LabEAD: Laboratório Interativo para o Ensino de Eletrônica durante a COVID-19 / LabEAD: Interactive Laboratory for Teaching Electronics during COVID-19

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 9, p.72600-72620,sep. 2020. ISSN 2525-8761

LabEAD: Laboratório Interativo para o Ensino de Eletrônica durante a

COVID-19

LabEAD: Interactive Laboratory for Teaching Electronics during COVID-19

DOI:10.34117/bjdv6n9-637

Recebimento dos originais: 08/08/2020 Aceitação para publicação: 28/09/2020

Victor Takashi Hayashi

Bacharelado em Engenharia Elétrica com ênfase em Computação pela Escola Politécnica da USP Instituição de atuação atual: Escola Politécnica da USP

Endereço completo (pode ser institucional ou pessoal, como preferir): Av. Professor Luciano Gualberto, travessa 3, 158 Prédio da Engenharia Elétrica (Térreo, Bloco B)

05508-010 – Cidade Universitária – São Paulo-SP – Brasil E-mail: [email protected]

Fabio Hirotsugu Hayashi

Técnico em Eletrônica pela ETI Lauro Gomes Instituição de atuação atual: Universidade Federal do ABC

Endereço completo (pode ser institucional ou pessoal, como preferir): Avenida dos Estados, 5001 - Bairro Santa Terezinha- Santo André - SP CEP 09210-580

E-mail: [email protected]

Reginaldo Arakaki

Doutor em Engenharia Elétrica pela Escola Politécnica da USP Instituição de atuação atual: Escola Politécnica da USP

Endereço completo (pode ser institucional ou pessoal, como preferir): Av. Professor Luciano Gualberto, travessa 3, 158 Prédio da Engenharia Elétrica (Térreo, Bloco B)

05508-010 – Cidade Universitária – São Paulo-SP – Brasil E-mail: [email protected]

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RESUMO

Este artigo descreve um laboratório remoto interativo que permite atividades laboratoriais de Eletrônica durante o distanciamento social decorrente da COVID-19. A proposta é construída a partir das perspectivas de técnicos, estudantes e professores sobre alternativas de simuladores e fornecimento de dados tabelados com um questionário (n=28) com foco em aprendizado e acessibilidade dos alunos, e custos à instituição. A solução de laboratório remoto obteve maior interesse, porém com a preocupação de conexão de Internet estável para alunos. Esta contribuição estende o trabalho anterior ao descrever em detalhe a placa interativa de baixo custo construída com Arduino e uma aula demonstrativa exemplificando seu uso.

Palavras-chave: Laboratório Remoto, Experimentação Remota, Arduino, Eletrônica Analógica ABSTRACT

This paper describes an interactive remote lab which allow analog electronic lab activities during COVID-19 social distancing. The proposal is built upon comparison with tabulated data and simulator alternatives in technical staff, teachers and students’ perspectives with a questionnaire (n=28) focused on learning, student accessibility and institutional cost aspects. Remote lab solution gathered more interest, but with teacher concern with stable Internet connection for students. This contribution extends previous work by describing in detail interactive low-cost remote lab board built with Arduino and a demonstration class exemplifying its use.

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1 INTRODUÇÃO

Segundo Junior et al. (2012) e Guimarães et al. (2013), a realização de experimentos práticos é um aspecto importante na aprendizagem de ciências pelos alunos, sendo uma atividade indispensável para o ensino de engenharia, conforme Pereira et al (2018). As principais alternativas aos laboratórios presenciais são simulações virtuais e laboratórios de acesso remoto.

No caso das simulações virtuais, o aluno pode executar programas construídos nas mais diversas linguagens em seu computador (e.g. Labview, Simulink), e apesar de apoiar o ensino à distância e entendimento de conceitos básicos, é um substituto incompleto dos trabalhos em laboratórios presenciais, uma vez que os modelos construídos são uma aproximação da realidade [Junior et al 2012].

