MATERIAIS E INSTRUMENTAÇÃO ELETROELETRÔNICA

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RELATÓRIO AULA PRÁTICA
MATERIAIS E INSTRUMENTAÇÃO ELETROELETRÔNICA
Autor: Bernardo Rodrigues Dourado
RA: 3600773906
RIO GRANDE - RS 2025
RELATÓRIO AULA PRÁTICA
MATERIAIS E INSTRUMENTAÇÃO ELETROELETRÔNICA
Relatório de Aula Prática apresentado a Universidade Anhanguera como requisito para obtenção de média para a disciplina de Materiais e Instrumentação Eletroeletrônica
RIOGRANDE
2025
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO	3
DESENVOLVIMENTO.	4
ROTEIRO 1 – EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO	4
ROTEIRO 2 – MEDIÇÃO DE PRESSÃO	7
ROTEIRO 3 – CONDICIONAMENTO DE SINAIS COM FILTRO RC	9
ROTEIRO 4 – ACIONAMENTO DE MOTOR DE INDUÇÃO	12
CONSIDERAÇÕES FINAIS	17
REFERÊNCIAS	18
1 INTRODUÇÃO
A prática em Materiais e Instrumentação Eletroeletrônica é de extrema importância para o desenvolvimento de habilidades técnicas e conceituais no campo da eletrônica. Neste trabalho, serão apresentados os resultados de diversas atividades práticas realizadas no âmbito da disciplina, abrangendo desde a medição de grandezas elétricas com multímetros até a simulação de circuitos no LTspice.
As práticas incluíram o estudo das propriedades dos materiais, o uso de sensores, condicionamento de sinais e o acionamento de motores elétricos. Cada experimento foi conduzido com o objetivo de aplicar os conhecimentos teóricos em situações práticas, proporcionando uma compreensão mais profunda dos sistemas de medição e controle utilizados na área eletroeletrônica. Ao longo do trabalho, será detalhado o processo de medição, simulação e análise dos resultados, enfatizando a importância dessas técnicas para a automação e o controle de processos industriais.
10
2 DESENVOLVIMENTO
2.1 ROTEIRO 1 – EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO
Nesta aula prática, utilizamos um simulador de multímetro digital para realizar medições de diversas grandezas elétricas, incluindo tensões contínuas e alternadas, corrente contínua e alternada, além de medições de resistências.
O experimento foi conduzido em diferentes etapas, com o objetivo de compreender o funcionamento e a importância do multímetro no diagnóstico de circuitos elétricos. Primeiramente, acessamos o simulador e selecionamos o módulo de multímetro. Em seguida, configuramos o instrumento para as diferentes medições necessárias:
· Medição de tensão contínua (pilhas): Ajustamos o multímetro para a escala DC (corrente contínua) e conectamos os terminais da pilha aos cabos de medição.
A Tensão medida identificou quais pilhas estavam boas e quais estavam avariadas.
· Medição de resistência: Na medição de resistência, ajustamos o multímetro para a função de ohmímetro e conectamos a cada resistor. O valor medido
variava de acordo com a escala em ohms, corroborando com as especificações do componente utilizado.
· Medição de corrente contínua: Para a medição de corrente contínua, interrompemos o circuito e inserimos o multímetro em série. A escala foi ajustada para medir a corrente DC.
· Medição de corrente alternada com alicate amperímetro: Utilizamos o alicate amperímetro do simulador para medir a corrente alternada em um condutor. Posicionamos o alicate ao redor do fio e a leitura mostrou uma corrente .
Durante o experimento, foi imprescindível ajustar corretamente as escalas do multímetro para cada tipo de medição, assegurando que as leituras fossem precisas e seguras. Além disso, a conexão adequada dos cabos aos terminais com a polaridade do multímetro foi fundamental para evitar erros nas medições e garantir que as leituras refletissem com precisão os valores das grandezas elétricas.
