Análise sobre experimentos com potenciômetros para a ... · utilizando dispositivos de baixo...

Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR

Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciência e Tecnologia - PPGECT

II Simpósio Nacional de Ensino de Ciência e Tecnologia

07 a 09 de outubro de 2010 ISSN 2178-6135

Artigo número: 61

Análise sobre experimentos com potenciômetros para a introdução do uso de

sensores em cursos de física

João E. M. Perea Martins

Andréa Carla Gonçalves Vianna

Resumo

Este artigo propõe uma abordagem sobre o uso de sensores no ensino de física, discutindo a utilização de um circuito eletrônico simples e de baixo custo, composto por um potenciômetro e um resistor, para simular determinadas características do comportamento de sensores lineares e não lineares. Além dos experimentos com potenciômetros, o trabalho também apresenta uma revisão de alguns conceitos fundamentais sobre sensores e inclui uma abordagem para exemplificar, de forma prática e simples, os sensores lineares e não lineares, utilizando dispositivos de baixo custo como o sensor de temperatura LM35 e um LDR, respectivamente.

Palavras-chave: sensores, potenciômetros, função de transferência,

instrumentação.

Abstract

This paper is focused on the didactical approach about sensors in the physics education, explaining the use of a simple and low cost electronic circuit composed by one potentiometer and one resistor to simulate the behavior of linear and non-linear sensors. The article includes an initial conceptual approach about sensors. Subsequently, it shows a simple way to demonstrate in classroom, linear and non-linear sensor with the temperature sensor LM35 and a LDR,





Artigo número: 61

respectively; presents the use of a potentiometer for practical experiments in laboratory and also includes a mathematical approach about the sensors function of transference.

Keywords: sensors, potentiometers, function of transference,

instrumentation.





Artigo número: 61

1. Introdução

Os sensores são dispositivos amplamente utilizados na física e podem ser uma ferramenta

extremamente poderosa no ensino desta ciência, tendo aplicações na mecânica, óptica,

eletricidade, etc.. É interessante destacar que nos últimos anos houve um acentuado

desenvolvimento na área de sensores, o que permitiu o surgimento de dispositivos mais

eficientes e de menor custo. Porém, apesar dos avanços tecnológicos, em muitos casos ainda

existe uma séria falta de recursos para a montagem de laboratórios e para o treinamento de

professores, o que justifica esforços no desenvolvimento de experimentos de baixo custo e de

fácil implementação, voltados especificamente para o ensino de física. Baseado neste foco é que

o presente trabalho é apresentado.

Michalski e Rak (2005) mostram que, embora o desenvolvimento tecnológico e a

globalização tenham favorecido significativamente a ocorrência de muitas mudanças estruturais

no ensino de ciências e de tecnologias, nem todos tem acesso às mesmas. Thacker (2003) destaca

a importância do uso de tecnologias como uma ferramenta educacional, a qual tem colaborado

com mudanças no ensino desta ciência nos últimos anos. Apesar destas modernizações, a falta de

acesso a recursos tecnológicos também é destacada por Campos e Menezes (2009), o qual mostra

que, em muitos casos, a própria experimentação no ensino de física acaba sendo confundida com

a simples demonstração de experimentos, pois as escolas não possuem laboratórios ou

infra-estrutura suficientes para o eficiente desenvolvimento de experimentos práticos. Esta

problemática é séria, pois, segundo Silva (2005) a simples interação de fórmulas e conceitos de

forma desarticulada e distante da realidade dos alunos pode tornar o ensino de física

desmotivante. Por outro lado, Pearl e Shanks (2002) mostram análises comprovando que o ensino

de física aplicada, quando feito de forma bem planejada e motivacional pode ser fundamental

para incentivar estudantes a darem continuidade aos estudos nesta área ou em áreas correlatas.

Campos e Menezes (2009) apontam uma predisposição negativa por parte de muitos alunos em

relação ao estudo da física, mas apontam que a educação deve ser alvo de inovações contínuas, o

que pode permitir uma inversão desta tendência.

