V R EEL211 LABORATÓRIO DE CIRCUITOS ELÉTRICOS I LABORATÓRIO N O 1: MULTÍMETRO - DMM

LABORATÓRIO NO1: MULTÍMETRO -DMM

O multímetro e o osciloscópio são os dois principais instrumentos utilizados para análise de equipamentos elétricos e eletrônicos.

O osciloscópio é o instrumento mais podero-so uma vez que além de medir as grandezas elétricas, permite “visualizar” estas grandezas com muito mais detalhes.

O multímetro, como o próprio nome diz, me-de diversos tipos me-de granme-dezas elétricas: três grandezas fundamentais, tensão, corrente e resistência, e outras, como freqüência, capaci-tância, tensão de pico, temperatura, depen-dendo da sofisticação do aparelho.

A grande vantagem do multímetro é a sua praticidade por ser leve, portátil (handheld) e barato.

EXPERIÊNCIA1-VOLTÍMETRO

Tensão – Volt V

A energia elétrica é gerada, transmitida e utilizada sob duas formas: corrente contínua e corrente alternada, ou, DC (Direct Current) e AC (Alternating Current).

A energia elétrica é distribuída, em sua grande maioria, em corrente alternada senoi-dal. No Brasil com tensão padrão de 127/220 V e frequência de 60 Hz.

Por outro lado, quase que a totalidade dos equipamentos eletrônicos opera em corrente contínua. Um aparelho de som ligado numa tomada de força residencial, por exemplo, re-cebe energia da rede elétrica sob forma de cor-rente alternada (127 V / 60 Hz). A tensão é a-baixada para 12 V através de um transforma-dor. A corrente alternada (ac) é convertida para corrente contínua (dc) através de um retifica-dor, constituído de diodos retificadores e capa-citores. Finalmente a corrente contínua é utili-zada para alimentar os circuitos eletrônicos transistorizados.

No sistema de corrente contínua a tensão é constante ao longo do tempo. Uma tensão con-tínua perfeita é caracterizada por não apresen-tar ondulações (tensão alternada nula).

Tensão alternada significa que a tensão va-ria periodicamente ao longo do tempo alter-nando a polaridade. Ela é caracterizada pela forma de onda, amplitude e freqüência.

No sistema de corrente alternada é necessá-rio definir outro valor, denominado “Valor Efi-caz” ou RMS, para podermos utilizar a fórmula do cálculo da potência.

A clássica fórmula de potência permite obter o valor médio (Ave - Average) da potência dis-sipada na resistência. 2 2 RMS (Ave) RMS

V

P

=

=R.I

R

A potência instantânea dissipada em uma resistência é 2 2 v (t) p(t)= =R.i (t) R

A potência média dissipada é

T T ₂ 0 0 T 2 0 1 1 P(Ave)= p(t).dt= R.i (t).dt T T 1 =R. i (t).dt T

∫

∫

∫

Igualando as duas equações de potência média obtemos a equação abaixo, origem do termo RMS (Root Mean Square)

T 2 (RMS) ₀ T 2 (RMS) ₀

1

I

=

i (t).dt

T

1

V

=

v (t).dt

T

∫

∫

Exemplo: Uma lâmpada incandescente de 40W/127V ligada em uma tomada de

127V/60Hz. Esta lâmpada apresenta uma re-sistência de aproximadamente 403 Ω e sobre ela irá circular uma corrente de 0,315 ARMS.

Esta tensão de 127 VRMS (eficaz) é, na ver-dade, uma onda senoidal de tensão de 60 Hz e de aproximadamente180 V de pico como mos-tra a Figura 1.

