Aula prática – Circuitos Elétricos

Aula prática Circuitos Elétricos

Disciplina: Circuitos Elétricos
ROTEIRO DE AULA PRÁTICA 1
Unidade: 1: Leis de Circuitos.
Aula: 04: Teorema de circuitos II

Software LTspice e Excel on-line
Acesso on-line
Livre

Infraestrutura
Computador com acesso à internet.
1. Caso utilize o Windows 10, dê preferência ao navegador Google Chrome;
2. Caso utilize o Windows 7, dê preferência ao navegador Mozilla Firefox;
3. Feche outros programas que podem sobrecarregar o seu computador.

Descrição dos softwares
Software LTspice
LTspice é um software simulador SPICE poderoso, rápido e gratuito, captura esquemática e visualizador de forma de onda com melhorias e modelos para melhorar a simulação de circuitos analógicos. Sua interface de captura esquemática gráfica permite sondar esquemas e produzir resultados de simulação, que podem ser explorados ainda mais através do visualizador de forma de onda integrado.
O download do software pode ser feito no seguinte endereço:
https://www.analog.com/en/resources/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html
Após o download, a instalação é rápida e intuitiva. A própria desenvolvedora do software fornece um tutorial básico de utilização que pode ser acessados em:
https://www.analog.com/en/resources/media-center/videos/series/ltspice-getting-startedtutorial.html

Software Excel on-line
O Excel Online é uma versão baseada na web da popular planilha eletrônica Microsoft Excel. Ele faz parte do conjunto de aplicativos do Microsoft Office Online (anteriormente conhecido como Office Web Apps), que também inclui versões online do Word, PowerPoint e OneNote. O Excel Online permite que os usuários criem, editem e colaborem em planilhas diretamente em um navegador da web, sem a necessidade de instalar o software Excel em seu computador local.

Aula prática Circuitos Elétricos Atividade Prática

Introdução

Neste experimento você vai fazer a montagem e análise de circuitos elétricos para comprovar os teroremas da transformação de fonte e da máxima transferência de potência.
1) O teorema da transformação de fonte trata da substituição de fontes de tensão por fontes de corrente e vice-versa, mantendo inalteradas as características do circuito original, e descreve como uma rede de circuitos complexos pode ser simplificada em um circuito equivalente mais simples, que facilita a análise e o cálculo das grandezas elétricas, como tensão e corrente. O teorema da transformação de fonte é composto por dois teoremas relacionados, o Teorema de Thévenin e o Teorema de Norton. Assim, um circuito de Thévenin que consiste em uma fonte de tensão ideal em série com uma resistência pode ser transformado em um circuito de Norton que consiste em uma fonte de corrente ideal em paralelo com uma resistência.

2) O teorema da máxima transferência de potência é um conceito fundamental em circuitos elétricos que descreve as condições sob as quais a potência é transferida de uma fonte de energia (geralmente um gerador ou uma fonte de tensão) para uma carga de forma eficiente. O teorema estabelece que a potência transferida é máxima quando a resistência da carga é igual à resistência interna da fonte de energia. A potência máxima é entregue a uma carga quando a resistência de carga (Rcarga) é idêntica à resistência de Thévenin quando vista da carga (RTH), calculada de acordo com a equação (1):
�
�𝑚𝑎𝑥= 𝑉𝑇𝐻 2
4𝑅𝑇𝐻

Atividade proposta
Analisar circuitos elétricos e aplicar os teoremas de circuitos.

Objetivos
Conhecer os teoremas da transformação de fonte e da máxima transferência de potência; Saber utilizar ferramentas computacionais para emular circuitos elétricos; Aplicar os conhecimentos sobre a análise de circuitos para a validação dos resultados obtidos em ambiente de simulação computacional.

Procedimentos para a realização da atividade
Etapa 1: compreendendo o experimento:
Após a instalação do LTspice, você irá se deparar com a tela inicial do software, apresentada a seguir. Para criar um novo esquemático de circuito clique no local indicado.

Prática 1: Aplicando o teorema da transformação de fontes:
A figura a seguir ilustra o equivalente de Thévenin para uma resistência de carga de 1 kOhm. Observa-se tambem o equivalente de Norton, obtido a partir da aplicação do teorema da Transformação de fontes. Implemente os circuitos no LTspice e comprove que a corrente e a tensão sobre a resistência de carga deve ser a mesma, independente do circuito equivalente utilizado. Comprove, por meio de cálculos pela Lei de Ohm, os resultados obtidos na simulação.

RTH=1 k
VTH=10 V Rcarga=1 k
Equivalente de Thévenin
IN=10 mA
RTH=1 k
Equivalente de Norton
Rcarga=1 k

Para implementar o circuito, siga as orientações:
A fonte de tensão está posicionada no local indicado a seguir. Configure o valor “DC value[V]” com o necessário para o experimento.

A fonte de de corrente deve ser adicionada como um componente. Clicando como o botão direito configure o valor “DC value[A]” com o necessário para o experimento.

O resistor e a referência estão nos locais indicados a seguir. Para configurar o valor do resistor, clique sobre ele com o botão direito.

Caso seja necessário remover algum componente, aperte a tecla ‘del’ do teclado e clique sobre o componente que deseja remover. Para mover um componente, utilize a tecla ‘M’ e clique sobre o componente desejado. Para cancelar uma seleção ou a adição de algum compente, aperte a tecla ‘esc’. A ligação dos componetes é feita com o fio (wire), selecionado ao se clicar ‘w’ ou pelo atalho na barra de ferramentas. Para rotacionar um componente quando ele é adicionado, aperte ‘Crtl+R’. Sabendo disso, você deve montar os seguintes circuitos:

Após a montagem, é necessário se configurar a simulação:

Para realizar a simulação clique no botão indicado a seguir. O resultado irá aparecer em um log com todos os valores de tensão e corrente dos circuitos ou você pode acessa-los posicionando o mouse sobre os componentes após fechar a janela de log.

