Equipamentos - LCR Meter CHY 41R

Figura 01 - LCR Meter

Os medidores LCR são instrumentos que medem uma propriedade física conhecida como impedância. A impedância, que é expressa usando o símbolo Z, que indica resistência ao fluxo de uma corrente do tipo alternada. Ela pode ser calculada a partir da corrente I que flui pelo componente a ser medido e da tensão V nos seus terminais. Como a impedância é expressa como um vetor em um modelo matemático complexo, os medidores LCR medem não apenas a relação dos valores eficazes da corrente e tensão, mas também a diferença de fase entre as formas de onda de corrente e tensão.

O medidor LCR é usado para medir a indutância (L), capacitância (C) e resistência (R) de um componente eletrônico. 

Figura 02 - Ponte de Wheatstone

Nas versões mais simples deste instrumento, a impedância era medida internamente e convertida para exibição no valor de capacitância ou indutância correspondente. As leituras são razoavelmente precisas poisos medidores LCR medem a indutância ou capacitância real, bem como a resistência em série equivalente de capacitores e o Fator Q de componentes indutivos. O componente a ser medido é colocado entre os terminais de teste do medidor LCR, após o que, de acordo com o tipo de componente, a medição é realizada. Ponte de Wheatstone e circuitos RC são partes importantes do medidor LCR. O componente cujo valor precisa ser determinado é anexado a um dos braços da ponte. Para os vários tipos de medidas, existem disposições diferentes.

• Excitação DC: Ao estimular a ponte com tensão DC, as quantidades DC serão medidas.
• Excitação AC: A ponte de Wheatstone deve ser excitada com um sinal AC para realizar medições AC. O oscilador é empregado no circuito para fornecer excitação CA. Produz uma frequência de um kilohertz.

Para atingir o equilíbrio total, a ponte é colocada na posição nula. Além de equilibrar a ponte, a sensibilidade do medidor precisa ser modificada. Em um circuito seguidor de emissor, a saída da ponte é alimentada. Uma entrada para o amplificador do detector é fornecida como saída do circuito emissor seguidor.

Figura 03 - Impedância medida na
Ponte de Wheatstone do LCR Meter

Vamos primeiro entender o conceito de impedância. Conforme mostrado na figura, a impedância consiste em duas partes; resistência (ou seja, real) e reatância (ou seja, imaginária). Zs representa a impedância em série que é uma combinação de resistência (Rs) e reatância (Xs). A impedância pode ser expressa com magnitude |Z| e ângulo de fase θ Quando θ>0 a reatância é indutiva e quando θ<0 a reatância é capacitiva. Existem dois tipos de reatância viz. reatância indutiva (XL) e reatância capacitiva (XC).  Elas podem ser expressos da seguinte forma: XL = 2*π * f * L e XC = 1/ (2* π * f * C).

Existem várias técnicas para a medição da impedância. O método mais comum é anular o tipo bridge, conforme mostrado na figura acima. Quando o instrumento é ligado, por padrão ele entra em modo de identificação automática. Neste momento, o objeto a ser medido é adicionado ao lado da medição, o instrumento identificará automaticamente se o objeto a ser medido é capacitivo, resistivo ou indutivo e exibirá o valor da medição no mostrador principal, exibindo o valor D/Q/θ/ correspondente no mostrador secundário. Neste modo, você pode trocar a frequência de medição pela frequência de operação.

Manual do Medidor LCR Meter:  LCR Meter CHY 41R.

© Direitos de autor. 2023: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 13/04/2023

EX 08.2 - Ponte de Wheatstone com resistores não lineares

 Nessa seção você descobrirá como funcionam os circuitos do tipo "Ponte de Wheatstone", saberá porque eles são importantes nos circuitos eletrônicos em geral. 

Ponte de Wheatstone

Charles Wheatstone era um cientista talentoso e versátil. Ele inventou a concertina, experimentou com a fotografia estereoscópica, inventou o estereoscópio e teve uma participação importante no desenvolvimento das comunicações com o telégrafo da época. Ele não reivindicou ter inventado o circuito que mais tarde veio a receber o seu nome, mas foi certamente um dos primeiros a explorar o circuito para fazer medidas de resistências. Então, vamos ver como é uma ponte de Wheatstone. Esse é o circuito:

É óbvio que o circuito consiste de dois divisores de tensão. Suponha que R_X seja um valor desconhecido de resistência. R_A e R_B são resistores de resistências fixas e conhecidas. Vamos ajustar R_C até que a U_saída sobre ele fique igual à U_saída do divisor que contém R_X. Quando esses valores tornarem-se iguais, a ponte será dita "em equilíbrio". O "ponto de equilíbrio" (atuando-se sobre R_C) pode ser visualizado, conectando-se um voltímetro ou um amperímetro aos terminais de saída. Ambos os tipos de medidores darão uma leitura ZERO quando o equilíbrio for alcançado. Quando o equilíbrio for obtido, a razão R_X/R_A será igual à razão R_B/R_C. Reorganizando:

          R_A x R_B
R_X = ________
          R_C

Em outras palavras, conhecendo-se R_A, R_B e R_C, é fácil calcular R_X. Nos instrumentos baseados na ponte de Wheatstone, R_A e R_B são fixos e R_C é ajustado a uma escala corrediça de tal modo que o valor de R_X é lido diretamente nessa escala móvel. Atualmente, a ponte de Wheatstone não é mais corriqueiramente usada para a medida de resistência, mas sim para artificiosos circuitos sensores. 

