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Circuitos Eletrônicos
(Teoria 1)
Prof. Luiz Ferraz Netto [email protected]
Introdução Essa Teoria I vai abrir um novo mundo em seus conhecimentos o mundo da Eletrônica. Ela lhe ensinará o que são circuitos eletrônicos e explicará os significados de corrente elétrica, tensão elétrica e resistência elétrica. Você também irá conhecendo, aos poucos, os tipos mais importantes de componentes usados na montagem de circuitos eletrônicos. Após o entendimento dessa parte teórica, veja a parte prática relativa a esse assunto.
Vamos estudar:
Circuito de uma lanterna de mão Corrente elétrica Tensão elétrica O sentido convencional da corrente elétrica Resistência elétrica A lei de Ohm
Circuito de uma lanterna de mão
Você alguma vez já desmontou complemente uma lanterna de mão para analisar como ela funciona? Veja na ilustração abaixo como são dispostas as várias partes de uma típica lanterna de mão:
Estrutura de uma lanterna elétrica
Por que o projetista escolheu essa particular combinação de materiais?
As partes metálicas da lanterna são postas para conduzir a corrente elétrica quando a lanterna é posta para funcionar e, além disso, foram escolhidas para resistirem aos esforços físicos aos quais são submetidas.
A mola metálica, por exemplo, não só permite caminho elétrico para a corrente como também mantém no lugar, sob pressão, as pilhas em seu interior. As partes metálicas do interruptor têm que garantir bom contato elétrico e não ficarem danificadas pelo uso contínuo.
Uma lanterna também tem partes feitas com material não condutor de corrente elétrica, tais como plásticos e borrachas. A cobertura de plástico dessa lanterna é um isolante elétrico. Sua forma é importante para que se tenha um manuseio cômodo. Sua cor a tornará mais ou menos atraente aos olhos do usuário.
Como você verá, os circuitos elétricos conterão sempre partes que conduzem e partes que não conduzem correntes elétricas. O segredo todo, nos circuitos elétricos, é delimitar um caminho pré planejado para a corrente.
A lâmpada incandescente e o refletor compõem o sistema óptica da lanterna. A posição da lâmpada dentro do refletor deve ser tal que permita a obtenção de um feixe estreito de luz.
Uma corrente elétrica é um fluxo ordenado de partículas carregadas (partículas dotadas de carga elétrica). Em um fio de cobre, a corrente elétrica é formada por minúsculas partículas dotadas de carga elétrica negativa, denominadas elétrons -
- eles são os portadores da carga elétrica.
No fio de cobre (ou de qualquer outro metal) os elétrons naturalmente lá existentes vagueiam desordenadamente (têm sentidos de movimentos aleatórios) até que, por alguma ordem externa, alguns deles passam a caminhar ordenadamente (todos no mesmo sentido) constituindo a corrente elétrica. A intensidade dessa corrente elétrica vai depender de quantos desses portadores, em movimento bem organizado passam, por segundo , por um região desse fio.
A corrente elétrica, num circuito, é representada pela letra I e sua intensidade poderá ser expressa em ampères (símbolo A ), em miliampères (símbolo mA ) ou outros submúltiplos tal qual o microampères (símbolo m A ).
Um ampère (1 A) é uma intensidade de corrente elétrica que indica um fluxo de 6,2x10^18 elétrons por segundo em qualquer seção do fio. Esses 6,2x10^18 elétrons transportam uma carga elétrica total cujo valor é de um coulomb (1 C). ' coulomb '(símbolo C) é a unidade com que se medem as quantidades de cargas elétricas.
Se indicarmos a quantidade de carga elétrica que passa pela seção de um fio por Q (medida em coulombs) e o intervalo de tempo que ela leva para passar por essa seção por ∆∆∆∆ t (medido em segundos), a intensidade de corrente elétrica I (medida em ampères) será calculada por:
I = Q : ∆∆∆∆ t
Conversões: 1 A = 1 000 mA = 1 000 000 μA 1 A = 10^3 mA = 10^6 μA
1 mA = 1/1 000 A = 1 000 μA 1 mA = 10-3^ A = 10^3 μA
1 μA = 1/1 000 000 A = 1/1000 mA 1 μA = 10-6^ A = 10-3^ mA
Entendeu mesmo? ....
O que uma "corrente elétrica" significa para você?
Que unidade é usada para medir essas correntes? Quais os submúltiplos dela?
Através de que materiais a corrente pode fluir facilmente?
Cite alguns materiais que atrapalham ou mesmo impedem o fluxo de corrente elétrica através deles.
O que é um circuito elétrico?
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Tensão elétrica
No circuito da lanterna, o que provoca a circulação da corrente?
É algo produzido pelas células voltaicas (as pilhas). Esse algo, causa da corrente elétrica, é a tensão elétrica ou diferença de potencial (d.d.p.) que surge entre os terminais da pilha (pólo positivo e pólo negativo).
