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CIRCUITOS ELETRÔNICOS
(Teoria 1)
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 e 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:
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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 lanterna é um produto elétrico simples, mas muita gente já perdeu noites de sono em seus projetos para que você tenha um dispositivo que trabalhe bem. Você pode pensar em alguma outra coisa que o projetista deva levar em consideração na produção em massa de lanternas? Um modo "mais científico" para descrever uma lanterna implica no uso de um diagrama de circuito. Nele, as partes relevantes da lanterna serão representadas através de símbolos :
Diagrama de circuito de uma lanterna elétrica
Nesse circuito foram representadas simbolicamente, duas células voltaicas (pilhas) - formando uma bateria , um interruptor e uma lâmpada incandescente. As linhas no diagrama representam condutores metálicos (fios) que conectam as partes entre si formando o circuito completo. Um circuito elétrico é necessariamente um percurso fechado. Na lanterna, o fechamento do interruptor completa o circuito, permitindo a passagem da corrente elétrica. Lanternas às vezes falham! Isso acontece quando as partes metálicas do interruptor ou da lâmpada não entram efetivamente em contato (devido à sujeiras ou ferrugens), quando a
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 vivamente. Algum tempo depois, já com mais uso, a tensão fornecida por elas diminui, a intensidade de corrente no circuito diminui e a lâmpada brilha mais fracamente. Eventualmente não acenderá mais; as pilhas "pifaram"! Cada célula voltaica provê cerca de 1,5 V de tensão entre seus terminais (pólos). Duas células conectadas uma em seguida à outra, em série , (pólo positivo de uma encostado no pólo negativo da outra)proverão cerca de 3,0 V. Três pilhas em série proverão cerca de 4, V etc.
Símbolo da pilha e pilhas conectadas em série .
Qual desses arranjos acima faria a lâmpada acender com maior brilho? Lâmpadas incandescentes são projetadas para funcionarem com uma certa tensão particular (e alguma tolerância) mas, usando uma mesma lâmpada adequada, quanto maior a tensão maior será o seu brilho. Nota: Há um código de cores nas pérolas das pequenas lâmpadas incandescentes. A "pérola" é aquela bolinha de vidro dentro da lâmpada que sustenta os fios que vão ao filamento. Você já reparou nisso? De que cor é a pérola da lâmpada em sua lanterna de duas pilhas (3 V)? Como já salientamos, no sentido exato, uma bateria consiste no arranjo conveniente de duas ou mais células voltaicas. Esses arranjos (ou associações) podem ser em série , em paralelo ou mista (combinações adequadas de séries e paralelos). Observe essas associações:
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
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.
Entendeu mesmo? ....
O que é "sentido convencional da corrente elétrica"? O comportamento dos circuitos eletrônicos pode ser sempre analisado com precisão ao assumirmos para a corrente esse sentido convencional?
Resistência elétrica
Se interligarmos diretamente o pólo positivo de uma bateria automotiva com seu pólo negativo mediante um grosso fio de cobre, iremos conseguir uma corrente elétrica de enorme intensidade durante um curto intervalo de tempo. Em alguns segundos o interior da bateria começará a ferver! Em uma lanterna não acontece isso. Parte do circuito da lanterna limita o fluxo de cargas, mantendo a intensidade da corrente com valores adequados. Algumas outras partes não afetam substancialmente esse fluxo. A propriedade elétrica dessas partes, umas dificultando o fluxo de cargas e outras não, caracterizam uma grandeza denominada resistência elétrica. A mola, as lâminas do interruptor e as conexões da lâmpada são feitas de metal apropriado, de considerável espessura, oferecendo uma baixa resistência à corrente elétrica. Por outro lado, o filamento da lâmpada é feito com outro material (tungstênio) e de pequena espessura, oferecendo uma alta resistência à corrente elétrica. O fluxo de cargas através desse trecho de grande resistência (o filamento) causa um grande aquecimento que o leva ao brilho-branco, o qual passa a emitir luz visível. No ar, esse filamento se oxidaria de imediato (combustão) e seria volatilizado. Para impedir isso, todo ar é retirado de dentro do bulbo da lâmpada e substituído por um outro gás não oxidante. A resistência elétrica ( R )dos condutores, ou seja, quanto de dificuldade eles impõem à passagem da corrente elétrica, é medida em ohms (símbolo W ). Se uma bateria feita com duas pilhas tamanho C, em série, provê uma tensão elétrica U = 3 V , nos terminais de uma lâmpada incandescente, mantendo uma corrente elétrica de intensidade I = 300 mA = 0,3 A , qual a resistência elétrica R desse filamento? Isso é calculado assim, e mais adiante verá o porque:
R = U : I = 3V : 0,3A = 10
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?