Apesar da inegável importância do uso de recursos tecnológicos na educação,

Muit-Herzig (2004) deixa claro que a integração de tecnologias no currículo escolar não é uma

tarefa fácil, pois além dos recursos tecnológicos, também é requerida uma abordagem

pedagógica, exigindo que os professores tenham um pleno acesso a tecnologia em uso, o que

nem sempre é possível. Este trabalho ainda mostra que a falta de tempo e a falta de acesso às





Artigo número: 61

tecnologias de alto custo são barreiras limitantes para o uso de tecnologias na educação, sendo

que em muitos casos o treinamento de professores é focado no simples uso dos equipamentos

sem uma clara preocupação voltada para a sua eficaz integração no projeto pedagógico do curso.

Araujo e Abib (2003) mostram que, apesar de existirem muitas pesquisas sobre o uso de

experimentos no ensino de física, a maioria dos manuais de apoio ou livros ainda se parece mais

com “livros de receitas” que se limitam apenas à confirmação da teoria previamente definida.

Várias dificuldades no ensino de física são relatadas por Rezende e Ostermann (2005), os quais

apontam, entre outras coisas, a falta de tempo para preparar aulas práticas de laboratórios,

dificuldades para o uso de tecnologias e dificuldades para contextualizar o conteúdo da disciplina.

Podemos concluir, com base nos estudos descritos nesta seção, que existe um acentuado

desenvolvimento tecnológico que pode ser diretamente aplicado no ensino de física, porém, a sua

efetiva utilização ainda enfrenta problemas econômicos e estruturais, o que induz naturalmente a

uma preocupação voltada para o desenvolvimento de ferramentas de baixo custo e de fácil

implementação. Também se pode observar que, o puro e simples desenvolvimento de

equipamentos de baixo custo não é o suficiente para resolver todos os problemas relacionados a

abordagens práticas do ensino de física, porém, esta é uma contribuição significativa para uma

melhoria educacional. Assim, estas conclusões motivaram o desenvolvimento do presente

trabalho, onde apresentamos um processo de baixo custo para o estudo e desenvolvimento de

experimentos com sensores em cursos de física.

2. Implementações e Discussões

A metodologia proposta, neste artigo, para a abordagem educacional envolvendo sensores

em cursos de física é iniciada com uma abordagem conceitual sobre o tema, onde são destacadas

algumas características, como a linearidade da função de transferência. Após a abordagem

conceitual, propomos a montagem e análise de um circuito eletrônico com a utilização de apenas

um potenciômetro e de um resistor, que permite a geração um sinal de saída semelhante ao sinal

gerado por sensores lineares e não lineares, favorecendo o seu estudo.

2.1 Conceitos Fundamentais





Artigo número: 61

Tecnicamente um sensor é um dispositivo que sofre uma variação em alguma de suas

características internas em função da variação de uma grandeza externa. Por exemplo, um sensor

resistivo de temperatura sofre uma variação da sua resistência em função da temperatura, um

sensor capacitivo de umidade relativa do ar sofre uma variação da sua capacitância em função da

umidade do ar.

Em muitos casos, os sensores podem requer uma fonte externa de alimentação, ou até

mesmo um conjunto de componentes eletrônicos adicionais, para formar um circuito a partir do

qual é fornecida uma saída no formato de um sinal elétrico proporcional a grandeza medida,

conforme exemplifica a figura 1.

Figura 1 - Estrutura de um dispositivo de sensoriamento, onde, além do sensor,

o sistema também usa uma bateria e componentes eletrônicos auxiliares.

Apesar de muitos sensores exigirem uma fonte externa de alimentação, diversos sensores

são capazes de gerarem uma tensão de saída por si só, como ocorre com os termopares, que

geram uma tensão de saída em função da variação de temperatura, sem a necessidade de fontes

externas de alimentação (Lira, 2001; Fialho, 2002; Prasad et al, 2010).

Os sensores que necessitam de uma fonte externa de alimentação são chamados de

sensores ativos, enquanto que os sensores que não necessitam da fonte externa, como os

termopares, são chamados de sensores passivos (Smardzewski, 1984; Fraden, 2004;

Wilson, 2005). Muitos autores chamam este tipo de sensor de transdutor, porém, o termo

transdutor inclui qualquer mecanismo que transforme uma forma de energia em outra,

independentemente da preocupação na medição de uma grandeza física externa (Nyce, 2004;





Artigo número: 61

Prasad et al, 2010), como acontece na geração de energia elétrica em uma usina hidroelétrica.

