, verde, vermelho)
- R2 - resistor de 4,7KΩ x 1/4W (amarelo, violeta, vermelho).
- R3 - resistor de 10MΩ x 1/4W (marrom, preto, azul)
- R4 - resistor de 150Ω x 1/4W ( marrom, verde, marrom).
- C1 - capacitor de 0,47uF x 12V, qualquer tipo.
72
-Um transistor BC307 ( pode ser usado outro PNP de áudio, baixa
potência,
Por exemplo, o BC558 ou equivalente).
-Um FET F245C ou equivalente.
-Um LED vermelho.
-Um interruptor simples, tipo liga/desliga
-Quatro pilhas de 1,5V cada.
-Um pedaço de fio de cobre nº 10 ou 12, com cerca 10 a 15cm.., para
a antena do Eletroscópio.
-Uma caixa de preferência metálica. Se não for metálica, resvista-a
com papel alumínio, de maneira que o papel fique em contato direto com o
operador.
-Diversos: ponte de terminais, suporte para as pilhas, fios de ligação.
Figura 40 – Esquema elétrico da montagem do Eletroscópio
eletrônico
73
Figura 41 – Esquema elétrico da montagem do Eletroscópio
Eletrônico.
ATIVIDADE 13: Questões.
1) Explique o funcionamento do eletroscópio da atividade 12 ?
2) Descalço, e depois de sapato ou tênis aproxime a sua mão da
antena do eletroscópio. Em qual situação o LED acenderá
com maior brilho? Explique.
3) Aproxime da antena do eletroscópio um corpo carregado
positivamente, e depois um corpo carregado negativamente.
Em qual situação o LED acenderá com maior brilho? Explique.
74
4) Na questão 3, o brilho do LED será maior se a quantidade de
cargas
do
corpo
carregado
negativamente
aumentar?
Explique.
CAPÍTULO 2: PROJETOS MECATRÔNICOS.
2.1 – VEÍCULO ACIONADO PELA LUZ.
- Conteúdo Estruturante: Movimento.
- Conteúdo Específico: Composição de Movimentos.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.
Existem diversas situações práticas em que um móvel se encontra em
movimento em relação a um referencial, enquanto este, por sua vez,
movimenta-se em relação a um outro referencial. Como exemplo têm-se: um
homem caminhando dentro de um trem em movimento; ou o movimento de
uma pedra lançada obliquamente em relação à superfície da terra onde o
movimento da pedra pode ser decomposto em dois movimentos, um em
relação
a
horizontal
e
outro
em
relação
a
vertical.
A
composição desses movimentos obedece ao princípio da simultaneidade de
Galileu: O movimento de um corpo pode ser resultado da composição de
outros movimentos realizados simultaneamente.
Segundo esse princípio para um observador fora do trem (referencial
“A”) a velocidade do homem caminhando dentro do trem e no mesmo sentido
do movimento do trem, será a soma da velocidade do homem em movimento
dentro do trem (Vh) , com a velocidade do trem (Vt) em relação a estrada
(referencial”B”).
Embora as distâncias , velocidades e trajetórias em relação a cada
referencial variem, o tempo de duração do processo se mantém constante, de
acordo com a Mecânica de Newton que pressupõe a existência de um tempo
(tempo absoluto) que passa com igual rapidez em todos os sistemas de
referência, e que ele é independente do estado de movimento dos sistemas de
referência.
75
ATIVIDADE 1: Veículo acionado pela luz.
Material utilizado:
- Um caminhão de brinquedo, tipo baú ( 25cm x 12cm x 12cm).
- Dois carrinhos de 3cm x 1.5cm, cada.
- Uma pedaço de madeira de 50cm x 12cm.
- Quatro roldanas de 4cm de diâmetros cada.
- Duas roldanas de 5cm de diâmetros cada.
- Uma roldana de 1.5cm de diâmetro.
- Uma correia de borracha.
- T1- transistor TIP122.
- R1- resistor 4,7MΩ x 1/8W (amarelo, violeta, verde).
- Um LDR redondo comum.
- Um motor CC (corrente contínua), de 6V com engrenagens para
diminuir a sua velocidade.
- Um interruptor simples, tipo liga/desliga.
- Quatro pilhas de 1,5V cada.
- Um suporte para pilhas pequenas.
- Ponte de terminais.
- Diversos: barbante, suporte de trilhos para cortinas, canudo de plástico,
canaleta usada para a passagem de fios, solda , fios de ligação, cola e
parafusos com porca.
