análise da variação da resistência em função da...
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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Análise da Variação da Resistência em Função
da Intensidade da Luz e da Temperatura
Projeto FEUP 1º Ano- Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores:
Manuel Firmino da Silva Torres José Nuno Moura Marques Fidalgo
Equipa EC 04:
Supervisor: Nuno Almeida Monitor: Joana Fonseca
Estudantes & Autores:
André Fonseca [email protected] Miguel Macedo [email protected]
Felipe Dantas [email protected] Murilo Nóbrega [email protected]
João Garrido [email protected] Pedro Azevedo [email protected]
1
Resumo
Este trabalho foi realizado no âmbito da unidade curricular "Projeto
FEUP", do 1º ano do mestrado integrado em engenharia eletrotécnica e
computadores da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Os
principais objetivos deste trabalho eram:
Desenvolver competências pessoais ao nível de comunicação
Promover o trabalho em equipa
Aprender técnicas de trabalho e pesquisa de informação
Aprender a redigir um relatório científico, elaborar um póster e
realizar uma apresentação
Desenvolver e expor os temas apresentados
Os temas propostos foram a variação da resistência em função da intensidade
de luz e variação da resistência em função da temperatura.
Para a primeira experiência, foram-nos fornecidos dois LDR's (Light
Dependent Resistor), um grande, com maior precisão, e um pequeno com menor
precisão, num ambiente com luminosidade minimamente controlada. Medimos a
variação da resistência em ambos os LDR's em função da luz fornecida. Foram
registrados os resultados individuais e estes comparados entre si e com os
valores de referência do fabricante.
Na segunda experiencia, utilizamos um NTC (Negative Temperature
Coefficient) para verificar a variação da resistência em função da temperatura
utilizando uma chaleira para aquecer água, um recipiente e mergulhando o NTC
dentro do mesmo. Foram registados os valores e comparados com os valores
de referência do fabricante.
2
Palavras-chave
Resistência
Luz
Temperatura
LDR
NTC
Variação
3
Agradecimentos Sendo alunos do primeiro ano e visto que estar a entrar num novo mundo
que é a FEUP, gostaríamos de agradecer a todos coordenadores deste projeto
por nos darem a oportunidade de desenvolvermos capacidades que certamente
nos serão úteis no mercado de trabalho. Entre estas capacidades não estão só
a capacidade de desenvolver métodos de apresentação como relatórios,
apresentações orais ou posters científicos, mas também a capacidade de
trabalharmos em equipa para atingir um objetivo comum.
Gostaríamos de agradecer ao professor Nuno Almeida, que se
disponibilizou sempre a esclarecer as nossas dúvidas quanto ao projeto, e á
nossa monitora Joana Fonseca pela sua disponibilidade para nos ajudar e
orientar quando necessário.
