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ELETRICIDADE E ELETRÔNICA NA PRÁTICA
Prof. César M. Vargas Benítez
Prof. Ronnier F.Rohrich (colaborador)
1 Eletricidade e Eletrônica na prática
Só se conhece o que se pratica. - Montesquieu
Eletrônica é uma ciência que estuda o controle de variáveis elétricas, como tensão e corrente. Atualmente, a eletrônica está presente em diversos setores na Terra e no espaço... no Universo!, como telecomunicações, computação, automação industrial, biomedicina, robótica, automação residencial, eletrônica automotiva, aeronáutica, entre outros. Geralmente, há duas maneiras de aprender eletrônica. Uma pessoa pode aprender eletrônica estudando apenas a teoria. Geralmente, ela acredita que os circuitos funcionarão de acordo com os seu projeto... sabe-se que nem sempre é verdade! A outra maneira de aprender consiste em montar um circuito, fazer funcionar o circuito, montar outro circuito,... , e assim por diante. Neste tipo de aprendizado, a pessoa pode não saber a teoria, mas ela adquiri o feeling das coisas (i.e. dos componentes, circuitos, etc.). Afinal, como disse Albert Camus, não se pode criar experiência, é necessário passar por ela. Isto é importante, pois a experimentação é vital para adquirir conhecimento científico sobre um assunto. Este material é destinado a estudantes, hobistas/makers e inventores com nenhum (ou pouco) conhecimento de eletrônica. Espera-se que as aulas levem para um entendimento in- tuitivo da eletrônica e proporcionem momentos que aumentem a sua motivação e alimentem a sua criatividade. Além disso, espera-se que o aluno seja capaz de montar circuitos eletrônicos e traduzir idéias em dispositivos ao final da disciplina. Circuitos elétricos são compostos, basicamente, de conexões realizadas com fios condutores e dispositivos pelos quais flui corrente elétrica. Por outro lado, pode-se dizer que os circuitos eletrônicos adicionam uma nova dimensão para os circuitos elétricos: o controle da corrente por outro sinal elétrico, seja de tensão ou corrente. Há dois tipos de dispositivos (ou componentes): componentes passivos e os componentes ativos. Os componentes passivos são incapazes de controlar corrente. Resistores, capacitores e indutores (incluindo bobinas, transformadores, entre outros) são componentes passivos. Por outro lado, os componentes ativos são capazes de controlar a corrente elétrica. Componentes ativos incluem os transistores, válvulas e retificadores controlados, por exemplo. Para um circuito ser chamado de "Circuito eletrônico", ele deve conter pelo menos um componente ativo (além dos componentes passivos). Circuitos simples formados por componentes passivos podem não ser muito interessantes, porém são elementos essenciais para circuitos mais complexos (ou para qualquer circuito ele- trônico). Depois de ter aprendido o funcionamento dos componentes passivos e ativos, você estudará circuitos discretos passivos/ativos e tudo começa a ficar interessante! Finalmente, você aprenderá sobre circuitos integrados (ou Chips) e conceitos de programação de chips usando ARDUINO 1. As seguintes seções deste capítulo estão organizadas da seguinte maneira. A Seção 1. apresenta os objetivos da disciplina. A Seção 1.2 apresenta os conceitos básicos sobre Geração, Transmissão e Distribuição de energia elétrica. A Seção 1.3 apresenta o conceito de tensão, corrente elétrica, Corrente Contínua (CC) e Corrente Alternada (CA). A Seção 1.4 descreve o setup básico de um laboratório de eletrônica. A Seção 1.7 apresenta um tutorial para fazer cabos tipo bananá-jacaré (muito utilizado nas fontes de alimentação). Finalmente, a Seção 1.6 apresenta uma breve introdução sobre as placas de circuito que serão utilizadas durante a disciplina.