Pico RMS Pico RMS 0,445A =0,31 180V =1 5A 27V Pico Ave 80W =40W

Figura 1- Tensão, corrente e potência em uma lâmpa-da incandescente de 40W/127V. p p RMS v(t)=V .sen(ω.t) V = 2.V =179,6 V ω=2.π.f f=60 Hz 1 T= T=16,666 ms f 2 2 p 2 p v (t) p(t) = R [V .sen(ωt)] = R V = [1 - cos(2.ω.t)] 2.R

Esta equação informa que a potência é pul-sante cuja freqüência é o dobro da freqüência da tensão (e da corrente) e que existe uma componente contínua (um valor médio – Ave). A potência efetivamente consumida (e dissipa-da em forma de luz e calor) pela lâmpadissipa-da é dada por este valor médio.

2 p 2 V Potência Média = ( ) 2.R 179,6 = =40 W 2x403,225 a

O valor eficaz (ou RMS) é o valor que deve ser utilizado para calcular a potência média dissipada numa resistência.

2 RMS 2 V Potência Média = ( ) R 127 = 40 W 403,225 b =

Comparando estas duas equações, temos: 2 2 p p RMS RMS V V V = V = R 2R → 2

Para uma onda senoidal a relação entre o valor pico e o valor eficaz é 2.

Na eletrônica freqüentemente observaremos sinais alternados (ac) sobrepostos a sinais con-tínuos (dc). A Figura abaixo mostra um circui-to equivalente para esta forma de onda.

Vac Vdc

Figura 2 – AC+DC

Como a maioria dos multímetros na escala AC utiliza acoplamento AC, ou seja, mede o va-lor eficaz somente da componente alternada, devemos fazer o seguinte cálculo para obter o valor eficaz desta onda.

2 2

RMS dc ac

V

=

V

+ V

Exemplo: Uma tensão senoidal de 4 V de

pi-co ou 8 V pipi-co a pipi-co sobreposta a uma tensão contínua de 2 V como mostra a Figura 3.

V(t) = Vdc + Vp.sen(ωt)

Vp=4V

Vdc=2V

Vdc=2V

Vac=Vp.sen(ωt)

O valor eficaz da onda senoidal (somente da onda senoidal), que é o valor indicado pela maioria dos multímetros na escala AC – AC coupled, é P rms(ac) V 4 V = = =2,8284 V 2 2

O valor médio desta onda, indicado pelo multímetro na escala DC, é 2 V

Portanto o valor eficaz total ou real (ac+dc) é

2 2

RMS

V = 2 +2,8284 =3,464 V 1.1 - Tensão contínua ( DCV = )

Utilizando o multímetro como voltímetro e na escala DCV 20 ou DC-AUTO, medir a ten-são da fonte de alimentação contínua de 15V. Se a fonte for ajustável, verifique a fai-xa de ajuste (em módulo) e em seguida a-juste em 15V.

Atenção: O voltímetro deve ser conectado em

paralelo ao elemento a ser medido. Para que o voltímetro não altere o comportamento do cir-cuito, o mesmo deve apresentar resistência mais alta possível (maior que 10MΩ nos multí-metros digitais).

Atenção: Utilze a menor escala possível para

obter maior precisão na medição, ou seja, utilize o medidor no “fundo de escala”.

Figura 4 – Fonte de Tensão Contínua (DC)

POSITIVO NEGATIVO

mínimo máximo mínimo máximo

VDC

Mudar a escala para ACV 200m e medir a tensão alternada nas duas fontes.

Uma fonte de tensão contínua ideal não deve apresentar oscilações (ondulações), ou seja, não deve apresentar tensão alternada.

nominal Medido

DCV ACV DCV = ACV ~

+15 0

-15 0

1.2 - Tensão alternada ( ACV ~ )

Mudar a escala para ACV 200 e medir a tensão na tomada de 127V.

ATENÇÃO: Todo cuidado é pouco. Aguarde orientação do instrutor.

Esta tomada não deve apresentar tensão contínua.

Mudar a escala para DCV 20 e verificar que a rede AC não apresenta componente contínua.