4
Índice
Resumo .......................................................................................................................................... 1
Palavras-chave ............................................................................................................................... 2
Agradecimentos ............................................................................................................................ 3
Lista de figuras .............................................................................................................................. 5
Lista de abreviaturas ..................................................................................................................... 5
Introdução ..................................................................................................................................... 6
Experiência NTC Resistência/Temperatura ................................................................................... 7
Material ..................................................................................................................................... 8
Procedimento ............................................................................................................................ 9
Resultados ............................................................................................................................... 10
Conclusões .............................................................................................................................. 11
Recomendações ...................................................................................................................... 11
Experiencia LDR Resistência/Luz ................................................................................................. 12
Material ................................................................................................................................... 13
Procedimento .......................................................................................................................... 13
LDR NORPS-12 ......................................................................................................................... 15
Resultados ........................................................................................................................... 15
Conclusões........................................................................................................................... 17
LDR VT935G ............................................................................................................................. 18
Resultados ........................................................................................................................... 18
Conclusões........................................................................................................................... 21
Conclusão ................................................................................................................................ 22
Recomendações ...................................................................................................................... 23
Bibliografia .................................................................................................................................. 24
5
Lista de figuras
Figura 1 - Esquema da montagem da experiência com o NTC (João Paulo de Sousa e
Nuno Almeida, 2016) ................................................................................................................. 9
Figura 2 - Tabela de resultados da experiência com o NTC ............................................. 10
Figura 3 – Gráfico da variação da resistência de um NTC em função da sua temperatura
..................................................................................................................................................... 10
Figura 4 - Esquema da montagem da experiência com o LDR (João Paulo de Sousa e
Nuno Almeida, 2016) ............................................................................................................... 13
Figura 5 - Tabela de resultados da experiência com .......................................................... 15
Figura 6 - Gráfico da variação da resistência em função da luminosidade para .......... 16
Figura 7 - Gráfico de referência do fabricante da variação da resistência em função da
luminosidade para o LDR NORPS-12 (RS Components, 1998) ....................................... 16
Figura 8 - Tabela de resultados da experiência do LDR VT935G .................................... 18
Figura 9 - Tabela com os valores de referência para o LDR VT935G e LDR's da mesma
família ......................................................................................................................................... 19
Figura 10 - Gráfico da variação da resistência em função da luminosidade para o LDR
VT935G ...................................................................................................................................... 20
Figura 11 - Gráfico de referência do fabricante da variação da resistência em função da
luminosidade para o LDR VT935G (Photoconductive Cells and Analog Optoisolators
(Vactrols®),2016) ..................................................................................................................... 20
Lista de abreviaturas
LDR - Light Dependent Resistor
NTC - Negative Temperature Coefficient
Ftc – Foot-Candle
Lux - Luminous emittance
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Introdução
A resistência é um objeto que tem como finalidade criar uma oposição à
passagem da corrente elétrica através de seu material, ou seja, a resistência tem
como objetivo a criação de resistência elétrica.
Essa criação de resistência elétrica pode ter algumas finalidades, como
transformar energia elétrica em energia térmica (através do efeito Joule), ou
limitar a corrente elétrica de um circuito.
Uma resistência nunca causa queda de corrente elétrica num circuito. Na
verdade, uma resistência atua na queda da tensão numa parte do circuito. Isto
significa que a corrente elétrica que entra num terminal da resistência é a mesma
que sai pelo outro terminal. No entanto, há uma queda da tensão, o que nos
permite controlar a corrente elétrica dos componentes desejados.
A resistência elétrica foi criada em meados do século XIX, quando físico
e matemático alemão George Simon Ohm iniciou estudos e pesquisas com
células eletroquímicas. Ohm começou a estudar o comportamento da
eletricidade em vários tipos de metais, utilizando equipamentos por si
construídos.
Ohm desenvolveu a primeira teoria matemática da condução elétrica nos
circuitos, baseando-se no estudo da condução de calor de Fourier, fabricando
fios metálicos de diferentes comprimentos e raio usados nos seus estudos da
condução elétrica.
Em 1827, publicou as suas descobertas e estabeleceu uma relação entre
resistência, corrente elétrica e diferença de potencial, o que atualmente
chamamos de “lei de Ohm”.
Estes estudos foram extremamente importantes para a criação das
primeiras resistências.
7
Experiência NTC Resistência/Temperatura
Esta experiência pretende demonstrar a variação da resistência do NTC
em função da temperatura da água onde o NTC está colocado e comparar os
dados obtidos com os valores referência fornecidos pelo fabricante do NTC
(Negative Thermal Cooeficient).
Um NTC é um tipo de termístor. Os termístores são componentes
eletrónicos que variam a sua resistência elétrica em função da temperatura a
que se encontram. Os NTC’s por sua vez diminuem a resistência oferecida à
corrente quando a temperatura aumenta. Os NTC's são na sua maioria
produzidos com semicondutores sintetizados em laboratório e são utilizados, por
norma, num intervalo de temperaturas entre os -90°C e 130°C. Os NTC's
funcionam, pois, quando a temperatura aumenta o numero de partículas livres
com capacidade de transportar cargas elétricas o que aumenta o fluxo de
eletrões e leva à diminuição da resistência com a subida da temperatura.
