Eletrônica I - Linear

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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 (H2O). 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 O = oxigênio C = carbono Cu = cobre Si = silício Ag = prata Fe = ferro Al = alumínio Ge = germânio Ni = níquel Ga = gálio He = hélio 1 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 +1. Elétrons tem carga elétrica negativa, convencionada em -1. 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. 2 Já que eletrônica é o estudo do movimento dos elétrons, temos que nos concentrar nos elétrons que podem se mover de um átomo a outro. Quanto mais próximos do núcleo estiverem os elétrons, mais difícil é movê-los, pois a atração do núcleo é maior. Assim sendo, a camada que nos interessa é sempre a camada mais externa, ou seja, a mais distante do núcleo. Esta camada tem um número máximo de 8 elétrons e todas as reações químicas e elétricas ocorrem nela. CAMADA DE VALÊNCIA é o nome da camada mais externa da eletrosfera, onde acontecem todas as reações químicas e elétricas. Em condições normais, os átomos tendem a estar em equilíbrio elétrico, isto é, ter um número de cargas positivas (prótons) igual ao número de cargas negativas(elétrons). O átomo mais simples, o hidrogênio, possui um próton e um elétron, portanto é um átomo equilibrado. Assim também ocorre com o cobre que tem 29 prótons e 29 elétrons. É possível retirar ou acrescentar elétrons da camada de valência através de forças externas ao átomo, sejam elas de natureza química, magnética ou térmica. Quando ser retira um ou mais elétrons da camada de valência, o átomo passa a ficar com carga positiva, pois ao perder um elétron, fica com um próton a mais. Nesta condição, ele é chamado de íon positivo. Quando se adiciona um ou mais elétrons na camada de valência, o átomo passa a ficar com carga negativa, pois fica com um próton a menos. Nesta condição, ele é chamado de íon negativo. A condição de íon é instável, sendo causado por forças externas. Uma vez que esta força cessa, o átomo tende sempre a voltar ao equilíbrio elétrico. A carga elétrica de um elétron foi determinada como sendo de 1,6 x 10 -19 C (Coulomb) ou A-s. O processo de alteração do equilíbrio elétrico de um material, através de em agente externo é chamado de eletrificação. Este processo ocorre, como já dissemos, na camada mais externa de elétrons. Se retirarmos elétrons de um material, este ficará com mais prótons que elétrons, portanto carregado positivamente. O inverso também é verdadeiro, ou seja, ao adicionarmos elétrons o material ficará carregado negativamente. A eletrização de um corpo se dá de diferentes formas: por atrito, por indução, por contato, por impacto. Quanto mais elétrons retiramos ou adicionamos a um corpo, maior será o desequilíbrio elétrico. Este desequilíbrio gera um potencial de realização de trabalho. Mas o que é potencial? POTENCIAL = capacidade de realizar trabalho! 3 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 1018 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: 1) 2) 3) 4) 6,25 V 0,3 V 100 mV 3,5 mV = = = = mV mV V µV 4 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 E3 Positivo Negativo do circuito + + - + - + 5 - Na associação série a tensão de cada fonte ou bateria é somada à da outra bateria, ou seja: ET = E1 + E2 +E3 + ... A associação série tem um só caminho para circular elétrons, o que significa que se um dos componentes se danificar, não circulará mais corrente. A associação paralela já não é tão comum no nosso dia a dia. A utilidade desta associação é para alimentar circuitos que necessitam maior capacidade de corrente que um só gerador não pode fornecer. O caso mais comum que temos como exemplo é quando precisamos de uma