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Fundamentos para Eletrônica e Sistemas de Medidas
Prof.: Geraldo Cernicchiaro
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, demodulaçãoe processamento de sinais elétricos, sem focar tecnicismos, nem sua implementação.
•• Eletricidade bEletricidade báásica. sica.
•• CodificaCodificaçção, transmissão, processamento e decodificaão, transmissão, processamento e decodificaçção de ão de
informainformaçção e sinais elão e sinais eléétricos. tricos.
•• Transdutores e sensores. Transdutores e sensores.
•• O mundo analO mundo analóógico e as vgico e as váálvulas. lvulas.
•• AmplificaAmplificaçção, retificaão, retificaçção, modulaão, modulaçção e ão e demodulademodulaççãoão. .
•• O mundo digital e noO mundo digital e noçções de ões de áálgebra de lgebra de BooleBoole. .
•• Medidas elMedidas eléétricas e rutricas e ruíído. do.
•• Dispositivos de medida: Dispositivos de medida: ADCsADCs, , DACsDACs, oscilosc, osciloscóópios, etc. pios, etc.
•• TTéécnicas experimentais: cnicas experimentais: magnetometriamagnetometria, resistividade, etc. , resistividade, etc.
•• AquisiAquisiçção de dados e interfaces.ão de dados e interfaces.
EMENTAEMENTA
•• Aula 1 Aula 1
–– IntroduIntroduçção ão
–– ConceitosConceitos
–– EletricidadeEletricidade
–– Sinal elSinal eléétricotrico
–– CodificaCodificaççãoão
–– DecodificaDecodificaççãoão
–– TransdutoresTransdutores
–– SensoresSensores
SumSumááriorio
IntroduIntroduççãoão
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 mGalvanômetro de bobina móóvelvel
NS
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)
IntroduIntroduççãoão
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
Lei de OhmLei de Ohm
R = ρ ρ ρ ρ L
V (
Volt
)
I (Ampère)
R (ohm) = V
I
Georg Ohm (1787-1854)
VI 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
ρρρρ - resistividade
A - área da seção transversal
A
Transporte elTransporte eléétrico no metaltrico 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 ττττm
Modelo de Modelo de DrudeDrude
• 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 q2 τ εm
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
CodificarCodificar
• Samuel F. B. Morse ( 1832 )
• Telégrafo eletromagnético
• Transferir informação de um sistema para outro
• Ampère
C B P Ft (s)A
mp
litu
de
(V o
u 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
Am
pli
tud
e
Período
On
da
se
no
ida
l alte
rna
da
Amplitude pico a pico Vpp
Amplitude de pico Vp
Perío
do =
T
frequ
ência
= 1
/T
Amplitude RMS
ConceitoConceito
Sinal elSinal eléétrico trico -- Uma quantidade elétrica detectável tal como
tensão, carga ou corrente, ou sua variação, no qual uma informação
pode ser codificada.
Sinal AnalSinal Analóógico 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.
•• SensoresSensores -- fornecem informações de entradas em nosso sistema
a partir do mundo externo
AtuadoresAtuadores - que executam ações de saída para o mundo externo
• Dispositivo que converte informação de sistemas não elétricos
para sistemas elétricos, ou vice-versa
ConceitoConceito
DomDomííniosnios de Dadosde 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