(^1) Disponível em: https://www.arduino.cc/
1.1 Objetivos
Capacitor o aluno a:
- montar circuitos eletrônicos
- realizar medições utilizando equipamentos de medição
- identificar boas práticas de representação de circuitos, montagem de circuitos e de uso de instrumentos de medição
- simular circuitos
1.2 Geração, transmissão e distribuição de energia
Apesar de alunos e profissionais especialistas na área de eletrônica passarem horas, dias, meses e anos em cima de circuitos eletrônicos analógicos e digitais, trabalhando boa parte da sua carreira com circuitos de corrente contínua e corrente alternada, acabam não se dando conta de todo o trajeto que os elétrons "percorrem"até estarem disponíveis em suas tomadas e fontes. Esta secção busca esclarecer conceitos básicos (deve-se entender "básicos"como fundamentais e não como fáceis) que envolvem a geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. A figura 1 representa de forma simplificada todos os passos dos elétrons, desde a geração até o seu consumo final. Na representação é possível observar a energia sendo gerada em uma usina hidre- létrica, transmitida através das linhas de transmissão que podem ser tanto de corrente contínua quanto alternada e chegando a uma subestação de distribuição, que organiza a alimentação das residencias e industrias. Analisando todos estes sistemas fica bem evidente que a teoria da conservação de energia pode ser comprovado em diferentes sistemas. Pois, inicialmente em um reservatório temos a energia potencial armazenada na água, posteriormente ela se transforma em energia cinética da água, através da água percorrendo o conduto forçado de uma usina hidrelétrica, que por sua vez gira a turbina, observando a energia mecânica em ação, e que através de um acoplamento entre cobre e uma liga ferromagnética, induz a energia eletromagnética no rotor e estator do gerador, e que finalmente tem a energia elétrica "gerada" nos terminais do gerador a 13,8kV. Na prática, essa tensão não é sulficiente para ser transportada até os grandes centros consumidores (cidades e industrias), pois a maioria se encontra a grandes distâncias das usinas geradoras, tendo em vista que a Lei da Conservação da Energia está presente em todos os momentos, ou seja, se tentarmos enviar esta energia gerada nesse nível, não chegará energia aos consumidores devido as perdas e quedas de tensões ao longo do caminho. Por isso, existe a necessidade do aumento e regulação destas tensões através das subestações. Existem alguns padrões já calculados e projetados para realizar o transporte desta energia, por exemplo: 138 kV, 230kV, 440kV, 500kV, 600kV e 765kV. Próximos aos grandes centros consumidores existem em Subestações de distribuição que tem como principal função reduzir as altas tensões para níveis adequados a alimentação de residencias. No Paraná, o padrão de tensão que "percorre os postes"é 13,8kV. Os transformadores que podem ser visualizados junto aos postes são responsáveis por reduzir a tensão para 127V ou 220V (fase-neutro), dependendo do estado. Níveis diferentes de tensões e configurações diferentes das padrões podem ser observados, pois na engenharia sempre existem exceções e a necessidade de um engenheiro para engendrar soluções adequadas para diferentes problemas. Atualmente a maioria das linhas de transmissão trabalham com a transferência de energia em corrente alternada (CA) e apenas algumas em corrente contínua (CC).
1.3 Corrente Alternada e Corrente Contínua
Antes de definir o que são corrente alternada e corrente contínua, existe a necessidade do entendimento de conceitos fundamentais de eletricidade, como TENSÃO e CORRENTE.