Diante destas denominações, o INMETRO (Inmetro, 2000) estabeleceu uma portaria em março de

1995 onde é oficialmente adotada no Brasil a versão do Vocabulário Internacional de Termos

Fundamentais e Gerais de Metrologia, baseado em definições elaboradas por diversas entidades

internacionais, como o Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM) e a União Internacional

de Física Pura e Aplicada (IUPAP). Nesta terminologia é utilizado o termo Transdutor de Medição

(Inmetro, 2000; Lira, 2001), que é traduzido para o inglês como “measuring transducer” e que é

definido, na área de sensoriamento, como um dispositivo que fornece uma grandeza de saída em

função da variação de uma grandeza de entrada.

Neste caso, os sensores ativos, quando conectados a uma fonte de alimentação, e os

sensores passivos, podem ser classificados como transdutores de medição. Observe que todas

estas terminologias são muito confundidas e misturadas, inclusive por autores de livros, o que

requer uma atenção redobrada por parte do professor. É importante que o próprio professor

esclareça para os alunos a respeito das possíveis confusões que possam ser encontradas nesta

terminologia, a fim de que o aluno venha a desenvolver o seu próprio senso crítico.

2.1.1 A Função de Transferência de Sensores

Uma das principais características de um sensor é a sua função de transferência, que

estabelece a relação entre o sinal elétrico de saída e a grandeza física medida. Esta função é muito

importante para que se possa entender grande parte do comportamento do sensor. A figura 2

exemplifica a função de transferência para um sensor linear e um sensor não linear.





Artigo número: 61

Figura 2 - Exemplificação da função de transferência linear e não linear.

Além da função de transferência, o estudo básico de sensores pode incluir conceitos

fundamentais, como:

• Tipo do sensor: Indica a sua característica interna de variação e o parâmetro físico

medido, como, por exemplo, sensor resistivo de temperatura;

• Linearidade: Indica se a curva da função de transferência é linear ou não linear.

Sensores não lineares exigem técnicas mais específicas para a sua utilização prática;

• Resolução: é a menor variação da grandeza física medida que pode provocar

alterações nas características do sensor;

• Sensibilidade: É a relação entre a variação da grandeza física medida e a variação do

sinal de saída;

• Exatidão: É a diferença entre o valor real da grandeza medida e o valor indicado pelo

dispositivo de sensoriamento. Ou seja, simplificadamente, a exatidão representa o

erro da medição;

• Precisão: A precisão representa a repetibilidade da medição. Ou seja, se a grandeza

externa medida for mantida em um valor fixo, a precisão indica a variação (diferença)

que pode existir entre diversas medições sucessivas para o mesmo valor fixo da

grandeza;

• Faixa de operação: Indica o valor mínimo e o máximo que o sensor pode detectar da

grandeza física medida;

• Faixa de sinal de saída: é indicada como a faixa do valor do sinal de saída associada à

faixa de operação.

Observe que se o sensor não for exato, mas for preciso, o valor da medição poderá ser

corrigido, pois ele irá apresentar um comportamento repetitivo, ou seja, a proporção do erro será

sempre a mesma. Neste trabalho, o foco é na linearidade da curva de transferência, o que será

analisado nas próximas seções.





Artigo número: 61

2.1.2 Sensores Lineares

Uma das maneiras mais simples e eficientes de se introduzir sensores lineares em

laboratórios didáticos é com o sensor de temperatura LM35, que é um sensor na forma de

circuito integrado, que tem um saída linear de 10 mV/°C. O custo deste sensor gira na faixa entre

R$ 5,00 e R$ 10,00 e pode ser facilmente comprado pela Internet, o que facilita significativamente

o seu uso. Além disto, este sensor tem características muito interessantes, como saída

diretamente calibrada em graus Celsius, não necessita de nenhum dispositivo eletrônico auxiliar

de calibração, faixa de medição de -55°C a +150°C e alimentação com tensão de 4 a 30 Volts.

A figura 3, nos itens (A) e(B), mostra uma foto do sensor LM35 e a pinagem do LM35 vista

pela parte de baixo do sensor, a qual é formada por apenas três pinos. Os pinos Vcc e GND são

utilizados para ligação da fonte de alimentação e o pino intermediário (Vout) é para o sinal de

saída linear de 10mV/°C, proporcional a temperatura medida.

Figura 3 - (A) Foto do sensor de temperatura LM35. (B) Desenho dos

pinos do sensor, vistos por baixo.