CONSTRUÇÃO:
- Corte duas canaletas de 40cm cada, e cole sobre a madeira (pista em
cima do caminhão).
- Fixe as roldanas de 4cm de diâmetro cada, através do suporte de
trilhos, e parafuse-as na pista. Centralize-as.
- Parafuse a pista em cima baú do caminhão.
- Fure a pista para que o barbante chegue até as roldanas.
- Coloque a roldana de 1,5cm de diâmetro no eixo traseiro do caminhão.
- Cole as roldanas de 5cm de diâmetro e fixe-as dentro do baú do
caminhão.
76
- Faça a adaptação do motor no eixo da roda dianteira.
As figuras 1,2,3 e 4 mostram os aspectos da montagem do caminhão.
Na figura 5, temos o circuito eletrônico.
Figura 1 – O caminhão pronto.
Figura 2- A pista em cima do caminhão.
77
Figura 3 – Adaptação das roldanas na roda traseira.
Figura 4 – Adaptação do motor na roda dianteira.
78
Figura 5 – Circuito eletrônico do veículo acionado pela luz.
FUNCIONAMENTO.
Quando ligamos o interruptor, a luz que incide no LDR, aciona o motor e
movimenta o caminhão. Em cima do caminhão, há uma pista e um sistema de
roldanas que movimentam os carrinhos dentro das canaletas, um no mesmo
sentido do caminhão, e o outro no sentido contrário do caminhão, conseguindo
assim o efeito da composição de movimento. Quando o carrinho que se
movimento no mesmo sentido do caminhão chega ao final da pista, ele
bloqueia a luz , a resistência do LDR aumenta, e o motor é desligado
automaticamente.
ATIVIDADE 2: Questões.
O carrinho movimenta-se na mesma direção do caminhão.
79
1) A distância percorrida pelo carrinho até atingir o final da
canaleta é a mesma do caminhão? Explique.
2) Com um cronômetro, determine o tempo gasto para o carrinho
atingir o final da canaleta.. Qual a velocidade média do
carrinho e do caminhão durante esse intervalo de tempo?
3) Para
um
observador
fora
do
conjunto
caminhão-pista
(referencial “A”), a velocidade média do carrinho é maior do
que a do caminhão? Explique.
4) Responda as questões 1,2,e 3, com o carrinho movimentandose no sentido contrário ao do caminhão.
80
2.2 – O PARAFUSO DE ARQUIMEDES.
- Conteúdo Estruturante: Movimento.
- Conteúdo Específico: Máquinas simples.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.
Parafuso de Arquimedes ou bomba de parafuso é uma máquina
utilizada para transferir líquidos entre dois pontos com elevações diferentes. A
sua invenção é atribuída a Arquimedes, apesar de existirem registros escritos
sobre os jardins suspensos da Babilónia que descrevem um aparelho idêntico
utilizado na Mesopotâmia cerca de 300 anos antes do seu nascimento,
Na antiguidade o parafuso de Arquimedes era utilizado em sistemas de
irrigação, pelos romanos, para retirar água de minas.
Ele pode também ser utilizado para bombeamento de lamas, e esgotos;
na remoção de terra durante as operações de escavações, e no transporte de
inúmeros materiais, principalmente grãos.
Existem algumas bombas de parafuso de 6m de altura funcionando na
Av. Atlântica, em Copacabana, no Rio de Janeiro, para bombear os esgotos da
Zona Sul dentro do interceptor até o emissário submarino de Ipanema.
O parafuso de Arquimedes , nada mais é que uma sucessão de planos
inclinados. O plano inclinado é uma máquina simples que facilita a realização
de um trabalho. Ele permite que se eleve um determinado objeto com menor
força , porém será necessário que o objeto percorra uma distância maior ao
longo do plano do que se ele fosse elevado, para a mesma altura
verticalmente, figura 6.
81
Figura 6 – Plano inclinado.
Ao girar o parafuso, a água sobe gradualmente pela espiral, sendo
transportada de um nível mais baixo para outro mais alto. Observe que a água
percorre uma distância maior dentro da mangueira, essa distância é
compensada com a diminuição na força utilizada para elevar a água do nível
mais baixo para outro mais alto.
ATIVIDADE 3: Automatizando o parafuso de Arquimedes.
Material utilizado:
- Madeira para o suporte do Parafuso de Arquimedes.
Um pedaço de madeira medindo 40cm x 4cm x 2cm, outro de 37cm x
13cm x 2cm, e dois de 15cm x 3cm x 2cm.