1.3.3 Corrente Contínua e Corrente Alternada
Inicialmente a primeira tecnologia desenvolvida para a transmissão de energia elétrica foi a de corrente contínua (CC), porém, posteriormente a tecnologia de corrente alternada (CA) trouxe uma concorrência que culminou na famosa "Guerra das Correntes" , pois uma disputa nos âmbitos tecnológicos, econômicos e políticos foi observada. Essa disputa foi estabelecida entre George Westinghouse (CA) e Thomas Edison (CC) que ocorreu nas duas últimas décadas do século XIX. Os dois tornaram-se adversários devido à campanha publicitária de Edison pela utilização da corrente contínua para distribuição de eletricidade, em contraposição à corrente alternada, defendida por Westinghouse e Nikola Tesla (desenvolvedor dessa tecnologia) [3]. Atualmente a corrente contínua possui poucas aplicações quando utilizada para transmissão de energia elétrica, porém ela é fundamental na vida e cotidiano das pessoas, pois a maior parte dos circuitos eletrônicos inseridos em diferentes dispositivos utilizam este tipo de corrente para seu funcionamento, como por exemplo, smartphones , tablets , computadores, televisores e acessórios de carros. Essa corrente possui como uma de suas importantes características o deslocamento dos elétrons de um ponto a outro em uma mesma direção, já a corrente alternada possui os elétrons se deslocamento em duas direções opostas [2]. O resultado destas correntes ao longo do tempo pode ser observada na figura 2.
Figura 2: (a)Corrente contínua ao longo do tempo. (b) Corrente alternada ao longo do tempo.
1.4 Laboratório
Para montar os circuitos, você precisa de alguns equipamentos e algumas ferramentas. Esta seção apresenta o setup básico de um laboratório de eletrônica.
1.4.1 Ferramentas e equipamentos
Algumas ferramentas são necessárias para realizar as práticas com circuitos eletrônicos. A maioria delas possui baixo custo. Nesta seção, as ferramentas e equipamentos necessários serão apresentados. O primeiro equipamento que deve adquirir é o multímetro. Este equipamento é utili- zado para medir tensão, corrente, resistência elétrica, entre outras medidas (ou variáveis). Há multímetros analógicos e digitais. Os analógicos funcionam com um ponteiro, baseados no gal- vanômetro. Por outro lado, os digitais possuem um display. Atualmente, os digitais são os preferidos. Entretanto, os analógicos permitem o entendimento das características operacionais do multímetro: sensibilidade, resolução e range.
As Figuras 3(a) e 3(b) s apresentam um multímetro digital Minipa ET-1100A e um mul- tímetro analógico, respectivamente. O multímetro ET-1100A também realiza outras medições como capacitância, ganho de corrente de transistores e temperatura. Calma... estudaremos o multímetro nas próximas seções.
(a) Multímetro digital (b) Multímetro analógico
Figura 3: Multímetro
As Figuras 4(a) - 4(d) apresentam os materiais para realizar solda de fios, conectores e componentes eletrônicos: ferro de solda, sugador de solda, suporte para ferro de solda, esponja vegetal para limpeza de ferro de solda e solda. Com qualidade reconhecida no mercado, a marca Solda Best é recomendada para soldagem manual. Para soldar componentes eletrônicos, recomenda-se o ferro de solda de 30W. Para soldar alguns cabos e/ou conectores com grandes superfícies metálicas, recomenda-se o uso de ferros mais potentes (50W ou 60W, por exemplo). Além dos materiais citados, o suporte para placas de circuito pode ser útil durante o processo de solda de componentes em uma placa de circuito ou na elaboração de cabos. É importante resssaltar que alguns suportes possuem lupa. A Figura 5 apresenta um exemplo desta ferra- menta. A protoboard (matriz de contatos ou placa de ensaios) é utilizada para realizar montagens e testes de circuitos elétricos/eletrônicos, como apresentado na Figura 6. Na superfície de uma matriz de contato há uma base de plástico com diversos orifícios onde os componentes