Vamos explicar isso um pouco mais: o que uma pilha realmente faz, quando em funcionamento, é uma conversão de energia ; ela converte energia química (que está armazenada nas substâncias químicas que estão dentro dela) em energia elétrica. Quanto de energia química é convertida em energia elétrica, e transferida para cada coulomb de carga elétrica que é movimentado dentro dela, é o que caracteriza a tensão elétrica nos terminais da pilha. Essa grandeza é indicada pela letra U e é medida na unidade volt (símbolo V ).
Assim, falar que a tensão U entre os terminais de uma pilha é de 1,5 V significa dizer que ela fornece 1,5 J de energia elétrica para cada 1,0 C de carga que a atravessa.
Nota: J é o símbolo de joule , a unidade oficial de energia.
Do mesmo modo, falar que a tensão elétrica entre os terminais de uma bateria (associação conveniente de células voltaicas) é de 12 V , significa dizer que: cada 1,0 C de carga elétrica que passa por dentro dela e sai pelo pólo positivo, leva consigo 12 J de energia elétrica. Claro, a energia química da bateria diminui de 12 J e, com o uso contínuo ela irá "pifar", ficar sem energia. O termo popular para isso, lembra-se, é "descarregada".
Se indicarmos por U a tensão nos terminais da pilha (ou bateria etc.), por Q a quantidade de carga elétrica que a atravessa e por E a quantidade de energia que ela fornece para essa carga, teremos:
U = E : Q
Em nosso circuito da lanterna, quando as pilhas estão novas, a tensão fornecida por elas é total, a corrente elétrica circulante é intensa e a lâmpada brilha
Células associadas em série, paralelo e mista .
Uma célula individual pode prover uma pequena intensidade de corrente por muito tempo, ou uma grande intensidade por pouco tempo. Conectando-se as células em série aumentamos a tensão elétrica total disponível, mas isso não afeta o tempo de vida útil das células. Por outro lado, se as células (iguais) forem conectadas em paralelo, a tensão não fica afetada, continua os mesmos 1.5 V, mas o tempo de vida da bateria é dobrado.
Uma lâmpada de lanterna percorrida por corrente de intensidade 300 mA (usando pilhas tipo C, alcalinas)deveria funcionar por cerca de 20 horas antes das pilhas esgotarem-se. Isso traduz, de certo modo, o quanto de energia química está armazenada na pilha e quanto de energia elétrica pode ser utilizada até ela "pifar". O linguajar popular chama isso de "capacidade de armazenamento" e é indicado em ampères-hora ( A-h ).
Exemplificamos: Uma bateria selada para "no-break" trás as indicações 12V, 7Ah . Isso indica que ela está capacitada a manter um corrente de intensidade 7A durante 1 h, ou manter de uma corrente de intensidade 3,5A durante 2h, ou 1A durante 7h etc.
Fazendo experiências com pilhas: pilhas são assuntos da Química, especificamente da Eletroquímica. Didaticamente, a química desenvolve esse assunto a partir da pilha de Daniel onde, em particular discute-se a eletrólise. A eletrólise você pode encontrar em nossas Salas de Exposições, Sala da Química - Foguete - Eletrólise. Nessa mesma Sala você encontrará o experimento sobre, 'como fazer pilhas com batatas' e colocar relógio digital em funcionamento usando as 'baterias de batatas' ou, permitam-se, as "bataterias".
Entendeu mesmo? ....
O que é tensão elétrica ou diferença de potencial?
O que é uma bateria?
Em que unidade(s) mede(m)-se a 'capacidade de armazenamento' de uma célula?
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O sentido convencional da corrente elétrica
Um terminal (pólo) de uma célula (pilha) ou bateria é positivo, enquanto o outro é negativo. É conveniente pensar em corrente elétrica como algo fluindo do pólo positivo para o pólo negativo. Esse sentido de percurso (do + para o -) é denominado sentido convencional da corrente elétrica. Setas colocadas nos diagramas sempre indicam esse sentido convencional. Porém, você deve ficar atento que esse só seria o sentido correto se o fluxo ordenado (corrente) fosse constituído por partículas com carga positiva.
Em um fio de cobre, os portadores de carga elétrica são os elétrons. Elétrons são negativamente-carregados e então devem fluir do negativo para o positivo. Isto significa que, realmente, o sentido do fluxo de elétron é oposto ao escolhido como "sentido da corrente convencional".
A corrente elétrica nos mais variados sistemas elétricos e eletrônicos envolve freqüentemente três espécies de portadores de cargas elétricas: os elétrons (-), os ânions (íons negativos) e os cátions (íons positivos). Como exemplo, em transistores, a corrente é formada por fluxos ordenados de elétrons (todos num mesmo sentido) e por "buracos" (todos em sentido oposto ao dos elétrons) que se comportam como portadores de carga positiva.
