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CURSO DE TELEMÁTICA
ELETRÔNICA I CONTEÚDOS
A) ESTRUTURA DA MATÉRIA, NÍVEIS DE ENERGIA
Matéria : Termo genérico para designar a substância da qual os corpos são feitos, podendo estar nos estados sólido, líquido ou gasoso. O comportamento da matéria depende basicamente de sua estrutura, e como é esta estrutura?
Ao dividirmos a matéria em pedaços cada vez menores chegaremos a um limite tal que, se dividirmos uma vez mais, ela perde as características originais. Esta porção mínima e chamada de molécula.
Molécula = menor porção de uma substância que ainda mantém as características
físicas e químicas originais da substância.
Por exemplo, a água, uma das substâncias mais simples e conhecidas, ao dividirmos um litro por 1000 teremos mil mililitros, ao dividirmos um mililitro por mil, teremos um microlitro e ainda assim estaremos longe de chegar à molécula de água. Porém, ao seguirmos dividindo, chegaremos a um ponto onde a divisão dá um resultado que não é mais água e sim um agrupamento de partículas extremamente pequenas chamadas de átomos.
Átomo = menor partícula da matéria que pode entrar em combinação com outras.
Ou seja : as moléculas são constituídas de átomos! No exemplo da água, ao dividirmos a sua molécula, encontraremos dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio (H 2 O). Para ilustrar a ordem de grandeza de um átomo, podemos dizer que num centímetro podemos colocar 100 milhões de átomos, lado a lado!
Na natureza existem 87 tipos diferentes de átomos e tudo, todos os materiais do universo,^ é apenas o resultado da^ combinação destes 87 tipos entre si. A famosa Tabela Periódica de Elementos Químicos agrupa todos os tipos de átomos que existem. Nesta tabela, os elementos químicos são representados por símbolos:
H = hidrogênio Fe = ferro O = oxigênio Al = alumínio C = carbono Ge = germânio Cu = cobre Ni = níquel Si = silício Ga = gálio Ag = prata He = hélio
Acreditava-se que o átomo era a menor partícula do universo e assim não podia ser dividida. A evolução da ciência (Rutherford, 1911) demonstrou que isto não era verdade, que os átomos também são formados por partículas ainda menores, chamadas de subatômicas, que são os
prótons ,nêutrons e elétrons
Estas partículas diferem entre si por suas massas e cargas elétricas.
Como são muitíssimo pequenas, e não podiam, quando descobertas, nem ter seu peso quantificado, foi convencionada uma unidade especial chamada de u.m.a, unidade de massa atômica, para definir a massa destas partículas. Assim:
Prótons tem 1 u.m.a. Nêutrons tem 1 u.m.a. Elétrons são 1840 vezes mais leves que os prótons, assim sua massa quase não influencia o átomo podendo ser considerada desprezível, ou quase zero (na realidade hoje sabemos que um elétron pesa 9,107 x 10 -28 gramas).
A característica mais importante a diferenciar as três partículas subatômicas é sua carga elétrica:
Prótons tem carga elétrica positiva, convencionada em +.
Elétrons tem carga elétrica negativa, convencionada em -.
Nêutrons não têm^ carga elétrica.
Vamos estudar eletrônica, ou seja, a parte da ciência que estuda a emissão, o movimento e o comportamento dos fluxos de elétrons livres em diferentes materiais. Só para terem uma idéia, uma corrente de 1 pA representa o movimento de 6 milhões de elétrons em um segundo, isto que 1 pA quase não pode ser medido!
São os elétrons que determinam as propriedades químicas e elétricas dos átomos.
O átomo é constituído então de prótons, nêutrons e elétrons. Os prótons e nêutrons ficam no núcleo do átomo e os elétrons giram em torno deste núcleo, de forma semelhante aos planetas girando em torno do sol. A região do espaço onde os elétrons se movimentam é chamada de eletrosfera. Só que as dimensões deste espaço são da ordem de 10-10^ m.