- Dois metros de mangueira de 0,5cm de diâmetro.
- Um pedaço de cano PVC de 60cm de comprimento e 40mm de
diâmetro.
- Uma luva de PVC de 40mm.
- Uma tampa de PVC de 40mm.
- Dois recipientes de plástico, um com dimensões 25cm x 17cm x 5cm,
e outro com dimensões 18cm x 12cm x 5cm.
- Um motor de corrente contínua de 6V, com sistema de engrenagens.
82
- Um relé de 6V x 100mA
- Um diodo 1N4148.
- R1, resistor de 4,7KΩ x 1/4W ( amarelo, violeta, vermelho).
- T1, transistor BC337.
- Quatro pilhas pequenas de 1,5V cada.
- Um suporte para 4 pilhas pequenas.
- Um conector DB25 Macho.
- Diversos: pontede terminais e fios de ligação.
CONSTRUÇÃO:
- Pregue a base de madeira com o suporte que irá sustentar o eixo
central do parafusode modo que formem um ângulo de 90°.
- Pregue na base os dois pedaços de madeira que servirão de suporte
para o recipiente de plástico menor. Cole o recipiente nesse suporte.
- Corte um pedaço de 10cm do cano de PVC. Faça um furo para
encaixar o eixo central do parafuso de Arquimedes. Este pedaço de cano,
deverá ser fixado no fundo do recipiente , no nível mais baixo.
- Pegue os 50cm restante do cano de PVC, coloque a tampa de PVC
com o parafuso de aproximadamente 6cm , no centro da tampa. Do outro lado
do cano, coloque a luva e faça a adaptação do sitema motor-engrenagens no
interior da luva. No experimento foi adaptado uma roda de carrinho de
brinquedo (com as dimensões internas da luva) no eixo ligado ao sistema
motor-engrenagens , e essa roda após ser introduzida na luva, ela foi
parafusada.
- Faça um furo na madeira, para apoiar o eixo ligado ao sistema motorengrenagens, de maneira que o parafuso de Arquimedes fique inclinado.
- Enrole 11 voltas da mangueira ao redor do cano de PVC, entre a luva e
a tampa.
Observação:
A distância entre as espiras (voltas) feitas com a mangueira devem ser
iguais.
O ângulo formado entre o eixo do parafuso e a horizontal (a) , deve ser
menor do que o ângulo formado entre um trecho reto da mangueira e o eixo do
parafuso (b), figura 7.
83
- Faça a adaptação do sistema motor-engrenagens no suporte de
madeira.
- Coloque o parafuso de Arquimedes entre o suporte de madeira e o
pedaço de cano fixado no recipiente mais baixo, centralize-o.
Figura 7 – Relação entre os ângulos.
As figuras 8, 9 e 10 mostram os detalhes da construção. Na figura 11,
temos o circuito eletrônico.
A cor correspondente ao pino 2 do cabo DB25 é o azul claro com lista
branca; e do pino 19 é o azul escuro com lista branca. Em caso de dúvida, faça
o teste de continuidade com o multímetro.
84
Figura 8 – O Parafuso de Arquimedes.
Figura 9 – Adaptação da luva de PVC.
85
Figura 10 – Ponto de apoio do Parafuso de Arquimedes.
Figura 11 – Circuito eletrônico do Parafuso de Arquimedes.
LINGUAGEM LOGO PARA O CONTROLE DO MOTOR
aprenda controle
criejanela “main “d1 [Mecatronica Fácil - Controle] 10 10 150 50
86
criebotão “d1 “b1 “Liga
criebotão “d1 “b2 “Desliga
10 10 40 20 [LIGA]
60 10 40 20 [DESLIGA]
fim
aprenda desliga
portasaídab 888 0
fim
aprenda liga
potasaídab 888 1
fim
Observação: O SuperLogo 3.0 está disponível no site da NIED ( Núcleo
de informática Aplicada à Educação ) da Universidade Estadual de Campinas.
FUNCIONAMENTO:
Ao acionar o motor através da porta paralela com 25 pinos, o parafuso
entra em movimento de rotação.
A ponta da mangueira ao penetrar na água, leva para o seu interior uma
quantidade de água. Essa água é empurrada na direção do nível mais alto
devido a pressão exercida pelo ar que penetra na mangueira assim que ela
emerge da água. O ciclo então se repete, e dessa forma a água é transportada
através da mangueira até o nível mais alto.
