Eletrónica

Não requer qualquer experiência na área de eletrónica.

1 – Aulas teóricas: Exposição de conceitos fundamentais e de técnicas de análise e projeto, que permitam adquirir competências essenciais para as aulas práticas. Serão igualmente analisados diversos circuitos de eletrónica analógica relevantes no contexto da engenharia informática, sendo utilizado para o efeito as plataformas de simulação: Pspice, LTspice e Tinkercad. Alguns sistemas embebidos simples implementados na plataforma de simulação on-line Tinkercad serão igualmente examinados. Alguns conceitos sobre literacia energética serão apresentados de forma a sensibilizar os alunos para a importância dos temas da descarbonização, alertando-os para este problema e para a necessidade imperativa de mudança de comportamentos e de estilos de vida. Serão igualmente introduzidos alguns conceitos fundamentais sobre IoT e IIoT.

2 – Aulas práticas: Resolução de exercícios, nomeadamente sobre análise e projeto de circuitos analógicos de baixa complexidade e a sua implementação através dos trabalhos práticos. Modelização de sistemas eletrónicos com recurso ao programa de simulação Pspice e à linguagem de programação Python. Implementação de dois projetos finais de sistemas embebidos com recurso à placa de desenvolvimento Arduino nano (sistema de controlo de semáforos e sistema de controlo de uma fechadura eletrónica).

Na componente teórica pretende-se que os alunos consigam identificar e compreender os diferentes níveis de abstração da eletrónica desde a física até à eletrónica digital e analógica. Pretende-se igualmente que os alunos identifiquem e compreendam os diferentes níveis de abstração desde a eletrónica analógica ao computador analógico, bem como o papel que este desempenha no interface entre computador digital e o meio. Alguns conceitos sobre literacia energética serão igualmente apresentados, ao longo do semestre, com o propósito de difundir a importância dos temas da descarbonização, alertando-os para este problema e para a necessidade imperativa de mudança de comportamentos e de estilos de vida.

O ponto de partida será o estudo de diversas grandezas elétricas, o qual será efetuado com recurso à análise de circuitos elétricos elementares. A compreensão e aplicação das referidas técnicas de análise permitirá aos alunos compreender os diversos sistemas eletrónicos em estudo. Os alunos terão, ainda, que fazer o estudo da física dos semicondutores para que possam compreender os mecanismos físicos que governam a operação de dispositivos semicondutores (díodos, transístores e amp-ops) e, desta forma, possam analisar e compreender a operação de alguns dos sistemas de eletrónica analógica mais relevantes no contexto da engenharia informática. Os alunos deverão igualmente compreender as diferentes formas de processamento de informação através de circuitos de eletrónica analógica, quer com elementos discretos, quer com circuitos integrados (CI). Os alunos deverão compreender a arquitetura e características de um sistema embebido (SE), identificar os seus requisitos funcionais, assim como adquirir competências básicas no que diz respeito à utilização ferramentas utilizadas na sua conceção. Alguns conceitos fundamentais sobre IoT (Internet of Things) e IIoT (Industrial Internet of Things) serão igualmente introduzidos.

Em relação à componente laboratorial pretende-se que os alunos adquiram conhecimentos laboratoriais resultantes do manuseamento de componentes elétricos e eletrónicos em aplicações práticas, nomeadamente, em alguns dos sistemas de eletrónica analógica mais relevantes no contexto da engenharia informática. De forma análoga, deverão adquirir competências no manuseamento de algumas ferramentas de simulação de circuitos elétricos e eletrónicos (Pspice, LTspice e Tinkercad), assim como na simulação de sistemas dinâmicos com recurso à linguagem de programação Python. Os alunos deverão ainda adquirir competências básicas no que diz respeito à utilização ferramentas utilizadas na conceção de SE.

1. 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 energética e economia circular.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Conversores Analógico Digitais (CAD)

• Sample and hold circuit;

• Teorema de Nyquist;

• Aliasing;

• Bloco de quantização;

• Algumas caraterísticas do CAD e principais arquiteturas.

9. 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.

10. 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.

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