APOSTILAS ELETROTÉCNICA, Manuais, Projetos, Pesquisas de Física

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Sumário

• Parte I - Revisão de circuitos elétricos e componentes básicos
  • Introdução
  • Revisão de circuitos elétricos
    • Carga e corrente elétrica
    • Tensão elétrica
    • Potência e energia
    • Conversão de níveis lógicos e alimentação correta de circuitos
  • Revisão de componentes eletrônicos
    • Resistores elétricos
    • Capacitores
• Parte II - Seção de Exemplos Práticos - Exemplo 1 - Usando potenciômetro para fazer leituras analógicas - Exemplo 2 - Divisor de tensão - Exemplo 3 - Entradas e saídas digitais - push-button + led................................................ - Exemplo 4 - Sensor de luz LDR - Exemplo 5 - Acionando o Micro Servo 9g SG90 TowerPro - Exemplo 6 - Sensor de temperatura NTC - Exemplo 7 - Módulo Relé 1 Canal...................................................................................... - Exemplo 8 - Sensor Ótico Reflexivo TCRT5000
  • Considerações finais

Preparado? Vamos começar!

Revisão de circuitos elétricos

A apostila Arduino BASIC, bem como todas as outras apostilas que tratam de Arduino e eletrônica em geral, tem como conhecimento de base as teorias de circuitos elétricos e de eletrônica analógica e digital. Do ponto de vista da teoria de circuitos elétricos, é importante conhecer os conceitos de grandezas elétricas: Tensão, corrente, carga, energia potência elétrica. Em todos os textos sobre Arduino ou qualquer assunto que envolva eletrônica, você sempre terá que lidar com esses termos. Para o leitor que se inicia nessa seara, recomendamos desde já que mesmo que a eletrônica não seja sua área de formação, que conheça esses conceitos básicos. Vamos começar pela definição de “circuito elétrico”. Um circuito elétrico/eletrônico é uma interconexão de elementos elétricos/eletrônicos. Essa interconexão pode ser feita para atender a uma determinada tarefa, como acender uma lâmpada, acionar um motor, dissipar calor em um resistência e tantos outras. O circuito pode estar energizado ou desenergizado. Quando está energizado, é quando uma fonte de tensão externa ou interna está ligada aos componentes do circuito. Nesse caso, uma corrente elétrica fluirá entre os condutores do circuito. Quando está desenergizado, a fonte de tensão não está conectada e não há corrente elétrica fluindo entre os condutores. Mas atenção, alguns elementos básicos de circuitos, como os capacitores ou massas metálicas, são elementos que armazenam energia elétrica. Em alguns casos, mesmo não havendo fonte de tensão conectada a um circuito, pode ser que um elemento que tenha energia armazenada descarregue essa energia dando origem a uma corrente elétrica transitória no circuito. Evitar que elementos do circuito fiquem energizados mesmo sem uma fonte de tensão, o que pode provocar descargas elétricas posteriores (e em alguns casos, danificar o circuito ou causar choques elétricos) é um dos motivos dos sistemas de aterramento em equipamentos como osciloscópios e em instalações residenciais , por exemplo. Em todo circuito você vai ouvir falar das grandezas elétricas principais, assim, vamos aprender o que é cada uma delas.

Carga e corrente elétrica

A grandeza mais básica nos circuitos elétricos é a carga elétrica. Carga é a propriedade elétrica das partículas atômicas que compõem a matéria, e é medida em Coulombs. Sabemos da física elementar que a matéria é constituída de elétrons, prótons e neutros. A carga elementar é a carga de 1 elétron, que é igual a 1,602 x10-19 C. Do conceito de carga elétrica advém o conceito de corrente elétrica, que nada mais é do que a taxa de variação da carga em relação ao tempo, ou seja, quando você tem um fluxo de carga em um condutor, a quantidade de carga (Coulomb) que atravessa esse condutor por unidade de tempo, é chamada de corrente elétrica. A medida utilizada para corrente é o Ampére(A). Aqui temos que fazer uma distinção importante. Existem corrente elétrica contínua e alternada: ● Corrente elétrica contínua: É uma corrente que permanece constante e em uma única direção durante todo o tempo. ● Corrente elétrica alternada: É uma corrente que varia senoidalmente (ou de outra forma) com o tempo. Com o Arduino UNO, lidamos como correntes elétricas contínuas, pois elas fluem sempre em uma mesma direção. É diferente da corrente e tensão elétrica da tomada de sua casa, que são alternadas. Ou seja, os seus circuitos com Arduino UNO sempre serão alimentados com grandezas contínuas (corrente e tensão contínuas).