O sensor também pode ser colocado diretamente em algumas superfícies para medição

térmica, sendo que a temperatura do sensor fica em um limite com uma diferença máxima de

0,01°C da superfície. Em alguns casos onde existe a interferência do vento, o sensor pode ser

colocado em um encapsulamento formado por uma ampola de metal ou resina epoxy

(Carlton et al, 2008). A figura 4 ilustra a utilização de um multímetro para a implementação de um

experimento simples e eficiente para medição da temperatura ambiente com o LM35. Como a

saída do LM35 é de 10mV/°C, se o multímetro for colocado para medição da tensão na faixa de

mV, então a medição da temperatura poderá ser facilmente realizada dividindo-se o valor da





Artigo número: 61

tensão por dez. Por exemplo, uma tensão de 250 mV indica a medição de uma temperatura

de 25°C.

Figura 4 – Ilustração da medição direta de temperatura com o LM35 e um multímetro.

2.1.3 Sensores Não Lineares

Em um sensor não linear, a função de transferência varia de forma não proporcional à

grandeza medida. Exemplos simples e baratos de sensores lineares podem ser dados através de

sensores resistivos de temperatura como o NTC e o PTC, e também através dos sensores

resistivos dependentes de luz, chamados de LDR. Um LDR (Light Dependent Resistor) é um

resistor cuja resistência varia em função da luz que incide sobre o mesmo e, tecnicamente, mede

a grandeza definida como iluninamento. Esta grandeza é expressa em Lux (lx) e representa a

incidência de um lúmem uniformemente distribuído sobre uma área de um metro

quadrado (IPEN, 2010).

Um exemplo bastante prático para o uso de um LDR é no sistema de iluminação onde uma

lâmpada é automaticamente ligada e desligada com o por e o nascer do sol, respectivamente. A

figura 5, nos itens (A) e (B), mostra os dois símbolos utilizados para o LDR, segundo o padrão

americano e europeu, enquanto que a figura 5, no item (C,) mostra a foto real de um LDR.





Artigo número: 61

Figura 5 - (A) e (B) mostram os símbolos utilizados para representar um

LDR. (C) Foto de um LDR real.

A figura 6 mostra a função de transferência do LDR modelo Sunrom-3190 (Sunrom, 2008),

cuja resistência diminui de forma não linear em função do aumento do iluminamento.

Figura 6. Variação não linear da resistência do LDR modelo Sunrom-3190.

Termistores são resistores cujo valor da resistência varia de forma não linear em função da

temperatura, tendo diversas aplicações industriais e em circuitos eletrônicos. Os Termistores

podem ser do tipo PTC (Positive Temperatura Coefficient) ou NTC (Negative Temperature

Coefficient). A figura 7 exemplifica a função de transferência do PTC, que aumenta a resistência

em função do aumento da temperatura, e do NTC, cuja resistência diminui em função do

aumento da temperatura. A função de transferência varia de acordo com o modelo e fabricante

do termistor, porém, usualmente seguem a tendência exemplificada na figura 7 (Patsko, 2006).





Artigo número: 61

Figura 7 - Exemplificação da variação não linear dos termistores PTC e

NTC em função da temperatura

2.2 Divisores de Tensão

Um divisor de tensão é um circuito formado pela associação de resistores a partir da qual

se pode obter uma tensão de saída (Vo) derivada da tensão de entrada (Vin), conforme mostra

a figura 8.

Figura 8 – Um circuito divisor de tensão.

A tensão da saída Vo, mostrada na figura 8, é expressa pela equação (1), sendo que o

circuito poderia ser montado com a utilização de um sensor resistivo, como um PTC, NTC ou LDR.





Artigo número: 61

Vo = [Vin/(R1+R2)]*R2 (1)

2.3 Potenciômetros

O potenciômetro é um componente elétrico cuja resistência pode ser alterada diretamente

pelo usuário, dentro de uma faixa específica de valores. Ou seja, o potenciômetro é um resistor

variável, que como qualquer outro resistor, transforma energia elétrica em energia térmica

devido ao efeito Joule, podendo causar uma queda de tensão. A figura 9, nos itens (A) e (B),

mostra os símbolos utilizados para representar o potenciômetro, enquanto que a figura 9, item

(C), mostra a foto de um potenciômetro real.