Observação:
A mangueira não deve estar totalmente imersa, pois necessita de ar
para que ocorra o seu funcionamento.
A velocidade do parafuso também deve ser controlada.Quanto mais
rápido menor a quantidade de ar que penetra na mangueira.
ATIVIDADE 4: Questões.
1) Escreva a expressão da potência média em função da densidade e
do volume de água.
87
2) Qual a potência média útil necessária para o motor elevar a água do
nível mais baixo para o nível mais alto no Parafuso de Arquimedes num
intervalo de um minuto?
Procedimentos:
- Com a mangueira cheia de água, coloque um béquer no nível mais
alto.
- Ligue o motor durante um intervalo de tempo de um minuto.
- Desligue o motor, e verifique o volume de água contido no béquer.
- Meça a altura entre os dois níveis.
- Faça as transformações das medidas das grandezas Físicas
encontradas para o sistema S.I.
- Com a expressão encontrada na questão número 1, determine a
potência.
3) Determine o trabalho útil realizado pelo motor nesse intervalo de
tempo.
4)
Determine a vazão da água, nesse intervalo de tempo em
centímetros cúbicos por segundo.
88
2.3 – ELEVADOR COM PARADA AUTOMÁTICA.
- Conteúdo Estruturante: Movimento.
- Conteúdo Específico: Segunda Lei de Newton.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.
A primeira descrição de um elevador foi feita por Vitrúvio, arquiteto
romano, que viveu no século I a.C. Consistia em uma cabina movida
verticalmente por tração humana, hidráulica ou animal, com o auxílio de um
contrapeso. A finalidade era transportar pessoas ou cargas.
O que acontece com um corpo sobre o piso de um elevador?
Para responder essa pergunta vamos recorrer ao princípio fundamental
da dinâmica, ou segunda lei de Newton. As três leis de Newton constituem a
base da mecânica, isto é, são os princípios sobre os quais se apóia o estudo
dos movimentos que ocorrem na natureza.
A segunda Lei de Newton estabelece uma relação entre a resultante das
forças que agem num corpo e a aceleração adquirida por esse corpo. Ela
mostra que a força é a responsável pela variação da velocidade de um corpo.
Ao aplicarmos a 2ª Lei de Newton para um corpo dentro de um elevador
em movimento verificaremos que a força exercida pelo corpo sobre o piso do
elevador terá o seu valor alterado dependendo do tipo de movimento
executado pelo elevador. Se esse corpo fosse colocado sobre uma balança
dentro do elevador, o seu peso medido pela balança poderia ser maior, menor,
não sofrer alteração ou até mesmo ser zero, enquanto a sua massa não
sofreria nenhuma alteração.
Atividade 5: Elevador com parada automática.
Material utilizado:
- 3,6 m de cano PVC 3/4
- 8 junções T de PVC 3/4
- 1,2m de canaleta utilizada para passagem de fios.
- Dois pedaços de madeira de dimensões 24cm x 18cm x 2cm, cada.
89
- 16 ganchos pequenos para prender o fio de nylon.
- Uma polia para ser adaptada no eixo motor-engrenagens.
- 2,5m de fio fino, para as ligações.
- Um relé de 6V x 100ma.
- Três reed-switches;
- U m interruptor simples, tipo liga/desliga;
- Um interruptor de pressão;
- Uma chave HH, duas posições;
- Um motor de corrente contínua com engrenagens;
- Um ímã pequeno;
- Quatro pilhas médias ou grandes (ou fonte de alimentação de 6V);
- Suporte para as pilhas;
- Diversos: Caixa para colocar o circuito eletrônico, papel Paraná para a
confecção da caixa do elevador, cola e tesoura.
CONSTRUÇÃO
- Serre o cano de PVC, a fim de obter quatro pedaços de 70cm
e
quatro de 18cm, encaixe os nas junções T e monte a estrutura do elevador:
- Parafuse os pedaços de madeira nessa estrutura:
- Com o papelão, construa a cabine do elevador com as dimensões
12cm x 12cm x 10cm;
- Coloque um gancho em cada vértice e um em cima da cabine, no seu
centro:
- Fixe quatro ganchos na madeira do piso e quatro na madeirado teto do
elevador;
- Passe o fio de nylon entre os ganchos da cabine do elevador e prendaos nos ganchos do piso e do teto (o fio de nylon deve ser bem esticado);
- Amarre um pedaço de barbante entre a polia e o gancho colocada em
cima da cabine;
- Fixe a caixa com o circuito eletrônico e o sistema motor-engrenagens
na parte de cima da estrutura do elevador;
- Fixe os reed-switches na canaleta
90
As figuras 12,13 e 14 mostram os detalhes da construção. Na figura 15,
temos o circuito eletrônico.