Tensão elétrica

Para que haja corrente elétrica em um condutor, é preciso que os elétrons se movimentem por ele em um determinada direção, ou seja, é necessário “alguém” para transferir energia para as cargas elétricas para movê-las. Isso é feito por uma força chamada força eletromotriz (fem), tipicamente representada por uma bateria. Outros dois nomes comuns para força eletromotriz são tensão elétrica e diferença de potencial.

Essa primeira parte é um pouco conceitual, mas é importante saber de onde vieram toda a terminologia que você sempre vai ler nos manuais e artigos na internet. Na próxima seção, vamos discutir os componentes básicos de circuito que compõem o Kit Arduino BASIC.

Conversão de níveis lógicos e alimentação correta de circuitos

É muito comum que hobbystas e projetistas em geral acabem por cometer alguns erros de vez em quando. Na verdade, mesmo alguns artigos na internet e montagens amplamente usadas muitas vezes acabam por não utilizar as melhores práticas de forma rigorosa. Isso acontece muito no caso dos níveis lógicos dos sinais usados para interfacear o Arduino com outros circuitos. Como veremos na seção de apresentação do Arduino UNO, o mesmo é alimentado por um cabo USB ou uma fonte externa entre 6V e 12V. O Circuito do Arduino possui reguladores de tensão que convertem a alimentação de entrada para 5V e para 3V. Os sinais lógicos das portas de saída(I/Os) do Arduino, variam entre 0 e 5V. Isso significa que quando você quiser usar o seu Arduino UNO com um sensor ou CI que trabalhe com 3.3V, é preciso fazer a adequação dos níveis de tensão, pois se você enviar um sinal de 5V (saída do Arduino) em um circuito de 3.3V (CI ou sensor), você poderá queimar o pino daquele componente. Em geral, sempre que dois circuitos que trabalhem com níveis de tensão diferentes forem conectados, é preciso fazer a conversão dos níveis lógicos. O mais comum é ter que abaixar saídas de 5V para 3.3V. Subir os sinais de 3.3V para 5V na maioria das vezes não é necessário pois o Arduino entende 3.3V como nível lógico alto, isto é, equivalente a 5V. Para fazer a conversão de níveis lógicos você tem duas opções: ● Usar um divisor de tensão; ● Usar um CI conversor de níveis lógicos; O divisor de tensão é a solução mais simples, mas usar um CI conversor é mais elegante e é o ideal. O divisor de tensão consiste em dois resistores ligados em série (Z1 e Z2) , em que o sinal de 5V é aplicado a o terminal de um deles. O terminal do segundo resistor é ligado ao GND, e o ponto de conexão entre os dois resistores é a saída do divisor, cuja tensão é dada pela seguinte relação:

Em que Z1 e Z2 são os valores dos resistores da figura abaixo. Um divisor de tensão muito comum é fazer Z1 igual 330 ohms e Z2 igual 680 ohms. Dessa forma a sáida Vout fica sendo 3.336 V. Como no Kit Arduino BASIC não há resistor de 680ohms, você pode ligar um de 330ohms como Z1 e dois de 330ohms como Z2. Os dois de 330 ligados em série formam um resistor de 660 ohm, o que resulta numa saída de 3.33V. Vamos exemplificar como fazer um divisor de tensão como esse na seção de exemplos da parte II da apostila.

Revisão de componentes eletrônicos

O Kit Arduino BASIC possui os seguintes componentes básicos para montagens de circuitos: ● Buzzer Ativo 5V, ● LED Vermelho/ Verde/ Amarelo, ● Resistor 330Ω/ 1KΩ/ 10KΩ, ● Diodo 1N4007, ● Potenciômetro 10KΩ, ● Capacitor Cerâmico 10 nF/ 100 nF, ● Capacitor Eletrolítico 10uF/ 100uF, ● Chave Táctil (Push-Button).

Para fechar, você deve estar se perguntando, como saber o valor de resistência de um resistor? Você tem duas alternativas: Medir a resistência usando um multímetro ou determinar o valor por meio do código de cores do resistor. Se você pegar um dos resistores do seu kit, verá que ele possui algumas faixas coloridas em seu corpo. Essas faixas são o código de cores do resistor. As duas primeiras faixas dizem os dois primeiros algarismos decimais. A terceira faixa colorida indica o multiplicador que devemos usar. E a última faixa, que fica um pouco mais afastada, indica a tolerância. Figura 1: Faixas coloridas em um resistor Na figura 2 apresentamos o código de cores para resistores. Cada cor está associada a um algarismo, um multiplicador e uma tolerância, conforme a tabela. Com a tabela você pode determinar a resistência de um resistor sem ter que usar o multímetro. Mas atenção, fazer medições com o multímetro é recomendado, principalmente se o componente já tiver sido utilizado, pois o mesmo pode ter sofrido algum dano ou mudança que não esteja visível.