A seguir, apresentamos uma captura de tela exemplificando a medição de tensão contínua no simulador:
Figura 1. Medição de Pilhas
Fonte: o autor (2025)
Figura 2. Classificação das pilhas boas e ruins
Fonte: o autor (2025)
Figura 3. Classificação das Tomadas (V)
Fonte: o autor (2025)
Figura 4. Medição de corrente (A) na Lâmpada
Fonte: o autor (2025)
Box de resposta final: As medições realizadas com o multímetro no simulador mostraram resultados coerentes com o esperado, demonstrando a importância do uso correto do instrumento para garantir leituras precisas e seguras.
Figura 5. Término do Experimento
Fonte: o autor (2025)
Ao final da prática, constatamos que o multímetro ´e uma ferramenta essencial para medir diferentes grandezas elétricas em circuitos, sendo indispensável em diagnósticos de sistemas eletroeletrônicos. O uso do simulador permitiu um aprendizado seguro e eficaz sobre o funcionamento do multímetro e seus ajustes.
2.2 ROTEIRO 2 – MEDIÇÃO DE PRESSÃO
No segundo experimento, utilizamos um sensor piezorresistivo para medir pressão. Este sensor converte a pressão em um sinal elétrico, cuja intensidade É muito baixa, requerendo a amplificação do sinal com o uso de um amplificador operacional.
Figura 6. Circuito do Piezorresistivo
Fonte: o autor (2025)
No simulador, o sensor piezorresistivo foi representado pelo elemento U1.
Ao aplicar diferentes tensões de entrada, medimos a tensão de saída após a amplificação, que foi proporcional `a pressão aplicada. As tensões de entrada e suas respectivas saídas amplificadas são descritas a seguir:
Medição com tensão de entrada de 5 V: O sinal amplificado resultou em uma saída de 8,333 V, correspondente a uma pressão de 8,333 kPa.
Medição com tensão de entrada de 2 V: O sinal amplificado foi de 6,666 V, equivalente a uma pressão de 6,666 kPa.
A tabela abaixo resume os resultados obtidos durante a simulação: Tabela 1. Resultados da SimulaçãoTensão de Entrada
Tensão de Saída
Valor em termos e pressão
5V
8,333V
8,333 kPa
2V
6,666V
6,666 kPa
Fonte: o autor (2024)
O uso do amplificador operacional permitiu a amplificação adequada do sinal gerado pelo sensor piezorresistivo, facilitando a medição precisa da pressão aplicada. Os resultados teóricos e simulados foram compatíveis, confirmando a eficácia do circuito.
A prática demonstrou a importância de amplificadores operacionais para aumentar sinais fracos de sensores, permitindo sua aplicação em sistemas de medição precisos.
2.3 ROTEIRO 3 – CONDICIONAMENTO DE SINAIS COM FILTRO RC
No terceiro experimento, implementamos e analisamos dois circuitos distintos no software Spice: um filtro RC e um amplificador de instrumentação. Ambos os circuitos são fundamentais para o condicionamento de sinais em sistemas de medição e aquisição de dados.
O circuito utilizado no terceiro experimento foi composto pelos seguintes componentes, conforme o diagrama esquemático mostrado abaixo:
Figura 7. Simulação do filtro RC e amplificador de instrumentação no Spice
Fonte: o autor (2025)
60 Hz.
Componentes Utilizados
Fonte de Alimentação (V1):
· Tipo: Sinal senoidal
· Parâmetros: SINE(0 1 60)
· Descrição: Fonte de tensão alternada com amplitude de 1 V e frequência de
Resistores: R1: 0.22 kΩ (220 ohms)
R2, R3, R4, R5, R6, R7: 1 kΩ (1000 ohms cada)
Amplificadores Operacionais:
U1, U2, U3: Amplificadores operacionais (subcircuito) Subcircuito de inclusão: ‘.inc opamp.sub‘
Descrição: Subcircuito padrão utilizado para representar os amplificadores operacionais no LTspice.
Simulação:
Comando de análise transiente: ‘.tran 30m‘
Descrição: Simulação transiente que executa uma análise de 30 milissegundos.
