nÃo É mÁgica É ciÊncia - unicamplocais específicos para encaixe do processador, das memorias,...

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS – UNICAMP FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E COMPUTAÇÃO – FEEC

DA ELETRÔNICA À COMPUTAÇÃO:

NÃO É MÁGICA, É CIÊNCIA!

OFICINA DE ELETRÔNICA

JANEIRO/2016

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Oficina de Eletrônica - Ciência e Arte nas Férias 2016 – FEEC UNICAMP

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II

Ciência e Arte nas Férias 2016 – Oficina de Eletrônica

Autores

Maurício Martins Donatti

Patrícia Henriques Nallin

Revisores

Prof. Paula D. Paro Costa

Prof. Tiago Fernandes Tavares

Prof. Letícia Rittner

Licença

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III

Ciência e Arte nas Férias 2016 – Oficina de Eletrônica

Agradecimentos

Agradecemos, em especial, a todos os professores e alunos envolvidos nas atividades das oficinas,

aos colaboradores e patrocinadores que nos apoiaram e tornaram possível cada detalhe planejado com

carinho e atenção, à Pró-Reitoria de Pesquisa (PRP) da Unicamp, pela organização do evento. Por fim,

não podemos deixar de agradecer aos alunos que participam das oficinas, afinal, a maior gratificação para

nós é vivenciar a alegria de vocês durante e após as atividades.

Apoio




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http://www.intel.com.br/content/www/br/pt/homepage.html

https://www.ieee.org/membership_services/membership/women/women_in_engineering.html

https://www.prp.rei.unicamp.br/ciencianasferias/2016/



IV

Objetivos

O programa "Ciência & Arte nas Férias", promovido pela Unicamp, proporciona, durante os meses

de férias escolares de verão, um estágio em seus laboratórios para estudantes de escolas públicas de

ensino médio da região de Campinas. Todas as grandes áreas do conhecimento estão envolvidas: Artes,

Ciências Humanas, Ciências Exatas e da Terra, Ciências Biológicas e da Saúde e Tecnologia. Neste estágio

os estudantes se envolvem com os desafios atuais da ciência e da arte, com a metodologia do trabalho

científico e da criação artística e com o ambiente humano dos laboratórios de pesquisa.

Na Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) apresentamos uma Oficina de

Eletrônica cujo objetivo é familiarizar os estudantes com alguns conceitos básicos da área. Tentamos

aproximar os alunos do nosso ambiente, permitindo momentos práticos, onde os próprios alunos têm a

possibilidade de montar circuitos eletrônicos e aprender alguns conceitos básicos, utilizando um kit Snap-

Circuits, desenvolvido justamente para essa finalidade. O uso do kit é encorajado pelo próprio ramo

estudantil do IEEE (Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos), e já é usado em atividades

semelhantes no Brasil e no mundo.

Propomos diversos experimentos acompanhados por voluntários do programa, com a finalidade de

permitir um contato maior entre os alunos e os atuais estudantes e professores da Unicamp. Esperamos

que os alunos aproveitem e consigam despertar a curiosidade que nos leva, como engenheiros, a

desenvolver nosso papel construtivo na sociedade.




V




VI

Sumário

AGRADECIMENTOS III

APOIO III

OBJETIVOS IV

1. INTRODUÇÃO: ELETRÔNICA NO DIA-A-DIA 1

2. PRINCIPAIS COMPONENTES ELETRÔNICOS: KIT SNAP-CIRCUITS 5

3. ROTEIRO EXPERIMENTAL 10

1. ACENDENDO UMA LÂMPADA 10

2. ACIONANDO UM MOTOR ELÉTRICO – VENTILADOR 12

3. DESAFIO: ALARME CONTROLADO POR LUZ 14

REFERÊNCIAS 16




1

1. Introdução: Eletrônica no dia-a-dia

Você já parou para pensar quantos objetos de sua casa utilizam componentes eletrônicos?

Computadores, televisores, geladeiras, forno de micro-ondas, campainha, ventiladores, celulares,

controle remoto, telefone fixo, modem de internet, etc. Hoje em dia praticamente qualquer coisa utiliza

um circuito eletrônico com alguma finalidade. Por meio da eletrônica, dispositivos são controlados, se

movem, interagem com o meio ou outros dispositivos, ou simplesmente se tornam mais fáceis de usar.