Quando o comportamento de um circuito eletrônico está sendo analisado, de modo geral, não interessa saber que tipo de portador (com carga positiva ou com carga negativa)está participando da corrente elétrica. Em alguns casos, no eletromagnetismo por exemplo, esse conhecimento é indispensável para que possa ser previsto com precisão o efeito da corrente elétrica.
Uma pilha provê uma tensão elétrica com polaridade fixa (o pólo positivo nunca ficará negativo e vice-versa), de forma que fluxo da corrente se dará sempre no mesmo sentido. Por isso ela é denominada corrente contínua ou CC, em contraste com a corrente elétrica domiciliar, que é mantida por um gerador que provê tensão elétrica constantemente variável. A polaridade nos terminais desse tipo de gerador é tal que a corrente inverte seu sentido de percurso 60 vezes a cada segundo de funcionamento. Isso dá lugar a uma corrente alternada ou AC. Nela, os portadores de carga elétrica invertem seu sentido de percurso, num incessante vai-vem.
Os valores de resistências elétricas que participam de circuitos eletrônicos podem variar desde alguns ohms, passar pelos milhares de ohms (quiloohms) e chegar aos megaohms.
Os componentes eletrônicos projetados com o propósito de oferecerem resistência elétrica de valores particulares são chamados de resistores.
Nota: Conceituar 'resistência elétrica' em termos de 'dificuldade' ou 'oposição' á passagem da corrente elétrica é apenas uma técnica macroscópica e simplista para contornar a conceituação microscópica dos efeitos observados quando portadores de carga elétrica interagem com a matéria. As partículas constituintes da corrente elétrica (portadores) chocam-se (interação de campos) com as partículas do próprio condutor. O número de choques por unidade de volume é o conceito fiel e microscópico para a grandeza "resistência elétrica'. A grande façanha da lei de Ohm, conforme pode ser demonstrado, é que o resultado da 'operação' U/I (duas grandezas de fácil medição) é justamente a medida do número de choques por unidade de volume (uma contagem de difícil realização prática).
Entendeu mesmo? ....
Que partes da lanterna limita o fluxo da corrente?
Que unidade é usadas para a medida da resistência elétrica de um condutor? Quais seus múltiplos?
Que símbolos gráficos são usados habitualmente para representar:
diferença de potencial (tensão)? intensidade de corrente elétrica? resistência elétrica de um condutor?
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A lei de Ohm
A relação entre a intensidade da corrente elétrica ( I ), a tensão elétrica ( U ) e a resistência elétrica ( R ) foi descoberta por Georg Simon Ohm. Ele fez seus próprios fios resistores. Com eles, conseguiu mostrar que a intensidade da corrente depende de seus comprimentos e de suas espessuras, quando a tensão sobre eles e a temperatura são mantidos constantes.
Suas observações (a,b,c),feitas sob tensão e temperatura constantes, foram as seguintes:
(1) A intensidade da corrente elétrica diminui quando se aumenta o comprimento do fio, sem alterar sua espessura.
R aumenta quando o comprimento do fio aumenta.
(2) A intensidade da corrente elétrica aumenta conforme se aumenta a espessura do fio, sem alterar seu comprimento.
R diminui quando a espessura do fio aumenta.
(3) Com comprimento e espessura constantes, a intensidade da corrente se altera quando se substitui um material condutor por outro.
R depende do material de que é feito o fio.
(4) Usando-se sempre o mesmo fio, mantido à temperatura constante, a intensidade da corrente aumenta quando se aumenta a tensão aplicada.
Dessas observações, Ohm conclui que, se a temperatura for mantida constante, a relação
Tensão elétrica : corrente elétrica ou U : I
mantinha-se constante para qualquer fio particular. Essa constante é exatamente o valor da resistência elétrica do fio em questão.
Em símbolos:
U : I = constante = R
Reorganizando a lei de Ohm podemos obter duas expressões adicionais:
U = R.I e I = U : R
Escrita dessa última forma, a lei de Ohm estabelece que, sob temperatura constante, a intensidade de corrente que circula por um material é diretamente proporcional à tensão elétrica (d.d.p.) aplicada e inversamente proporcional à sua resistência elétrica.
Essas equações simples são fundamentais para a Eletrônica e, uma vez que você aprenda a usá-las corretamente, verá que constituem chaves para resolução de delicados problemas sobre circuitos elétricos.
Nota: Por motivos que será oportunamente explicado (potencial elétrico), evite escrever a lei de Ohm sob a forma V = R.I. Sob esse prisma, será perfeitamente
Práticas da Teoria 1 - Circuitos eletrônicos (Protótipos de Circuitos)
Prof. Luiz Ferraz Netto [email protected]
Introdução Assim como nos demais campos do conhecimento humano, também na Eletrônica, devemos associar Teoria à Prática. Sua compreensão se desenvolverá bem mais rapidamente se você começar cedo a manipular e utilizar os diversos componentes eletrônicos.