Neste trabalho, os três terminais do potenciômetro são chamados de A, B e C, os quais

representam, respectivamente, o terminal inicial, o central e o final, conforme mostra a

figura 9(C). O terminal inicial e o terminal final, quando referidos em conjunto, são chamados

de terminais de excitação.

A resistência entre os terminais de excitação é fixa e é chamada resistência nominal do

potenciômetro, sendo que a resistência entre o terminal central e os de excitação é variável. O

potenciômetro tem um eixo central que é girado para variar a resistência em relação ao terminal

central (B), sendo que o ângulo mínimo de rotação (0°) é quando o terminal B está em contato

direto com o terminal A. O ângulo máximo, cujo valor varia em de acordo com o modelo e

fabricante do potenciômetro, faz com que o terminal B fique em contado direto com o terminal C.

Figura 9 - (A) e (B) símbolos utilizados para representar os

potenciômetros. (C) foto de um potenciômetro com destaque para os

terminais que, neste trabalho, são chamados de terminais A, B e C.





Artigo número: 61

O ângulo máximo é chamado ângulo de rotação mecânica ou simplesmente ângulo de

rotação, e varia conforme o modelo e fabricante do potenciômetro, assim, ao menos para efeitos

didáticos, é comum que a posição do terminal B em relação ao terminal A, seja referenciada como

uma porcentagem do ângulo de rotação. Neste trabalho, esta porcentagem será referenciada

como Porcentagem de Rotação (Pr). Por exemplo, quando o terminal B estiver em contato direto

com o A, o valor de PR será 0% e quando o terminal B estiver em contato direto com o terminal C

o valor de Pr será 100%. Desta forma, não importa qual é o valor exato do ângulo de rotação

mecânica do potenciômetro, pois estará sempre sendo referenciado a um valor relativo, o que é

muito mais simples.

Os primeiros potenciômetros foram projetados no final do século 19 e eram basicamente

compostos de um fio enrolado em um tubo com um contato deslizante, a partir do qual era

possível ajustar o valor de resistência desejado. Embora o registro de patente dos potenciômetros

tenha sido obtido em 1907 por H. P. MacLagan, somente em 1952 Marlan E. Bourns desenvolveu

uma tecnologia para a fabricação de potenciômetros de precisão em miniatura e em escala

industrial (Todd, 1975). Embora a forma de construção tenha evoluído muito, a idéia básica ainda

é utilizada nos atuais potenciômetros

A figura 10, de relevante valor histórico, mostra a ilustração publicada originariamente por

Evans (1914) sobre a estrutura um resistor variável comercial, cuja resistência máxima variava de

4 a 20 Ohms, conforme o fio utilizado no enrolamento.

Figura 10. Ilustração publicada por Evans (1914) para descrever os resistores

variáveis, compostos por um fio enrolado em um tubo, com um contato deslizante.





Artigo número: 61

O dispositivo apresentado na figura 10 pode ser facilmente reproduzido para experiências

didáticas com o uso de uma resistência de chuveiros. A figura 11 mostra a construção de um

resistor variável, que foi construído com uma resistência de chuveiros, a qual pode ser comprada

em qualquer loja especializada ou até supermercados, e tem uma estrutura similar a apresenta

por Evans. No dispositivo da figura 11 a resistência máxima medida foi de 17 Ohms, o que fica

bem perto dos valores descritos no dispositivo de 1914.

Figura 11 – Foto de um resistor variável para fins didáticos, montado com

resistência de chuveiro, inspirado na proposta original descrita em Evans (1914).

Os potenciômetros têm

diversas características diferentes, porém as principais podem ser resumidas em:

• Resistência nominal: I

• Vida útil: Também é chamada de vida média entre falhas e indica o número de

operações que o potenciômetro pode realizar antes de apresentar falhas devido ao

sistema mecânico de contato existente em seu interior. Este valor é usualmente

muito alto e assegura milhões de rotações completas entre os terminais de excitação;

ndica o valor da resistência entre o terminal inicial e o final

(terminais de excitação). Este valor é medido em Ohms e os modelos comerciais

normalmente apresentam uma tolerância que varia de ±5% a ±10%;

• Ângulo de rotação mecânica: Conforme descrito anteriormente, determina o ângulo

existente entre os terminais de excitação;





Artigo número: 61

• Torque: É a força necessária para movimentar o terminal central em torno do eixo do

potenciômetro;

• Resolução: Determina o giro mínimo do terminal central para que seja detectada uma

variação da resistência. Normalmente, giros extremamente pequenos já causam

variações da resistência;

• Curva característica: Esta curva representa o modo como a resistência varia entre o

terminal inicial e o terminal central, em função da rotação do eixo central. Assim, os

potenciômetros podem ser classificados em linear, logarítmico e anti-logarítmico.