Conforme Guimarães et al. (2013), os laboratórios de acesso remoto permitem que os alunos controlem equipamentos de um laboratório real, de forma que os experimentos ocorrem em local diferente de onde são manipulados. Neste caso, o aluno deve ter acesso à Internet, e a abordagem permite que recursos possam ser compartilhados entre diversas instituições de ensino e pesquisa. Outras vantagens são o custo reduzido da execução dos experimentos por aluno e a maior disponibilidade do laboratório, que não fica limitado aos horários fixos de laboratório presencial [Junior et al 2012; Pereira et al 2018].

O ambiente de laboratório de acesso remoto WebLab foi proposto inicialmente para a realização de experimentos em tempo real como apoio ao ensino público da disciplina de Física no Brasil, e estudou a arquitetura de um laboratório remoto com Redes de Petri Coloridas, especificamente na questão de gerenciamento otimizado de uso dos recursos [Junior et al 2012].

O laboratório remoto VISIR (Virtual Systems in Reality) do Instituto de Tecnologia de Blekinge busca apoiar o ensino de circuitos elétricos e eletrônicos, e vêm sendo expandido em universidades de diversos países (e.g. Portugal, Espanha, Áustria, India, Argentina). No Brasil, o projeto VISIR+ suporta a instalação, configuração e uso de instâncias do VISIR, conforme Pereira et al. (2018). Resultados empíricos de dois anos sobre efeitos na aprendizagem relacionada à eletrônica analógica usando o VISIR estão presentes no trabalho de Garcia-Zubia et al. (2016). Dentre as diversas funcionalidades suportadas, o serviço de osciloscópio remoto está descrito por Gustavsson et al. (2008); o osciloscópio desenvolvido pelo projeto LabEAD busca ser uma alternativa de baixo custo e de código aberto, que pode ser integrado a plataformas maiores em trabalhos futuros. Outro resultado do uso do VISIR na literatura mostrou melhores resultados em disciplinas básicas do que em disciplinas mais avançadas [Viegas et al 2018].

A proposta de Gontean et al. (2009) para execução remota de experimentos com hardware combinou componentes de câmera web, hardware específico e LabView, e tornou possível a

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execução de experimentos pelos alunos a partir de navegador web. O LabEAD emprega as câmeras de forma similar, para o monitoramento de LEDs e placas durante a realização dos experimentos de eletrônica.

O RMCLab de Universidade de Patras na Grécia, descrito por Karadimas e Efstathiou (2007) tem como objetivo apoiar experimentos reais à distância para a Engenharia Elétrica; e utiliza dispositivos FPGA para garantir maior versatilidade no uso de recursos de hardware. Circuitos analógicos reconfiguráveis foram desenvolvidos no projeto LabEAD para reconfiguração de um experimento com amplificador operacional.

O modelo de avaliação para laboratórios remotos de Tokdemir e Bilgen (2008) disserta sobre a importância de integração com ferramentas de gestão de cursos, e avaliação baseada em aspectos ambientais e organizacionais. A comparação de Mougharbel et al. (2006) entre modelos de laboratório remoto considerou suporte a autenticação, gerenciamento de horário, vídeos, dados, colaboração, concorrência e administração do sistema. Balamuralithara e Woods (2009) discutiram aspectos pedagógicos, econômicos, grau de realidade, acessibilidade, e apoio do corpo discente e docente para o sucesso da abordagem.

Um relato de uso de uma solução de laboratório remoto (RexLab) da UFSC para ensino de Física de alunos do 9º ano de uma Escola Municipal. Experimentos remotos em dispositivo móvel fomentou o processo de aprendizagem investigativa dos conceitos, de forma a tornar a disciplina atrativa aos alunos. Porém, a acessibilidade de Internet de boa qualidade limitou os resultados do experimento [Roque et al 2019].

O uso da experimentação como ferramenta pedagógica de ensino foi investigado por Amaral & Lopes (2019). Um protótipo de aplicativo móvel com suporte ao ensino de programação com integração com um robô móvel para a interação em tempo real foi desenvolvido, e seus resultados de usabilidade tornaram o aplicativo uma alternativa interessante para apoio a iniciantes em programação.