AP01 - Medição de nível de
líquidos com PTC

Circuitos eletrônicos são construídos a partir de subcircuitos com finalidades específicas. Cada um deles deve operar em termos de entrada, processamento, saída. Há permanente transferência de informações entre subcircuitos. Essas informações, sob a denominação de sinais, via de regra estão sob a forma de tensões variáveis. Isso torna inevitável que tais circuitos incluam ponte de wheatstone como parte integrante de suas estruturas. Divisores de tensão não são apenas pequenos detalhes num circuito geral, eles são fundamentais para a compreensão do circuito eletrônico como um todo. Uma vez que você os entenda e saiba como procurá-los você os encontrará em todos os circuitos, como nos exemplos abaixo.

Aplicação 01 - Medição de Nível de Líquidos com PTC

A figura abaixo ilustra uma aplicação onde PTCs estão ligados em um divisor de tensão com um resistor, cuja finalidade é medir o nível  de líquido em um tanque.

À medida que o nível do líquido sobe, a resistência dos PTCs vai se alterando, alterando a resistência total da associação. Isto provocará uma alteração da corrente que circula pelo amperímetro, que devidamente calibrado, permitirá determinar o nível do líquido.

Adequado para aplicações de medição ou controle de grande volume e baixo custo como sensoriamento do nível do líquido ou medição do fluxo de gás.

Aplicação 02 - Medição de Velocidade de Ar com PTC

AP02 - Medição de velocidade de
ar com PTC

A figura abaixo ilustra uma aplicação onde PTCs estão ligados em ponte de Wheatstone com um resistor, cuja finalidade é medir a velocidade do ar em um canal aerodinâmico.

Funcionamento: Dois PTCs permanecem onde o ar está parado e um outro é colocado dentro do canal aerodinâmico. Todos os PTCs são previamente aquecidos pela corrente que circula pela ponte.

Se o ar tiver a mesma temperatura em ambas as condições, ou seja dentro e fora do canal aerodinâmico, a ponte estará em equilíbrio.

Uma passagem de ar pelo canal fará com que o referido PTC seja mais resfriado causando então uma mudança da resistência e o desequilíbrio da ponte, que será acusado pelo amperímetro. Uma prévia calibração da escala do amperímetro permitirá a medição da velocidade do ar no canal aerodinâmico.

Aplicação 03 - Medição de pressão de Ar com NTC

O circuito desses variômetros apresentam dois termístores NTC, cada um deles medindo a temperatura do fluxo de ar que se movimenta sob a diferença de pressão ocasionadas pela alteração da altitude. O variômetro alerta o piloto para uma corrente térmica ascendente e, com isso, ele pode ganhar altura e voar durante um tempo maior. O variometro, por exemplo, que detecta mudanças na pressão do ar devido às mudanças súbitas de altitude, muito usado em planadores, é um sensor que usa dos recursos dessa ponte. 

A ponte de Wheatstone pode ser usada como variômetro. O variômetro detecta mudanças na pressão do ar devido às mudanças súbitas de altitude, muito usado em planadores, é um sensor que usa dos recursos dessa ponte de Wheatstone.

AP03 - Medição de pressão do ar com PTC

O circuito desses variometros apresentam dois termistores NTC, cada um deles medindo a temperatura do fluxo de ar que se movimenta sob a diferença de pressão ocasionadas pela alteração da altitude. O variometro alerta o piloto para uma corrente térmica ascendente e, com isso, ele pode ganhar altura e voar durante um tempo maior. Quando o instrumento é inicialmente aferido, o resistor prefixado é ajustado para uma tensão de saída ZERO. A vantagem da ponte de Wheatstone é que só diferenças de temperatura entre os dois sensores colocarão a ponte fora de equilíbrio. A propósito, os circuitos com ponte de Wheatstone são supostos prematuramente difíceis de entender. Isso não deve acontecer com você. 

Via de regra, muito devido às aulas de Física, esse circuito é normalmente desenhado sob a forma de um losangulo. Sob esse formato fica menos óbvio o circuito básico de dois divisores de tensão mas, uma vez que você sabe disso, torna-se fácil entender a ação do circuito. 

No link a seguir há exercícios de aplicação: 23_06_18 Aplicação de Ponte de Wheatstone com resistores não lineares e "LED". 

© Direitos de autor. 2004: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 23/05/2023

EX 08.1 - Divisores de tensão com resistores não lineares

 Nessa seção você descobrirá como funcionam os circuitos divisores de tensão e saberá porque eles são importantes nos circuitos eletrônicos em geral. 

O divisor de tensão

O circuito básico de um divisor de tensão, por vezes também denominado "divisor de potenciais elétricos" é o ilustrado a seguir:

 

Como você pode ver, foram conectados dois resistores em séries, sendo a associação alimentada pela tensão U_entrada, frequentemente proveniente da fonte de alimentação. A tensão de saída, U_saída, é recolhida sobre o R_{de baixo} e a expressão que permite seu cálculo é a indicada sob a figura. É recomendável a conhecimento dessa expressão visto o grande número de aplicações desse simples divisor de tensão. 