2.4 Simulação da Função de Transferência com Potenciômetros

Embora existam sensores de baixo custo no mercado, na realidade de muitas escolas, a sua

aquisição pode encontrar dificuldades como a seleção dos componentes, entregas ou mesmo de

falta de verbas para pequenas despesas. Diante disto, este trabalho propõe o desenvolvimento de

experimentos com o uso de simples potenciômetros lineares, que podem ser facilmente

encontrados no mercado ou até mesmo retirados de velhas sucatas eletrônicas. Com estes

potenciômetros é possível simular o comportamento de sensores resistivos lineares e não

lineares, possibilitando uma série de experimentos interessantes. No experimento, é possível

fazer a resistência variar de forma linear e não linear, como se fosse a resistência de um sensor, e

também é possível fazer a tensão variar da mesma forma, como se fosse um transdutor de

medição. Mesmo em escolas que tenham laboratórios com sensores disponíveis, os experimentos

propostos neste trabalho podem ser interessantes devido ao seu forte caráter educacional.

2.4.1 Variação linear da resistência e tensão

A figura 12 mostra um circuito composto de um potenciômetro linear de 1 KΩ e um resistor

(Rx), que permite a obtenção de uma tensão de saída (Vo) linear, que varia em função da Pr do

potenciômetro e tem características dependestes do valor de Rx.





Artigo número: 61

Figura 12 – Esquema do circuito onde as características da tensão de

saída variam em função de PR, e dependem do valor de Rx.

Note que na figura 12, os pinos A, B e C do potenciômetro seguem a ordem mostrada na

figura 9(C). A figura 13 mostra que o gráfico de variação da tensão Vo em função da porcentagem

de rotação (Pr) do potenciômetro linear de 1 KΩ. Este gráfico de tensão forma uma reta, cujo

ângulo varia em função de resistor Rx. Para Rx igual a 0 Ω, o ângulo da reta é 45°, sendo que o

mesmo diminui a medida que o valor de Rx aumenta, conforme é mostrado na figura 13 para

valores de Rx iguais a 0 Ω, 100 Ω, 200 Ω e 500 Ω.

Figura 13 – Variação de Vo em função de Pr, para diferentes valores de Rx.





Artigo número: 61

Estes experimentos permitem fazer a variação de uma resistência análoga a de um sensor

linear e também permite a obtenção de uma tensão de saída linear, com gráfico da curva em

diversos ângulos, análoga a de um transdutor de medição linear.

2.4.2 Variação não linear da resistência

Um potenciômetro linear e um resistor são suficientes para a montagem de um circuito que

pode ter uma curva característica não linear e, portanto, simular o comportamento de um sensor

resistivo não linear como um NTC, PTC ou LDR. Observe que, ao invés de um potenciômetro linear

e de um resistor, poderia ser utilizado diretamente um potenciômetro não linear para esta

simulação, porém, um potenciômetro linear específico tem sempre a mesma curva de variação da

resistência. Com isto, o uso de um potenciômetro linear e de um resistor tem uma grande

vantagem neste tipo de experimento didático, que é a de permitir que as variações da resistência

e da tensão sejam ajustadas de acordo com os valores do potenciômetro e do resistor. Assim, é

possível fazer diversos experimentos, levantar diversas curvas características, e fazer uma

aproximação muito mais fiel de sensores reais.

A figura 14 mostra um circuito elétrico onde um resistor é colocado entre os terminais B e C

de um potenciômetro. Neste caso, a resistência entre os terminais A e B será chamada de Ra,

enquanto que a resistência ente os terminais B e C será chamada de Rb. O resistor externo

colocado entre o terminais B e C será chamado de Rx. Observe que Rx forma uma associação de

resistores em paralelo com o valor de Rb e o valor desta associação será chamado de Rp.