bateria auxiliar para dar partida ao nosso carro, quando a nossa bateria está fraca. Neste caso, a bateria auxiliar fornece a corrente necessária para virar o motor de partida. A ligação das baterias em paralelo se dá conectando o pólo positivo de uma no positivo da outra e os negativos da mesma forma. A tensão ou f.e.m. fornecida pela associação é a mesma de uma só fonte ou bateria isolada. Por isto só é possível associar fontes de mesma tensão em paralelo. Se ligarmos fontes de tensão diferente, a corrente circulará entre as fontes até haver um equilíbrio na tensão das duas. Por isto no exemplo do carro, quando uma bateria está muito fraca, com tensão muito baixa, dizemos que ela “mata” a outra bateria. Neste caso é necessário desligar a bateria fraca e dar partida só com a auxiliar. A associação paralela fornece mais de um caminho para circulação de elétrons, assim se um caminho se romper, resta o outro. Porém se um ficar em curto, absorve toda a energia. 6 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 1) Conecte as ponteiras ao multímetro, sendo a ponteira preta no borne COM e a vermelha no borne V-Ω; 2) Gire a chave seletora do multímetro para DCV, na escala 2; 3) Pegue uma pilha de1,5 Volts CC e encoste a ponteira preta na base da pilha e a vermelha no topo (polo positivo); 4) Leia no mostrador do multímetro o valor da tensão CC da pilha. 5) Desencoste as ponteiras da pilha; 6) Gire a chave seletora do multímetro para a escala 20 DCV; 7) Conecte a fonte de alimentação na rede e depois ligue-a . 8) Conecte a ponteira preta do multímetro ao borne preto da fonte; 9) Conecte a ponteira vermelha do multímetro ao borne vermelho da fonte; 10) Leia a tensão de saída da fonte; 11) Desencoste as ponteiras da fonte; 12) Desligue a fonte. MEDIDA DE TENSÃO CA 1) Gire a chave seletora do multímetro para a escala 750 ACV; 2) Com bastante cuidado, coloque as ponteiras do multímetro numa das tomadas da bancada, inserindo uma ponteira em cada pino da tomada; 3) Leia a tensão da rede elétrica da nossa sala. MEDIDA DE TENSÃO CC DE ASSOCIAÇÃO DE FONTES 1) Gire a chave seletora do multímetro para DCV, na escala 20; 2) Pegue o kit com duas pilhas e encoste a ponteira preta num dos terminais do kit e a vermelha no outro (polo positivo); 3) Leia a tensão de saída da associação. 7 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 = µA = microampere = nA = nanoampere = pA = picoampere = 1 A/1000 = 1x10-3 A = 0,001A 1 A/1.000.000 = 1x10-6 A = 0,000001A 1 A/ 109 = 1x10-9 A = 0,000000001A 1 A/ 1012 = 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) 1,2 A = mA 2) 0,07 A = mA 3) 68 mA = nA 4) 150pA = mA 8 C) RESISTÊNCIA ELÉTRICA Vimos que o ponto de partida para a existência dos nossos circuitos eletrônicos é que haja uma fonte de tensão, que gera ou tenha um certo potencial elétrico. Esta tensão pode fazer com que flua uma corrente elétrica pelos materiais. Mas que corrente irá fluir? Como poderemos saber se a corrente será grande ou pequena, se circularão muitos ou poucos elétrons? A resposta encontra-se na resistência elétrica dos materiais. Resistência elétrica é a oposição que um material apresenta à passagem da corrente elétrica A resistência elétrica é devida à estrutura atômica do material sendo sua unidade de medida o Ohm, símbolo Ω . Como as demais unidades na eletrônica, temos que usar os múltiplos do Ohm para valores práticos, assim temos: KΩ = Kiloohm = 1000 Ω = 1 x103 Ω MΩ = Megohm = 1000000 Ω = 1 x106 Ω Exercícios: Converta os valores de resistência a seguir: 1) 560Ω = KΩ 2) 1,2KΩ = Ω 3) 390KΩ = MΩ Nota: É comum usar a notação 1K2 em vez de 1,2KΩ. O instrumento usado para medir a resistência elétrica é o ohmímetro. Geralmente o ohmímetro é incorporado no multímetro. Para resistências