Sensores de luz

A ilustração acima mostra um resistor dependente da luz, um LDR, e seu símbolo nos circuitos de eletrônica. A parte sensível à luz, no LDR, é uma trilha ondulada feita de sulfeto de cádmio. A energia luminosa inerente ao feixe de luz que atinge essa trilha, provoca uma liberação de portadores de carga elétrica além do normal, nesse material. Essa quantidade extra de portadores faz com que a resistência do elemento diminua drasticamente conforme o nível de iluminação aumenta. Um sensor de luz usa um LDR como parte de um divisor de tensão.

O que acontecerá se um dos resistores do divisor de tensão for substituído por um LDR?

No circuito acima, o R_{de cima} é um resistor de 10 kΩ e o R_{de baixo} foi substituído por um LDR. Suponha que o LDR adquirido tenha resistência de 500Ω (0,5 kΩ) sob luz brilhante e 200 kΩ na sombra (esses valores são bem razoáveis).

Quais as tensões de saída, sob iluminação e à sombra?

Façamos alguns cálculos:

a) Quando o LDR estiver sob iluminação intensa a U_saída , aplicando a fórmula, será de:

                        R_{de baixo}                                           0,5
U_saída = ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ x U_entrada = ¾ ¾ ¾ ¾ x 9 = 0,43 volts
                 R_{de baixo} + R_{de cima}                           0,5 + 10

 b) Quando o LDR estiver à sombra, a U_saída , aplicando a fórmula, será de:

                        R_{de baixo}                                         200
U_saída = ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ x U_entrada = ¾ ¾ ¾ ¾ x 9 = 8,57 volts
                 R_{de baixo} + R_{de cima}                          200 + 10

Em outras palavras, esse circuito "sensor de luz" entrega na saída uma tensão BAIXA quando o LDR está intensamente iluminado e uma tensão ALTA quando o LDR está na sombra. O circuito do divisor de tensão dá uma tensão de saída que se altera com a iluminação.

Que tal pensar num circuito "sensor de escuro"?

Ele poderia ser utilizado para controlar a iluminação de um ambiente ao escurecer ¾ acendendo as luzes¾ e apagá-las ao raiar do dia. Talvez isso não lhe pareça terrivelmente excitante mas, fique sabendo que, praticamente todos os circuitos sensores que você possa imaginar utiliza, de algum modo, um divisor de tensão. A menos que você invente um outro processo para isso!

Nesse divisor de tensão, substituímos o R_{de cima} pelo LDR. O resistor de 10 kΩ passou para baixo e a tensão de saída está sendo recolhida entre seus terminais.

Que efeito terá essa inversão sobre a U_saída?

A ação do circuito fica invertida, ou seja, U_saída torna-se ALTA quando o LDR está sob iluminação e BAIXA quando mantido à sombra. Substitua os valores adequadamente na fórmula do divisor de tensão para se convencer de que isso é verdadeiro.

Sensores de temperatura

Um resistor sensível à temperatura é chamado de termistor. Há vários tipos diferentes:

Na maioria dos tipos comuns de termistores a resistência diminui à medida que a temperatura aumenta. Eles são denominados termistores de coeficiente negativo de temperatura e indicados como NTC. Na sua simbologia, note o "- t^o". Um termistor NTC típico é feito de material semicondutor à base de um óxido metálico. Lembre-se, os semicondutores exibem a propriedade de resistência elétrica a meio caminho entre os bons condutores e os bons isolantes. Com a elevação da temperatura, mais portadores de carga tornam-se disponíveis e, consequentemente a resistência elétrica diminui. Embora não seja de uso frequente, fabricam-se também os termistores com coeficiente positivo de temperatura, os PTC. São confeccionados com outros materiais e exibem um aumento de resistência com a temperatura.

Como poderíamos fazer um circuito sensor para atuar como alarme de incêndio?

Vejamos; como opção pretendemos um circuito que forneça uma ALTA tensão quando elevações de temperaturas forem detectadas. Para tanto, vamos precisar de circuito divisor de tensão, com um termistor NTC na posição R_{de cima}. A U_saída será recolhida no R_{de baixo}.

Acompanhe:

Veja que esse circuito satisfaz plenamente o propósito para o detector de incêndio.

Vejamos outro desafio: Em países de clima bem frio é comum a formação de gelo sobre as estradas.

Como você faria um circuito sensor para detectar temperaturas abaixo dos 4^oC e com isso advertir os motoristas da possibilidade de gelo sobre a pista?

Dessa vez, queremos um circuito que entregue na saída uma ALTA tensão sob baixas temperaturas. Para tanto devemos preparar um divisor de tensão, usando um termistor NTC na posição R_{de baixo} e recolher a U_saída sobre ele. Veja o esquema básico:

Esta última aplicação levanta uma pergunta importante:

Como saberemos que valor a U_saída vai assumir quando a temperatura chegar aos 4°C?