No entanto os NTC's apresentam um problema denominado de auto
aquecimento, ou seja, a resistência oferecida pelo NTC à corrente elétrica leva
a um ligeiro aumento de temperatura. Isto pode levar a erros de medição e alterar
resultados experimentais.
Os NTC's são utilizados em sistemas de ativação regulados para intervalos
de temperaturas e para a medição de temperatura
8
Material
NTC
Água
Multímetro (com função de ohmímetro)
Termómetro
Cafeteira elétrica
Recipiente para água
Relógio
9
Procedimento
Para realizar a atividade experimental foi necessário montar um circuito
que ligava o NTC ao multímetro, utilizando cabos com ponta de crocodilo.
Posteriormente foi aquecida agua numa cafeteira elétrica ate ser atingida a
temperatura de 40,8°C e vertida para um recipiente onde juntamente com o NTC
foi colocado um termómetro de modo a verificar de que forma variava a
resistência do NTC à medida que a temperatura da água diminuía e se
aproximava da temperatura ambiente.
No momento que iniciamos a experiência iniciamos também um cronómetro que
nos permitiu avaliar a taxa de variação da temperatura da agua. Conforme tempo
passava foram registados os valores de resistência e temperatura de modo a
poderem ser tiradas conclusões no final da experiência. Quando a temperatura
teve uma variação significativa a experiência foi terminada e os resultados
discutidos pelos membros do grupo.
Figura 1 - Esquema da montagem da experiência com o NTC (João Paulo de Sousa e Nuno Almeida, 2016)
10
Resultados
Tabela de resultados da experiência com o NTC:
Tempo(s) Temperatura(ºC) Resistência(kOhm)
0 40,8 12,14
30 40,5 12,63
60 40,1 13,07
90 40,1 13,08
120 39,8 13,02
150 39,4 13,09
180 39,2 13,2
210 39,0 13,7
240 38,7 13,46
270 38,4 13,67
300 38,1 13,9
330 37,8 13,79
360 37,4 14,31
390 37,1 14,51
420 36,8 14,47 Figura 2 - Tabela de resultados da experiência com o NTC
Com os dados presentes na tabela acima elaborou-se o gráfico que se segue:
Figura 3 – Gráfico da variação da resistência de um NTC em função da sua temperatura
12
12,5
13
13,5
14
14,5
15
36 37 38 39 40 41
Res
istê
nci
a(kO
hm
)
Temperatura (ºC)
Variação da resistência do NTC em função da temperatura
11
Conclusões
Após a analise e discussão dos resultados com o apoio visual dos gráficos
concluiu-se o que era pretendido e esperado de acordo com o funcionamento
teórico de um NTC. Isto é, quando a temperatura diminui em geral verificou-se
um aumento na resistência. No entanto em certas situações ocorreram
anomalias que podem ser explicadas pelo facto de o NTC em certos momentos
ter tocado as beiras do recipiente que por ser de plástico não se encontrava à
mesma temperatura que a água provocando assim alterações inesperadas nos
resultados.
Recomendações
Após a realização da experiência achamos que de modo a esta ser
cientificamente mais precisa deveríamos ter tomado algumas precauções que,
devido ao curto prazo de que tínhamos para realizar a experiência e aos poucos
recursos que tínhamos, não poderam ser implementados. Estes aspetos são
alguns como:
Utilizar algum suporte rígido para segurar a resistência e evitar que esta
tocasse no recipiente para não causar anomalias como as verificadas nos
resultados;
A temperatura inicial da água era bastante baixa o que levou a
temperatura a variar de forma bastante lenta e não permitiu a
apresentação de resultados numa gama elevada de temperaturas:
12
Experiência LDR Resistência/Luz
Esta experiência pretende demostrar a variação do LDR em função da
intensidade de luz e comparar os dados obtidos com os dados referência do
LDR. Podemos ainda comparar os dois LDR’s utilizados relativamente à
sensibilidade e precisão.