Pelo exposto, fica fundamentada a oportunidade de pesquisa em laboratório à distância para apoiar disciplinas de Graduação de Engenharia no Brasil. Neste artigo é explorada uma discussão sobre soluções para apoio à disciplina prática de eletrônica em instituição de ensino superior no contexto de manutenção das medidas de distanciamento social decorrentes da pandemia do COVID-19. Este trabalho estende o anterior ao descrever em detalhe a bancada eletrônica de baixo custo, e um exemplo de seu uso em demonstração interativa [Hayashi 2020].

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2 MATERIAIS E MÉTODOS

As ferramentas de software utilizadas para construção do projeto LabEAD foram Fritzing, Arduino, Python, HTML/CSS e javascript. Interfaces humano-computador personalizadas, infraestrutura de comunicação em arquitetura cliente-servidor e protocolo serial foram desenvolvidos para suporte aos experimentos de eletrônica.

Quanto ao hardware, além de Arduino Uno ou Arduino Mega, componentes eletrônicos discretos foram utilizados, conforme Tabela 1.

Tabela 1. Hardware utilizado (visão geral). Retirado de [Hayashi 2020].

Item Item

Arduino Uno ou Arduino Mega Cabo USB

Amplificadores Operacionais LM324 Transistor BC548

Diodo 1N4148 Capacitor poliéster 47 nF

Capacitor eletrolítico 10uF 25V Resistores de carbono ¼ W

Barra de pinos Módulo de relés

Fonte de 9V Protoboard

Fios para protoboard Placa padrão de circuito integrado

A Figura 1 ilustra uma visão geral da bancada de eletrônica analógica construída, compatível com Arduino Uno e Arduino Mega. Dentre suas principais funcionalidades, destacam-se a geração de sinais de nos formatos destacam-senoidal, triangular e quadrado, quatro saídas reguladas de tensão, quatro voltímetros, quatro pinos de entrada/saída digitais, duas relés e um servo motor em sua configuração básica. Os pinos de entrada/saída digitais podem comandar chaves analógicas e relés que tornam os circuitos em teste interativos. Ou seja, como não há aluno ou técnico no laboratório para realizar a troca de equipamentos, a troca das montagens é realizada através destas chaves analógicas e relés controlados pelo Arduino, que recebe comandos a partir do computador do laboratório, que é acessado de maneira remota pelo aluno ou professor. Maiores detalhes sobre materiais, procedimento de instalação e projeto das placas shield desenvolvidas estão presentes no GitHub: https://github.com/vthayashi/OKIoT/tree/master/labead/labeaduno

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 9, p.72600-72620,sep. 2020. ISSN 2525-8761 Figura 1. Visão geral da bancada remota de baixo custo com Arduino.

Retirado de [Hayashi 2020].

Na Figura 2, é possível observar em maior detalhe as placas responsáveis pelas funcionalidades descritas. O shield Trifásico permite a geração de sinais senoidais defasados em 60º (geração de três sinais ao mesmo tempo). O shield Gerador é o responsável pelas funções de Corrente Alternada (CA), enquanto o shield D/A (Digital/Analógico) realiza a conversão dos sinais

Pulse Width Modulation (PWM, ou modulação por largura de pulso em tradução livre) gerados pelo

Arduino para sinais de Corrente Contínua. Todos os sinais estão entre os limites do Arduino, de 0 a 5V, então os circuitos em teste devem ser readequados para entes limites, para o correto uso da ferramenta de bancada remota desenvolvida. Os geradores de funções foram desenvolvidos a partir de montagens VCO (Voltage Controlled Oscillator, ou oscilador controlado por tensão em tradução livre).

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 9, p.72600-72620,sep. 2020. ISSN 2525-8761 Figura 2. Placas desenvolvidas para a bancada remota de eletrônica.

Retirado de [Hayashi 2020].