Para responder a essa pergunta, você precisa calcular (ou saber de antemão) a resistência do termistor a 4°C. São fabricados muitos tipos de termistores, cada um com seu próprio padrão característico de alteração da resistência em função da temperatura. Os fabricantes publicam gráficos que mostram as curvas características desses termistores. A ilustração que segue mostra a curva característica de um particular termistor:

No eixo dos "y" (ordenadas) são postos os valores de resistência em escala logarítmica. Esse procedimento tem por finalidade comprimir o gráfico verticalmente de forma a facilitar a visualização dos valores de resistência com os aumentos de temperatura. Note que, entre 100Ω e 1000Ω , cada intervalo horizontal corresponde a 100 ohms, apesar de aparentar "larguras diferentes". Entre 1000Ω e 10000Ω , cada intervalo horizontal corresponde a 1000 ohms. Dos 10000Ω aos 100000Ω , cada intervalo indica 10000 ohms.

No eixo dos "x" (abscissas) são postos os valores de temperatura em escala linear (divisões e intervalos igualmente espaçados). Como você pode observar esse particular termistor tem uma resistência ao redor dos 70 kΩ à 0 ^oC e aproximadamente 1 kΩ à 100 ^oC. Os fabricantes normalmente catalogam seus termistores indicando suas resistências aos 25 ^oC ¾ esse que ilustramos apresenta resistência de 20 kΩ à 25 ^oC ¾ . Marque esse ponto no gráfico para mostrar que você entendeu mesmo o jeitão da coisa.

Se você quiser avançar um pouco mais no assunto eis outra informação: usualmente os fabricantes acrescentam em seus catálogos outra informação a respeito do termistor, é o seu beta ou o fator-b . Em posse desses dois dados R_T0 (resistência de referência) e o fator-b , é possível calcular um valor aproximado da resistência R_T do termistor para qualquer particular temperatura usando da seguinte expressão:

                    {b [(1/T) - (1/T0)]}
R_T = R_T0 x e

onde R_T é a resistência calculada na temperatura absoluta kelvin (T = t^oC + 273), R_T0 é a resistência de referência a T0 em kelvin. Quando a temperatura de referência é 25^oC, T0 = 25^oC + 273.

e é a base dos logaritmos naturais, elevado à potência [b ((1/T) - (1/T0))], nessa expressão, b é o fator-beta, específico desse termistor.

Você não precisa se preocupar em aplicar essa expressão no momento, mas é bom saber que as informações colhidas nos catálogos são suficientes para você predizer o bom desempenho do termístor em seu projeto.

Dica: Existem programas que montam e traçam gráficos. O Excel é um deles. Você entra com a fórmula (essa que mostramos acima) e os valores de temperatura numa dada faixa (digamos entre 0 e 100, com passos de 5 graus célsius). O programa incumbe-se de calcular e traçar a curva característica do termistor em questão.

Com R_T0 = 20 kΩ e b = 4200, e temperaturas de 0 a 10^oC (passo de 1^oC) eis a curva característica desse termistor:

Do gráfico, a resistência a 4^oC, mostra um valor algo menor que 60 kΩ ; por cálculo obtemos o valor 58,2 kΩ .

IMPORTANTE: A maior alteração em U_saída, no divisor de tensão, é obtida quando R_{de cima} e R_{de baixo} têm mesmo valor ôhmico.

Isso significa que, selecionando-se um valor para R_{de cima} perto de 58,2 kΩ , fará o divisor de tensão usado como "alarme de gelo" ficar o mais sensível possível aos 4^oC. O valor mais próximo desse valor ideal nos padrões E12/E24 é o 56 kΩ . Esse detalhe é importante uma vez que grandes alterações em U_saída facilitam o projeto do sensor de gelo tornando-o mais confiável para detectar temperatura abaixo dos 4^oC. Dispositivos usados como sensores variam consideravelmente em resistência e você poderá sempre usar dessa regra em seus divisores de tensão para torna-lo tão sensível quanto possível no ponto crítico escolhido. Termistores são utilizados nos lugares "mais estranhos" que você possa imaginar. Nos projetos automotivos, por exemplo, citamos:

• Injeção eletrônica de combustível, na qual, monitora-se a quantidade de ar na mistura ar/combustível, para a concentração ideal;
• Ar condicionado e controle automático de temperatura;
• Indicador de temperatura do óleo, nível do óleo etc;
• Controle do motor do ventilador, baseado na temperatura da água de refrigeração;
• Sensores para freezers, em relação à temperatura externa;

Sensores de som

Talvez você conheça um sensor de som com outro nome; que tal, microfone.

A ilustração a seguir mostra um tipo de microfone que mistura cerâmica com metal. Pode ser identificado pelo nome CerMet. Essa mistura é utilizada na parte sensível ao som. Para que essa parte funcione adequadamente, deve permanecer sob uma determinada tensão elétrica, cerca de 1,5 volts. No circuito que apresentamos ao lado do microfone, a fonte de alimentação fornece 9 volts. Portanto, um divisor de tensão faz-se necessário.

O resistor de 4,7 kΩ e o de 1 kΩ constituem um divisor de tensão que provê uma saída de 1,6 V sobre o microfone. As ondas sonoras que ele recebe geram pequenas variações de tensão, normalmente na faixa dos 10 a 20 mV. Para isolar essas pequenas variações, dos 1,6V que permanece fixo, usamos um capacitor. Os capacitores serão tratados em aulas futuras. Com certeza você conhece outros tipos de microfones; capacitivo, dinâmico, cristal, eletreto etc. Serão estudados oportunamente.

Sinais de interruptores

Quando um interruptor é usado para prover uma entrada em um determinado circuito, seu pressionamento normalmente gera um sinal de tensão. É esse sinal de tensão que ativa o circuito propriamente dito.