O LDR é uma resistência variável em função da intensidade de luz, ou
seja, tal como uma resistência elétrica típica diminui a passagem de corrente
elétrica, contudo fá-lo em função da intensidade de luz.
O LDR é construído com materiais semicondutores que oferecem
resistência elétrica e ao incidir uma luz com uma determinada frequência, os
fotões ao atingirem o semicondutor libertam eletrões, melhorando a
condutividade e diminuindo a resistência.
Um LDR pode ser sensível a um diferente intervalo de frequência podendo
funcionar com luz visível, infravermelhos(IV) e ultravioleta(UV). Normalmente
quando a luminosidade aumenta a resistência diminui.
Os LDR têm diversas utilizações no dia a dia, passando por telemóveis,
rádios, controladores de iluminação, entre outros.
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Material
LDR NORPS-12
LDR VT935G
Breadboard
Luxímetro
Luxímetro do telemóvel
Multímetro (em função ohmímetro)
Lâmpada
Trimmer
Isolante de luz
Procedimento
Montamos o LDR (NORPS-12 em primeiro lugar) na breadboard e depois
com o multímetro em função ohmímetro ligado à linha correspondente de cada
pino medimos o valor da resistência.
Este circuito juntamente com o telemóvel utilizando a aplicação “lux meter”
que mede a luminosidade em lux, ou seja, função de um luxímetro e uma
lâmpada foram colocados dentro de uma caixa de plástico com uma abertura
para podermos registar os valores do luxímetro.
Figura 4 - Esquema da montagem da experiência com o LDR (João Paulo de Sousa e Nuno Almeida, 2016)
14
A experiência iniciou-se analisando a resistência do LDR quando se
encontrava num ambiente desprovido de luz, isto é quando o valor do luxímetro
lia zero. Em seguida ligamos a lâmpada e, com ajuda de um trimmer (variador
da intensidade de corrente), fomos aumentando gradualmente a intensidade da
luz da lâmpada e registando os valores em lux e Ohm que o luxímetro e o LDR
assumiam, respetivamente, para o mesmo instante.
Depois de registados os dados desta experiência, repetimos a mesma
com o LDR VT935G (mais pequeno) e com um luxímetro mais preciso.
15
LDR NORPS-12
Resultados
A partir da 1ª experiência do LDR realizamos esta tabela com os dados:
Lux Ftc Ohm kOhm
0,1 0,01 200000 200
5 0,46 3025 3,03
12 1,12 2650 2,65
50 4,65 1920 1,92
80 7,43 1544 1,54
115 10,69 1286 1,29
170 15,80 1012 1,01
200 18,59 873 0,87
255 23,70 770 0,77
305 28,35 711 0,71
350 32,53 659 0,66
440 40,89 595 0,60
535 49,72 536 0,54
630 58,55 470 0,47
720 66,91 437 0,44
860 79,93 404 0,40
1000 92,94 376 0,38
1230 114,31 326 0,33
1380 128,25 310 0,31
1500 139,41 303 0,30
2700 250,93 154 0,15
4700 436,80 140 0,14
6600 613,38 125 0,13
7000 650,56 119 0,12 Figura 5 - Tabela de resultados da experiência com o LDR NORPS-12
Note-se: 1Ftc=10,74 Lux
Ignoramos a primeira entrada na tabela visto que o mesmo distorcia a
escala e tornava o gráfico irrelevante para além de não se tratar de um valor real
visto que na escuridão total os valores foram bastante inconstantes indo de 20k
para 200k em condições teoricamente iguais.
16
Através da tabela anterior produzimos o seguinte gráfico em Ftc e kOhm
uma vez que os dados referência que utilizamos encontravam-se nessas
unidades. Para além disso usamos escala logarítmica visto que o gráfico
referência que encontramos também se encontrava em escala logarítmica.