muito elevadas existe outro instrumento chamado de megômetro, usado para medir resistências de isolação. APLICAÇÕES DA RESISTÊNCIA ELÉTRICA A resistência elétrica é muito útil, embora possa se pensar que, se ela se opõe à passagem da corrente, ela atrapalha o circuito elétrico. Muito pelo contrário. Todos conhecem uma aplicação de resistência elétrica que usamos todos os dias: nos chuveiros elétricos. A passagem da corrente elétrica por uma resistência pode gerar calor (caso do chuveiro, do ferro de passar, etc.), gerar luz (caso das lâmpadas incandescentes) ou no 9 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-24 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 ; 100000 . 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! 10 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 n n n Resistores de carvão Resistores de filme de carbono Resistores de filme metálico 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 níquelcromo) 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. 11 SIMBOLOGIA DOS RESISTORES: Nos diagramas esquemáticos, que são representações dos circuitos reais, os resistores são mostrados, segundo as normas da ABNT, pelo desenho abaixo: Já em esquemas mais antigos se usava o desenho Abaixo ou dentro do símbolo é comum especificar o valor do resistor. Vide abaixo: 270Ω 3K9 IDENTIFICAÇÃO DE RESISTORES Para identificar um resistor em suas características técnicas, que são a resistência ôhmica, a tolerância e a potência, existem duas formas. Os resistores de precisão (1 ou 2% de tolerância), em geral tem seu valor de resistência impresso no próprio corpo. Já os resistores de uso mais corriqueiro, de 5, 10 ou 20 % de tolerância, são identificados por anéis ou barras coloridas impressas em seu corpo segundo um código de cores. A potência é identificada pelo tamanho do resistor, sendo a mais comum a de ¼ W. CÓDIGO DE CORES PARA RESISTORES O valor de resistência elétrica dos resistores e a sua tolerância podem ser impressos no corpo dos resistores usando-se uma seqüência de anéis coloridos que possibilitam a leitura destes valores em qualquer posição. Esta seqüência segue um código padronizado mundialmente. Para ler este código, precisamos saber que: • O valor da resistência ôhmica é dado pelos três primeiros anéis • O quarto anel representa a tolerância • A leitura começa pelo anel mais próximo do terminal do resistor • O anel da tolerância fica um pouco mais afastado dos demais. Veja a figura abaixo exemplificando o código: 1° 2° 3° 4° anel Figura 2 12 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 Marrom Vermelho Laranja Amarelo = = = = = 0 1 2 3 4 Verde Azul Violeta Cinza Branco = = = = = 5 6 7 8 9 Exemplos: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 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). 13 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 Dourado Vermelho Marrom = = = = 10 % 5% 2% 1% A ausência do quarto anel significa tolerância de 20 %. A tabela abaixo apresenta o código de cores completo: COR Preto Marrom Vermelho Laranja Amarelo Verde Azul Violeta Cinza Branco Ouro Prata sem cor DÍGITOS SIGNIFICATIVOS 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 MULTIPLICADOR 1x 10x 100x 1000x 10000x 100000x 1000000x TOLERÂNCIA 0,1x 0,01x +/- 5 % +/- 10 % +/- 20 % +/- 1 % +/- 2 % Apresentamos a seguir uma outra tabela, com os valores comerciais de resistores de 10% de tolerância. 