Fundamentos para Eletrônica e Sistemas de ... - MESONPI

Fundamentos para Eletrônica e Sistemas de Medidas

Prof.: Geraldo Cernicchiaro geraldo@cbpf.br

O curso pretende apresentar fundamentos físicos para se entender a eletrônica, e as bases de tecnologia moderna, a partir de elementos funcionais como amplificação, modulação, transmissão, demodulação e processamento de sinais elétricos, sem focar tecnicismos, nem sua implementação.

• • Eletricidade b Eletricidade b á á sica. sica.

• • Codifica Codifica ç ç ão, transmissão, processamento e decodifica ão, transmissão, processamento e decodifica ç ç ão de ão de informa

informa ç ç ão e sinais el ão e sinais el é é tricos. tricos.

• • Transdutores e sensores. Transdutores e sensores.

• • O mundo analó O mundo anal ógico e as v gico e as vá álvulas. lvulas.

• • Amplifica Amplifica ç ç ão, retifica ão, retifica ç ç ão, modula ão, modula ç ç ão e ão e demodula demodula ç ç ão ão . .

• • O mundo digital e no O mundo digital e no ç ç ões de ões de á á lgebra de lgebra de Boole Boole . .

• • Medidas elé Medidas el étricas e ru tricas e ruí ído. do.

• • Dispositivos de medida: ADCs Dispositivos de medida: ADCs, , DACs DACs , oscilosc , oscilosc ó ó pios, etc. pios, etc.

• • T T é é cnicas experimentais: cnicas experimentais: magnetometria magnetometria , resistividade, etc. , resistividade, etc.

• • Aquisi Aquisi ç ç ão de dados e interfaces. ão de dados e interfaces.

EMENTA

EMENTA

• • Aula 1 Aula 1

– – Introdu Introdu ç ç ão ão – – Conceitos Conceitos – – Eletricidade Eletricidade – – Sinal elé Sinal el étrico trico – – Codifica Codifica ç ç ão ão – – Decodificaç Decodifica ção ão – – Transdutores Transdutores – – Sensores Sensores

Sum Sum á á rio rio

Introdu

Introdu ç ç ão ão

Oesterd (1777 - 1851)

• Efeito de Oersted (1820)

• A corrente elétrica percorrendo um fio condutor é capaz de provocar a deflexão de uma agulha imantada

• Demonstração da relação entre eletricidade e magnetismo

• Base de funcionamento dos motores, solenóides, réles, etc.

• Principio dos Galvanômetros

Galvanômetro de bobina m

Galvanômetro de bobina móóvelvel

N S

André Marie Ampère (1787-1854)

• Instrumento analógico (valores continuos)

• O angulo de deflexão do ponteiro é proporcional à intensidade da corrente

• A corrente provoca deslocamento na bobina

• Acoplado à bobina - um ponteiro sustentado por um sistema mecânico que permite torção

• A escala é calibrada em unidades de corrente (Ampère)

Introdu

Introdu ç ç ão ão

Faraday (1791 -1867)

• Lei de Faraday-Lenz (1831)

• A força eletromotriz εεεε induzida num circuito elétrico é proporcional a variação do fluxo magnético ∆Φ∆Φ∆Φ∆Φ

• Base do funcionamento dos alternadores, dínamos e transformadores.

• Principio da Magnetometria εεεε = - ∆Φ∆Φ∆Φ∆Φ

∆∆

∆∆t

Magnetic Property Measurement System - MPMS SQUID

• Arqueometria

• Biomagnetismo

• Nanomagnetometria

Magnetômetro - amostra vibrante

SQUID

Medidas de transporte elétrico

Physical Property Magnetic System - PPMS

Lei de Ohm Lei de Ohm

R = ρ ρ ρ ρ L

V (Volt)

I (Ampère) R (ohm) = V I

Georg Ohm (1787-1854)

V I R

+

V = R . I

A

• 1° Lei de Ohm (1827)

• Nos materiais ôhmicos, a razão entre a diferença de potencial e a corrente elétrica é constante

• 2° Lei de Ohm

L - comprimento ρ

ρ ρ

ρ - resistividade A - área da seção transversal

A

Transporte el

Transporte el é é trico no metal trico no metal

De maneira simplificada: no metal, os elétrons de valência, fracamente ligados aos átomos, passam a se movimentar através do metal, como um gás de elétrons livres, enquanto que os íons positivos mantêm-se relativamente fixos, formando uma rede cristalina.