Artigo número: 61

Figura 14 -. Esquema do circuito para obtenção de uma tensões com

características não lineares.

No circuito da figura 14, a resistência total, medida entre os terminais A e C do

potenciômetro é calculada de acordo com a equação (2).

RT = Ra + Rp (2)

Sendo que o valor de Rp é calculado como:

Rp = (Rb*Rc)/(Rb+Rc) (3)

A figura 15 mostra a variação de resistência Rp, medida em um circuito com um

potenciômetro linear de 1 KΩ e valores do resistor Rx com 100Ω, 500Ω e 600Ω. Estes valores de

Rx foram escolhidos intencionalmente, pois 500Ω é exatamente metade do valor de resistência

nominal do potenciômetro utilizado no experimento. O valor de 100 Ω está bem abaixo da

metade, enquanto que o valor de 600Ω está apenas um pouco acima da metade. Isto permite

analisar o comportamento das curvas em função da relação percentual existente entre Rx e o

valor nominal do potenciômetro.

Figura 15 - Variação de Rp em função de Pr, utilizando um

potenciômetro linear de 1 K Ω e diferentes valores de Rx.





Artigo número: 61

Neste experimento é possível a obtenção de diferentes curvas não lineares de resistência,

cuja variação pode ser facilmente obtida com a simples troca do valor de Rx. Neste circuito, o

próprio resistor Rx poderia ser substituído por um segundo potenciômetro, facilitando o

desenvolvimento de um experimento para o levantamento de diversas curvas características.

2.4.3 Variação não linear da tensão

A tensão obtida nos terminais do potenciômetro da figura 14 pode ser análoga à tensão de

saída de transdutores de medição não lineares. Neste trabalho, a tensão entre os terminais inicial

e central (A e B) é chamada de Va e a tensão entre os terminais central e final (B e C) é chamada

de Vp.

A figura 15 mostra a variação de tensão Va quando utilizados resistores Rx de 100Ω, 500Ω e

600Ω. A figura 16 mostra a variação de tensão Vp quando utilizados resistores Rx de 100Ω e 500Ω

e 600Ω. Na determinação das tensões nas figur as 15 e 16, o potenciômetro utilizado foi sempre

um modelo linear de 1 KΩ.

Figura 15 - Variação da tensão Va em função de Pr, para diferentes

valores de Rx.





Artigo número: 61

Figura 16 - Variação da tensão Vp em função de Pr, para diferentes

valores de Rx.

As figuras 15 e 16 mostram que com o circuito da figura 14 é possível a obtenção de curvas

não lineares crescentes e decrescentes de tensão, sendo que o valor de Rx influencia diretamente

estas curvas. Portanto, o circuito proposto na figura 14 permite que o aluno faça experimentos a

fim de ajustar a curva do sinal de modo que a mesma fique melhor ajustada ao padrão

estabelecido pelo professor.

5. Conclusões

Este artigo fez uma abordagem sobre alguns tópicos conceituais na área de sensores e

mostrou que sensores baratos e de fácil aquisição, como o LM35 e um LDR, podem ser muito

eficientes para práticas em cursos de físicas. O artigo também prova que é possível utilizar

circuitos eletrônicos extremamente simples e baratos para mostrar o comportamento de curvas

características de sensores e transdutores de medições lineares e não lineares, em laboratórios de

física. É possível, de forma simples e objetiva, mostrar aos alunos como gerar curvas

características de tensão de saída semelhantes às geradas por sensores reais, o que, mesmo em

laboratórios de física com recursos, pode ser considerado um experimento bastante didático e

motivacional. Estes experimentos, além dos conceitos sobre sensores, também compõe uma

interessante forma de consolidar conceitos básicos de eletricidade. Desta forma, este trabalho





Artigo número: 61

mostra que, de forma criativa, é possível introduzir o estudo sobre sensores, mesmo em escolas

com poucos recursos materiais.

6. Referências

ARAUJO, MAURO S. T.; ABIB, M. L. V. DOS SANTOS. Atividades experimentais no ensino de física:

diferentes enfoques, diferentes finalidades. Revista Brasileira de Ensino Física, v.25, n.2,

pp. 176-194, 2003.

CAMPOS, E. S.; MENEZES, ANA P. S. Práticas Avaliativas no ensino de física na amazônica. Latin

American Journal of Physics Education. v. 3, n.3, Sept. 2009.