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.
No circuito acima, que interruptor(es) deve(m) ser fechado(s) para: a) acender só a lâmpada L1? b) acender só a lâmpada L2? c) acender as lâmpadas L1 e L2? O que acontecerá com as lâmpadas L1 e L2 se os interruptores S1, S2 e S3 forem fechados todos ao mesmo tempo? Por que essa ação deve ser evitada?
Práticas da Teoria 1 - Circuitos eletrônicos (Protótipos de Circuitos)
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 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. No laboratório da escola você poderá usar como fonte de tensão um eliminador de pilhas de tensão ajustável. Uma fonte de tensão ajustável AC/DC encontra-se em nossa Sala 03 - Equipamento Indispensável. Breve você estará apto a montar uma dessas fontes de alimentação (e não vai mais precisar comprar pilhas ou baterias!)
Prática com circuitos Construa o circuito ilustrado a seguir:
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:
Uma vez que seu circuito está pronto para funcionar, o que você nota com relação ao brilho das lâmpadas? Como você explica esse comportamento?
Comparada com o circuito da lanterna (uma lâmpada ligada diretamente na fonte), a intensidade de corrente nesse atual circuito é maior, menor ou a mesma? Desenrosque uma das lâmpadas de seu soquete. O que acontece à outra lâmpada? Por quê? Agora construa um circuito diferente. Dessa vez as lâmpadas são interligadas em paralelo , como se ilustra:
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.
Nesse circuito, o resistor limita a corrente que passa através do LED, permitindo apenas uma intensidade suficiente para que ele possa acender. Sem esse resistor a intensidade de corrente através do LED iria danificá-lo permanentemente. Após esse capítulo você estará apto para calcular um valor ôhmico satisfatório para tal resistor. Os LEDs serão discutidos, em detalhes, num outro capítulo.
O "retângulo" com terminais é uma representação simbólica para os resistores de valores fixos tanto na Europa como no Reino Unido; a representação em "linha quebrada" (zig-zag) é usada nas Américas e Japão.
Apesar disso, nas ilustrações eletrônicas brasileiras (de revistas etc.) opta-se pelo "retângulo", talvez por simplicidade do desenho. Nos livros de Física publicados no Brasil, em geral, usam-se do "zig-zag" (linha quebrada). Resistores especiais também são usados como transdutores em circuitos sensores. Transdutores são componentes eletrônicos que efetuam conversão de energia de uma modalidade para outra onde, uma delas, é necessariamente energia elétrica. Microfones, interruptores e Resistores Dependentes da Luz ou LDR s, são exemplos de transdutores de entrada. Alto-falantes, lâmpadas de filamento, relés, "buzzers" e também os LEDs, são exemplos de transdutores de saída. No caso dos LDRs, mudanças da intensidade da luz que incide em suas superfícies resultam numa alteração nos valores ôhmicos de suas resistências. Como se verá (Teoria III), um transdutor de entrada é freqüentemente associado a um resistor para fazer um circuito denominado divisor de tensão. Nesse caso, a tensão recolhida sobre esse divisor de tensão será um "sinal de tensão" que reflete as mudanças de iluminação sobre o LDR. (^) Você pode citar outros exemplos de transdutores de cada tipo? Em outros circuitos, os resistores podem ser usados para dirigir frações da corrente elétrica para partes particulares do circuito, assim como podem ser usados para controlar o "ganho de tensão" em amplificadores. Resistores também são usados em associações com capacitores no intuito de alterar sua "constante de tempo" (ajuste do tempo de carga ou descarga). A maioria dos circuitos requerem a presença de resistores para seus corretos funcionamento. Assim sendo, é preciso saber alguns detalhes sobre diferentes tipos de resistores e como fazer uma boa escolha dos resistores disponíveis (valores adequados, seja
em , k ou M) para uma particular aplicação.
Entendeu mesmo ...
- Dê três funções que os resistores podem desempenhar num circuito.
- Que é um transdutor?
- Dê exemplos de transdutores de entrada e de saída.