podem ser encaixados. Na parte inferior da protoboard contatos metálicos estão interligados segundo um padrão básico. As Figuras 7(a) e 7(b) apresentam as ligações internas da protoboard. Não há um padrão para montagem de circuitos na protoboard... usará a sua criatividade! O professor também apresentará boas práticas e dicas para montagem. As Figuras 8(a), 8(b) apresentam os alicates comumente utilizados em um laboratório de eletrônica: os alicates de bico meia cana e de corte, respectivamente. A Figura 8(d) apresenta um descascador de fios. Esta ferramenta é muito útil, pois facilita a tarefa de descascar fios (também realizada com os alicates apresentados anteriormente). As Figuras 8(c) e 8(e) apresentam duas ferramentas que não serão utilizadas durante a disciplina, mas são recomendadas. A Figura 8(c) apresenta um alicate curvo, utilizado para posicionamento de componentes. A Figura 8(e) apresenta um crimpador. Esta ferramenta é muito importante e é utilizada para a manutenção ou montagem de uma rede de computadores. Nenhuma caixa de ferramentas está completa sem chaves. Recomenda-se pelo menos uma chave Philips e uma chave de fenda, como as apresentadas na Figura 9. Chaves de precisão, como apresentadas na Figura 9(b), podem ser úteis para ajustar parafusos de alguns conectores
(a)
(b)
Figura 7: Protoboard (matriz de contatos) – conexões
A Figura 38(a) apresenta uma fonte de bancada ajustável. Geralmente, este tipo de fonte é capaz de fornecer até 30V e 3A. Nesta disciplina, montaremos algumas fontes de tensão que serão úteis durante todo o curso e fora do ambiente universitário. Outro equipamento utilizado nos laboratórios é o Gerador de Funções. Este equipamento gera sinais com alguns tipos de forma de onda com frequência e amplitude ajustáveis. Ele pode
(a) (b) (c)
(d) (e)
Figura 8: Alicates e crimpador
(a) (b)
Figura 9: Chaves
ser utilizado para verificar o funcionamento de amplificadores, por exemplo. O funcionamento do gerador está relacionado ao uso do Osciloscópio que, por sua vez, é um instrumento de medição eletrônico que tem a função de apresentar a representação visual de sinais elétricos como formas de onda (ver Figura 38(c)). Para finalizar esta seção, é importante ressaltar que a universidade disponibiliza os equi- pamentos citados: multímetros, fonte de alimentação, gerador de funções, osciloscópios, entre outros.
1.5 Cabos e Jumpers
Durante as práticas, fios de cobre encapados serão utilizados para confeccionar de Jumpers e/ou cabos (incluindo pontas de prova). Os Jumpers são fios condutores que conectam dois pontos em um circuito. As Figuras 11(a), 11(b) e 11(c) apresentam três tipos de jumpers disponíveis no mercado. Entretanto, recomenda-se a confecção dos jumpers utilizando cabos de rede e alicates (ver Figura 11(d)). Cada fio do cabo de rede é rigido (também conhecido como unifilar), ou seja é um único fio de cobre revestido por um isolante. Por outro lado, os cabos flexíveis (ou
da bitola corresponde a um fio com maior espessura (com capacidade de corrente maior).
Figura 12: Padrão AWG. Adaptado de [4].
1.6 Placas de circuito
As Figuras 13(c) e 13(a) apresentam as placas de fenolite e universal (ou placa perfurada), respectivamente. A placa de fenolite consiste em uma lamina de cobre sobre um substrato isolante e é utilizada na fabricação artesanal de placas de circuito impresso. Por outro lado, a placa universal é utilizada para a montagem de circuitos, onde os componentes são conectados com jumpers. Geralmente, dois modelos de placa universal podem ser encontrados no mercado: placa universal perfurada (Figura 13(a)) e a placa universal trilhada (Figura 13(b)). A placa trilhada facilita a montagem de alguns circuitos, diminuindo o número de jumpers. O processo de fabricação de placa de circuito impresso inclui a corrosão da placa de fenolite utilizando percloreto de ferro, por exemplo. Este processo será realizado durante o semestre.