Uma avaliação qualitativa entre cinco abordagens é proposta. As abordagens consideradas foram o laboratório presencial existente para comparativo; a alternativa de fornecer dados já registrados para os alunos; uso de simuladores; abordagem híbrida de bancada com componentes reais integradas com simulador; bancada remota, solução proposta pelo projeto LabEAD. Os aspectos considerados são: acessibilidade do aluno, se o aluno precisa de internet de boa qualidade ou computador de boa capacidade computacional; aprendizagem do aluno: fidelidade dos experimentos realizados com comportamento real, se o aprendizado é ativo e se suporta a funcionalidade de uso do laboratório fora do expediente comercial; custo para escola: se necessita de módulo customizado de hardware e se faz uso de desenvolvimento em padrão aberto; e se necessita de presença física do aluno no laboratório.

O questionário online criado com a ferramenta Google Forms foi usado para investigar as percepções sobre as alternativas consideradas. Um total de 28 respostas foram coletadas entre 29 de abril de 2020 e 13 de maio de 2020. O formulário online integrou as seguintes perguntas iniciais:

1) Qual sua instiuição de ensino? (UFABC, USP, UNICAMP. UNESP, IFSP) 2) Qual sua posição? (Técnico, Estudante, Professor)

Três alternativas (A, B, C) para a execução de um experimento de caracterização de diodo foram apresentadas, em conjunto com imagens explicativas (Figuras 3, 4 e 5):

a) Alternativa A: Em experimento de caracterização de diodo, dados experimentais tabelados são fornecidos aos alunos, e a execução do experimento consiste em cálculos para completar a tabela, análise dos resultados obtidos e construção do gráfico.

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 9, p.72600-72620,sep. 2020. ISSN 2525-8761 Figura 3. Esquema do questionário para alternativa A.

b) Alternativa B: Em experimento de caracterização de diodo, os alunos podem acessar o laboratório remotamente, e obter os dados experimentais a partir de uma interação com interface em navegador, e a execução do experimento consiste na obtenção de dados experimentais a partir do controle de equipamentos do laboratório, cálculos para completar a tabela, análise dos resultados obtidos e construção do gráfico.

Figura 4. Esquema do questionário para alternativa B.

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c) Alternativa C: Em experimento de circuito série-paralelo, os alunos podem acessar o laboratório remotamente, e obter os dados experimentais a partir de uma interação com interface em navegador, e a execução do experimento consiste na obtenção de dados experimentais a partir do controle de equipamentos do laboratório, cálculos para completar a tabela, análise dos resultados obtidos e construção do gráfico, além da modificação do circuito entre série e paralelo por meio de relé.

Figura 5. Esquema do questionário para alternativa C.

Após a apresentação das três alternativas, foi requisitado a atribuição de notas para cada alternativa, de 1 a 5, pior e melhor nota, respectivamente. Por fim, uma seção de comentários livres segue ao final do questionário.

3 DISCUSSÃO E ANÁLISE DE RESULTADOS

O resultado da avaliação qualitativa entre as alternativas para execução de atividades de laboratório de eletrônica estão apresentados na Tabela 2. O suporte ao ensino à distância adquiriu maior relevância com a implantação de medidas de distanciamento social, durante a pandemia do COVID-19.

O custo de tempo e transporte de alunos, técnicos e professores também deve ser considerado, além da possibilidade de maior acessibilidade para alunos portadores de necessidades físicas especiais.

O acesso à internet estável também deve ser considerado, pois pode configurar um aspecto impeditivo à abordagem proposta. Por outro lado, o acesso a computadores que permitam a execução de simuladores possui importância similar. Em relação à aprendizagem do aluno:

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fidelidade com comportamento real é essencial pois permite alunos verificarem a diferença entre projeto e bancada real; um aprendizado ativo traz a oportunidade de os alunos participarem ativamente dos experimentos; e um laboratório aberto, acessível em horários estendidos que permitam maior flexibilidade aos alunos.

Por outro lado, os custos para a escola podem incluir hardware específico para cada experimento, e aspectos de suporte e manutenção da infraestrutura dos experimentos por meio de padrão aberto colaborativo em plataformas de código aberto.