Assim produzimos o seguinte gráfico:
Figura 6 - Gráfico da variação da resistência em função da luminosidade para LDR NORPS-12
Esse gráfico produzido pode ser comparado com o seguinte de referência:
0,10
1,00
10,00
0,10 1,00 10,00 100,00 1000,00
Res
istê
nci
a (k
Oh
m)
Luminosidade(Ftc)
Figura 7 - Gráfico de referência do fabricante da variação da resistência em função da luminosidade para o LDR NORPS-12 (RS Components, 1998)
17
Conclusões
Em relação aos dados do LDR NORPS-12, podemos observar, através da
comparação do gráfico da experiência com do gráfico referência, que a curva é
bastante semelhante, logo o comportamento teórico do LDR NORPS-12 é
bastante próximo do observado na nossa experiência, contudo os valores
verificados para luminosidades mais baixas não são semelhantes aos dados
referência. Esta diferença tem diversas explicações, sendo a principal a falta de
leituras para luminosidades mais baixas devido à imensa sensibilidade do LDR
resultante da sua baixa precisão. Todas as outras diferenças entre o gráfico
experimental e o teórico podem ser justificadas por erros de leitura, a utilização
de um ambiente que não é 100% controlado, com intrusões de luz exterior e
variações devido aos próprios objetos utilizados, o ângulo de incidência de luz
do luxímetro ser diferente do ângulo do LDR e pela utilização de um luxímetro
pouco preciso.
18
LDR VT935G
Resultados
A partir da 2ª experiência do LDR realizamos esta tabela com os dados:
Lux Ftc Ohm
13 1,208 18640
21 1,952 16810
29 2,695 14860
39 3,625 9370
50 4,647 6880
61 5,669 7210
75 6,970 6120
93 8,643 4780
120 11,152 3700
164 15,242 3030
190 17,658 2640
240 22,305 2220
360 33,457 1600
435 40,428 1610
495 46,004 1520
560 52,045 1220
610 56,691 1090
700 65,056 980
770 71,561 1000
820 76,208 960
890 82,714 880
950 88,290 860
970 90,149 840 Figura 8 - Tabela de resultados da experiência do LDR VT935G
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Tal como informa o documento que utilizamos para obter os dados
referência do LDR VT935G, devemos comparar o nosso valor com o valor
referência na tabela para 2 Ftc.
Figura 9 - Tabela com os valores de referência para o LDR VT935G e LDR's da mesma família
Sendo assim observamos que na tabela que produzimos, a 2ª e 3ª
entradas apresentam valores próximos dos 2 Ftc que correspondiam a
aproximadamente 15 kOhm. Assim, comparando com o gráfico referência,
usamos a 2ª linha a contar debaixo do gráfico referência.
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Devido ao gráfico referência se encontrar em Ftc (Fc é o mesmo que Ftc)
e apresentar uma escala logarítmica, utilizamos as Ohm para a resistência e Ftc
para a luminosidade.
Assim produzimos o seguinte gráfico:
Figura 10 - Gráfico da variação da resistência em função da luminosidade para o LDR VT935G
Esse gráfico produzido pode ser comparado com a 2ª linha a contar de
baixo do seguinte gráfico referência:
Figura 11 - Gráfico de referência do fabricante da variação da resistência em função da luminosidade para
o LDR VT935G (Photoconductive Cells and Analog Optoisolators (Vactrols®),2016)
1
10
100
1000
10000
100000
1 10 100
Res
istê
nci
a(O
hm
)
Luminosidade(Ftc)
21
Conclusões
Em relação aos dados do LDR VT935G, observamos uma aparente
grande diferença na curva, contudo, com um olhar mais atento, podemos
observar que para valores da escala logarítmica na ordem dos 1k Ohm os
valores dos dados de referência e da atividade experimental são bastante
semelhantes assim como para valores na ordem dos 10k Ohm. Essa aparente
diferença deve-se à falta de leituras para valores de luminosidade mais baixos
que torna a curva do gráfico bastante diferente. Para além dessa, as razões que
justificam as diferenças nos gráficos são semelhantes às do outro LDR: ambiente
que não é 100% controlado, variações devido aos próprios objetos utilizados e o
ângulo de incidência de luz do luxímetro ser diferente do ângulo do LDR.
