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Resistências LDR e NTC - Resultados e Conclusões através de Experimentação 1/17

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Resistências LDR e NTC

Resultados e Conclusões através de Experimentação

Projeto FEUP 2016 MIEEC

Equipa 1: Estudantes & Autores:

Miguel Lousada [email protected] Carlos Pinto [email protected]

José Veloso [email protected] João Casanova [email protected]

Supervisor: João Paulo Sousa Monitor: Gonçalo Gil Carvalho

mailto:[email protected]






Resumo

No contexto do Projeto FEUP, o nosso grupo tinha como principal objetivo testar

diferentes resistências mediante a variação de temperatura e luminosidade e analisar os

resultados.

Como tal decidiu-se realizar duas experiências distintas com uma resistência LDR e outra

NTC. A primeira foi isolada da luz ambiente e exposta a um foco de intensidade regulável. A

segunda foi submersa, em primeira instância, em água no ponto de fervura, deixando depois

a água arrefecer até à sua temperatura ambiente. O arrefecimento foi acelerado pontualmente

com a adição de quantidades regulares de água tépida e a agitação providenciada por uma

bomba de ar.

Concluiu-se consequentemente que as resistências revelam uma variação consoante a

mudança destes fatores e comparámos com as descrições dos fabricantes.

Palavras-Chave

NTC; LDR; resistência; luminosidade; temperatura; multímetro; lux; ohm; Celsius;

fotocondutividade; semicondutor

Agradecimentos

Gostaríamos de agradecer a todos os professores e monitores que nos apoiaram no

decorrer do projeto FEUP.




Índice

Lista de figuras.......................................................................4

Lista de acrónimos.................................................................4

1. Introdução..........................................................................5

2. Resistências.......................................................................5

2.1. LDR’s........................................................................5

2.1.1. História.............................................................6

2.1.2. Funcionamento................................................6

2.1.3. Aplicações........................................................7

2.1.4. Experiência e Procedimento............................7

2.1.5. Resultados.......................................................8

2.2. NTC's........................................................................9

2.2.1. História.............................................................9

2.2.2. Funcionamento................................................10

2.2.3. Aplicações.......................................................10

2.2.4. Experiência e Procedimento...........................11

2.2.5. Resultados......................................................12

3. Conclusões.......................................................................13

4. Anexos..............................................................................14

5.Referências bibliográficas..................................................17




Lista de figuras

Figura 1: imagem de uma LDR semelhante à usada

Figura 2: Valores da resistência LDR quando sujeita à luminosidade regulada

Figura 3: Valores da resistência LDR publicados pelo produtor do instrumento

Figura 3: imagem da NTC usada na experiência

Figura 4: imagem do material e da montagem da experiência

Figura 5: Valores da resistência NTC quando sujeita à temperatura regulada

Figura 6: Valores da resistência NTC calculados segundo a fórmula do fornecedor

Figura 8: Fórmula de cálculo da resistência disponibilizada pelo fornecedor Vishay

Lista de acrónimos

LDR-Light Dependent Resistor

NTC-Negative Temperature Coefficient




1. Introdução

Este trabalho pretende elucidar o público sobre o funcionamento das resistências do tipo

LDR e NTC. Assim sendo, submeteu-se as ditas resistências a testes onde determinados

fatores (temperatura e luminosidade) sofriam variações controladas, de forma a estabelecer

a relação com a grandeza da resistência.

2. Resistências

Designa-se por resistência elétrica a capacidade de um corpo se opor à passagem de

corrente elétrica mesmo quando existe uma diferença de potencial aplicada. O seu cálculo é

dado pela Primeira Lei de Ohm, e, segundo o Sistema Internacional de Unidades (SI), é

medida em ohm.

Quando um condutor metálico é exposto a uma corrente elétrica, um número elevado de

eletrões livres passa a deslocar se nesse condutor. Nesse movimento, os eletrões colidem

entre si e contra os átomos que constituem o metal. Os eletrões encontram, assim, uma

oposição a sua passagem, isto é, existe uma resistência ao fluxo da corrente no condutor.

2.1 LDR's

LDR ou Fotoresistência é um resistor cuja resistência varia conforme a intensidade da

luz que incide sobre ele. Por norma, à medida que a intensidade da luz aumenta, a sua

resistência diminui. É de salientar que os LDR's são economicamente acessíveis.

