PROPOSTA E TESTE DE UMA PLATAFORMA RASPBERY PI PICO COM MICROPYTHON PARA TRAÇADO DE CURVAS I-V

## PROPOSTA E TESTE DE UMA PLATAFORMA RASPBERY PI PICO COM MICROPYTHON PARA TRAÇADO DE CURVAS I-V

Matheus Cotta da Silva 1* , Derek Dorbação de Araujo , Luis Felipe Viana 2 Bernardes 3 , Taina de Azevedo Silva , Thainá Batista Neves , Miguel de Andrade 4 5 Garcia 6 , Gabriel Parreira da Cunha , Amanda Souza Costa , João Pedro de 7 8 Macedo Lourenço 9 , Marcelo Azevedo Neves 10

1 UFRRJ/PET Física, cottafis@gmail.com

2 UFRRJ/PET Física, derekdorbacao@gmail.com

3 UFRRJ/PET Física, lfelipevbernardes.ufrrj@gmail.com

4 UFRRJ/PET Física, taina.azevedo@ufrrj.br

5 UFRRJ/PET Física, thainaneves@ufrrj.br

6 UFRRJ/PET Física, miguelgarcia05799@gmail.com

7 UFRRJ/PET Física, gabriel.parreira@hotmail.com

8 UFRRJ/Curso de Física, amandaasouzaaa@hotmail.com

9 UFRRJ/Curso de Física, joaopedromlourenco@gmail.com

Palavras-chave : Raspberry Pi Pico; MicroPython; Curvas Caraterísticas.

A caracterização elétrica de materiais e de dispositivos eletrônicos básicos requer o traçado das curvas características de corrente vs. tensão elétricas destes, que chamaremos neste trabalho por curvas I-V. Uma das utilidades é a classificação imediata do dispositivo como ôhmico ou não-ôhmico na faixa de valores de tensão e corrente elétricas utilizadas, pela inspeção visual da curva ser linear ou não-linear [CAPUANO, 2009].

Apresentamos neste trabalho uma plataforma de baixo custo para traçado das curvas I-V de dispositivos eletrônicos. Nossa plataforma de trabalho tem como elemento principal de hardware uma unidade microcontrolada ('MCU') Raspberry Pi Pico [RASPBERRY, 2023] e um software original usado para programar esta MCU que foi escrito em MicroPython [MICROPYTHON, 2023]. MicroPython é uma implementação da linguagem de programação Python 3 aprimorada para atuar também em microcontroladores. Esta plataforma de trabalho, além do objetivo a que se destina neste trabalho (o traçado de curvas I-V), apresenta uma rica possibilidade de discussão com os estudantes sobre interfaces digitais e analógicas, protocolos de comunicação e faz uso de uma linguagem que tem ampla aplicação em diversos setores (Python). Apresentamos objetivamente resultados na obtenção de curvas I-V de resistores de 220  (com tolerância de 5%) individualmente, associados em série e em paralelo, bem como de um diodo retificador 1N4001 e um diodo Zener C2V75T.

A MCU Raspberry Pi Pico é uma placa microcontroladora de custo inferior (cerca de 50%) à popular placa Arduino UNO, porém com interfaces digitais flexíveis, consistindo em um chip microcontrolador RP2040 desenvolvido pela Raspberry Pi Foundation [RASPBERRY, 2023]. Esta MCU tem 29 pinos GPIO

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("entradas e saídas de propósito geral") multifuncionais e diversos protocolos de comunicação (UART, I2C, SPI), e cada pino GPIO é capaz de PWM (modulação por largura de pulso) [HALFACREE, 2021]. Contudo, esta MCU opera apenas com 3,3 volts de tensão de entrada e saída em seus pinos.