Os elétrons giram em torno do núcleo em diferentes órbitas, chamadas de camadas ou níveis energéticos. Dependendo do número de elétrons que o átomo possui, a eletrosfera pode apresentar de 1 a 7 níveis energéticos, denominados K,L,M,N,O,P e Q. Sendo K o mais próximo do núcleo, L o seguinte e assim por diante.
Assim, se temos água ao mesmo nível onde estamos, ou nível zero, ou terra, podemos dizer que esta água não tem capacidade de realizar trabalho neste nível. Porém se esta água esta a 10 metros de altura, ela tem um potencial contido em si, capaz de empurrar uma roda d’água, por exemplo. Isto significa que ela pode, tem potencial, para realizar trabalho.
Em eletrônica também é assim. Um corpo em equilíbrio elétrico não tem capacidade de gerar trabalho, não tem potencial. Ao eletrizarmos o corpo, ele adquire este potencial, em relação a outro corpo que não foi eletrizado. Se retirarmos um elétron de um corpo, ele fica com uma energia positiva, capaz de atrair um elétron de outro corpo, para tentar voltar ao seu estado de equilíbrio natural. Veja-se bem que potencial é sempre uma relação entre dois pontos, de um para outro. Por isto em geral falamos de diferença de potencial ou d.d.p. Esta diferença de potencial faz com haja uma possibilidade de fluir eletricidade de um corpo a outro. É como se houvesse uma pressão no ponto de maior potencial, tipo quando fechamos a saída de uma mangueira ligada numa torneira. Esta “pressão elétrica” também chamada de f.e.m. (força eletromotriz) é a energia posta no circuito, que cria uma tensão entre os materiais ou corpos. No nosso campo de estudo iremos usar sempre esta denominação: TENSÃO.
TENSÃO = diferença de potencial elétrico entre dois corpos, capaz de fazer com que os elétrons sejam emitidos de um corpo a outro.
A tensão, também chamada de voltagem, é a força ou potencial elétrico existente entre dois pontos, que faz com que os elétrons circulem ao fecharmos um circuito ou caminho entre estes dois pontos. Usaremos a simbologia E para designar a tensão.
A tensão é medida em VOLTS , cujo símbolo é V. Um VOLT é a força ou tensão causada por uma diferença de potencial capaz de fazer circular uma corrente de um Ampère (ou 6,25 x 10^18 elétrons por segundo) em uma resistência de um Ohm.
Em nosso estudo de eletrônica iremos usar o Volt e seus submúltiplos :
mV = mililvolt = 1V/1000 V = 1x10-3^ V = 0,001V e μV = microvolt = 1V/1.000.000 V = 1 x10-6^ V = 0,000001V
Exercícios:
Converta as tensões abaixo em seus múltiplos e submúltiplos:
- 6,25 V = mV
- 0,3 V = mV
- 100 mV = V
- 3,5 mV = (^) μV
B) FONTES DE TENSÃO
As fontes empregadas para produzir tensão são fundamentais para o mundo da eletrônica. As primeiras fontes que existiram foram as baterias ou acumuladores de energia, através de reações químicas. São o que denominamos comumente de pilhas. Sem tensão ou potencial elétrico não podemos realizar nada em termos de eletricidade ou eletrônica. A diferença de potencial (ddp) ou tensão é o ponto de partida para que aconteça algo nos circuitos. Esta tensão, como já vimos acima, é um desequilíbrio elétrico que pode causar o deslocamento de elétrons.
Os tipos de fonte de tensão existentes hoje são as pilhas ou baterias, as chamadas fontes de alimentação e os geradores de tensão. As baterias geram uma tensão de forma eletroquímica, a qual possui sempre a mesma polaridade , ou seja há um pólo sempre positivo (elétrons de menos) e outro sempre negativo (elétrons de mais). A isto se chama tensão contínua ou tensão CC (em inglês = DC).
Tensão contínua = tensão elétrica entre dois pontos que mantém sempre a mesma polaridade
As fontes de alimentação, assim chamadas pois alimentam o circuito com energia, são em geral ligadas na rede elétrica e fornecem tensões CC aos circuitos. Elas podem ter saídas de tensão fixas ou variáveis. Existem também fontes de alimentação que fornecem tensão CA, embora não sejam muito comuns em eletrônica.