Atenção: Verifique no manual de operação do

instrumento se a mudança de escala/função pode ser realizada com o instrumento energi-zado. nominal Medido DCV ACV DCV = ACV ~ 0 127 Freq. 60Hz Freq. EXPERIÊNCIA 2-RESISTÊNCIA

Ao comprar um resistor devemos especificar obrigatoriamente:

resistência potência.

O valor da resistência, dos resistores utiliza-dos em eletrônica, segue uma tabela da IEC63 (24 valores de dois dígitos padronizados e seus múltiplos decimais). Estes valores são repre-sentados por código de cores.

1a Faixa : 1o Dígito - A 2a Faixa : 2o Dígito - B 3a Faixa : Multiplicador-M 4a Faixa : Tolerância - T AB . 10M ±±±± T% ΩΩΩΩ Figura 5 – Resistor. Código de Cores A B M T Preto 0 0 Marrom 1 1 1% Vermelho 2 2 2% Laranja 3 3 Amarelo 4 4 Verde 5 5 Azul 6 6 Violeta 7 7 Cinza 8 8 Branco 9 9 dourado - -1 5% prata - -2 10% IEC63 E24 10 11 12 13 15 16 18 20 22 24 27 30 33 36 39 43 47 51 56 62 68 75 82 91 ↑ ↑ ↑ ↑ ↑↑ ↑↑ E12 E12 E6 E24 (5%) E12 (10%) E6 (20%) A potência também é padronizada. Para cir-cuitos eletrônicos temos 1/3, 1/2, 1W. Utilizar o resistor acima da potência especificada provo-cará a queima do mesmo, inclusive com princí-pio de incêndio. A potência que pode ser dissi-pada depende das condições de montagem e da temperatura ambiente.

Outros parâmetros como precisão (ou tole-rância no valor da resistência em %), estabili-dade térmica (ppm/oC), estabilidade e

confiabi-lidade, material (carvão, metal film) e desem-penho em alta freqüência (devido à indutância e capacitância parasitas), deverão ser especifi-cados conforme a aplicação.

Selecione 2 resistores de cada valor com as cores abaixo:

R1) marrom, preto, vermelho, dourado R2) vermelho, preto, vermelho, dourado R3) laranja, preto, vermelho, dourado

Preencha a tabela abaixo. Indique o valor nominal e a tolerância da resistência atra-vés do código de cores.

Medir a resistência através do multímetro conforme procedimento indicado no Manual de Operação. Utilize a menor escala possí-vel.

ATENÇÂO: Nunca toque nos terminais metá-licos da ponta de prova.

VALOR NOMINAL MEDIDO

R1a R1b R2a R2b R3a R3b 2.2 - Associação em Série Eq-serie 1 2 3

R

= R +R +R

Para comprovar o cálculo da resistência equivalente de dois ou mais resistores em série monte o circuito abaixo utilizando o

proto-board. Observe na figura 8 como utilizar o pro-to-board.

O Proto-Board é uma base de montagem de protótipos de circuitos eletrônicos onde os componentes eletrônicos são apenas encaixa-dos. Desta forma estes componentes eletrôni-cos podem ser reutilizados muitas vezes.

Atenção: Procure posicionar os compo-nentes

eletrônicos o mais parecido com o diagrama esquemático e utilizando o menor número de fios possível.

R1

R2

COM V/Ω

3.00

Figura 6 - Associação SÉRIE

Série teórico medido

R1 + R2 R1 + R3 R1+R2+R3 2.3 - Associação em Paralelo Eq-paralelo 1 2 3

1

1

1

1

R

=

R

+

R

+

R

Coloque os resistores em paralelo e preen-cha a tabela.

R2 R3

COM V/Ω

1.20

Figura 7 - Associação PARALELO

Paralelo teórico medido

R2 // R3 R1 // R2 R1//R2//R3

ATENÇÃO: Nunca, Jamais, em hipótese alguma, medir resistência em circuito energizado. Mesmo desligado da tomada,

verifique se existe capacitor carregado.