Se você é daqueles que não vê a hora de ver um computador ou uma TV por dentro da caixa, veio ao lugar

certo, pois nós também somos assim.

A seguir, apresentaremos como a eletrônica está presente em alguns elementos, fornecendo alguns

detalhes básicos de cada sistema. Iniciemos por um controle remoto de televisor:

CONTROLE REMOTO

Na maioria dos controles, o teclado é uma sequência de botões cuja pressão faz contato no circuito.

Uma vez que o botão é pressionado, um código referente aquele botão é emitido através de um

transmissor infravermelho, de forma semelhante a um "código Morse" que não é visível a olho nu. O

televisor recebe esses sinais e decodifica, sendo capaz de executar a ação do botão pressionado.

DICA: Para ver se um controle remoto está funcionando, filme com o celular o transmissor do

controle remoto, apertando alguns botões. Câmeras de vários celulares são capazes de captar sinais

infravermelhos.




2

Um pouco mais complexo que o sistema de controle remoto, temos os controles de travas de carros

e controles de portão automático:

Nesses controles, o botão é pressionado, o sinal referente

ao botão é enviado por um sinal de radiofrequência,

normalmente na faixa de centenas de MHz (433MHz é

bastante usado em diversas aplicações). A principal vantagem

de utilizar esse tipo de sistema é a propagação. Perceba que

no controle remoto da TV, se o controle não for apontado em

direção ao televisor, o sinal não é recebido. Já o controle de

alarme de carro costuma funcionar se apontado em outra

direção. O alcance também é superior nessas aplicações.

TV

O circuito eletrônico de uma TV já é bem mais complexo. Abaixo, vemos a foto de uma TV LCD de 32’

com a tampa traseira aberta:

Em um equipamento eletrônico de grande porte, existe a tendência de dividir as principais funções

do dispositivo em módulos isolados. Por isso, existem diversas placas eletrônicas conectadas entre si na




3

imagem acima. Podemos identificar módulos específicos para alimentação, processamento de imagem,

conexão das interfaces (HDMI, DVI, RCA), decodificação dos sinais digitais, controle do visor LCD.

COMPUTADOR

Outro exemplo de modularização de grandes circuitos eletrônicos é o computador. Abaixo vemos

uma placa-mãe da Intel:

A placa mãe é desenvolvida para garantir a integração de outros componentes e placas. Existem

locais específicos para encaixe do processador, das memorias, da placa de vídeo, dos HDs, do leitor de

CDs/DVDs/BlueRay. Em uma placa mãe, os sinais eletrônicos são de alta frequência, o que torna mais

complexo o seu projeto e desenvolvimento.

CELULAR

Abaixo lado vemos um Samsung Galaxy S5 sem a tampa traseira.




4

Hoje em dia, o celular é um computador em miniatura. Na imagem acima vemos diversas placas

interconectadas, com uma precisão e um aproveitamento de espaço impressionantes. Smartphones

chegam a utilizar processadores com diversos núcleos e operam com 2GB alguns 4GB de memória RAM.

A contribuição para o desenvolvimento da eletrônica integrada é notável nesses dispositivos.

Você reparou como a eletrônica resolve problemas complexos como a abertura de um portão com o

simples clique de um botão ou como conversar com um amigo distante com um aparelho que você carrega

no seu bolso? Você reparou que todos os dispositivos e circuitos que apresentamos são compostos de

“módulos” e “componentes básicos”? Pois é assim que a eletrônica serve de ferramenta para projetistas

criativos de todas as idades e todas as partes do mundo para criar novas tecnologias. Não é mágica, é

ciência, praticada por pessoas como você, que um dia tiveram a curiosidade de buscar conhecimento de

maneira sistemática para resolver um pequeno problema ou responder uma pergunta simples e, ao

compartilharem sua resposta com os outros, tornaram possível a solução de problemas cada vez mais

complexos.

Por isso, nosso objetivo nessa oficina é apresentar alguns componentes eletrônicos básicos e torcer

para que sua curiosidade e sua busca pelo conhecimento nunca acabem!