Tabela 2. Comparação entre alternativas para práticas laboratoriais à distância. Categoria Aspecto Laboratóri

o Existente Dados Tabelado s Simulad or Híbrid o Laboratóri o à distância EAD Requer presença física do aluno no laboratório

Não Não Não Não Sim

Acessibilida de do Aluno

Requer

internet de

boa qualidade

Não Não Não Parcial Sim

Requer computador

com boa

qualidade

Não Não Sim Sim Não

Aprendizage m do Aluno Fidelidade com comportamen to real

Sim Não Parcial Parcial Sim

Aprendizado ativo

Sim Não Sim Sim Sim

Laboratório aberto

Parcial Não Sim Parcial Parcial

Custo para

Escola

Requer hardware específico

Sim Não Não Sim Sim

Padrão aberto Parcial N/A Parcial Parcial Sim

O questionário foi respondido por 28 pessoas, majoritariamente da Universidade Federal do ABC (UFABC) e Universidade de São Paulo (USP), e ocupam cargos de técnico, estudante de graduação e pós-graduação, e professor em sua maioria, conforme ilustra a Figura 6.

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 9, p.72600-72620,sep. 2020. ISSN 2525-8761 Figura 6. Distribuição dos 28 entrevistados.

Retirado de [Hayashi 2020].

A Figura 7 possui a nota média atribuída às alternativas por perfil. Há uma concordância geral que as alternativas com interação (B e C) possuem maior aceitação. Aparentemente, alunos não avaliam diferença significativa entre a alternativa interativa com circuito estático (B) ou circuito analógico configurável (C). Os professores aparentam avaliar mais negativamente a opção de dados tabelados frente às demais alternativas.

Figura 7. Nota média atribuída no questionário por perfil.

Dentre os comentários obtidos na seção de comentários livres do questionário, dois merecem destaque.

O primeiro comentário evidencia as diferenças entre as alternativas B e C em relação à alternativa A, e remete ao aspecto de aprendizado ativo da Tabela 2: “Considero que quanto mais

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O segundo comentário demonstra a preocupação de um professor com o aspecto de acessibilidade à internet por parte dos alunos, além da acessibilidade de computador de boa capacidade, ambos destacados na Tabela 2:

“A alter A é bom p pessoas com dificuldade de internet. Tenho uns alunos com esse problema. As demais alternativas B e C são boas mas seria interessante se colocar os devidos equipamentos como multímetro e fonte/gerador de funções. Tb podem ser substituídos pelo labview este pode ser usado em casa mas necessita de um bom computador e com windows. Nem todos usam..não tem versão p Linux.”

4 EXEMPLOS DE EXPERIMENTOS DE ELETRÔNICA COM BANCADA REMOTA

Esta seção apresenta exemplos de experimentos de eletrônica realizados com abordagem proposta de bancada remota, construídos com componentes de baixo custo. Cada interface web pode ser personalizada para cada experimento, e permite o monitoramento e controle de fontes de tensão, voltímetros e relés.

4.1 AMPLIFICADOR OPERACIONAL E EXEMPLO DE AULA DEMONSTRATIVA

O aparato experimental para viabilizar um experimento de diversas montagens com o componente amplificador operacional inclui um circuito shield específico com reconfiguração por relés, controlados por meio de interface de bancada virtual, comunicação serial e Arduino, conforme ilustrado na Figura 8.

Figura 8. Arranjo experimental para amplificador operacional.

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O arranjo experimental do circuito analógico configurável é ilustrado na Figura 9. Por meio dos relés, o Arduino torna possível a reconfiguração do circuito para as montagens de comparador, amplificador, schmitt trigger e oscilador. O aspecto de reconfiguração por meio do aluno foi desenvolvido para possibilitar maior grau de interação com o circuito em teste.

Figura 9. Circuito analógico configurável por relés.

As configurações de relés para as quatro montagens estão descritas na Tabela 3.

Tabela 3. Configurações do circuito configurável.