Do que você precisa para fazer o interruptor gerar um sinal de tensão?

Resposta perfeita ... isso mesmo, você precisa de um divisor de tensão. As ilustrações a seguir mostram dois caminhos possíveis:

A tensão de saída no circuito da esquerda é sempre BAIXA, exceto quando o botão é pressionado. Ao pressionar o botão essa tensão alta é utilizada para por em ação o circuito restante. No circuito da direita a tensão de saída é sempre ALTA (a própria tensão da fonte, no caso), exceto quando o botão é pressionado. Pressionando esse botão, a tensão de saída cai a ZERO. Para o resistor dos circuitos, um valor de 10 kΩ é o recomendado. Em suma; quando o botão é pressionado o primeiro circuito fornece uma U_saída ALTA e o segundo uma U_saída BAIXA. Nos circuitos que processam sinais lógicos, uma BAIXA tensão é denominada "lógica 0" ou simplesmente "0", enquanto que uma ALTA tensão é denominada "lógica 1" ou simplesmente "1". Esses circuitos divisores de tensão, com interruptores de botão, são perfeitos para proverem entradas de sinais lógicos. [Há um probleminha de "reboot" ... mais isso é outra história.]

Que tipos de interruptores você usaria nesses circuitos?

Há uma grande variedade de interruptores de botão (pressão). Os botões miniaturas trabalham adequadamente e frequentemente estão inseridos em uma matriz de contatos.

Como você observa, o botão tem externamente quatro pequenos terminais que são unidos, aos pares e internamente, por tiras de metal. O botão leva um anel metálico. Ao ser apertado, o anel toca as tiras, fechando o circuito. 

Circuitos eletrônicos são construídos a partir de subcircuitos com finalidades específicas. Cada um deles deve operar em termos de entrada, processamento, saída. Há permanente transferência de informações entre subcircuitos. Essas informações, sob a denominação de sinais, via de regra estão sob a forma de tensões variáveis. Isso torna inevitável que tais circuitos incluam divisores de tensão como parte integrante de suas estruturas. Divisores de tensão não são apenas pequenos detalhes num circuito geral, eles são fundamentais para a compreensão do circuito eletrônico como um todo. Uma vez que você os entenda e saiba como procurá-los você os encontrará em todos os circuitos, como nos exemplos abaixo.

No link a seguir há exercícios de aplicação: 23_05_07 Aplicação de divisores de tensão com resistores não lineares e "LED". 

© Direitos de autor. 2004: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 23/05/2023

Aula 08 - Resistores Não Lineares

Resistores Não-lineares: Existem circuitos que requerem resistências que alteram o valor com uma mudança temperatura ou luz. Esta função não pode ser linear. Existem vários tipos de resistências não-lineares que ​​incluem: Resistências NTC (Coeficiente de temperatura negativa) - sua resistência diminui com o aumento da temperatura; Resistências PTC (Coeficiente de temperatura Positiva) - a sua resistência aumenta com o aumento da temperatura; LDR (Resistores dependentes da Luz) - sua resistência diminui com o aumento da luz; Resistores VDR (Tensão Resistores dependentes da tensão) - resistência diminuiu rapidamente quando a tensão excede um certo valor. Os símbolos que representam estas resistências são mostrados na figura 1: Resistores Não-lineares - a. NTC, b. PTC, c. LDR.

Resistores com Coeficiente de Temperatura Negativa (NTC): são resistores cuja resistência elétrica de tais materiais se reduz com a elevação da temperatura, possuindo um coeficiente de temperatura negativo.

O coeficiente de temperatura, cuja notação é r 25º é igual - 0,05, isto é, perante uma elevação de temperatura de 1 grau, o valor da resistência do material se reduz em 5%. Os resistores NTC são fabricados a partir de óxidos semicondutores, como por exemplo: Fe3O4 com Zn2TiO4 (óxido de ferro com óxido de titânio e zinco).

Após o processo de mistura, ocorre a prensagem em forma de discos ou esferas (cilíndricos) e sinterizados em seguida. Nestas condições, um excesso de temperatura liberta elétrons, tendo como resultado um excesso de condutividade com o aumento da temperatura.

Os formatos mais comuns, como o cilíndrico são obtidos por processo de extrusão enquanto que os formatos em disco são obtidos através de prensa hidráulica. A figura abaixo representa graficamente um resistor NTC .  . R25/Rt representa a resistência do NTC à temperatura ambiente de 25ºC.

R25/Rt representa a resistência do NTC à temperatura ambiente de 25ºC. Equação de um NTC: R = A . eB/T (eq.1) . Onde: R = resistência em ohms; e = número de Euler (2,718); B = constante do material no NTC em ºK3 ; T = temperatura do NTC em ºK; A = constante a uma dada temperatura.

Como a constante de regulação B sofre influência da temperatura, é possível determinar a resistência do NTC, baseando-se nos dados do fabricante. Para tanto, é necessário conhecer a resistência a 25ºC, r25º e o valor da constante de regulação.  Vejamos um exemplo: Qual é a resistência do NTC E201 ZZ181 a 100ºC?

Através da tabela do fabricante, obtemos os dados: r25º = 1.000W; B = 5.000ºK; Resistência R a 25ºC = 20W; Para uma temperatura de 100ºC e B= 5000ºK, teremos: Rt = R25º / 20 = 1.000W / 20 = 5W.