CARLTON, K.; LISGARTEN, D.; SCHIMMIN, J. A simple temperature probe. Physics Education,

pp. 28-29, Jan. 2008.

EVANS, H. J. Progressive electro-dynamics equipment – Bulletin n° 12. Central Scientific

Company, Chicago, IL, USA, 1914. Disponível em <http://www.sil.si.edu/digitalcollections/trade-

literature/scientific-instruments/pdf/sil14-51677.pdf>, acesso em 02/06/2010.

INMETRO. Vocabulário Internacional de Termos Fundamentais e Gerais de Metrologia, 2ª Edição

(ISBN 85-87090-90-9), Brasília, DF, Brasil, 2000.

IPEN - Instituto de Pesos e Medidas do Estado de São Paulo. Unidades Ópticas. Disponível em

<http://www.ipem.sp.gov.br/5mt/unidade.asp?vpro=otica>, acesso em 01/07/2010.

PASELK, R. Scientific Instrument Museum – Slide Wire Rheostat. Humboldt State University.

Disponível em < http://www.humboldt.edu/scimus/HSTC.27-35/Descriptions/Rheostat.htm>,

acesso em 10/05/2010.

PATSKO, L. F. Aplicações, Funcionamento e Utilização de Sensores, Maxwell Bohr Instrumentação

eletrônica, 2006. 84 p. Tutorial-Apostila.

PEARL, JOHN; SHANKS, R. Photonic classes in high school. Proceedings of the Seventh

International Conference on Education and Training in Optics and Photonics. SPIE, , v. 4588, pp.

89-102, 2002.

PRASAD, J.; . JAYASWAL, M. N; PRIYE, V. I.K. Instrumentation Process Control, International

Publishing House Pvt, Ltd., New Delhi, India, 2010.





Artigo número: 61

FIALHO, A. B. Instrumentação Industrial: Conceitos, Aplicações e Análises, 1ª ed., Editora Érica,

São Paulo - SP, Brasil, 2002.

FRADEN, J. Handbook of Modern Sensors: Physics, Design, and Applications, Springer Science

Busines Media, Inc, 3rd ed., p. 7, 2004.

LIRA, F. A. Metrologia na Indústria, 1ª ed., Editora Érica, São Paulo - SP, Brasil, 2001.

MUIT-HERZIG, R. G. Technology and its impacts in the classroom. Computers & Education. v. 42,

n. 2, pp. 111-131, feb. 2004.

NYCE, D. S. Linear Position Sensors – Theory and Applications, John Wilew & Sons Editor,

Hoboken - NJ, USA, 2004.

RAK, R. J.; MICHALSKI, A. Education in Instrumentation and Measurement: The Information and

Communication Technology Trends. IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, pp. 61-69.

June 2005.

REZENDE, F.; OSTERMANN, F. A prática do professor e a pesquisa em ensino de física: Novos

elementos para repensar essa relação. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v.22, n.3, pp.316-

337, Dez. 2005.

SMARDZEWSKI, R. R. Microprocessor programming and applications for scientists and engineers,

Elsevier, The Netherlands, p. 155, 1984.

Sunrom Technologies. Datasheet - LDR Model #3190. Disponível em

<www.sunron.com/p-510.html>, 2008, acesso em 01/07/2010.

THACKER, Beth Ann. Recent Advances in classroom physics. Reports on Progress in Physics. v. 66,

pp. 1833-1864, 2003.

TODD, CARL D. The potentiometer handbook. McGraw-Hill, USA, 1975

WILSON, J. S. Sensor Technology Handbook, Newnes-Elsevier Editor, USA, p. 16, 2005.

João E. M. Perea Martins. Professor no Departamento de Computação da Faculdade de

Ciências (FC) da Universidade Estadual Paulista (UNESP), no Campus de Bauru-SP.

[email protected]





Artigo número: 61

Andréa Carla Gonçalves Vianna. Professora no Departamento de Computação da Faculdade de

Ciências (FC) da Universidade Estadual Paulista (UNESP), no Campus de Bauru-SP.

[email protected]

Análise sobre experimentos com potenciômetros para a ... · utilizando dispositivos de baixo...

Documents

Transcript of Análise sobre experimentos com potenciômetros para a ... · utilizando dispositivos de baixo...