Figura 1




2.1.1 História

Os LDR's já existem desde o século XIX, aquando da descoberta da fotocondutividade

no selénio pelo engenheiro Willoughby Smith em 1873. Desde então várias variantes de LDR's

foram feitas. Por volta do ano de 1920 Theodore W. Case publica "Thalofide Cell - a new

photo-electric cell", onde descreve a sua nova célula composta por uma mistura de oxigénio,

enxofre e tálio que, em comparação com o selénio, respondem mais rapidamente às

variações de luminosidade e não são danificadas quando expostas a radiações de maior

frequência.

Posteriores estudos realizados nos anos de 30 e 40 incluíram seleneto de chumbo, sulfato

de chumbo e telureto de chumbo. Mais tarde, em 1952, Rollin e Simmons desenvolveram os

seus LDR's com base em silício e germânio.

2.1.2 Funcionamento

A LDR é construído a partir de material semicondutor com elevada resistência elétrica.

Quando a luz que incide sobre o semicondutor tem uma frequência suficiente, os fotões que

incidem sobre o semicondutor libertam eletrões para a banda condutora que irão melhorar a

sua condutividade e assim diminuir a resistência.

A LDR é feita a partir de um pedaço de material semicondutor exposto, como o sulfureto

de cádmio que muda a sua resistência elétrica de vários milhares Ohms no escuro para

apenas algumas centenas de Ohms quando exposta à luz.

O efeito direto é uma melhoria da sua condutividade com uma diminuição da resistência

para um aumento na iluminação. Além disso, as LDR's têm um tempo de resposta longo para

uma dada mudança na intensidade da luz (normalmente este tempo ronda os 10

milissegundos, podendo atingir 1 segundo), quando comparados com foto díodos, que têm

aplicações semelhantes aos LDR ainda que funcionem de maneira diferente.




2.1.3 Aplicações

Os LDR's são usados em vários circuitos: medidores de luz em câmaras, alarmes, e

outros circuitos que não necessitem de sensores de luz muito precisos. Um caso particular

são as lâmpadas de rua, que utilizam LDR's para determinar a luminosidade ambiente, e, se

detetarem um grau de luminosidade baixo ligam-se, economizando energia nos tempos de

alta luminosidade.

2.1.4 Experiência e Procedimento

A fim de confirmar a relação luminosidade-resistência de uma LDR, o nosso grupo

concebeu a seguinte experiência:

Inicialmente fez-se uma ligação da resistência (LDR) a um ohmímetro com o auxílio de

uma breadboard. De seguida colocou-se o lucímetro na proximidade da LDR, ligando o

candeeiro ao potenciómetro. De maneira a que este estivesse isolado da iluminação externa

e com uma luminosidade inicial de 0 lux, utilizou-se um casaco colocado sobre todo o material,

não entrando assim em contacto com a LDR. Por fim iniciamos as medições da resistência, à

medida que aumentávamos a luminosidade.

Material:

Multímetro;

LDR;

Lucímetro;

Potenciómetro;

Candeeiro;

Breadboard.




2.1.5 Resultados

Com base nos valores obtidos pelo lucímetro (em lux) e os valores de resistência do LDR

(em Ohm), obteve-se o seguinte gráfico:

*em anexo encontram-se as tabelas com os valores que foram registados e usados para criar o gráfico

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

0,00 500,00 1000,00 1500,00 2000,00

Res

istê

nci

a (k

Oh

m)

Luminosidade (lux)

Resistência LDR em função da luminosidade

Figura 2*

Figura 3




2.2 NTC's

Os NTC's são resistências que variam inversamente com a temperatura. Isto significa que

uma subida de temperatura provoca no NTC uma descida na resistência elétrica. Assim os

NTC's são um exemplo de termístor, ou seja, uma resistência dependente da temperatura.

Tal como os LDR's, os NTC's são componentes eletrónicos economicamente acessíveis.

Figura 4

2.2.1 História

Desde os inícios do século XIX, que se consegue fazer variar a resistência com a

temperatura. Assim, estas resistências foram usadas em inúmeras situações mesmo sendo

necessária uma variação mais radical na temperatura para mudar a resistência. Geralmente

os termístores implicam o uso de semicondutores, que fornecem uma resistência muito maior

para uma dada variação de temperatura.

Inicialmente usaram-se compostos metálicos. O coeficiente de temperatura negativo

foi observado por Faraday quando mediu a variação da resistência em sulfato de prata. No

entanto, só mais tarde é que os óxidos metálicos se tornaram disponíveis comercialmente.