Figura 12 – O elevador pronto.
Figura 13 – A cabine do elevador.
91
Figura 14 – Reed-switch no último andar.
92
Figura 15 – Circuito eletrônico do elevador com parada automática.
FUNCIONAMENTO
Ligando-se o interruptor e colocando a chave na posição “sobe”,
pressiona-se por um instante o interruptor de pressão, o motor é acionado e o
elevador sobe. Ao passar pelo reed-switch correspondente a cada andar
(térreo primeiro e último andar), o ímã que está posicionado atrás da cabine do
elevador atrai as lâminas do reed-switch, magnetizando-as, aparece então uma
força de atração que une essas lâminas. Uma corrente elétrica atravessa o
reed-switch, acionando o relé que desliga o motor. Para reativar o sistema
basta apertar o interruptor de pressão.
93
Para o elevador descer, coloque a chave na posição “descer”, e
pressiona-se por um momento o interruptor de pressão.
ATIVIDADE 6: Questões.
Observação: Para realizar as experiências e responder as questões,
retire o ímã que está posicionado atrás da cabine do elevador.
1) A velocidade média da cabine do elevador é maior na subida
ou na descida? Explique.
2) O peso de um corpo colocado dentro da cabine do elevador
será maior, menor ou não sofrerá alterações durante a subida
do elevador? Justifique utilizando a 2ª Lei de Newton. E
durante a descida?
3) A força que o corpo exerce no piso da cabine da cabine do
elevador é igual a tração no cabo de sustentação durante a
subida? Explique. E durante a descida?
4) Qual será a aceleração do corpo se arrebentar o cabo de
sustentação da cabine do elevador no momento que ela
começar a descer?
5) Qual será a velocidade do corpo no instante que a cabine do
elevador atingir o andar térreo?
94
2.4 – O BRAÇO HIDRÁULICO.
Conteúdo Estuturante: Movimento
Conteúdo Específico: Princípio de Pascal.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.
O Princípio de Pascal pode ser enunciado da seguinte maneira: o
acréscimo de pressão numa região de um fluido em equilíbrio transmite-se
integralmente ás demais regiões do fluido.
Uma das maiores aplicações do Princípio de Pascal é a prensa
hidráulica, mas existem outras, tais como o freio hidráulico, cadeira de dentista,
elevador de automóvel, direção hidráulica de veículo e trem de aterrissagem de
avião.
A prensa hidráulica é um dispositivo multiplicador de força, ela é
composta de dois êmbolos cujas seções transversais têm áreas diferentes e se
movimentam
dentro de um vaso comunicante que contém um liquido
incompressível.Ao aplicarmos uma força no êmbolo menor, o acréscimo de
pressão produzido por essa força será transmitida integralmente através do
líquido e o êmbolo de área maior será empurrado para cima com maior força,
figura16. Há, portanto, uma troca de forças e deslocamento entre os êmbolos.
No êmbolo de área menor a força é pequena e o deslocamento é grande, já no
êmbolo de maior área a força é grande é o deslocamento é pequeno.
O funcionamento do braço hidráulico que vamos construir é baseado na
prensa hidráulica
95
Figura 16 – Prensa hidráulica.
ATIVIDADE 7: O braço hidráulico.
Material utilizado:
- Uma redução de PVC, 3/4 para ½;
- 1m de cano PVC 3/4 de polegada;
- 20cm de cano PVC ½ polegada;
- 1m de cano PVC de 32mm de diâmetro
- 50cm de cano PVC de 40mm de diâmetro;
- Um T de PVC 3/4;
- Uma curva de PVC ¾;
- Uma tampa de PVC 40mm;
- 2 joelhos de PVC 45º ;
- Duas serras de aço (usadas);
- 10 seringas de 20ml cada;
- 3m de mangueira de soro;
- 5 parafusos de 5cm x 3mm, com porcas;
96
- 2 parafusos de 4cm x 3mm, com porcas;
- 10 parafusos de 1,5cm x 3mm, com porcas, com porcas
- 2 parafusos de 1cm x 2mm, com porcas;
- 2 suportes para thilhos de cortina;
- Uma tábua de dimensões 25cm x 28cm x 2,5cm;
CONSTRUÇÃO:
- Faça um furo no centro da tábua, e coloque a redução de PVC 3/4 para
½.