Nesse trabalho prático que acompanha a Teoria I - Circuitos Eletrônicos - você aprenderá a técnica da montagem de circuitos a partir de protótipos. Tais protótipos constituem uma fase de ensaio, coordenação e análise de um projeto, antes de sua montagem definitiva em placas de circuitos impressos. O que se usa, via de regra, é uma matriz de contatos , mais especificamente, placa de contatos para protótipos ( protoboard ).
Vamos estudar:
Placa para protótipos Prática com circuitos
Placa para protótipos
A ilustração a seguir mostra uma placa para protótipos :
Placas para protótipos são usadas para as montagens de circuitos temporários, sem o uso de soldas. Os terminais dos componentes são introduzidos nos orifícios da placa, a qual incumbe-se das conexões básicas. É, na prática, um circuito impresso provisório. Não só os terminais dos componentes, como também, interligações mediante fios ( jumpers ) podem ser espetados nos orifícios dessa placa.
No interior da placa, conjuntos metálicos fazem interligações entre os componentes, os quais são organizados em colunas e canais, como se ilustra abaixo.
Alguns modelos de tais placas têm a base facilmente removíveis, o que permite observar esses arranjos com detalhes. De cada lado da placa, ao longo de seu comprimento, há duas colunas completas. Há um espaço livre no meio da placa e de cada lado desse espaço há vários grupos de canais horizontais (pequenas fileiras), cada um com 5 orifícios.
Que conexões são necessárias para se montar um circuito?
Primeiro, você precisa conectar uma fonte de alimentação. Em nossas primeiras práticas, tais fontes serão pilhas ou baterias. A conexão do 0 V (negativo da fonte) deve ser feita com fio preto utilizando o primeiro orifício da coluna da esquerda. O terminal positivo da fonte deve ser ligado com fio vermelho , ao primeiro orifício da coluna da direita .
Uma fonte de alimentação que forneça 6 VCC ou 9 VCC de tensão elétrica entre seus terminais é satisfatória para os circuitos que você irá testar nessa fase experimental.
verifique se o circuito está completo (fios da lâmpada bem inserido e lâmpada devidamente rosqueada em seu soquete).
Os fios que vem da lâmpada devem ser inseridos exatamente nas colunas mostradas. Cheque o filamento da lâmpada para ver se não está rompido. Essa montagem ilustra exatamente o circuito da lanterna. A menos que haja um percurso contínuo, a corrente não circulará e a lâmpada não irá acender.
Modifique a montagem conforme essa nova ilustração:
Agora você estará usando fios para fazer as conexões entre as colunas (- e +) para os canais intermediários na região média da placa. Tais conexões são os " jumpers ".
Nessa figura, passe sua caneta para mostrar as ligações por baixo da matriz de contatos, de modo a enxergar o circuito completo. Repare que os canais (blocos com 5 orifícios) são independentes entre si.
Aqui está uma montagem que não vai funcionar; observe-a:
A idéia era montar duas lâmpadas ligadas em série e alimentar a associação com os 9 V da fonte de alimentação. Mas, na prática, isso não foi feito. O circuito está incompleto. Há uma certa distância entre o que se pensa e o que se faz!
Você é capaz de mostrar os erros cometidos?
Construa esse circuito adequadamente. Mostre, nessa ilustração abaixo, como ele deve ficar:
Confira suas conexões cuidadosamente.
Em relação aos circuitos anteriores, como está o brilho de cada lâmpada?
Em relação aos circuitos anteriores, que você pode dizer quanto à intensidade de corrente em cada lâmpada?
Em relação aos circuitos anteriores a intensidade de corrente através da fonte aumentou ou diminuiu?
Desenroscando uma das lâmpadas, o que acontece com a outra? Explique o fato.
Lembre-se : nas ligações em paralelo há caminhos alternativos para a corrente elétrica.
E, para encerrar, monte esse circuito. É uma associação mista (série e paralelo). Montando o circuito corretamente, todas as lâmpadas devem acender.
Que lâmpada(s) apresenta(m) brilho normal?
Que lâmpadas apresentam mesmo brilho?
Que acontece quando desenroscamos cada lâmpada individualmente?
Que acontece com a intensidade de corrente através da fonte?
Faça vários ensaios com esse circuito e procure interpretar suas observações em termos de resistência global do circuito e intensidades de correntes que circulam em cada lâmpada.
Teoria 2 - Resistores
Prof. Luiz Ferraz Netto [email protected]
Esse capítulo irá descrever os resistores de valores fixos e comentar algumas de suas aplicações mais importantes nos circuitos eletrônicos.
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