A segunda guerra mundial motivou a investigação e estudou-se os cristais de

germânio, e mais tarde os resistores de silício.

Apesar de haver estes dois tipos de termístor (os óxidos metálicos e os

semicondutores) eles não se comparam devido ao facto de serem bastante distintos a nível

da gama de temperaturas em que atuam.




2.2.2. Funcionamento e Composição

Os termístores podem tomar diversas formas e podem ser constituídos de diversos

materiais, dependendo do fim para que são feitos e das temperaturas a que vão ser

submetidos. O aumento da temperatura liberta os eletrões para a banda condutora diminuindo

a resistência do material.

Os termístores de óxidos metálicos são geralmente usados para temperaturas entre os

200 K e os 700 K. Estes termístores são feitos utilizando um pó muito fino do material que se

pretende utilizar, sendo este comprimido e posteriormente sintetizado. Os materiais mais

utilizados são o óxido de manganês, óxido de níquel, óxido de cobalto, óxido de cobre e o

óxido de ferro.

Os termístores semicondutores são utilizados para temperaturas muito mais baixas. Os

termístores de germânio são mais utilizados, e atuam em temperaturas inferiores a 100 Kelvin.

Termístores de silício podem ser utilizados para temperaturas mais baixas que 250 Kelvin.

2.2.3. Aplicações

Os NTC's são usados como sensores de temperatura. Assim há diversas aplicações para

estes termístores, tais como: termómetros, medindo a temperatura; circuitos de proteção,

desativando o circuito quando a temperatura atinge um valor crítico perigoso para o circuito;

termostátos, ligando ou desligando o circuito conforme a temperatura, entre outros.




2.2.4. Experiência e Procedimento

A fim de comprovar a relação temperatura-resistência de um NTC, o nosso grupo

concebeu a seguinte experiência:

Inicialmente começou-se por encher uma chaleira elétrica com água e ligá-la, de seguida

colocando o NTC dentro dum tubo (com fios ligados a um ohmímetro, com o auxílio de uma

breadboard) a fim de evitar contacto direto com a água. Posteriormente colocou-se a

resistência dentro de uma gaiola (o contentor de água), que foi então enchida com a água

quente até ao ponto de submersão da resistência. Colocou-se ainda o termómetro no fundo

da gaiola dentro do tubo e junto da resistência para que a sua temperatura fosse o mais

próxima possível da temperatura a que a resistência estivesse exposta;

Finalmente regaram-se as variações de resistência com a temperatura à medida que a

água ia arrefecendo (naturalmente, ou com adição de água á temperatura ambiente a fim de

acelerar as variações de temperatura).

Material:

Termómetro;

Chaleira elétrica;

Tubos/mangueira;

Gaiola de tartaruga (grilo);

Multímetro;

Breadboard.

Figura 5




2.2.4. Resultados

Com base nos valores lidos de temperatura (em graus Celsius) e nos valores

de resistência obtidos pelo ohmímetro (em Ohm), obteve-se o seguinte gráfico:

Figura 6*

*em anexo encontram-se as tabelas com os valores que foram registados e usados para criar o gráfico

Figura 7 Figura 8




3. Conclusões

Com base nos resultados das experiências podemos constatar que as LDR's respondem

ao aumento da luminosidade neles incidente com um decréscimo na sua resistência. Este

fenómeno permite que sejam utilizadas em aplicações em que seja do interesse do homem

avaliar o grau de luminosidade e desenvolver uma resposta em função desse parâmetro

(luzes automáticas, alarmes, …).

De modo semelhante podemos concluir que os NTC's reagem ao aumento da temperatura

a que se encontram com uma diminuição da sua resistência. Assim, podem ser utilizados de

modo a criar circuitos que respondam às variações de temperatura (termómetros,

termostatos, proteção de circuitos).

Denotámos igualmente a esperada coerência entre os valores obtidos e os valores

fornecidos pelas empresas responsáveis pela sua produção, havendo naturalmente algumas

inconsistências causadas pela prática experimental.

A fácil aquisição destes dois componentes eletrónicos também os torna ideais para um

ambiente independente de recursos limitados, sendo ideais para a aplicação em projetos de

estudantes.