Já os geradores podem gerar também tensão CC ou, mais comumente, gerar tensões alternadas ou CA (em inglês = AC), que é uma tensão cuja polaridade não é fixa, e sim alterna entre positivo e negativo, numa determinada freqüência. Veremos adiante mais sobre tensão CA.
As fontes de tensão podem ser associadas de duas formas : em série ou em paralelo.
A chamada associação série é bem comum no nosso dia a dia. Quem ainda não viu um aparelho (lanterna, rádio, brinquedo, etc. ) com mais de uma pilha? Pois esta é uma das associações série de fontes de tensão mais comuns. A utilidade desta associação é para fornecer energia, na forma de tensão, a um circuito que precisa de tensão maior que uma só fonte pode fornecer. Na associação série, ligamos o positivo da primeira bateria ao circuito, o negativo desta ao positivo da segunda bateria, cujo negativo também é ligado ao positivo da próxima e assim por diante, até que o negativo da última bateria é ligado ao circuito. Vide Figura 1 abaixo:
E1 E2 E
Positivo Negativo do circuito
PRÁTICA:
MEDIDAS DE TENSÃO
OBJETIVO:
Ensinar a medir tensão elétrica em circuitos variados.
EQUIPAMENTOS:
Multímetro Baterias Fonte de tensão CC Fonte de tensão CA
PROCEDIMENTO:
MEDIDAS DE TENSÃO CC
- Conecte as ponteiras ao multímetro, sendo a ponteira preta no borne COM e a vermelha no borne V-Ω;
- Gire a chave seletora do multímetro para DCV, na escala 2;
- Pegue uma pilha de1,5 Volts CC e encoste a ponteira preta na base da pilha e a vermelha no topo (polo positivo);
- Leia no mostrador do multímetro o valor da tensão CC da pilha.
- Desencoste as ponteiras da pilha;
- Gire a chave seletora do multímetro para a escala 20 DCV;
- Conecte a fonte de alimentação na rede e depois ligue-a.
- Conecte a ponteira preta do multímetro ao borne preto da fonte;
- Conecte a ponteira vermelha do multímetro ao borne vermelho da fonte;
- Leia a tensão de saída da fonte;
- Desencoste as ponteiras da fonte;
- Desligue a fonte.
MEDIDA DE TENSÃO CA
- Gire a chave seletora do multímetro para a escala 750 ACV;
- Com bastante cuidado, coloque as ponteiras do multímetro numa das tomadas da bancada, inserindo uma ponteira em cada pino da tomada;
- Leia a tensão da rede elétrica da nossa sala.
MEDIDA DE TENSÃO CC DE ASSOCIAÇÃO DE FONTES
- Gire a chave seletora do multímetro para DCV, na escala 20;
- Pegue o kit com duas pilhas e encoste a ponteira preta num dos terminais do kit e a vermelha no outro (polo positivo);
- Leia a tensão de saída da associação.
CORRENTE ELÉTRICA
Já vimos acima que a tensão elétrica é devida à diferença de potencial (ddp) entre um material e outro. E que esta tensão pode provocar o movimento dos elétrons nos materiais. Quando este movimento é orientado, isto é, os elétrons fluem um atrás do outro, estabelece-se o que denominamos uma corrente elétrica.
CORRENTE = Movimento ordenado de elétrons num condutor.
Fazendo analogia com a água, como fizemos no caso da definição de potencial, se temos água a uma certa altura, a um certo potencial, podemos fazer com que ela flua para um lugar mais baixo (de menor potencial). Para tal precisamos apenas liberar a energia potencial contida na água, simplesmente abrindo um furo no recipiente. Isto fará a água correr do ponto de maior altura (potencial) ao de menor altura. Assim ocorre com os elétrons num circuito elétrico. Convenciona-se que a corrente flui do ponto de maior potencial ao de menor potencial.