Você deve observar que a corrente e a tensão sobre a resistência de carga, independente do circuito ( Thevenin ou Norton) é a mesma.
Prática 2: Aplicando o teorema da máxima transferência de potência:
O teorema estabelece que a potência transferida é máxima quando a resistência da carga é igual à resistência interna da fonte de energia. Você deve montar o circuito da figura a seguir e realizar a coleta da potência de acordo com a variação do valor da resistência de carga, para obter o gráfico da figura: RTH=1 k
VTH=10 V Rcarga
RTH Rcarga 0
No LTspice monte o circuito da figura a seguir

Você deve variar o valor da resistência de carga (R2) entre 0 ohms até 10 kohms. Para 0 ohms, basta retirar o resistor R2 e realizar um curto-circuito nos terminais adjacentes. O valor da resistência pode ser alterado de acordo com a tabela a seguir. Para cada valor de resistência, anotar nas colunas 1 e 2 os valores da tensão e corrente obtidos na simulação. A potência pode ser obtida por meio da multiplicação entre tensão e corrente.

Tensão Corrente (mA) Rcarga
Potência
(mW)
V i 0 v*i
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000

4000
6000
8000
10000

Dica: você pode utilizar o Excel on-line para realizar os cálculos e a plotagem. Para isso, basta acessar uma conta de e-mail outlook ou hotmail e no menu de aplicativos selecionar o Excel:

No Excel inserir as colunas: tensão ( que será coletada), corrente mA (que será coletada), Rcarga (de acordo com a tabela anterior) e Potência mW (que será calculada):

Para cada valor de R2 alterada no LTspice, você deve anotar na planilha em Excel: Exemplo para R2 = 200 ohms:

Após realizar esse procedimento para toda a faixa de resistência, plote o gráfico de resistência versus potência: você deve selecionar as colunas Rcarga e Potência (mW), ir até o menu superior na aba “Inserir→Gráfico→ Dispersão”

O gráico será gerado, e você deve verificar que a máxima transferência de potência ocorre quando Rcarga=RTH. Ainda, por meio da fórmula da máxima transferência de potência é possível validar o valor de potência estimado.

Aqui, finaliza-se a atividade prática.

Checklist
Realizar a montagem do circuito para a comprovação do teorema da transformação de fontes; Validar matematicamente por meio dos teoremas, o resultado obtido em simulação;
Realizar a montagem do circuito para a comprovação do teorema da máxima transferência de potência;
Validar matematicamente por meio dos teoremas, o resultado obtido em simulação;
Realizar a plotagem gráfica para a comprovação do teorema da máxima transferência de potência.

Estudante, você deverá entregar:
Você deve entregar um relatório contendo os prints discussão dos resultados para:
Prática 1: Aplicando o teorema da transformação de fontes e;
Prática 2: Aplicando o teorema da máxima transferência de potência.
O relatório deve conter informações detalhadas sobre o projeto, simulação e resultados do circuito. Aqui estão os elementos essenciais que devem constar em um relatório desse tipo:
Capa: A capa deve incluir o título do relatório, nome do autor, afiliação institucional (se aplicável), data e outras informações de identificação relevantes.
Resumo: Um resumo conciso que fornece uma visão geral do experimento, incluindo os principais objetivos, resultados e conclusões. Deve ser uma breve síntese do relatório. Introdução: Uma introdução ao experimento, explicando o propósito do estudo, as questões que
você pretende responder e a relevância do circuito que está sendo analisado.
Teoria e Fundamentação: Explicação da teoria subjacente ao circuito e aos componentes utilizados. Isso pode incluir equações, leis de circuito e princípios fundamentais relacionados ao experimento.
Metodologia: Descrição detalhada de como o circuito foi projetado, incluindo todos os componentes e valores de resistência, capacitância, tensão, corrente, etc. Também inclua informações sobre as configurações do simulador LTspice.
Resultados: Apresentação dos resultados da simulação. Isso pode incluir gráficos, tabelas, medidas de tensão, corrente e outras grandezas elétricas relevantes. Os resultados devem ser organizados de forma clara e legível.
Discussão: Interpretação dos resultados e análise de seu significado. Compare os resultados obtidos na simulação com as expectativas teóricas e explique qualquer diferença. Discuta as tendências observadas nos dados.
Conclusões: Resuma as principais conclusões tiradas do experimento. Responda às questões levantadas na introdução. Destaque os principais resultados e descubra seu significado.
Considerações Finais: Inclua informações adicionais, como limitações do experimento, recomendações para melhorias futuras ou experimentos adicionais que possam ser realizados. Referências: Liste todas as fontes de informações utilizadas na pesquisa, incluindo livros, artigos, manuais do LTspice ou outras fontes relevantes. Certifique-se de que o relatório esteja bem estruturado, seja claro e conciso, e inclua gráficos e tabelas quando apropriado para facilitar a compreensão dos resultados. Além disso, siga as diretrizes específicas fornecidas pelo seu instrutor ou instituição, pois os requisitos podem variar.

Referências
LTspice: https://www.analog.com/en/resources/design-tools-and-calculators/ltspice simulator.html .

Aula prática Circuitos Elétricos

ROTEIRO DE AULA PRÁTICA 2
Unidade: 2: Métodos de Análise de Circuitos.
Aula: 06: Análise de Malhas

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