A aceleração do campo elétrico sobre os portadores resulta numa:

v velocidade média de arraste finita e constante no tempo,

ττττ função do tempo de relaxação ou tempo livre médio entre colisões

partícula carga q massa

m εεεε

campo elétrico

v =

q εεεε

ττττ

m

Modelo de

Modelo de Drude Drude

• O modelo (1900) relaciona uma grandeza macroscópica que pode ser medida experimentalmente , com as

quantidades microscópicas

m

,

q

e

τ

P. Drude (1863-1906).

• Sendo n densidade volumétrica de portadores a densidade de corrente J pode ser expressa como

J = n q v = n q

²

τ ε

m

1/ ρ

• Um modelo clássico limitado que falha na tentativa de interpretar outras propriedades observadas nos metais

• A teoria cinética dos gases aplicado ao transporte elétrico no metal foi o primeiro modelo microscópico a ter sucesso

Codificar Codificar

• Samuel F. B. Morse ( 1832 )

• Telégrafo eletromagnético

• Transferir informação de um sistema para outro

• Ampère

C B P F t (s)

Amplitude (V ou A)

• Codificação Digital

Onda Quadrada ou pulso

V

5,0

2,5

0

Duty cycle (%)

inclinação ou taxa de variação ou slew rate (V/ms)

Vmax

Vmin V offset

fase

TTL - Transistor Transistor Logic

t(ms)

Formas de Onda

Onda Quadrada ou Pulsada Onda Triangular

Onda Dente de Serra Onda Senoidal

Amplitude

Período

O n d a s e n o id a l a lte rn a d a

Amplitude pico a pico Vpp

Amplitude de pico Vp

Período = T

frequência= 1/T

Amplitude RMS

Conceito Conceito

Sinal el

Sinal elé étrico trico - -

Uma quantidade elétrica detectável tal como tensão, carga ou corrente, ou sua variação, no qual uma informação pode ser codificada.

Sinal Anal

Sinal Analó ógico gico - -

Uma grandeza que pode assumir valores contínuos.

Sinal Digital

Sinal Digital - -

Representação por meio de uma seqüência de números ou sinais discretos (p.e. bits e bytes)

Conversores -

Dispositivos que permitem codificar sinais analógicos em digitais e vice-versa (Digital to Analog Converter - DAC e Analog to Digital Converter -ADC)

Transdutores

Transdutores

^-- Dispositivo capaz de transformar um tipo de sinal em outro tipo, com o objetivo de transformar uma forma de energia em outra, possibilitar o controle de um processo ou fenômeno, realizar uma medição, etc.

• • Sensores Sensores

-- fornecem informações de entradas em nosso sistema a partir do mundo externo

Atuadores

Atuadores -

que executam ações de saída para o mundo externo

• Dispositivo que converte informação de sistemas não elétricos para sistemas elétricos, ou vice-versa

Conceito

Conceito

Dom Dom í í nios nios de Dados de Dados

• Paralelo

• Serial Digital

• Contagem

• Fase

• Largura de pulso Tempo

• Freqüência

• Carga

• Voltagem

Domínios elétricos Analógico

• Corrente

• Número

• Posição em escala Domínios não-elétricos

• Domínio Físico e Químico

Transdutores

• Transdutores de temperatura

- termistores, termopares, semicondutores.

• Transdutores de posição

• Transdutores de velocidade

• Transdutores de aceleração

• Transdutores de força e pressão

• Transdutores de pressão de fluidos

• Transdutores de luz

- fotoresistências, células fotovoltaicas, fotodiodos, CCDs, etc

• Transdutores Resistivos

• Transdutores Capacitivos

• Transdutores Indutivos