R2 R3 R1 R2 Figura 8- PROTO-BOARD EXPERIÊNCIA3-CORRENTE A

A medição de corrente é uma tarefa trablhosa e perigosa uma vez que é necessário a-brir o circuito para inserir o amperímetro, com o circuito desligado obviamente. Até mesmo uma mudança na escala amperimétrica requer um procedimento que deve ser obedecido rigoro-samente.

Atenção: O amperímetro deve ser conectado

sempre em série no circuito. Para que o ampe-rímetro não altere o comportamento do circuito, o mesmo deve apresentar resistência mais bai-xa possível.

Usando o multímetro como amperímetro na escala DCA 20m, meça o valor da corrente no circuito abaixo.

1kΩ

corrente mA

R TEÓRICO MEDIDO

1kΩ 2kΩ

ATENÇÂO: Volte a ponta de prova e o

sele-tor de funções do multímetro para TENSÃO. Graves acidentes são provocados ao medir tensão com o multímetro imprudentemente es-quecido na função amperimétrica.

Atenção: Medição de corrente é uma tarefa

trabalhosa e perigosa. Sempre que possível e-vite a utilização do amperímetro.

EXPERIÊNCIA 4–CAPACITÂNCIA

Ao comprar um capacitor devemos especifi-car obrigatoriamente:

 Capacitância  Tensão  Dielétrico

A capacitância é especificada preferencial-mente em pF (pico Farad) ou em µF (micro Fa-rad). Mais recentemente os fabricantes aban-donaram estas duas unidades decimais para capacitores de poliéster e adotaram apenas a unidade nF (nano Farad).

pico p 10-12 nano n 10-9 micro µ 10-6

A tensão especificada é a máxima tensão que este capacitor suporta sem o perigo do rompimento do dielétrico. NUNCA aplicar ten-são maior que o especificado.

O dielétrico define a faixa de capacitância, tensão, freqüência de operação, o tipo de apli-cação e o “fator de perda”. Por exemplo, os capacitores eletrolíticos para capacitâncias al-tas, acima de 1µF; polipropileno para operação pulsada; poliestireno, de baixa corrente de fu-ga, para aplicações em temporizadores.

Estes valores não são indicados explicita-mente. A identificação correta do valor vai exigir um pouco de bom senso do usuário.

Um capacitor de poliéster metalizado com as inscrições 22K250~ significa capacitância de 22nF com tolerância de ±10% (código K) e tensão de 250V em corrente alternada (~). Observe que a letra K não significa prefixo de-cimal 103 e sim tolerância de 10% na capaci-tancia.

Um outro tipo de notação que está se tor-nando muito popular é o sistema de três dígi-tos. Os dois primeiros dígitos seguem a tabela da IEC63-E24. O terceiro dígito indica o núme-ro de zenúme-ros e neste caso a capacitância é sem-pre especificada em pF. Por exemplo:

222J250~=2200[pF] ou 2n2 ±5% 223K250~=22000[pF] ou 22[nF]±10% 224K250~=220000[pF]=220[nF] ±10% 104J250~=100000[pF]=100[nF] ±5%

O capacitor eletrolítico é polarizado. Isto sig-nifica que a polaridade da tensão aplicada no capacitor jamais poderá ser invertida, sob pena de danificá-lo irremediavelmente, inclusive pro-vocando a explosão do mesmo.

Para utilizar o capacitor eletrolítico em cor-rente alternada, a tensão alternada deverá es-tar sobreposta a uma tensão contínua que ga-ranta que a tensão no capacitor jamais inverta de polaridade. Os capacitores eletrolíticos (a-lumínio e tântalo) continuam sendo especifica-dos em µF. Eq 1 2 n Eq 1 2 n

1

1

1

1

=

+

+...+

serie

C

C

C

C

C = C +C +...+C

paralelo

capacitância teórico medido

C1 100nF

C2 33nF

C1+C2 (serie) C1 // C2