22
Conclusão
Relativamente à comparação entre os dois LDR’s, podemos observar que
o VT935G tem uma variação bastante superior como se pode observar pela
tabela, por exemplo no LDR NORPS-12 para uma variação de 13 Lux para 50
Lux, o valor da resistência diminui 700 Ohm, no entanto no LDR VT935G para
uma variação de 12 Lux para 50 Lux o valor da resistência diminui
aproximadamente 12000 Ohm. Assim podemos concluir que para uma área
menor observamos uma menor exatidão visto que há uma discrepância gigante
para uma variação tão pequena.
Apesar de o máximo do LDR VT935G ser superior (isto ignorando a
primeira entrada na tabela do LDR NORPS-12 pois a mesma foi feita em
condições completamente extremas e para um valor de luminosidade bastante
menor), o seu mínimo é bastante superior e para a leitura máxima do LDR
VT935G de 970 Lux temos um valor de resistência de 840 Ohm enquanto o LDR
NORPS-12 para um valor de luminosidade semelhante (1000 Lux) apresenta um
valor de resistência de apenas 376 Ohm.
Através desta experiência, podemos escolher o LDR mais adequado à
situação que necessitarmos e perceber as diferenças entre os LDR.
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Recomendações
As principais recomendações que retiramos deste trabalho são:
Utilizar um luxímetro preciso para conseguir valores mais próximos dos
reais
Usar um suporto fixo para diminuir fatores externos
Verificar se a inclinação com que a luz embate no LDR é semelhante à
com que embate no luxímetro
Usar um ambiente o mais controlado possível
Fazer o maior número de leituras possíveis para obter uma curva o mais
fidedigna possível
24
Bibliografia
“Termístor Ntc”. Acedido a 23 de outubro.
www.if.ufrgs.br/mpef/mef004/20061/Cesar/SENSORES-
Termistor.html#Termistor2
2016 .“Thermistor”. Acedido a 24 de outubro.
https://en.wikipedia.org/wiki/Thermistor
2015. “LDR”. Acedido a 25 de outubro.
https://pt.wikipedia.org/wiki/LDR
2016. “Resistência elétrica”. Acedido a 25 de outubro.
https://pt.wikipedia.org/wiki/Resist%C3%AAncia_el%C3%A9trica
2016. “Photoresistor”. Acedido a 26 de outubro
https://en.wikipedia.org/wiki/Photoresistor
RS Components. 1997. “Data Sheet: Light Dependent Resistors”. Acedido a 26
de outubro.
http://www.bilimteknik.tubitak.gov.tr/sites/default/files/gelisim/elektronik/dosyalar
/40/LDR_NSL19_M51.pdf
2016.”Photoconductive Cells and Analog Optoisolators (Vactrols®)”. Acedido a
27 de outubro.
http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet_pdf/perkinelmer-
optoelectronics/VT935G.pdf~
João Paulo de Sousa e Nuno Almeida. 2016.“Resistências dependentes da Luz
e da Temperatura” Acedido a 28 de outubro
https://moodle.up.pt/pluginfile.php/64493/mod_resource/content/2/JPdS_NA_L
DR_NTC_V3-Handout.pdf
25
Ian Poole.” Light Dependent Resistor, Photoresistor, or Photocell”. Acedido a 28
de outubro.
http://www.radio-
electronics.com/info/data/resistor/ldr/light_dependent_resistor.php
Collin Cunningham. 2008. “MAKE presents: The Resistor”. Acedido a 29 de
outubro
https://www.youtube.com/watch?v=VPVoY1QROMg