Eletrónica

Não requer qualquer experiência na área de eletrónica.

1 – Aulas teóricas: Apresentação dos conceitos e das técnicas fundamentais de análise e de projeto, essenciais ao desenvolvimento das aulas práticas. Serão estudados circuitos de eletrónica analógica e sistemas embebidos simples, com apoio das plataformas PSpice, LTspice e Tinkercad. Serão ainda introduzidos temas de literacia energética, descarbonização, IoT e IIoT.

2 – Aulas práticas: Resolução de exercícios e desenvolvimento de trabalhos práticos de análise, projeto e simulação de circuitos analógicos de baixa complexidade, com recurso a PSpice e Python. Inclui ainda a implementação de dois projetos finais com um Arduino Nano: um sistema de controlo de semáforos e uma fechadura eletrónica.

A unidade curricular pretende que os alunos compreendam a eletrónica em vários níveis de abstração, desde os fundamentos físicos até à eletrónica analógica e digital, bem como o papel do computador analógico na ligação entre o computador digital e o meio envolvente. Também visa sensibilizar para temas de literacia energética e de descarbonização, promovendo maior consciência sobre a necessidade de mudar comportamentos e estilos de vida.

Na componente teórica, os alunos estudam grandezas elétricas, análise de circuitos elementares e física dos semicondutores para compreender o funcionamento de dispositivos como díodos, transístores e amplificadores operacionais. Devem ainda compreender formas de processamento de informação em eletrónica analógica, com componentes discretos e circuitos integrados, bem como a arquitetura e os requisitos de sistemas embebidos, e noções básicas de IoT e IIoT.

Na componente laboratorial, pretende-se desenvolver competências práticas no manuseamento de componentes eletrónicos, na análise de sistemas de eletrónica analógica e na utilização de ferramentas de simulação de circuitos como PSpice, LTspice e Tinkercad. Os alunos também deverão adquirir conhecimentos na simulação de sistemas dinâmicos em Python e no uso de ferramentas de conceção de sistemas embebidos.

· Introdução:

• Ciência, Engenharia e Eletrónica;

• Software versus Hardware;

• Interface natureza-computador digital-natureza;

• Níveis de abstração da eletrónica e da eletrónica analógica;

• Física – definições de grandezas elétricas básicas, unidades, múltiplos e lei de Ohm;

• Elementos básicos da eletrónica;

• Física – Lei de Ohm, efeito de Joule e supercondutores;

• Física – Formas de produção de energia elétrica;

• Fontes de energia renováveis, eficiência energética, sustentabilidade e economia circular, valorizando o contributo da informática para a gestão sustentável dos recursos.

· Técnicas de análise de circuitos:

• Física – Princípio da conservação da carga e princípio da conservação da energia;

• Análise de circuitos elementares;

• Técnicas de análise de circuitos;

• Resolução de sistemas de equações com recurso à linguagem de programação Python;

• Simulação de circuitos elétricos e eletrónicos com recurso às ferramentas de simulação: Pspice, LTspice e Tinkercad;

• Sistemas e propriedades;

• Conceito de realimentação negativa e positiva;

• Teorema de simplificação de circuitos: Thevenin.

· Estudo dos Semicondutores:

• Constituição da matéria, molécula, átomo, estrutura atómica, bandas de energia, condutores, isoladores e semicondutores;

• Estrutura, eletrões de valência, ligações covalentes e iónicas, eletrões livres e lacunas;

• Semiconductores intrínsecos e extrínsecos;

• Geração e recombinação de pares, mecanismos de condução;

• Junção P-N, barreira de potencial, polarização de uma junção.

· Díodo de junção

• A constituição do díodo, breve referência à tecnologia e caraterização do díodo real;

• Polarização direta e polarização inversa;

• Caraterística “Volt-Ampere” e aproximação linear por troços;

• Análise e simulação de circuitos com díodos com recurso à linguagem de programação Python;

• Outros tipos de díodo;

• Aplicações mais relevantes no âmbito da informática.

· Eletricidade e o corpo humano

• Características da forma de onda da tensão na rede elétrica;

• Conceito de valor eficaz;

• Severidade da corrente elétrica no corpo humano;

• Principais efeitos fisiológicos da corrente elétrica no corpo humano;

• Cuidados com a Eletricidade.