O tempo de recuperação é o tempo que um NTC leva para atingir a metade do valor de sua resistência a 25ºC, depois de aquecido à sua dissipação máxima e colocado em ambiente de temperatura constante sem corrente de ar. A estabilidade do NTC é a propriedade do mesmo atingir um valor constante de resistência depois de um certo tempo de uso.

Resistores com Coeficiente de Temperatura Positivo (PTC): é um resistor não linear que conduz corrente elétrica melhor no estado frio do que no estado quente, isto é, a condutibilidade se reduz com o aumento da temperatura.  Portanto, o PTC possui um coeficiente de valor positivo.

Uma característica importante do PTC é que seu coeficiente térmico positivo manifesta-se dentro de um intervalo de temperaturas, sendo seu valor bastante superior ao do NTC. No PTC o coeficiente positivo manifesta-se apenas a partir de uma temperatura chave, denominado temperatura de Curie (TC). Os PTCs podem se dividir quanto a fabricação e utilização em: PTCs metálicos (geralmente de fio);  PTCs de material cerâmico semicondutor.

PTCs metálicos: Baseiam seu funcionamento no princípio de condução de corrente nos metais, ou seja, quanto mais elevada for a temperatura (devido as perdas do efeito Joule), maior será o valor de sua resistência.

Podemos citar como exemplo o condutor de cobre cujo coeficiente de temperatura r é  , em outras palavras, para um aumento de 1 grau da temperatura, sua resistência eleva-se 0,39%. Outros tipos de metais também são utilizados, como prata, alumínio e tungstênio.

Estas características são muito empregadas na fabricação de resistores de óxido de ferro. A figura abaixo mostra as curvas características dos PTCs com diversos valores de temperatura de Curie.

PTCs de Cerâmica Semicondutora: Possuem a propriedade de ter seu valor de resistência elevado rapidamente dentro de uma faixa de temperatura muito estreitas, resultando valores elevados de coeficiente de temperatura r, da ordem de  , o que significa que para cada 1 grau de aumento da temperatura, a resistência aumenta em 60%.

São geralmente fabricados de materiais compostos de cerâmicas ferro-elétricas como o titanato de bário (BaTiO3). Os materiais não condutores somente adquirem condutividade específica mediante um processo de dopagem, geralmente o antimônio. Acima de temperatura de Curie ocorre uma rápida elevação da resistência, com redução da constante dielétrica.

Em resistores de óxido de ferro a temperatura de Curie tem um valor aproximado de 800ºC, no entanto através de processos adequados de dopagem pode-se controlar e predeterminar uma temperatura de Curie e o grau de elevação da resistência do PTC.

O Resistor Dependente de Luz (LDR) é um tipo de resistor que varia de resistência  à partir da luminosidade captada. O LDR è constituído de cádmio, um material semicondutor, que é disposto na superfície do componente. Esse material tem a propriedade de diminuir sua resistência quando a luminosidade sobre ele aumenta. Já quando está escuro ou a luminosidade é baixa, a sua resistência é aumentada. Escuridão : resistência máxima, geralmente acima de 1M ohms. Luz muito brilhante : resistência mínima, aproximadamente 100 ohms. O LDR é muito utilizado nas chamadas fotocélulas que controlam o acendimento de poste de iluminação e luzes em prédios.

Informações sobre Resistores "LDR" podem ser obtidas no link: 24_05_07 Resistor "LDR" .

Um Resistor Dependente da Tensão (Varistor ou VDR) é um componente eletrônico cujo valor de resistência elétrica é uma função inversa da tensão aplicada nos seus terminais. Isto é, a medida que a diferença de potencial sobre o varístor aumenta, sua resistência diminui.
Os VDRs são geralmente utilizados como elemento de proteção contra transientes de tensão em circuitos, tal como em filtros de linha. Montados em paralelo com o circuito que se deseja proteger, impedem que surtos de pequena duração os atinjam, por apresentarem uma característica de "limitador de tensão".
© Direitos de autor. 2019: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 01/04/2019

Aula 07 - Resistores Variáveis

 Existem dois tipos de resistores variáveis. Um deles é o resistor variável cujo valor é mudado facilmente, como o ajuste do volume do rádio.

A outra é o resistor semifixo que não se destina a ser ajustado por qualquer pessoa, mas um técnico. É usado para ajustar o estado de funcionamento do circuito pelo técnico. Resistores semifixo são utilizados para compensar as imprecisões dos resistores, e para ajustar um circuito. O ângulo de rotação da resistência variável é geralmente de cerca de 300 graus. Estes são chamados de "Potenciômetros" ou "Trimmer".

Veja na foto a resistência variável normalmente usado para controles de volume (no canto direito). O seu valor é muito fácil de ajustar. As quatro resistências no centro da foto é do tipo semifixo. Estes são montados na placa de circuito impresso. As duas resistências na esquerda são os potenciómetros aparador. Este símbolo é usado para indicar uma resistência variável em um diagrama elétrico.

