Fundamentos de Electrónica

Unidade Curricular / Curricular Unit
Fundamentos de Electrónica

Ciclo de Estudos / Study Cycle
Engenharia Informática, Redes e Telecomunicações

Nome do Docente Responsável
Slavisa Tomic

Objectivos de aprendizagem (conhecimentos, aptidões e competências a desenvolver pelos estudantes)
Os estudantes que terminam com sucesso esta unidade curricular serão capazes de:
1. Identificar as grandezas eléctricas, os componentes eléctricos e electrónicos básicos e os equipamentos de instrumentação e medida principais.
2. Explicar as dependências entre as grandezas eléctricas; caracterizar os dispositivos electrónicos; descrever as técnicas de instrumentação e medida; explicar o funcionamento dos equipamentos de medida e as suas limitações.
3. Propor circuitos electrónicos para uma determinada funcionalidade básica; usar técnicas de medida.
4. Analisar circuitos electrónicos, utilizando conceitos e métodos teóricos elementares; analisar e testar circuitos pela medição de grandezas eléctricas.
5. Desenvolver e montar circuitos electrónicos elementares com componentes discretos ou integrados.
6. Avaliar a funcionalidade de circuitos e sistemas electrónicos e opto-electrónicos; escrever relatórios elementares.

Intended learning outcomes (knowledge, skills and competences to be developed by the students)
A student completing this course unit should be able to:
1. Identify electrical quantities, the basic electrical and electronic components, and main instrumentation and measuring equipment.
2. Explain the dependencies between the electrical quantities; characterise electronic devices; describe the instrumentation and measurement techniques; explain the operation of measurement equipment and its limitations.
3. Propose circuits to a specific basic functionality; use measurement techniques.
4. Analyse electronic circuits using basic theoretical concepts and methods; analyse and test circuits by measuring electrical quantities values.
5. Develop and assemble elementary electronic circuits with discrete or integrated components.
6. Evaluate the functionality of electronic and optoelectronic circuits and systems; write elementary reports.

Conteúdos programáticos
I. Conceitos básicos de física para engenharia: forças, campos, potenciais e energia. Materiais electrónicos. Grandezas eléctricas: tensão, corrente, potência e energia
II. Instrumentação e medida: introdução às técnicas laboratoriais. Aparelhos: multímetro, fonte de alimentação, gerador de funções, osciloscópio, ponta de prova
III. Componentes discretos e integrados: resistência, condensador, bobina, transformador, díodo, transístor, amplificador operacional, termístor, fotoresistência, fotodíodo, fototransístor.
IV. Métodos de análise de circuitos: leis de Kirchhoff, princípio da sobreposição, teoremas de Thévenin e Norton. Características I-V e de transferência. Comutação e amplificação. Modelação do comportamento de dispositivos. Simulação.
V. Leis de Ohm e Joule. Circuitos RL e RC. Resposta temporal e em frequência.
VI. Circuitos simples mais usados com os componentes estudados. Circuitos analógicos e digitais. Análise de circuitos e sistemas lineares e não lineares. Aplicações.

Syllabus
I. Basic concepts of physics for engineering: forces, fields, potentials and energy. Electronic materials. Electrical quantities: voltage, current, power and energy.
II. Instrumentation and measurement: introduction to laboratory techniques. Measuring equipment: multimeter, power supply, function generator, oscilloscope, probe.
III. Discrete and integrated components: resistor, capacitor, coil, transformer, diode, transistor, operational amplifier, thermistor, LDR, photodiode, phototransistor.
IV. Methods for circuit analysis: Kirchhoff’s laws, superposition principle, and Thevenin and Norton theorems. I-V and transfer characteristics. Switching and amplification. Modelling the behavior of devices. Simulation.
V. Ohm’s and Joule’s laws. RL and RC circuits. Temporal and frequency response.
VI. Most common and simple circuits with the studied components. Analog and digital circuits. Analysis of linear and nonlinear circuits and systems. Applications.

Demonstração da coerência dos conteúdos programáticos com os objectivos de aprendizagem da unidade curricular
Sistematizar e consolidar conhecimentos adquiridos direccionando-os para a compreensão dos fenómenos eléctricos subjacentes à implementação de circuitos e sistemas electrónicos. Familiarizar a componente de instrumentação e medida e desenvolver aplicações concretas.  Base sólida na compreensão das características de um sistema (5-6), a partir de fundamentos da física, passa pela aprendizagem de técnicas de medida e pelo estudo dos circuitos básicos que estabelecem o entendimento de aplicações. Estudo das grandezas eléctricas (I) que são a base da percepção do funcionamento dos sistemas, capturada por equipamentos ou circuitos de medida (II).Estudo dos componentes (III) que constituem os elementos básicos de circuitos e modelam os dispositivos.Assim se obtém a base (1-2) para a construção de sistemas.Estudo dos circuitos básicos (V-VI) para compreender as aplicações dos dispositivos e a construção de sistemas (5-6).A análise (IV) é a ferramenta teórica para o estudo dos circuitos (4-5).