Configuração Comparador Amplificador Schmitt Trigger

Oscilador

Relé 35 Desligado Desligado Ligado Ligado

Relé 37 Desligado Ligado Desligado Ligado

Relé 39 Desligado Desligado Desligado Ligado

Relé 41 Ligado Ligado Ligado Desligado

Para ilustrar o uso da bancada remota em uma demonstração ao vivo, que pode ser realizada em uma aula online sobre os diversos usos do componente amplificador operacional em uma matéria de Eletrônica Analógica em um curso de graduação, segue uma transcrição da aula gravada com a ferramenta de videoconferência Google Meets, com acesso remoto ao computador do laboratório da instituição de ensino pelo programa Anydesk, uso do compartilhamento de tela por um dos participantes da videoconferência, e gravação da própria ferramenta de videoconferência

Google Meets. O vídeo completo está disponível em:

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 9, p.72600-72620,sep. 2020. ISSN 2525-8761 Figura 10.

Demonstração do LabEAD no Google Meets

Victor: Estamos aqui no Google Meets em uma sessão de videoconferência. Sou o Victor

Hayashi da USP, e estou com o técnico da UFAB Fabio Hayashi, e iremos demonstrar a bancada remota que está instalada na Federal do ABC. Temos o programa de acesso remoto Anydesk, o Fabio irá entrar no computador da bancada.

Victor: Estamos vendo (na Figura 11) no lado direito a webcam conectada ao computador

do laboratório para monitorarmos o aparato montado com Arduino. Do lado esquerdo, temos a visualização da interface web, onde monitoramos e controlamos a bancada remota. Temos osciloscópio, gerador de funções e outras ferramentas feitas em HTML e javascript.

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 9, p.72600-72620,sep. 2020. ISSN 2525-8761 Figura 11.

Bancada instalada na Universidade Federal do ABC

Fabio: a montagem está feita para vários experimentos. Aqui temos cinco experimentos no

caso (vide Figura 12). O primeiro seria o resistor série-paralelo, que é um divisor resistivo com uma possibilidade de conectar um resistor em paralelo. No segundo caso, seria um circuito para levantar a curva do diodo. O terceiro seria um retificador de meia onda, com filtro ou sem (pode ser chaveado pelo relé). O quarto é um filtro passa-baixas.

Figura 12.

Técnico explicando a bancada remota através de esquemáticos

Fabio: Já no quinto, que é o amplificador operacional, temos várias montagens: no caso,

comparador de tensão, amplificador inversor, amplificador não-inversor, schmitt trigger e um oscilador. É este circuito que iremos demonstrar.

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Victor: O que estamos vendo como A1, A2, E4, entre outros, são itens da bancada,

construída com Arduino. Os E1, E2, entre outros são fontes de tensão contínua, enquanto os voltímetros são A1, A2 etc. Para ser possível a interação à distância com o circuito, o procedimento é diferente da bancada presencial. Alterações no circuito seriam feitas de forma manual, mas como estamos remotamente, temos o uso de chaves analógicas e relés para tornar os experimentos mais interativos. No caso mais simples do experimento série-paralelo, é a funcionalidade de colocar o resistor R3 em paralelo (vide Figura 5). Então, é possível realizar várias montagens com o mesmo aparato.

Fabio: A primeira montagem com o amplificador operacional (vide Figura 13) é o

comparador de tensão. Iremos aplicar uma tensão na entrada não inversora (E5), outra tensão na entrada inversora (E2), e iremos obter um sinal de saída (A12). Primeiro irei configuraras entradas para uma tensão média de 2,5V (em E2 e E3), já que o circuito está sendo alimentado com 5V. Irei realizar a ligação 47 (Relé 41 ligado, vide Tabela 3). Irei medir a saída A12. Para melhorar a visualização, podemos desativar os outros voltímetros, basta alterar o campo “Entradas Analógicas” para o valor “12”. Isto evita confusões, pois desta forma só temos uma saída (voltímetro). Por outro lado, podemos também usar voltímetros auxiliares (A10 e A11) para monitorar as entradas inversora e não inversora do amplificador operacional, basta alterar o campo “Entradas Analógicas” para o valor “10, 11, 12”. Podemos também colocar as entradas (A10, A11) e a saída (A12) no osciloscópio, basta configurar no painel superior da interface web.