O circuito, conforme o diagrama, foi utilizado para simular a operação de amplificação de sinais com diferentes estágios, utilizando resistores para ajustar os ganhos e controlar a operação dos amplificadores.
Filtro RC
O filtro RC utilizado foi configurado como um filtro passa-baixa, cuja função é permitir a passagem de frequências abaixo da frequência de corte, atenuando frequências mais altas. A frequência de corte foi calculada usando a fórmula:
f = 1	
C	2 πRC
Com os valores de R = 10 kΩ e C = 1 µF, obtemos:
f = 	1	
C	2 x 3,12159 x 10.000 x 0,00001
≅ 15,92 Hz
A simulação do circuito no LTspice foi realizada usando a varredura de frequência (AC Sweet), e o comportamento esperado de atenuação de sinais acima de 15,92 Hz foi observado. A resposta em frequência confirmada pela simulação mostrou a eficáciado filtro na remoção de ruídos de alta frequência.
Figura 8: Gráfico gerado - Frequência x Ganho
Fonte: o autor (2025)
Amplificador de Instrumentação
O amplificador de instrumentação foi montado no LTspice com três amplificadores operacionais, configurado para amplificar um sinal diferencial. O ganho do amplificador foi calculado pela fórmula:
R 1	(	R 1 )Ganho = R 2 x
1+2×Rg
Com R1 = 1 kΩ, R2 = 9 kΩ e Rg = 1 kΩ, obteve-se um ganho de aproximadamente 10. A simulação mostrou que o amplificador conseguiu amplificar sinal de forma precisa e rejeitar ruídos comuns nos sinais de entrada.
Figura 9: Ganho de aproximadamente 10
Fonte: o autor (2025)
2.4 ROTEIRO 4 – ACIONAMENTO DE MOTOR DE INDUÇÃO
No quarto experimento, realizamos a simulação do acionamento de um motor de indução utilizando um inversor de frequência no software Multisim. O objetivo foi observar o comportamento do motor sob diferentes condições de operação e realizar a correção do fator de potência.
Primeiramente, configuramos o motor de indução e o inversor de frequência no simulador. O motor foi acionado e as medições de corrente e defasagem foram realizadas. A corrente de pico observada foi de 42,08 A, com uma defasagem de 2,882 ms entre a tensão e a corrente, resultando em um fator de potência inicial de 0,4656.
Figura 10: Enter Caption
Fonte: o autor (2025)
Figura 11: Defasagem entre Tensão e Corrente
Fonte: o autor (2025)
Com a defasagem medida de 2,882 ms entre a tensão e a corrente, podemos calcular o fator de potência usando a fórmula:
FP = cos(θ)
Sabendo que a defasagem de tempo (∆t) foi de 2,882 ms e a frequência do sistema é 60 Hz, podemos calcular o ângulo de defasagem θ em radianos:
θ = 2πf∆t = 2 × 3,1416 × 60 × 2,882 × 10−3 = 1,085 rad
Agora, calculamos o fator de potência:
FP = cos(1,085 rad) ≈ 0, 4656
A potência aparente (S) foi calculada utilizando a seguinte fórmula:
S = Ö3× VRMS ×
IRMS Onde:
 VRMS = 179, 60 V (tensão eficaz) IRMS = 42, 08 A (corrente eficaz)
Substituindo os valores:
S = Ö3× 179, 60 × 42, 08 = 13.136, 35 V A
A potência ativa (P) foi calculada utilizando o fator de potência (FP) inicial de 0,4656, conforme a fórmula:
P = S × FP
Substituindo os valores:
P = 13.136,35 × 0,4656 = 6.115,88 W
A potência reativa (Q) foi obtida utilizando a seguinte relação:
Q=Ös2−P 2
Substituindo os valores:
Q=Ö13.136 , 352−6.115 , 882 ≅11.793,57 V AR
O objetivo é obter a potência reativa necessária para a correção, que é igual a potência reativa atual menos a desejada. Então, calculando a potência reativa atual, tem-se:
Q3 f = S3 f × (θ) = 11336,35 × (62, 25°) = 10032,53 V AR
A potência reativa desejada deve ser calculada a partir do fator de potência desejado (FP = 1), o que indica que θd = 0°, portanto:
Q3f = S3 f × (θd) = P3f × (θd) = P3f × (0°) = 0
Assim, a potência reativa necessária para a correção é:
Qc3f = Q3f - Qd3f = 10032,53 - 0 = 10032,53 V AR
Com isso, é possível determinar o valor dos capacitores a serem colocados no sistema. Nesse caso, eles serão colocados em Y. Portanto:
Q		10032,53	)
cY ==
c
3× 2 πf × V
F(RMS ))2
3× 2π×60×(
1 79,6 
2	2
≅550 µF
Após a correção do fator de potˆencia, com a adição de capacitores ao circuito, a defasagem foi eliminada e o fator de potˆencia foi elevado para 1,0. A simulação mostrou a importância da correção para melhorar a eficiência do sistema.