Figura 2: Código de cores para resistores Aplicando a tabela da figura 2 na imagem da figura 1, descobrimos que o resistor é de 2,7MΩ (Mega ohms) com tolerância de 5% (relativo à cor dourado da última tira).

Capacitores

Os capacitores são os elementos mais comuns nos circuito eletrônicos depois dos resistores. São elementos que armazenam energia na forma de campos elétricos. Um capacitor é constituído de dois terminais condutores e um elemento dielétrico entre esses dois terminais, de forma que quando submetido a uma diferença de potencial, um campo elétrico surge entre esses terminais, causando o acúmulo de cargas positivas no terminal negativo e cargas negativas no terminal positivo. São usados para implementar filtros, estabilizar sinais de tensão, na construção de fontes retificadores e várias outras aplicações. O importante que você deve saber para utilizar o Kit é que os capacitores podem ser de quatro tipos: ● Eletrolíticos, ● Cerâmicos, ● Poliéster, ● Tântalo.

Figura 4: Capacitores cerâmicos Na imagem da esquerda, os capacitores possuem o valor de 22 nano Farads para a faixa de tensão de até 500V. 223 = 22 x 1000 = 22.000 pF = 22 nF Por fim, há também os capacitores de poliéster e de tântalo. No Kit Arduino BASIC, você receberá apenas exemplares de capacitores eletrolíticos e cerâmicos.

Diodos e Leds

Diodos e Leds são tratados ao mesmo tempo pois tratam na verdade do mesmo componente. Diodos são elementos semicondutores que só permitem a passagem de corrente elétrica em uma direção. São constituídos de dois terminais, o Anodo(+) e o catodo(-), sendo que para que possa conduzir corrente elétrica, é preciso conectar o Anodo na parte positiva do circuito, e o Catodo na parte negativa. Do contrário, o diodo se comporta como um circuito aberto. Figura 4: Diodo e seus terminais

Na figura 4, você pode ver que o componente possui uma faixa indicadora do terminal de catodo. O diodo do kit Arduino BASIC é um modelo tradicional e que está no mercado há muitos anos, o 1N4007. O LED é um tipo específico de diodo - Light Emitter Diode, ou seja, diodo emissor de luz. Trata-se de um diodo que quando polarizado corretamente, emite luz para o ambiente externo. O Kit Arduino BASIC vem acompanhado de leds na cor vermelha, verde e amarelo, as mais tradicionais. Nesse ponto, é importante você saber que sempre deve ligar um led junto de um resistor, para que a corrente elétrica que flua pelo led não seja excessiva e acabe por queimá-lo. Além disso, lembre-se que por ser um diodo, o led só funciona se o Anodo estiver conectado ao pólo positivo do sinal de tensão. Para identificar o Anodo do Led, basta identificar a perna mais longa do componente, como na imagem abaixo: Figura 5: Terminais de um Led. Créditos: Build-eletronic-circuits.com Os demais componentes da apostila, Buzzer, potenciômetro e push-buttons, serão explicados em seções de exemplos, nas quais iremos apresentar um circuito prático para montagem onde será explicado o funcionamento dos mesmos. Os sensores do Kit Arduino BASIC, quais sejam: Sensor de Luz LDR e sensor de temperatura NTC, juntamente com o Micro Servo 9g SG90 TowerPro, também terão uma seção de exemplo dedicada a cada um deles.

Nesse exemplo, vamos ligar a saída de um potenciômetro a uma entrada analógica da Arduino UNO. Dessa forma, vamos ler o valor de tensão na saída do potenciômetro e vê-la variando de 0 a 1023. Mas como assim, 0 a 1023? Isso se deve ao seguinte. Vamos aplicar uma tensão de 5V nos terminais do potenciômetro. A entrada analógica do Arduino, ao receber um sinal de tensão externo, faz a conversão do mesmo para um valor digital, que é representado por um número inteiro de 0 a 1023. Esses números são assim devido à quantidade de bits que o conversor analógico digital do Arduino trabalha, que são 10 bits (2 elevado a 10 = 1024). Ou seja, o arduino divide o valor de tensão de referência em 1024 unidades (0 a 1023) de 0,00488 volts. Assim, se a tensão lida na entrada analógica for de 2,5V, o valor capturado pelo arduino será metade de 2,5/0,00488 = 512. Se for 0V, será 0, e ser for 5V, será 1023, e assim proporcionalmente para todos os valores. Assim, digamos que o valor de tensão se dado por V. O valor que o Arduino vai te mostrar é: Valor = (V/5)* Em que 5V é o valor de referência configurado no conversor analógico-digital (uma configuração já padrão, não se preocupe com ela) e 102 4 é igual 2 elevado a 10. No nosso código, queremos saber o valor de tensão na saída do potenciômetro, e não esse número de 0 a 1023, assim, rearranjar a equação para o seguinte: Tensão = Valor*(5/1024) Bacana, né? Agora, vamos à montagem em si. Lista de materiais: Para esse exemplo você vai precisar: ● Arduino UNO;