A unidade de medida de corrente é o Ampère, símbolo A e seu valor é definido acima. Em eletrônica é comum usarmos submúltiplos do Ampère, que são:
mA = miliampere = 1 A/1000 = 1x10-3^ A = 0,001A μA = microampere = 1 A/1.000.000 = 1x10-6^ A = 0,000001A nA = nanoampere = 1 A/ 10^9 = 1x10-9^ A = 0,000000001A pA = picoampere = 1 A/ 10^12 = 1x10-12^ A = 0,000000000001A
Tal como a tensão, a corrente pode ser de duas formas: CC e CA. A corrente contínua (CC) é aquela que flui sempre no mesmo sentido. Já a corrente alternada (CA) é aquela que muda de sentido ao longo do tempo, numa determinada freqüência.
Para medir correntes elétricas usamos os amperímetros ou os multímetros que possuem amperímetros embutidos.
Exercícios: Converte as correntes abaixo para seus múltiplos e submúltiplos:
- 1,2 A = mA
- 0,07 A = mA
- 68 mA = nA
- 150pA = mA
caso dos circuitos eletrônicos que iremos estudar, pode servir para dominar e controlar a corrente e a tensão, de forma que o fluxo de elétrons execute uma função por nós definida!
Sem sombra de dúvida o componente mais comum em circuitos eletrônicos é a resistência elétrica, colocada nos circuitos sob a forma de resistores.
Resistores são componentes eletrônicos fabricados especialmente para apresentar determinado valor de resistência ôhmica.
Os valores de resistência ôhmica são padronizados em séries, sendo a mais comum a série E-24, que apresenta 24 valores básicos de resistências e seus múltiplos.
Tabela de valores da série E-
10 11 12 13 15 16 18 20 22 24 27 30 33 36 39 43 47 51 56 62 68 75 82 91
Estes valores da tabela são multiplicados por 0,1 ; 10 ; 100 ; 1000 ; 10000 ;
Exemplos: 1,3 Ω, 270 Ω , 3300 Ω , 47KΩ , 680KΩ , 1,8 MΩ.
A especificação técnica de um resistor deve conter:
n Resistência ôhmica n Percentual de tolerância n Potência
A resistência é dada em Ohms, nos valores seriados vistos acima. A tolerância é devido aos processos de fabricação que não podem produzir (por questões de custo) resistores exatamente iguais, pois varia a constituição atômica e as impurezas nos materiais usados na fabricação. Os resistores são divididos em 5 faixas de tolerância:
+/- 20% de tolerância +/- 10% de tolerância +/- 5% de tolerância +/- 2% de tolerância +/- 1% de tolerância
Os resistores comuns são os de tolerância +/- 20%, +/- 10% e +/- 5%. Os de tolerâncias menores +/- 2% e +/- 1% são chamados de resistores de precisão e são usados em aplicações mais críticas. Normalmente não indicamos a tolerância como +/- 10% e sim como 10%, ficando implícito sempre que tolerância é sempre uma variação no valor, para menos ou para mais!
Exemplificando: Um resistor de 220 Ω, 10% pode ter valores de resistência, medidos com ohmímetro, que vão desde 198 Ω = 220 - 10% até 242 Ω = 220 + 10%.
A potência especificada do resistor é potência máxima que ele pode dissipar sem ser danificado ou aquecer em demasia. Os valores mais comuns de potência de resistores em eletrônica são: 1/8 W, 1/4W, 1/2W, 1W, 5W e 10W.
Tipos de resistores: Existem quatro tipos básicos de resistores, que diferem pela sua construção:
n Resistores de carvão n Resistores de filme de carbono n Resistores de filme metálico n Resistores de fio
Resistores de carvão são constituídos por um corpo cilíndrico e oco de porcelana, preenchido por um pó de carvão com misturas adequadas para cada valor de resistência, ou então são fabricados unindo-se partículas de carvão com um agregante químico e colocando-se num molde cilíndrico e adicionando-se os terminais. Não se obtém resistores muito precisos neste processo. São resistores de uso geral.
Resistores de filme de carbono são produzidos depositando-se uma película fina de carbono sobre um corpo cilíndrico de porcelana ou cerâmica. Esta película ou filme é que determina a valor da resistência ôhmica. Os terminais são então colocados nas extremidades do resistor. Este tipo de resistor recebe uma camada protetora externa de resina, que o protege do meio ambiente, para evitar danos ao filme. Este tipo de resistor é bem preciso, possui alta estabilidade da sua resistência com o tempo. São os mais usados em eletrônica, em geral de 5% e 10% de tolerância.
