Fundamentos para Eletrônica e Sistemas de Medidas

Prof.: Geraldo Cernicchiaro

geraldo@cbpf.br

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

SQUID

Medidas de transporte elétrico

Physical Property Magnetic System - PPMS

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