● Protoboard; ● Potenciômetro 10K; ● Jumpers de ligação; Diagrama de circuito Monte o circuito conforme diagrama abaixo e carregue o código de exemplo: O Potenciômetro possui 3 terminais, sendo que o do meio é o que possui resistência variável. A ligação consiste em ligar os dois terminais fixos a um tensão de 5V. Assim, o terminal intermediário do potenciômetro terá um valor que varia de 0 a 5V à medida que você dá gira seu knob. O terminal intermediário é ligado diretamente a uma entrada analógica do Arduino (A0). Como a tensão é de no máximo 5V, então não há problema em ligar direto. Carregue o código abaixo no Arduino e você verá as leituras no Monitor serial da IDE arduino.

Exemplo 2 - Divisor de tensão

Esse exemplo é para ilustrar como usar um divisor de tensão. Sempre que você precisar abaixar um sinal lógico de 5V para 3.3V você pode usar esse circuito. Explicamos o divisor de tensão na seção de introdução, mais especificamente, quando conversamos sobre conversão de níveis lógicos. Esse circuito será útil sempre que você tiver que abaixar as saídas do Arduino de 5V para 3.3V. Lista de materiais: Para esse exemplo você vai precisar: ● 3 resistores de 330 ohms; ● 2 resistores de 1K ohm; ● 1 Arduino UNO; ● Protoboard; ● Jumpers de ligação; Diagrama de circuito: Esse é um diagrama com dois divisores de tensão. O primeiro é composto por três resistores, sendo cada um de 330. Assim, o resistor Z1 é de 330 e o resistor Z2 é a associação série dos outros dois, resultando numa resistência de 660. Dessa forma, a tensão de saída do divisor é: (660 / 330 + 660) * 5 = 3,33V

O segundo divisor é formado por dois resistores de 1K, dessa forma, a tensão de saída é a tensão de entrada dividida pela metade: (1000 / 1000 + 1000) * 5 = 2, 5 V O código para o exemplo 2 é uma extensão do código usada na seção anterior para ler valores de tensão do potenciômetro. Nesse caso, nós fazemos a leitura de dois canais analógicos (A0 e A1), fazemos as conversões para as tensões e mostramos os resultados de cada divisor na interface serial. Referências:

1. https://www.arduino.cc/en/Tutorial/ReadAnalogVoltage
2. http://www.ufjf.br/fisica/files/2013/10/FIII- 05 - 07 - Divisor-de-tens%C3%A3o.pdf
3. http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrodinamica/assoc iacaoderesistores.php Carregue o código abaixo e observe os dois valores no Monitor Serial da IDE Arduino. // Exemplo 2 - Divisor de tensão // Apostila Eletrogate - KIT BASIC #define sensorPin1 A0 // define entrada analógica A #define sensorPin2 A1 // define entrada analógica A int sensorValue1 = 0; // variavel inteiro igual a zero int sensorValue2 = 0; // variavel inteiro igual a zero float voltage1; // variavel numero fracionario float voltage2; // variavel numero fracionario void setup() { Serial .begin(9600); // monitor serial - velocidade 9600 Bps delay(100); // atraso de 100 milisegundos } void loop() { sensorValue1 = analogRead(sensorPin1); // leitura da entrada analógica A sensorValue2 = analogRead(sensorPin2); // leitura da entrada analógica A voltage1 = sensorValue1 * (5.0 / 1024); // cálculo da tensão 1 voltage2 = sensorValue2 * (5.0 / 1024); // cálculo da tensão 2 Serial .print("Tensao do divisor 1: "); // imprime no monitor serial Serial .print(voltage1); // imprime a tensão 1 Serial .print(" Tensao do divisor 2: "); // imprime no monitor serial Serial .println(voltage2); // imprime a tensão 2 delay(500); // atraso de 500 milisegundos }