Resistores de valores fixos
A ilustração mostra detalhes construtivos de um resistor de filme de carbono (carvão):
Durante a construção, uma película fina de carbono (filme) é depositada sobre um pequeno tubo de cerâmica. O filme resistivo é enrolado em hélice por fora do tubinho tudo com máquina automática até que a resistência entre os dois extremos fique tão próxima quanto possível do valor que se deseja. São acrescentados terminais (um em forma de tampa e outro em forma de fio) em cada extremo e, a seguir, o resistor é recoberto com uma camada isolante. A etapa final é pintar (tudo automaticamente) faixas coloridas transversais para indicar o valor da resistência. Resistores de filme de carbono (popularmente, resistores de carvão) são baratos, facilmente disponíveis e podem ser obtidos com valores de (+ ou -) 10% ou 5% dos valores neles marcados (ditos valores nominais). Resistores de filme de metal ou de óxido de metal são feitos de maneira similar aos de carbono, mas apresentam maior acuidade em seus valores (podem ser obtidos com tolerâncias de (+ ou-) 2% ou 1% do valor nominal). Há algumas diferenças nos desempenhos de cada um desses tipos de resistores, mas nada tão marcante que afete o uso deles em circuitos simples. Resistores de fio, são feitos enrolando fios finos, de ligas especiais, sobre uma barra cerâmica. Eles podem ser confeccionados com extrema precisão ao ponto de serem recomendados para circuitos e reparos de multitestes, osciloscópios e outros aparelhos de medição. Alguns desses tipos de resistores permitem passagem de corrente muito intensa sem que ocorra aquecimento excessivo e, como tais, podem ser usados em fontes de alimentação e circuitos de corrente bem intensas.
COR MARROM VERMELHO OURO PRATA TOLERÂNCIA + ou – 1% + ou – 2% + ou – 5% + ou – 10% Nosso resistor apresenta uma quarta faixa de cor OURO. Isso significa que o valor nominal que encontramos 4 700 tem uma tolerância de 5% para mais ou para menos. Ora, 5% de 4 700 são 235 então, o valor real de nosso resistor pode ser qualquer um dentro da seguinte faixa de valores: 4 700 - 235 = 4 465 e 4 700 + 235 = 4 935 . A ausência da quarta faixa indica uma tolerância de 20%. Quando você for ler em voz alta um valor ôhmico de resistor (a pedido de seu professor), procure a faixa de tolerância, normalmente prata e segure o resistor com essa faixa mantida do lado direito. Valores de resistências podem ser lidos rapidamente e com precisão, isso não é difícil, mas requer prática!
Entendeu mesmo ...
- Cite três diferentes tipos de resistores.
- Qual o valor ôhmico do resistor cujas faixas coloridas são: (A) marrom, preto, vermelho? (B) cinza, vermelho, marrom? (C) laranja, branco, verde?
- Dê o código de cores para os seguintes valores de resistência: (A) 1,8 k (B) 270 (C) 56 k
- Obtenha os valores máximos e mínimos de resistências dos resistores marcados com as seguintes faixas: (A) vermelho, vermelho, preto ----- ouro (B) amarelo, violeta, amarelo ----- prata
Ainda sobre o código de cores
O código de cores como explicado acima permite interpretar valores acima de 100 ohms. Com devido cuidado, ele pode se estendido para valores menores.
Como serão as cores para um resistor de valor nominal 12 ohms?
Será: marrom, vermelho e preto.
A cor preta ( 0 ) para a faixa do multiplicador indica que nenhum zero (0 zeros) deve ser acrescentado aos dois dígitos já obtidos.
Qual será o código de cores para 47 ohms?
A resposta é: amarelo, violeta e preto.
Usando esse método, para indicar valores entre 10 ohms e 100 ohms, significa que todos os valores de resistor requerem o mesmo número de faixas.
Para resistores com valores ôhmicos nominais entre 1 ohm e 10 ohms, a cor do multiplicador é mudada para OURO. Por exemplo, as cores marrom, preto e ouro indicam um resistor de resistência 1 ohm (valor nominal).
Outro exemplo, as cores vermelho, vermelho e ouro indicam uma resistência de 2, ohms.
Resistores de filme de metal, fabricados com 1% ou 2% de tolerância, usam freqüentemente um código com, 4 faixas coloridas para os dígitos e 1 faixa para a tolerância, num total de 5 faixas.
Assim, um resistor de 1k , 1% terá as seguintes faixas:
marrom, preto, preto, marrom marrom 1 0 0 1zero 1%
Já, um resistor de 56k , 2% terá as seguintes faixas:
verde, azul, preto, vermelho vermelho 5 6 0 2zeros 2%
É provável que você utilize resistores de valores pequenos assim como resistores de filme de metal em algumas ocasiões, por isso é útil saber esses detalhes. A maioria dos circuitos eletrônicos, porém, será montada com resistores de carvão (filme de carbono) e, portanto, o mais usado será o código de três cores + tolerância. Esse você tem que dominar, com certeza!
Entendeu mesmo ...
- Dê os valores ôhmicos nominais dos resistores que apresentam as seguintes faixas de cores:
(A) laranja, laranja, preto (B) cinza, vermelho, ouro (C) laranja, laranja, preto, vermelho
- Como fica o código de cores para um resistor de 10 kW nominais,
(A) usando o três sistema de cores? (B) usando o sistema de quatro cores?