5

2. Principais Componentes Eletrônicos: Kit Snap-Circuits

A finalidade do kit Snap-Circuits é facilitar a montagem de circuitos eletrônicos. Existem diversos

modelos com componentes eletrônicos distintos. O kit que será utilizado nessa oficina é o SC-100:

Detalharemos alguns componentes do kit, mostrando sua simbologia e explicando brevemente o

funcionamento para que possamos dar sequência a oficina.

Resistor (R1)




6

A finalidade do resistor é controlar a passagem de corrente em um circuito. Dada uma tensão V sobre

os terminais de um resistor, a corrente I que circula por ele é dada pela Lei de Ohm:

𝐼 =𝑉

𝑅

Portanto, quanto maior o resistor, menor a corrente que circula pelo ramo do circuito.

Lâmpada (L1)

A Lâmpada é um dispositivo capaz de emitir luz quando submetida a uma corrente elétrica. Existem

diversos tipos de lâmpadas comerciais, como as que usamos nas residências: lâmpadas de filamento de

tungstênio; lâmpadas fluorescentes eletrônicas; lâmpadas de LED.

A lâmpada de filamento surgiu no final do século XIX e ainda é usada atualmente, embora venha

perdendo espaço no mercado para as lâmpadas fluorescentes e LEDs. No caso do kit, temos uma lâmpada

desse tipo, onde o filamento é de tungstênio, material que emite luz na passagem de corrente elétrica.

Podemos dizer que o tungstênio acende com o aquecimento do filamento. A luz emitida cresce com a

potência dissipada pela lâmpada.

Chave Liga-Desliga (S1)

A chave liga-desliga é um dispositivo eletromecânico que permite o contato elétrico entre seus

terminais dependendo da posição da chave. Se a chave está na posição OFF, os terminais não estão

conectados; se a chave está na posição ON, os dois terminais estão interligados.




7

Conjunto de Pilhas (B1)

Pilhas e baterias são formas de obter energia elétrica através de um processo químico. São

responsáveis por gerar energia de diversos equipamentos de pequeno porte, como controles remotos,

celulares, notebooks, relógios de pulso, entre outros.

No kit Snap Circuits, nossa fonte de energia é uma associação série de duas pilhas tamanho AA, que

dispõe de 1,5V cada uma. Todo circuito eletrônico deve ter uma ou mais fontes de energia, por isso, em

todas as montagens do kit, o conjunto B1 está sempre presente.

Motor Elétrico (M1)

Na parte externa da geladeira é normal utilizarmos dispositivos magnéticos que atraem metais,

chamados imãs. Uma grande descoberta do início do século XIX é que uma corrente elétrica que flui por

um fio gera campos magnéticos, e, portanto, interage com imãs. Baseado nesse princípio, os motores

elétricos são construídos como equipamento de conversão de energia elétrica em mecânica,

proporcionando a rotação de um eixo. Motores estão presentes em diversos equipamentos, por exemplo:

liquidificadores; ventiladores; portões eletrônicos; coolers de computador; impressoras; carros de

brinquedo; etc.




8

Quanto maior a corrente elétrica, mais rápido gira o motor. Cada motor é construído para uma

condição de operação especifica, é importante respeitar esses limites. No motor de corrente continua, e

o sentido de rotação depende do sentido da corrente elétrica no dispositivo.

Resistor Dependente da Luminosidade (LDR)

O resistor apresentado anteriormente possui o valor de sua resistência fixo. No caso do LDR (Light

Dependent Resistor, Resistor Dependente de Luz ou fotorresistor), a variação da luz do ambiente

influencia na sua resistência. Uma aplicação desse dispositivo é nos postes de iluminação pública, onde

as lâmpadas acendem somente a noite. O LDR atua nesse caso como chave de acionamento para as

lâmpadas.

Alto-Falante

O alto-falante é baseado no mesmo princípio eletromagnético do motor. Ao passar corrente elétrica

por uma bobina, um ima se movimenta e vibra uma membrana, gerando assim ondas sonoras. Caixas de

som, telefones, fones de ouvido são exemplos que utilizam alto-falantes.

O microfone funciona usando o mesmo princípio do alto-falante, porém no sentido inverso. Uma

membrana capta variações da pressão do ar e um sistema eletromecânico gera uma corrente elétrica

proporcional à vibração.