4.Anexos

Luminosidade (lux) Resistência (kOhm)

0,30 37,00

1,00 32,00

4,00 18,00

6,50 13,34

9,00 10,11

10,60 9,68

15,00 7,65

16,00 6,70

19,40 5,94

23,40 5,08

25,60 4,48

32,70 3,50

48,50 2,48

60,50 2,04

72,30 1,78

82,50 1,67

101,50 1,48

118,30 1,24

138,70 1,09

160,00 0,96

191,70 0,80

257,30 0,65

295,50 0,59

360,00 0,49

462,00 0,46

657,00 0,36

800,00 0,30

1000,00 0,26

1200,00 0,23

1885,00 0,19




Resistência (ohm) Temperatura (ºC) Resistência (ohm) Temperatura (ºC)

63,80 5,64 49,10 9,29

63,30 5,70 48,90 9,37

63,10 5,73 48,70 9,47

63,00 5,85 48,50 9,55

62,50 5,99 48,30 9,57

62,20 6,06 48,2 9,57

61,50 6,15 48,1 9,59

61,20 6,20 48 9,62

61,00 6,24 47,9 9,69

60,70 6,28 47,8 9,78

60,30 6,39 47,5 9,85

60,10 6,45 47,4 9,9

59,80 6,55 47,2 9,93

59,40 6,62 47,1 9,94

59,10 6,70 46,8 10,08

58,70 6,79 46,5 10,18

58,30 6,86 46,4 10,24

58,00 6,95 46,3 10,3

57,70 7,02 46,1 10,33

57,10 7,11 46 10,35

56,40 7,35 45,8 10,39

56,00 7,54 45,7 10,47

56,60 7,58 45,5 10,55

54,90 7,70 45,4 10,62

54,50 7,86 45,3 10,67

54,20 7,93 45,1 10,69

53,90 8,03 45 10,7

53,60 8,08 44,7 10,86

53,30 8,15 44,3 11,05

53,10 8,20 44,2 11,09

52,80 8,42 44,1 11,12

52,20 8,40 43,9 11,17

52,00 8,48 43,8 11,23

51,80 8,56 43,6 11,26

51,50 8,62 43,5 11,28

51,30 8,68 43,3 11,33

51,10 8,78 43,2 11,37

50,90 8,13 43,1 11,47

50,70 8,97 42,9 11,5

50,20 9,10 42,8 11,66

50,00 9,15 42,7 11,74

49,80 9,17 42,5 11,8




Resistência (ohm) Temperatura (ºC) Resistência (ohm) Temperatura (ºC)

49,50 9,19 42,4 11,87

41,9 12,02 36,9 14,32

41,8 12,07 36,8 14,43

41,6 12,14 36,7 14,46

41,5 12,2 36,6 14,46

41,4 12,24 36,5 14,51

41,2 12,27 36,4 14,55

41,1 12,3 36,3 14,58

40,9 12,37 36,2 14,63

40,8 12,42 36,1 14,72

40,6 12,49 35,9 14,85

40,5 12,53 35,8 15

40,4 12,59 35,7 15,1

40,3 12,63 35,6 15,17

40,2 13,5 35,5 15,28

39,9 13,6 35,4 15,54

39,8 13,68 35,2 15,46

39,7 13,73 35,1 15,4

39,6 13,77 35 15,7

39,5 13,79 34,8 15,65

39,4 13,82 34,7 15,7

39,3 13,84 34,6 15,93

39,2 13,88 34,5 15,98

39,1 13,94 34,3 16,11

39 13,98 34,2 16,1

38,9 14,02 34,1 16,15

38,8 14,04 34 16,12

38,7 14,07 33,9 16,11

38,6 14,11 33,8 16,14

38,5 14,18 33,7 16,19

38,4 14,26 33,6 16,23

38,3 14,3 33,5 16,28

38,2 14,2 33,4 16,31

38,1 14,1 33,3 16,32

38 14,25 33 16,87

37,9 14,28 32 17,3

37,7 14,14 31 18,55

37,6 14,2 30 18,95

37,5 14,16 29 19,6

37,4 14,15 28 20

37,3 14,15 27 21,2

37,2 14,21

37,1 14,25




5.Referências Bibliográficas

Instituto Newton C. Braga. 2010. NTC. Acedido a 27 outubro.

http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/almanaque/1304-ntc.html

Poole, Ian. 2016. "Light Dependent Resistor, Photoresistor, or Photocell". Acedido

a 25 Outubro.

http://www.radio-

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V. Ryan. 2004. "Light Dependent Resistors". Acedido a 25 Outubro.

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http://www.radio-electronics.com/info/data/resistor/thermistor/ntc-

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