Há três maneiras em que o valor de um resistor variável pode mudar de acordo com o ângulo de rotação de seu eixo. O tipo "A" ao girar no sentido horário, as mudanças de resistência alteram de  valor lentamente e, em seguida, na segunda metade de seu eixo, sua resitência muda muito rapidamente. A resistência variável tipo "A" é normalmente utilizado para o controlo do volume de um rádio, por exemplo. É bem adequado para ajustar os som baixos sutilmente, no entanto o ouvido não é tão sensível a pequenas alterações nos sons altos. A maior mudança é necessária dado que o volume é aumentado.
Já o tipo "B", a rotação do eixo e a mudança do valor da resistência estão diretamente relacionados. A taxa de variação é a mesma, linear, ao longo do variação da linha central. Este tipo serve um ajuste do valor da resistência de um circuito. Eles são muitas vezes chamados de "lineares".
Tipo "C" muda maneira exatamente oposta ao tipo "A". Nas fases iniciais da rotação do eixo, as mudanças de valor de resistência mudam rapidamente, e na segunda metade, a alteração ocorre mais lentamente. Este tipo não é muito usado.

Resistores variáveis possuem um código de 3 dígitos na sua configuração mais comum. Nesse código, os dois primeiros números representam os dois primeiros dígitos da resistência. O terceiro dígito significa o fator de multiplicação ou número de zeros que deve ser acrescentado. No caso do código 103. Ficamos então com 10 000 Ω ou 10 k Ω. A tolerância é indicado pelas letras: J - 5%, K - 10%, M - 20%, P - 25% e N - 30%.

Potenciômetro: é um componente eletrônico que possui resistência elétrica variável. Geralmente, é um resistor de três terminais onde a conexão central é deslizante e manipulável. Se todos os três terminais são usados, ele atua como um divisor de tensão. Existem comercialmente, potenciômetros confeccionados com substrato em fio e carvão condutivo, o que limita a corrente elétrica que circula nestes.

Há potenciômetros cujo giro é de 270 graus e outros de maior precisão chamados multivoltas.

Em relação à curva de resposta em função do ângulo de giro do eixo, existem dois tipos de potenciómetros, os lineares (sufixo B ao final do código) e os logarítmicos (sufixo A ao final do código comercial do valor).Exemplo de especificação de potenciômetro linear: 50 kB, ou seja, de 50.000 ohms, linear.

Os potenciômetros lineares possuem curva de variação de resistência constante (linear) em relação ao ângulo de giro do eixo. Os potenciômetros logarítmicos, por sua vez, apresentam uma variação de resistência ao ângulo de giro do eixo mais adaptada à curva de resposta de audibilidade do ouvido humano. Considerando um aparelho de som, os potenciometros lineares são recomendados para uso em controle de tonalidade (graves, médios e agudos) já os logarítmicos são mais recomendados para controles de volume.

Trimpots: estes resistores semi fixos são versões em miniatura do resistor variável. Eles são projetados para ser montado diretamente na placa de circuito e ajustado apenas quando o circuito é construído.

Por exemplo, para definir a frequência de um tom de alarme ou a sensibilidade de um circuito sensível à luz. Uma pequena chave de fenda ou ferramenta similar é necessário para ajustar as predefinições.Os Trimpots são muito mais baratos do que os potenciômetros (resistores variáveis) ​​por isso que eles às vezes são usados ​​em projetos onde um resistor variável poderia ser normalmente usado. Trimpots Multivoltas são usados ​​onde ajustes muito precisos devem ser feitas. O parafuso deve ser rodado várias vezes (10 +) para mover o cursor de uma extremidade da pista para a outra, proporcionando um controle muito fino. O Trimpots não se destina a ser ajustado por qualquer pessoa, mas um técnico. É usado para ajustar o estado de funcionamento do circuito pelo técnico. Eles são utilizados para compensar as imprecisões dos resistores, e para ajustar um circuito. O ângulo de rotação da resistência variável é geralmente de cerca de 300 graus. Alguns resistores variáveis ​​devem ser girados várias vezes para usar toda a gama de resistência que eles oferecem. Isto permite ajustes muito precisos de valor. Estes são chamados de "Trimpot" ou "Potenciômetros Trimmer". A resistência da fotografia é do tipo semifixo (Trimpot). Estes são montados na placa de circuito impresso e são os do tipo multi voltas.

Informações sobre Resistores Variáveis podem ser obtidas no link: 21_04_01 Resistor variável.

EX 06.4 - Desafio: Indicador de nível de bateria com resistores e LED's

 Indicador de nível de bateria com resistores

Leds de cor verde (green), amarelo (yellow) e vermelho (red) podem ser empregados neste projeto.

O que irá acontecer é que o led acenderá de acordo com a tensão elétrica exercida entre os terminais + e -.

Este circuito pode ser usado como voltímetro de até 15 vdc, projeto muito útil para quem faz uso de fonte de bancada e precisa estar atento em qual tensão estará na saída da fonte.

No link a seguir há exercício de aplicação de um Indicador de baterias de com resistores e LEDs em série: 24_05_06 Indicador de baterias com resistores e LEDs em série SRG.