Resistores de filme metálico são produzidos de forma similar aos de filme de carbono, porém como há um maior poder de controlar a qualidade do material do filme, consegue-se uma resistência mais precisa. São os resistores de precisão com 1 ou 2% de tolerância.
Resistores de fio são construídos enrolando-se um fio de liga especial (em geral níquel- cromo) sobre um corpo cerâmico. A bitola do fio é que determina o valor da resistência. Os resistores de fio são usados em circuitos de alta potência, pois podem dissipar grandes quantidades de calor. Para tal é comum termos resistores de fio em corpos cilíndricos ocos, que facilitam a dissipação de calor.
Os três primeiros anéis servem para representar o valor de resistência em Ohms ( Ω). O primeiro anel representa o primeiro dígito deste valor, o segundo anel representa o segundo dígito e o terceiro anel representa o fator multiplicador.
Os dois primeiros dígitos, que representam o valor básico do resistor, seguem a séria E-24 como vimos acima. A cada cor corresponde um número, conforme o código abaixo:
Preto = 0 Verde = 5 Marrom = 1 Azul = 6 Vermelho = 2 Violeta = 7 Laranja = 3 Cinza = 8 Amarelo = 4 Branco = 9
Exemplos:
- Cores dos dois primeiros anéis num resistor de 180Ω =
- Cores dos dois primeiros anéis num resistor de 2700Ω =
- Cores dos dois primeiros anéis num resistor de 560Ω =
- Cores dos dois primeiros anéis num resistor de 47000Ω =
- Cores dos dois primeiros anéis num resistor de 39Ω =
- Qual o valor de um resistor com os dois anéis azul e marrom?
- Qual o valor de um resistor com os dois anéis cinza e vermelho?
- Qual o valor de um resistor com os dois anéis laranja e laranja?
- Qual o valor de um resistor com os dois anéis violeta e verde?
O terceiro anel representa o multiplicador, determinando o número de zeros que segue aos dois primeiros dígitos. Este multiplicador segue a mesma codificação de cores acima, sendo o preto = 0 , significa que o número de zeros é zero; sendo o marrom = 1 , significa que o número de zeros é um; sendo o vermelho = 2 , significa que o número de zeros é dois; sendo o laranja = 3 , significa que o número de zeros é três; sendo o verde = 5 , significa que o número de zeros é cinco; sendo o azul = 6 , significa que o número de zeros é seis;
as demais cores não se usam pois na prática não há resistores maiores que ultrapassem a casa dos cem milhões de ohms (100MΩ).
Para resistores muito pequenos, abaixo de 10Ω, usamos a cor prateada para representar o multiplicador 0,01 e a dourada para o multiplicador 0,1.
O quarto anel, um pouco mais afastado dos três primeiros, representa a tolerância e possui apenas quatro cores:
Prateado = 10 % Dourado = 5 % Vermelho = 2 % Marrom = 1 %
A ausência do quarto anel significa tolerância de 20 %.
A tabela abaixo apresenta o código de cores completo:
COR
DÍGITOS
SIGNIFICATIVOS MULTIPLICADOR TOLERÂNCIA
Preto 0 1x Marrom 1 10x +/- 1 % Vermelho 2 100x +/- 2 % Laranja 3 1000x Amarelo 4 10000x Verde 5 100000x Azul 6 1000000x Violeta 7 Cinza 8 Branco 9 Ouro 0,1x +/- 5 % Prata 0,01x +/- 10 % sem cor +/- 20 %
Apresentamos a seguir uma outra tabela, com os valores comerciais de resistores de 10% de tolerância.
PRÁTICA:
IDENTIFICAÇÃO E LEITURA DE RESISTORES
OBJETIVOS:
Familiarização com os resistores; Praticar interpretação do código de cores; Exercitar uso do multímetro como ohmímetro.