9

Circuitos Integrados

Circuitos integrados são componentes eletrônicos mais complexos. Geralmente possuem um circuito

eletrônico grande dentro do próprio chip. Abaixo temos uma imagem de como encontramos circuitos

integrados em uma placa eletrônica comercial:

No kit Snap Circuits, temos alguns circuitos integrados que estão dentro de caixas coloridas

nomeadas por U1, U2 e U3. Eles são destinados a aplicações mais especificas e mais complexas, conforme

proposto na última montagem da oficina.




10

3. Roteiro Experimental

O roteiro experimental tem como finalidade introduzir o uso do kit de Snap-Circuits, familiarizando

os participantes com montagens mais simples e permitindo na sequência que circuitos mais complexos

sejam analisados.

1. Acendendo uma Lâmpada

A primeira montagem utiliza os seguintes componentes:

Conjunto de Pilhas de 3V (B1)

Chave Liga/Desliga (S1)

Lâmpada de 2.5V (L1)

Construa o circuito a seguir utilizando o kit Snap-Circuits e verifique o funcionamento:

Reflita sobre as seguintes questões:

O que faz a lâmpada acender?

A luminosidade que vemos ao ligar o circuito é fruto de conversão entre energias de

naturezas diferentes. Quais são elas?




11

Qual/Quais fatores determinam a intensidade da luz da lâmpada L1? Se possível, proponha

alterações para aumentar ou reduzir a intensidade.

Inclua o resistor R1 no circuito proposto anteriormente, conforme proposto na figura abaixo:

Qual efeito percebemos ao incluir o resistor R1? Porque isso ocorre?

Existem dois tipos básicos de ligação entre componentes: série e paralelo. No caso do circuito

proposto, qual a associação entre o resistor (R1) e a lâmpada (L1)?

O resistor R1 possui uma resistência de 100Ω. O que aconteceria se utilizássemos um resistor

com maior resistência? E menor?




12

2. Acionando um motor elétrico – Ventilador

A próxima montagem da oficina consiste no uso de um motor elétrico, cuja lista de componentes

utilizados é:



Conjunto Motor e Hélice (M1)

Monte o circuito e verifique o funcionamento.

Qual a conversão de energia associada ao funcionamento do motor?

Faça uma proposta para reduzir a velocidade do motor.

O que ocorre se invertermos a polaridade do motor?

ATENCÃO: VERIFIQUE A POLARIDADE (+) DO MOTOR M1.




13

Inverta a polaridade do motor, montando o circuito a seguir:

Ligue o circuito, aguarde alguns segundos e desligue em seguida. Qual o resultado?

Façam propostas para aumentar a altitude máxima atingida pela hélice.




14

3. Desafio: Alarme Controlado por Luz

A 3ª montagem proposta na oficina consiste em um alarme controlado por luz. Os seguintes

componentes são utilizados:



Alto-Falante (SP)

Foto Resistor: resistor variável com luz (RP)

Circuito Integrado (CI) de controle musical (MUSIC_IC)

Circuito Integrado (CI) de alarme (ALARM_IC)

Monte o seguinte circuito e analise o funcionamento:




15

Discuta sobre a função do pino HOLD do dispositivo MUSIC_IC.

O alto-falante também efetua uma conversão de energia. De que tipo?

Qual o som emitido pelo circuito?

Atividades Extras

Conecte o pino IN3 do ALARM_IC junto ao pino IN2. Ligue o circuito. O que ocorre?

Desconecte IN3. Agora, conecte o pino IN1 do ALARM_IC junto ao pino IN2. Ligue o circuito.

O que ocorre?

Desconecte IN1 de IN2. Agora, conecte IN1 do ALARM_IC junto ao pino (-). Ligue o circuito.

O que ocorre?

Agora, conecte IN1 na saída da chave S1 e desconecte o pino IN2. O que ocorre?

Qual a função dos pinos IN1, IN2 e IN3 do circuito integrado em Alarm_IC?




16

________________________________________

Referências

http://sites.ieee.org/projeto-electron/

http://www.snapcircuits.net/

http://www.prp.rei.unicamp.br/ciencianasferias/2016/

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS – UNICAMP FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E COMPUTAÇÃO – FEEC


http://sites.ieee.org/projeto-electron/

http://www.snapcircuits.net/

http://www.prp.rei.unicamp.br/ciencianasferias/2016/

nÃo É mÁgica É ciÊncia - unicamplocais específicos para encaixe do processador, das memorias,...

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