Figura 12: Circuito com Capacitor
Fonte: o autor (2025)
Análise do Gráfico após a correção do Fator de Potência
O gráfico apresenta o comportamento do circuito após a correção do fator de potência para FP = 1, mostrando as formas de onda de tensão V(c) e corrente I(V3).
A principal observação é que a tensão e a corrente estão em fase, indicando que o circuito agora opera com o fator de potência corrigido.
Antes da correção, havia uma defasagem significativa entre as formas de onda, típica de circuitos indutivos. Após a adição de capacitores ao sistema essa defasagem foi eliminada. Agora, a corrente e a tensão estão completamente sincronizadas, o que confirma que o sistema está operando com eficiência máxima, sem perdas de potência reativa. Com o fator de potência corrigido para 1, o sistema utiliza toda a energia fornecida de maneira eficiente, resultando em uma operação otimizada do motor de indução, sem necessidade de compensação de energia reativa. A correção do fator de potência no acionamento de motores de indução é importante para otimizar a eficiência energética. O uso de capacitores permitiu a eliminação da defasagem, melhorando o desempenho do sistema.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Ao longo dos quatro experimentos realizados, foi possível entender e aplicar conceitos fundamentais de instrumentação eletrônica e controle de sistemas. No primeiro experimento, utilizamos o multímetro digital para medir grandezas elétricas como tensão, corrente e resistência. Isso destacou a importância da configuração correta do instrumento para garantir medições precisas e seguras em circuitos elétricos.
O segundo experimento focou na medição de pressão utilizando um sensor piezorresistivo, com a amplificação do sinal. A prática demonstrou a relevância dos amplificadores operacionais para tratar sinais fracos, permitindo sua utilização em sistemas de medição.
No terceiro experimento, implementamos e simulamos o funcionamento de um filtro RC e de um amplificador de instrumentação, ambos essenciais para o condicionamento de sinais. A simulação demonstrou como a escolha correta dos componentes pode impactar a eficiência e precisão na amplificação e filtragem de sinais em sistemas de aquisição de dados.
Por fim, o quarto experimento abordou o acionamento de um motor de indução com inversor de frequência e a correção do fator de potência. Após a adição de capacitores, o sistema passou a operar com eficiência máxima, eliminando a defasagem entre tensão e corrente. Isso reforçou a importância da correção do fator de potência em sistemas industriais para otimização do consumo energético.
De forma geral, os experimentos permitiram aplicar e reforçar os conceitos teóricos de medição, amplificação e controle em circuitos elétricos, para o desenvolvimento de sistemas eletroeletrônicos eficientes.
REFERÊNCIAS
BOLDEA, I.; NASAR, S. A. The induction machine handbook. CRC Press. 2010.
FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY Jr. C.; UMANS, S. D. Máquinas elétricas: com introdução à eletrônica de potência. 6.ed. Bookman, 2002.
LIPO, T. A. Introduction to ac machine design. University of Wisconsin-Madison. 2010.
SEN, P. C. Electric motor drives: modeling, analysis, and control. CRC Press. 2017. WILDI, T. Electrical machines, drives, and power systems. 6th ed. Pearson. 2016.
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