Figura 13.

Técnico explicando as montagens com amplificador operacional

Fabio: A princípio, a saída (A12) está com o nível de tensão alto, com 3,73V, que é o

máximo que o amplificador operacional consegue com uma alimentação de 5V. O esperado do comparador são dois níveis: o nível mais baixo próximo de 0, e o nível alto, que é este 3,7V.

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Atualmente estamos com o nível alto, com a tensão igual nas duas entradas de 2,5V. Irei abaixar um pouco a tensão no E2, que é a entrada não-inversora, para 2,48V. Com isso, o A12 fornece uma saída com nível baixo. Ao aumentar E2 para 2,5V, a saída volta ao nível lógico alto. Se aumentarmos mais, o resultado se mantém, pois o amplificador operacional já estará saturado. Desta forma, a montagem de comparador compara as tensões da entrada não inversora (E2) com a entrada inversora (E5).

Victor: O interessante é observar os valores efetivamente aplicados no circuito através dos

voltímetros auxiliares A10 e A11. A diferença para as fontes de tensão contínua E2 e E5 é que estamos controlando a bancada para fornecer as tensões nos valores desejados, e com os voltímetros estamos validando que as tensões aplicadas estão de fato corretas.

Fabio: Irei aumentar a tensão E5 na entrada inversora. Ao passar do nível da entrada

não-inversora E2, a saída fica em nível baixo.

Fabio: O próximo que podemos fazer é o amplificador. Para isso, devemos realimentar o

circuito com o acionamento da chave analógica A49 (vide Figura 13). Voltamos os níveis de E2 e E5 para 2,5V que é a referência. Como o circuito não tem uma alimentação simétrica, trabalhamos com tensões no intervalo de 0 a 5V. Do jeito que está montado, a entrada não-inversora terá um ganho 2 de acordo com os resistores R10 e R9, que possuem o mesmo valor nominal. Ou seja, a diferença entre as entradas não inversora (E5) e inversora (E2) será multiplicada por dois. Ao colocar na entrada não inversora a tensão de 2,6V, temos 0,1V de diferença com a entrada inversora, que está em 2,5V. Desta forma, a saída apresentada é de 2,7V, que é a referência de 2,5V da entrada não-inversora somado ao dobro da diferença de 0,1V. Se fizermos o contrário, isto é, fornecermos a tensão de 2,5V na entrada não inversora, e 2,6V na entrada inversora, temos um amplificador de ganho unitário, uma vez que a saída estará em 2,4V, que é 2,5V da referência da entrada inversora menos 0,1V da diferença entre as entradas do amplificador operacional.

Fabio: Para a montagem schmitt trigger, não teremos a realimentação negativa da chave

analógica As49, que é, portanto, desligado. Teremos uma realimentação positiva na chave analógica As51, justamente para fazer a histerese. Através da interface web, ligo a chave As51 (vide Figura 13). A chave As47 continua ligada, pois iremos aplicar uma tensão na entrada inversora, e outra na não-inversora através das fontes E2 e E5. Primeiramente, voltamos os dois valores para 2,5V. Colocamos no osciloscópio as outras saídas A10 e A11 (entradas do amplificador operacional), para facilitar a visualização. Temos a entrada não-inversora A10 (sinal verde) e inversora A11 (sinal azul no osciloscópio), e a saída (sinal vermelho) está em nível baixo (conforme Figura 14). Para que a saída passe para o nível alto, a entrada inversora (sinal azul) deve chegar em um nível abaixo da entrada não inversora (sinal verde). Desta forma, posso diminuir a tensão da entrada inversora (sinal

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azul) até que fique abaixo da entrada não inversora (sinal verde). Após a troca de estado, os níveis mudam, e a troca só ocorre de acordo com os novos níveis de tensão, o que caracteriza a histerese da montagem schmitt trigger. Ao controlar a saída através da entrada inversora (sinal azul) por exemplo, as trocas de estado não ocorrem no mesmo valor.