(a) (b) (c)
Figura 13: Placa Universal e placa de fenolite
1.7 Confecção de pontas de prova banana-jacaré
A Figura 14 apresenta os materiais necessários para a conecção de pontas de prova banana- jacaré: as pontas banana, as garras jacaré e os cabos. Para confeccionar uma ponta de prova banana-jacaré, deve seguir os seguintes passos:
- Primeiro lixe as pontas (banana e garras jacaré), pois elas possuem um esmalte que pode dificultar a solda;
- Depois, corte os cabos com o comprimento desejado e descascar as pontas dos cabos;
- Coloque solda nas pontas dos cabos. Este procedimento é conhecido como "estanhar as pontas";
- Conecte as pontas dos cabos nos pinos banana e nas garras jacaré;
- Solde os cabos em cada pino e garra, utilizando o ferro de solda.
- Finalmente, verifique a continuidade entre as pontas (banana e garra jacaré) utilizando um multímero. Em outras palavras, verifique se as conexões (e soldas) são adequadas. Para isto, selecione a opção de medição de continuidade. Caso o multímetro não possua esta opção, pode selecionar a opção de medição de resistência. Lembre-se que a resistência de um curto-circuito (de um fio) é baixa. Por exemplo, o fio AWG 22 possui uma resistência de 16,2 Ω a cada 305m (ou ≈ 51 Ω/km), aproxidamente. A Figura 14(c) apresenta um exemplo de ponta de prova banana-jacaré finalizada.
2 Introdução a esquemáticos de circuito
A Figura 15(a) 2 apresenta o desenho de um circuito composto por uma pilha, fios, uma chave (ou interruptor) e uma lâmpada. Quando a chave está fechada (considerada como curto-circuito), a pilha alimenta a lâmpada e esta acende, pois há corrente circulando através dela. A lâmpada não acenderia nos seguintes casos:
- Lâmpada com defeito
- Mau contato nas conexões e/ou soldas
- Fios em aberto (queimados ou com mau contato)
- Pilha (ou bateria) sem carga
- Chave aberta (considerado como circuito aberto)
É importante ressaltar que não há corrente elétrica nos casos citados acima. Pode observar o sentido da corrente na Figura 15(a). Este é o " sentido convencional "da corrente (do terminal positivo ao negativo da pilha), proposto por Benjamin Franklin e comu- mente utilizado para analisar circuitos. É importante ressaltar que o sentido convencional é utilizado na prática, mas o sentido correto é o " sentido real ", proposto por Joseph Thomson, onde elétrons fluem do negativo ao positivo da pilha (sentido oposto à corrente convencional). A Figura 15(b) apresenta o esquemático do circuito apresentado na Figura 15(a), utilizando símbolos do padrão americano. Pode observar que a chave está em outra posição no esquemático. Isto não interfere no funcionamento do circuito, pois a chave, a lâmpada e a pilha ( fonte de alimentação do circuito) estão "em série " e a corrente é a mesma para os três elementos do circuito.
(a) Desenho de um circuito (b) Esquemático de um circuito
Figura 15: Exemplo de desenho e esquemático de circuito
(^2) Elaborada utilizando o aplicativo Fritzing. Disponível em: https://fritzing.org
2.1 Simbologia
Como pode ter observado, cada elemento (ou componente) de um circuito é representado por um símbolo no esquemático. Nesta seção, alguns símbolos serão apresentados: fontes de tensão contínua, gerador de tensão alternada, referência, resistor, capacitor, indutor, transformador, di- odo, transistor e relé. Há vários subtipos destes componentes, assim como outros símbolos... de outros componentes. Eles serão apresentados nos próximos capítulos. A Figura 16 apresenta o símbolo de alguns elementos. Esta figura foi adaptada da primeira figura de [4]. Pode encontrar mais símbolos no livro. Durante a disciplina, veremos mais símbolos!
Figura 16: Alguns símbolos eletroeletrônicos. Adaptado de [4].