· Transístores

• Transístor bipolar de junção (BJT) versus transístor de efeito de campo (FET);

• Constituição, simbologia e princípio de funcionamento;

• Polarização do transístor BJT;

• Ligação em emissor-comum (BJT);

• O transístor como amplificador e interruptor;

• Efeito da temperatura e soluções (realimentação negativa);

• Polarização em corrente contínua;

• Análise e simulação de circuitos com transístores com recurso à linguagem de programação Python;

• Aplicações mais relevantes no âmbito da informática.

· Amplificador Operacional (Amp-Op)

• Computação analógica versus computação digital;

• Componentes discretos versus Circuitos Integrados (CI);

• Montagem de sistemas eletrónicos: Prototipagem versus breadboard e produto final versus PTPB/PCB;

• Sinal em modo comum (ruído) e modo diferencial (sinal de interesse);

• Fator de rejeição em modo comum (FRMC) e tensão de offset;

• Padrão mínimo da indústria: Amp-op 741;

• Conceitos fundamentais: malha aberta, malha fechada, realimentação negativa e realimentação positiva;

• Realimentação negativa versus operação na região linear e tipos de realimentação negativa;

• Análise de circuitos com Amp-Ops;

• Análise e simulação de circuitos com Amp-ops com recurso à linguagem de programação Python;

• Aplicações elementares do Amp-op;

• Amp-op versus computador analógico.

· Conversores Analógico Digitais (CAD)

• Sample and hold circuit;

• Teorema de Nyquist;

• Aliasing;

• Bloco de quantização;

• Algumas características do CAD e principais arquiteturas.

· Sistemas Embebidos (SE)

• Introdução e conceitos fundamentais: computação ubíqua, Cyber-Physical Systems (CBS), Hard and Soft Real Time (HRT/SRT) Systems, latência, throughput e firmware;

• Diagrama de blocos de um sistema embebido;

• Microcomputador versus microcontrolador versus microprocessador;

• Arquitetura de um microcontrolador: ROM, FLASH, RAM, CPU, Circuito de interrupções, E/S (CAD, CDA, Porta série, PWM e comunicação) e Timers;

• Tipos de processadores utilizados em SE: GPP, ASIP e ASIC;

• ISA: CISC versus RISC;

• Arquitetura de Von Neumann versus Harvard;

• Tipos de memória: RAM, ROM e FLASH.

• Introdução à placa de desenvolvimento Arduino nano (Microcontrolador ATmega328);

• Projeto de sistemas embebidos com recurso à ferramenta de simulação Tinkercad;

• Interface com o utilizador;

• Conceito de pull-up e pull-down resistor;

• Sensores: Características dinâmicas/estáticas e tipos (Luz e temperatura);

• Atuadores: Diagrama de blocos de uma unidade de atuação e categorias.

· Internet of Things versus Industrial Internet of Things

• Aplicações, desafios, importância, definições e vantagens;

• História (M2M e IoT) e evolução;

• Arquiteturas e principais componentes (sensores, atuadores, protocolos de comunicação, sistemas de controlo, plataformas e interface com o utilizador);

• Tecnologias de sensores utilizadas em sistemas IoT e suas aplicações: temperatura, humidade, pressão, luz, proximidade, movimento e gás;

• Protocolos de comunicação: Sem fio (Wi-Fi e bluetooth), com fio (Ethernet) e protocolos específicos da IoT (MQQT);

• Sistemas de controlo (Feedback control e Feedforward control) e controlo em tempo real;

• Componentes de um sistema de automação industrial (PLC, SCADA, HMI and MES);

• Sinergia entre Automação industrial e a IoT (IIoT);

• IIoT e manutenção preditiva;

• IIoT, segurança e privacidade.

Na nota final são consideradas duas componentes:

Componente escrita (frequência ou exame) com peso de 75% na nota final, exigindo-se nota mínima de 35%.

• Os alunos que optarem pela avaliação escrita por frequência estão impedidos de realizar o exame de época normal, podendo realizar o exame de época de recurso;
• A realização da primeira frequência (entrega da prova) implica a escolha pela avaliação por frequência, independentemente de o aluno desistir ou não na segunda frequência.
• Se o aluno desistir na segunda frequência, a nota final da componente escrita será calculada considerando a nota da segunda frequência igual a 0.

Componente prática consiste na realização de 6 trabalhos práticos e tem um peso de 25% na nota final.

NAO