A geração do sinal de tensão elétrica a ser aplicada aos dispositivos é realizada usando um módulo conversor de sinal digital para analógico (DAC) com o chip MCP42765 da Microchip Technology [COMPONENTS101, 2023], que se comunica com a MCU Raspberry Pi Pico pelo barramento I2C desta [HALFACREE, 2021]. A comunicação pelo barramento I2C usa dois terminais a partir dos quais partem dois fios de conexão: um atua como clock (identificado como SCL, para controle do sincronismo na comunicação) e o outro atua como o canal para o tráfego de dados (identificado como SDA). Para enviar ou receber dados por I2C é necessário especificar o endereço do dispositivo com o qual deseja se comunicar [HALFACREE, 2021]. Para geração de tensão elétrica negativa em uma mesma varredura de medida, uma pilha de 1,5 V foi usada com polaridade contrária à gerada pelo MCP42765, sendo que para observar o Efeito Zener no respectivo diodo foram utilizadas duas pilhas de 1,5 V em série, pois a tensão nominal de ruptura deste diodo é de 2,7 V. Como transdutor de corrente, se usa um resistor de 220  (com tolerância de 5%) ligado em série com o dispositivo eletrônico em estudo.

O software que desenvolvemos automatiza a conexão entre computador e MCU, executa um programa nesta mesma linguagem direto no kernel desta MCU e registra os sinais de suas saídas, as salvando e processando para uso com outras ferramentas de análise. O software em MicroPyhon utiliza a biblioteca ' mpremote ' para comunicação de um PC com o Raspberry Pi Pico por meio um script executado em linhas, o ' shell script CLI ', com execução automatizada nesta linguagem. Usamos a biblioteca ' subprocess ' para iniciar o comando do MCU e também para a aquisição dos sinais por meio deste. Neste trabalho usamos a biblioteca ' matplotlib ' do Python para o processamento dos dados coletados, a qual também permite gerar gráficos adquiridos em tempo real.

A Figura 01 mostra imagens representativas das montagens realizadas, com resistores, com um diodo retificador e com um diodo Zener. Note-se que no caso de associações em série e em paralelo de resistores, se substitui o resistor na Figura 01(a) pelos respectivos arranjos de interesse.

Figura 01: Esquema das montagens (a) para resistores, (b) para diodo retificador e (c) para diodo Zener.

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A Figura 02 mostra as curvas I-V obtidas para resistores e a Figura 03 apresenta as obtidas para os diodos (ver respectivas legendas).

Os resultados obtidos são os esperados para os dispositivos estudados [CAPUANO, 2009], notando que no caso de resistores a inclinação de cada uma das respectivas curvas é o inverso da resistência elétrica equivalente.

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Figura 02: Curvas I-V de Resistores (a) isolado, associação em (b) série e (c) em paralelo.

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Figura 02: Curvas I-V de diodos (a) retificador, (b) Zener, (c) detalhe do efeito Zener.

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Concluímos que a plataforma Raspberry Pi Pico com MicroPython desenvolvida é um sistema de baixo custo (o elemento mais caro nesta proposta é um computador com comunicação USB) para geração e visualização de curvas I-V, e a partir destas usando os métodos gráficos e algébricos convencionais [CAPUANO, 2009] podem ser extraídos os dados referentes à resistência (inclusive em série e em paralelo) e tensões características de diodos retificadores e diodos Zener. Os resultados sugerem ainda adaptar esta plataforma Raspberry Pi Pico com MicroPython para uso em outros sistemas de medição com aquisição de dados automatizada em laboratórios de ensino de Física. Este trabalho foi parcialmente financiado por: Programa de Educação Tutorial (5741802), FNDE, SESu/MEC.

## Referências

[CAPUANO, 2009] CAPUANO, Francisco Gabriel, MARINO, Maria Aparecida Mendes, Laboratório de Eletricidade e Eletrônica , São Paulo: Érica, 2009.

[COMPONENTS101, 2023] Components101. MCP4725 IC Pinout, Datasheet, Equivalent, Circuit &amp; Specs . Disponível em: https://components101.com/ics/mcp4725-pinout-datasheet-equivalent-circuit-specs. Acesso em: 12 jan. 2023.

[HALFACREE, 2021] HALFACREE, Gareth, EVERARD, Ben. Get started with MicroPython on Raspberry Pi Pico . Cambridge: Raspberry Pi Trading Ltd, 2021. p. 117-120.

[MICROPYTHON, 2023] MicroPython, Python for microcontrollers. Disponível em: https://micropython.org/. Acesso em: 10 jan. 2023.

[RASPBERRY, 2023] RASPBERRY PI FOUNDATION, Raspberry Pi Pico . Disponível em: https://www.raspberrypi.com/products/raspberry-pi-pico/. Acesso em: 10 jan. 2023.

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