Figura 14.

Osciloscópio da montagem schmitt trigger

Fabio: Ao ligar o capacitor C3 ao circuito através da chave analógica As53, e a

realimentação negativa As49 para carregar o capacitor, provocaremos uma oscilação na montagem. A chave As47 fica desligada. Ao completar a configuração, temos a montagem de oscilador com o amplificador operacional. Para visualizar o resultado, convém ajustar o sincronismo do osciloscópio no canal A12 (vide Figura 15, lado esquerdo). Dentro da histerese, temos a carga e descarga do capacitor. Podemos mudar o ponto da histerese ao modificar a tensão aplicada E2 (vide lado direito da Figura 15). A distorção no sinal de saída é um comportamento característico do amplificador operacional, e pode ser observada pois o experimento ocorre em uma bancada real, com um circuito real, operado à distância.

Figura 15.

Visualização da montagem de oscilador

Fabio: Cabe destacar que para cada montagem um esquemático simplificado pode ser

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pode ser simplificada para cada experimento. Observe que a versão apresentada possui todos os recursos disponíveis na bancada remota desenvolvida com Arduino Mega.

4.2 FILTRO PASSA-BAIXAS

Um experimento com filtro passa-baixas com resistor e capacitor foi viabilizado (vide Figura 11). Através de funcionalidades de osciloscópio e gerador de funções desenvolvidas com Arduino, a frequência de corte do circuito foi obtida experimentalmente (325 Hz), e validada com a teoria (318 Hz).

Figura 16. Arranjo experimental para filtro passa-baixas.

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Resultados de abordagem de ensino à distância para disciplinas de laboratório de eletrônica foram apresentados. A abordagem foi avaliada em relação a a acessibilidade, aprendizagem do aluno e custos para a escola, de forma qualitativa e quantitativa com professores, técnicos e alunos em questionário online (n=28). A alternativa de laboratório remoto foi a mais bem avaliada pelos três perfis de entrevistados.

Exemplos de experimentos de eletrônica de filtro passa-baixas e amplificador operacional foram viabilizados através da construção de ferramentas de bancada com Arduino (osciloscópio, gerador de funções, fonte de tensão, voltímetro).

Esta contribuição detalha a placa desenvolvida para o laboratório remoto de eletrônica analógica, com o diferencial de permitir mudanças no circuito em teste a partir de chaves analógicas e relés. Um exemplo de demonstração em tempo real possível com o uso da ferramenta para ensinar

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montagens diversas do componente amplificador operacional é descrito, assim como o uso de videoconferência, acesso remoto e interação com interface web do laboratório remoto.

Com a disponibilização das ferramentas construídas em padrão aberto, espera-se a replicação em outras instituições de ensino, assim como expansão para atividades laboratoriais de outras disciplinas de Engenharia.

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REFERÊNCIAS

Amaral, L. D., & dos Santos Lopes, M. S. (2019). Aplicativo Móvel para Ensino de Programação Utilizando Laboratório Remoto/Mobile Application for Teaching Programming Using Remote Lab. Brazilian Journal of Development, 5(12), 31702-31713.

Balamuralithara, B., e Woods, P. C. (2009). Virtual laboratories in engineering education: The simulation lab and remote lab. Computer Applications in Engineering Education, 17(1), 108-118. Garcia-Zubia, J. et al. (2016). Empirical analysis of the use of the VISIR remote lab in teaching analog electronics. IEEE Transactions on Education, 60(2), 149-156.

Gontean, A. et al. (2009). LabVIEW powered remote lab. In 2009 15th International Symposium for Design and Technology of Electronics Packages (SIITME) (pp. 335-340). IEEE.

Guimarães, V. S. et al. (2013). Um Ambiente para as Práticas Laboratoriais de Física: Estudo do Pêndulo Matemático. Revista Brasileira de Informática na Educação, 21(02), 78.

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