EQUIPAMENTOS:
Multímetro
MATERIAIS:
Resistores Potenciômetros
PROCEDIMENTO
- Conecte as ponteiras ao multímetro, sendo a ponteira preta no borne COM e a vermelha no borne V-Ω;
- Gire a chave seletora do multímetro para Ω, na escala 20M;
- Pegue um resistor do kit, interprete o valor da resistência pelo código de cores;
- Encoste a ponteira preta num dos terminais do resistor e a vermelha no outro;
- Leia no mostrador do multímetro o valor da resistência ôhmica do resistor e compare com o valor interpretado;
- Repita os passos 3 a 5 para mais 5 resistores do kit;
- Desligue o multímetro, desconecte as ponteiras e guarde-o.
ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES
Tal como as fontes de tensão, os resistores podem ser associados em série ou em paralelo e também de forma mista.
A associação série fornece um só caminho para a passagem da corrente. Vide desenho abaixo:
R1 R
ou então:
R
R
Exatamente como na associação série de fontes de tensão, para sabermos o valor da resistência equivalente total de uma associação série, temos que somar os valores das resistências individuais. A expressão matemática que traduz isto é:
ASSOCIAÇÃO SÉRIE Req = R1 + R2 + ..... + Rn
Onde R1, R2, ..., Rn são os valores dos resistores associados. A associação paralela é aquela onde as peças estão ligadas de formas que a corrente se divida em mais de um caminho. Vide desenho abaixo:
It I1 I2 I
R1 R2 R
It
Como na associação paralela a corrente tem mais de um caminho para fluir, ela pode circular com mais facilidade do que se houvesse apenas um caminho. Isto nos dá uma idéia intuitiva de que a resistência equivalente total de uma associação de resistores em paralelo é menor que a resistência individual de cada um dos resistores usados na
Invertendo novamente, temos: Req = 1 2
R R
R xR
Esta fórmula mais simples é muito útil na prática, pois é comum usarmos apenas dois resistores em paralelo.
Exercícios:
Calcule a resistência equivalente total das associações a seguir:
180 390 470 Req =
120 82 68 150 Req =
5K6 4K7 Req =
Outro caso particular de associação paralela de resistores é quando colocamos resistores de mesmo valor em paralelo. Assim podemos simplificar a fórmula para:
1 Req = 1 R +^
R + .... +
R
isto pode ser agrupado em : Req = = n (1/R) n/R onde n é o número de resistores R em paralelo.
Esta equação pode ser simplificada para : Req =
R
n
A associação mista de resistores é aquela composta de grupos de em série e em paralelo. Vide desenhos abaixo:
R
Fig. 3 R2 R
R
R
Fig. 4 R3 R
Podemos ver que a associação mista possui partes que são associações série e partes que são associações paralelas. Para calcular a resistência equivalente total de uma associação mista de resistores, usa-se uma técnica muito comum na eletrônica, que consiste em dividir o todo em partes mais simples, as quais podem ser calculadas como associações série ou paralelo.
Nos exemplos de associações mistas acima podemos calcular:
Na Fig.3 temos uma associação em paralelo de R2 e R3, que deve ser calculada em primeiro lugar, resultando num Req 12 , o qual está em série com R1. A resistência equivalente total da associação da Fig. 3 é : R1 + Req12.
Na Fig. 4 temos uma associação em paralelo de R1 e R2 e outra em paralelo de R3 e R4. Temos que calcular o valor da associação R1 e R2, resultando em Req 12 e o valor da associação R3 e R4, resultando em Req34. Vê-se que Req 12 esta em série com Req34. Assim a resistência equivalente total da associação da Fig. 4 é : Req 12 + Req34.
Pelos exemplos acima podemos inferir que numa associação mista, devemos primeiramente calcular cada associação paralela em separado, definindo seu Req e depois olhar o circuito novamente, verificando se ainda há alguma associação paralela dos Req. Não havendo mais paralelos, o circuito ficou reduzido a uma associação série, onde devemos somar os valores dos resistores restantes, conforme demonstramos nos exemplos acima.
- cálculo das resistências equivalentes é assim chamado porque do ponto de vista do
circuito tanto faz se temos um resistor com Req = 1 2
R R
R xR
ohms ou dois resistores
R1 e R2 em paralelo.