- Fixe um pedaço de cano PVC de 32mm de diâmetro na tábua.
- Coloque uma seringa de 20ml dentro de pedaço de cano de PVC de ¾.
- Coloque o conjunto seringa-cano 3/4, dentro do cano de 32mm.
- Encaixe um pedaço de cano de PVC 3/4, com 20cm de comprimento
na redução ¾ para 1/2, figura 17.
Figura 17 – Movimento de rotação.
- Corte um pedaço de cano ( PVC de 32mm), com 42cm de
comprimento.
97
- Faça um furo a 19cm de uma de suas extremidades. Na outra
extremidade coloque dois pedaços de serra de 7cm de comprimento cada
(articulação do braço).
- Corte um pedaço de cano ( PVC ¾), com 35cm de comprimento, faça
um recorte a 19cm, e um furo a 30cm de uma de suas extremidades. Encaixe a
curva de PVC 3/4 , e nela um pedaço de cano (PVC ¾), com 9cm de
comprimento. Na outra extremidade coloque um seringa, e um pedaço de cano
(PVC 32mm) com 8cm de comprimento.
- Parafuse-os conforme mostra a figura 18.
Figura 18 – Articulação do braço.
- Corte um pedaço de cano (PVC 32mm) com 28cm de comprimento,
coloque em uma de suas extremidades uma seringa e na outra, fixe dois
pedaços de serra de 7cm cada (articulação do braço).
- Corte um pedaço de cano (PVC 40mm) com 22cm de comprimento,
coloque em um de suas extremidades dois pedaços de serra de 7cm cada
(articulação do punho) e. o suporte para trilhos de cortina, figura 19.
- Coloque o cano (PVC 32mm) dentro do cano (PVC 40mm), e parafuse
o êmbolo da seringa no suporte para trilhos de cortina.
98
- Encaixe as articulações conforme mostra a figura 20.
- Coloque no Te de ¾, uma seringa. Encaixe no TE, um pedaço de cano
(PVC ½) com 14cm de comprimento através de um pedaço de cano (PVC ¾)
conforme mostra a figura 21.
- Corte um pedaço de cano (PVC 40mm) com 11cm de comprimento,
coloque em uma de suas extremidades dois pedaços de serra (articulação do
punho), e na outra a tampa (PVC 40mm) com a seringa, e encaixe a garra,
figura 22. A figura 23 mostra o encaixe das articulações do punho.
- Coloque água nas seringas (não deixe bolhas de ar no sistema
seringa-mangueira).
- Faça a ligação das seringas com as mangueiras. A figura 24 mostra o
braço hidráulico pronto.
Figura 19 – Articulação do punho.
99
Figura 20 – Encaixe das articulações do braço.
Figura 21- Dispositivo responsável pela movimentação do punho.
100
Figura 22 – Encaixe da garra no punho.
Figura 23 – Encaixe das articulações do punho.
101
Figura 24 – Braço hidráulico pronto.
FUNCIONAMENTO
O braço hidráulico executa 5 movimentos: movimento de rotação,
deslocamento na vertical, alongamento do braço, movimento do punho, e o
movimento da garra. Os movimentos são produzidos por seringas contendo
água, unidas por meio de uma mangueira.
Quando apertamos ou puxamos o êmbolo da seringa, a força exercida
sobre o êmbolo transmite através do líquido (água) uma pressão, que empurra
o êmbolo da outra seringa com uma determinada força, movimentando o braço.
Como as áreas dos êmbolos das seringas são iguais não haverá multiplicação
de força, somente a transmissão de movimento.
ATIVIDADE 8: Questões.
1) Qual o tipo de alavanca que o braço hidráulico pode ser
classificado? Considere o braço esticado. Explique.
102
2) Um corpo de massa 50g é mantido em repouso pelo braço
hidráulico a uma determinada altura da mesa de apoio. Nessa
posição, o braço forma com a vertical um ângulo de 30º. Qual
o momento da força em relação a articulação do braço?
Considere o braço esticado, e a sua massa igual a 600g.
3) Quais as vantagens e desvantagens de usar o óleo usado
para cozinhar, ao invés de água nas seringas e mangueiras do
braço hidráulico?
4) Faça uma pesquisa sobre o óleo-hidráulico.
103
7. REFERÊNCIAS
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Mecatrônica
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