© Direitos de autor. 2019: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 01/04/2019

Aula 06.4 - Resistores e Diodo Emissor de Luz

Se você conectar um LED á alimentação de 5 volts diretamente, você irá queimá-lo instantaneamente. A alta corrente destruiria a junção pn. Para isso não ocorrer usamos um resistor limitador de corrente. Um LED vermelho usualmente trabalha com corrente direta máxima (IF) de 20 mA e tensão direta de VF: 2,0 Volt. Se quiser usá-lo onde a fonte de alimentação é de 5 Volt, temos que usar um resistor para dissipar os 3 volts restantes. Para calcular o resistor, usamos: R = V / I = (5 Volt - 2 volt) / 20 mA = 150 Ohm.
Para o resistor não queimar por excesso de calor, temos que calcular a dissipação de energia. Esta se calcula como: P = V * I =  (5 Volt - 2 volt) x 20 mA = 3 volts * 20 mA = 70 mW. Portanto, é seguro escolher um resistor de 150 Ohm com potência de 1/4 Watt (3 vezes mais potente o resistor irá trabalhar frio).
A tabela abaixo mostra as várias intensidades de corrente para diferentes cores de LED's de 5 milímetros. Usando a equação anterior com o correspondente LED que você deve ser capaz de calcular o valor da resistência necessária.
Objetivo: Medir tensão e corrente, calcular potência em resistores. Efetuar medidas com o multímetro, aprendendo a manuseá-lo de forma cuidadosa e correta.

Atividade Prática 01 : Fazer  medidas de tensão e corrente em resistores associados em série com LED's utilizando multímetro, com os valores da leitura calcular a potência dissipada e medir a temperatura do componente e fazer as anotações em tabela.

No link a seguir há exercícios de aplicação: 23_05_06 Aplicação de associação de resistores (LED)  e o relatório esperado da atividade: 24_04_06 R4 Circuitos LED's: Simples, Série e Paralelo .

© Direitos de autor. 2004: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 23/05/2023

Aula 06.3 - Divisor de tensão com resistores

Nesta atividade iremos interpretar e aplicar a lei de Ohm em um circuito e montar o circuito em matriz de contatos (protoboards), obedecendo às recomendações na montagem dos componentes. Iremos também calcular as tensões em cada elemento do circuito, calcular as correntes em cada ramo do circuito e calcular a potência dissipada no resistores. Simular o circuito utilizando software, medindo as correntes e tensões em cada elemento resistivo do circuito. E por fim montar o circuito no protoboard. Medir as tensões sobre cada elemento do circuito e medir a corrente no ramo do resistor R2. Comparar os valores medidos e calculados. 

Figura 01 - Divisor de tensão com duas resistências em série.

Teoria: Ao conjunto de n resistências associadas em série dá-se o nome de divisor de tensão. Num circuito divisor de tensão, determina-se a queda de tensão ora numa ora noutra resistência, queda essa, que é uma fracção da tensão total aplicada. Supondo que a uma associação em série de duas resistências se aplica uma tensão V, a tensão existente entre os terminais de cada elemento é dado pela fórmula da figura 01. 
O divisor de tensão aplica-se somente quando se conhece a tensão Vin e Vout nos terminais de uma associação em série de resistências.
Prática: Monte o circuito com as duas resistências acima, calcule e utilize o multímetro para medir a tensão V0. Compare o valor esperado com o valor prático. Dados Vi = 12 V, R1 = 1000R, R2 = 470R.

 

No link a seguir há exercícios de aplicação: 19_03_02 Aplicação de associação de resistores (LED) 

© Direitos de autor. 2019: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 01/04/2019
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EX 06.3 - Desafio: Circuito Misto

 Dada a fonte com divisor de tensão vista na figura abaixo:

1. Determine a tensão E da fonte de alimentação;
2. Determine os valores dos resistores de carga RL2 e RL3;
3. Determine os valores dos resistores R1, R2 e R3;

O resistor RL1 está em paralelo com os outros resistores, então a tensão VRL1 pode ser encontrada pela relação:

    VRL1 = RL1 x IRL1 = 1600 x 0,040 = 64 V;

RL2 está ligado nos pontos de tensão 48V e 0V, então a tensão VRL2 é de 48V, então temos:

    RL2 = VRL2 / IRL2 = 48 / 0,012 = 4000 Ω; 

    

Fazendo o mesmo para o RL3, ligado nos pontos de tensão 24V e 0V, tensão de 24V, temos:

   RL3 = VRL3 / IRL3 = 24 / 0,008 = 3000 Ω; 

R1 está ligado entre os pontos de tensão 64V e 48V, então a tensão é 16V. Além disso, a corrente do circuito é de 72mA, e como 40mA vai para o resistor RL1, então para R1 vai 72-40 = 32mA de corrente. Logo temos:

    R1 = VR1 / IR1 = 16 / 0,032 = 500 Ω;

R2 está ligado entre os pontos de tensão 48V e 24V, então a tensão é de 24V. Além disso, 12mA de corrente vai para o resistor RL2, e com isso sobra 32-12 = 20mA para o resistor R2, logo temos:

    R2 = VR2 / IR2 = 24 / 0,020 = 1200 Ω;

R3 está ligado entre os pontos de tensão 24V e 0V, então a tensão é de 24V. Além disso, 8mA de corrente vai para o resistor RL3, e com isso sobra 20-8 = 12mA para o resistor R3, logo temos:

    R3 = VR3 / IR3 = 24 / 0,012 = 2000 Ω;

No link a seguir há exercício de aplicação de um Voltímetro de resistores e LEDs: 24_05_06 Voltímetro de resistores  e LEDs.

© Direitos de autor. 2021: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 30/04/2021