2.2 Ligações e interruptores
Uma das grandes utilidades da energia elétrica e que alterou o modo de vida das pessoas é a iluminação. Aplicada para diferentes tipos de ambientes e situações, como por exemplo, ilu- minação esportiva, escritórios, industriais, hospitalares, decorativas e residenciais. Para essa finalidade são utilizados os condutores de energia elétrica FASE e NEUTRO , sendo que o condutor fase possui tensão e o neutro não possui tensão. Associados aos condutores são ins- talados interruptores para realizar o acionamento das lâmpadas, podendo variar entre simples, paralelo ou intermediário. Todos eles são responsáveis por interromper a ligação do condutor "carregado" (fase), sendo que a diferença entre eles será a quatidade de pontos possíveis para acionamento da lâmpada. Nas Figura 17 é possível observar os acionamentos simples e paralelo, já na Figura 18 está representada a ligação intermediária.
3 Resistores
Como é de conhecimento geral da população científica, representar modelos teóricos em exer- cícios práticos é uma tarefa complexa devido as inumeras váriáveis existentes e que afetam circuitos eletrônicos reais. Quando uma corrente elétrica flui em um condutor é perceptível que ocorram variações de tensão e consequentesmente de corrente neste condutor, um dos motivos pelo qual isso acontece é devido a resistência própria que o condutor gera aos elétrons. Na ele- trônica, componentes específicos capazes de transformar a energia elétrica em energia térmica, através do efeito Joule , tais componentes são chamados de Resistores. Os resistores são componentes utilizados, basicamente, para limitar a corrente e/ou definir níveis de tensão em um circuito. Quando uma tensão contínua é aplicada sobre um resistor, a quantidade de corrente (ou valor de corrente) que flui através do resistor pode ser calculada utilizando a Lei de Ohm (ver Equação 1).
V = IR (1)
onde V , I e R representam a tensão no resistor (ou diferença de potencial, em [V] – Volt), a corrente através do resistor (em [A] – Ampère) e a resistência do resistor (em [Ω] – Ohm). Por outro lado, potência dissipada pelo resistor pode ser calculada utilizando a Equação 2.
P = IV (2)
onde P representa a potência dissipada pelo resistor (em [W] – Watt).
3.1 Código de cores de resistor
Na prática, utilizamos um código de cores para saber o valor da resistência de um resistor (tipo fixo). A Figura 19 3 apresenta o código de cores. Há resistores fixos com 3, 4, 5 e 6 bandas (ou anéis). A Figura 20 apresenta exemplos com resistores de 4 e 5 bandas.
Figura 19: Código de cores. Exemplo para resistor com 4 bandas
(^3) Disponível em: http://www.audioacustica.com.br/exemplos/ValoresResistores/CalculadoraO hmsResistor.html
Figura 20: Código de cores. Exemplo para resistor com 4 bandas
3.2 Tipos de resistor
A criatividade do ser humano não tem limites, dentro da eletricidade é possível citar diversos exemplos, tais como Benjamin Franklin (no desenvolvimento da eletricidade), James Clerk Maxwell (e suas famosas equações utilizadas no eletromagnetismo) até Albert Einstein (e a teoria da relatividade). Aplicando essa criatividade aos resistores, foi possível observar diferentes características e funcionalidades para esses componentes, assim, é possível observar o resultado dos diferentes tipos de resistores existentes no mundo da eletrônica: Os resistores comulmente comercializados em grandes quantidades, possuem código de cores já observados anteriormente e diferentes níveis de precisão são conhecidos como Resitores Fixos , conforme a Figura 21 4 , podendo ser constituídos de filme de carbono e filme metálico, bem como outros componentes.
Figura 21: (a)Exemplo do componente físico "Resistore Fixos". (b) Exemplo da símbologia do componente "Resistores Fixos".
Por outro lado, existem reistores que possuem alterações mecânicas na sua constituição. Essas alterações na estrutura mecânica do componente possibilitam que sejam desenvolvidos
(^4) Disponível em: https://www.embarcados.com.br/tensao-corrente-e-resistencia-eletrica/