Evidence of the syllabus coherence with the curricular unit’s intended learning outcomes
Systematize and consolidate acquired knowledge, by directing it to the understanding of the electrical phenomena underlying the implementation of electronic circuits and systems. Familiarize the instrumentation and measurement component and to develop concrete applications. Solid understanding of the characteristics of a system (5-6), from fundamental physics, learning measurement techniques and studying the basic circuits which provide the understanding of applications. Study of the electrical quantities (I) which are the basis of the perception of system’s operation, captured by the measuring equipment or circuitry (II). Study of the components (III) which are the basic elements of circuits and devices models. In this way, it is achieved the ground (1-2) for systems definition. Study of the basic circuits (V-VI) to understand the applications of devices and the construction of systems (5-6). Analysis (IV) is the theoretical tool for the study of circuits (4-5).

Metodologias de ensino (avaliação incluída)
Ensino teórico-prático com aulas interactivas. 45 horas de contacto: 10 aulas de 3 horas em sala comum e 10 aulas de 1,5 horas em laboratório.  Nas aulas de 3 horas são apresentados os conceitos, temas e exemplos de aplicação. Nas aulas de 1,5 horas, os estudantes realizam 5 a 7 pequenos trabalhos práticos, organizados em grupos de 2 ou 3 elementos. Cada trabalho prático envolve 2 ou 3 aulas de laboratório para teste de circuitos. São introduzidos os tópicos em estudo e para a aula final, de cada trabalho, o grupo tem uma preparação obrigatória que envolve a análise ou criação de um circuito e a elaboração de um relatório sucinto escrito durante a aula, com pequenas tarefas adicionais conhecidas na aula. A avaliação envolve provas individuais e provas de grupo, provas escritas e provas de laboratório. A classificação final pondera as provas escritas individuais (testes e exame) e as provas práticas de grupo (trabalhos) e individuais (exame) em laboratório.

Teaching methodologies (including assessment)
Theoretical-practical teaching with interactive lectures. 45 hours of contact: 10 lectures of 3 hours in the normal room and 10 lectures of 1.5 hours in the laboratory. In the 3 hours lectures, the concepts, themes and application examples are presented. In the 1.5 hours lectures, students perform 5 to 7 small practical works, organized in groups of 2 or 3 elements. Each practical work involves 2 or 3 labs to test circuits. New study topics are introduced and, for the final lecture of each work, the group has a mandatory preparation assignment that involves the analysis or the creation of a circuit, and the preparation of a summary report written during class. There are small additional tasks proposed in this lecture. The assessment involves individual work and group work, written tests and laboratory work. The final mark weighs individual written evaluation (tests and exam), group work (practical work) and individual practical work (exam) in the laboratory.

Demonstração da coerência das metodologias de ensino com os objectivos de aprendizagem da unidade curricular
Nas aulas teóricas são expostos os conteúdos programáticos com exemplos práticos de aplicação e promove-se a interacção com os estudantes e o seu sentido crítico. É disponibilizado um conjunto de exercícios aconselhados para compreensão e motivação dos assuntos em estudo. É disponibilizado um sítio internet com informação interactiva, para o estudo dos dispositivos, dos métodos de análise e dos equipamentos de medida. São aconselhadas leituras e sítios internet suplementares como complemento para reforço das competências. Os trabalhos práticos promovem a motivação para os temas, criando uma relação entre os diferentes níveis de abordagem: grandezas, medições, dispositivos, circuitos, aplicações. As primeiras aulas dos trabalhos fornecem as bases de aprendizagem laboratorial e para a última aula os estudantes têm um trabalho de exploração pessoal e de grupo. Um exame prático de laboratório avalia as competências individuais com especial ênfase nas técnicas de instrumentação e medida.

Evidence of the teaching methodologies coherence with the curricular unit’s intended learning outcomes
In theoretical lectures, syllabus is exposed with practical examples, and interaction with students is promoted as well their critical sense and thinking. A set of recommended exercises is provided for the understanding and motivation of the subjects under study. A website with interactive information is provided for the study of the devices, methods of analysis, and measurement equipment. Additional reading and websites are recommended to enhance or complement learning outcomes. The practical works provide the motivation for the themes, creating a relationship between the different levels of approach: quantities, measurements, devices, circuits, applications. The first lectures of each work provide the basis for laboratory learning outcomes, and for the last lecture students have personal and group exploratory work. A laboratory practical exam assesses individual skills with special emphasis on instrumentation and measurement techniques.

Bibliografia Principal / Main Bibliography
• Manuel de Medeiros Silva, “Introdução aos Circuitos Eléctricos e Electrónicos”, 5ª edição, Fundação Calouste Gulbenkian, 2011.
• Adel Sedra and Kenneth Smith, “Microelectronic Circuits”, 6th edition, Oxford University Press – Series in Electrical and Computer Engineering, 2009.
• Ben G. Streetman and Sanjay Kumar Banerjee, Solid State Electronic Devices, 6th edition, Prentice-Hall, 2006.