14 Resistência 0,22 ohms (Ω) 0,27Ω 0,33Ω 0,39Ω 0,47Ω 0,56Ω 0,68Ω 0,82Ω 1Ω 1,2Ω 1,5Ω 1,8Ω 2,2Ω 2,7Ω 3,3Ω 3,9Ω 4,7Ω 5,6Ω 6,8Ω 8,2Ω 10Ω 12Ω 15Ω 18Ω 22Ω 27Ω 33Ω 39Ω 47Ω 56Ω 68Ω 82Ω 100Ω 120Ω 150Ω 180Ω 220Ω 270Ω 330Ω 390Ω 470Ω 560Ω 680Ω 820Ω 1K 1K2 1K5 1K8 2K2 Cores vermelho, vermelho, prata vermelho, violeta, prata laranja, laranja, prata laranja, branco, prata amarelo, violeta, prata verde, azul, prata azul, cinza, prata cinza, vermelho, prata marrom, preto, dourado marrom, vermelho, dourado marrom, verde, dourado marrom, cinza, dourado vermelho, vermelho, ouro vermelho, violeta, dourado laranja, laranja, dourado laranja, branco, dourado amarelo, violeta, dourado verde, azul, dourado azul, cinza, dourado cinza, vermelho, dourado marrom, preto, preto marrom, vermelho, preto marrom, verde, preto marrom, cinza, preto vermelho, vermelho, preto vermelho, violeta, preto laranja, laranja, preto laranja, branco, preto amarelo, violeta, preto verde, azul, preto azul, cinza, preto cinza, vermelho, preto marrom, preto, marrom marrom, vermelho, marrom marrom, verde, marrom marrom, cinza, marrom vermelho,vermelho, marrom vermelho, violeta, marrom laranja, laranja, marrom laranja, branco, marrom amarelo, violeta, marrom verde, azul, marrom azul, cinza, marrom cinza, vermelho, marrom marrom, preto, vermelho marrom,vermelho, vermelho marrom, verde, vermelho marrom, cinza, vermelho vermelho,vermelho,vermelh Resistência 2K7 3K3 3K9 4K7 5K6 6K8 8K2 10K 12K 15K 18K 22K 27K 33K 39K 47K 56K 68K 82K 100K 120K 150K 180K 220K 270K 330K 390K 470K 560K 680K 820K 1M 1M2 1M5 1M8 2M2 2M7 3M3 3M9 4M7 5M6 6M8 8M2 10M 12M 15M 18M 22M -- Cores vermelho, violeta, vermelho laranja, laranja, vermelho laranja, branco, vermelho amarelo, violeta, vermelho verde, azul, vermelho azul, cinza, vermelho cinza, vermelho, vermelho marrom, preto, laranja marrom,vermelho, laranja marrom, verde, laranja marrom, cinza, laranja vermelho,vermelho, laranja vermelho, violeta, laranja laranja, laranja, laranja laranja, branco, laranja amarelo, violeta, laranja verde, azul, laranja azul, cinza, laranja cinza, vermelho, laranja marrom, preto, amarelo marrom,vermelho, amarelo marrom, verde, amarelo marrom, cinza, amarelo vermelho,vermelho, amarelo vermelho, violeta, amarelo laranja, laranja, amarelo laranja, branco, amarelo amarelo, violeta, amarelo verde, azul, amarelo azul, cinza, amarelo cinza, vermelho, amarelo marrom, preto, verde marrom,vermelho, verde marrom, verde, verde marrom, cinza, verde vermelho,vermelho, verde vermelho, violeta, verde laranja, laranja, verde laranja, branco, verde amarelo, violeta, verde verde, azul, verde azul, cinza, verde cinza, vermelho, verde marrom, preto, azul marrom,vermelho, azul marrom, verde, azul marrom, cinza, azul vermelho,vermelho, azul -- Por esta tabela podemos escolher os resistores que vamos usar nos nossos projetos e também consultar as cores dos anéis, enquanto não estivermos dominando totalmente o código de cores. 15 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 1) Conecte as ponteiras ao multímetro, sendo a ponteira preta no borne COM e a vermelha no borne V-Ω; 2) Gire a chave seletora do multímetro para Ω, na escala 20M; 3) Pegue um resistor do kit, interprete o valor da resistência pelo código de cores; 4) Encoste a ponteira preta num dos terminais do resistor e a vermelha no outro; 5) Leia no mostrador do multímetro o valor da resistência ôhmica do resistor e compare com o valor interpretado; 6) Repita os passos 3 a 5 para mais 5 resistores do kit; 7) Desligue o multímetro, desconecte as ponteiras e guarde-o . 16 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 R2 ou então: R1 R2 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 R1 I2 R2 I3 R3 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 17 associação. Desta forma no desenho acima, se R1 = 1K , R2 = 2K2 e R3 = 1K8, a resistência equivalente total da associação é menor que 1K. A equação abaixo nos permite calcular a resistência equivalente total da associação paralela de resistores: 1 ASSOCIAÇÃO PARALELA Req = 1 1 1 + + ....+ R2 Rn R1 Onde R1, R2, ..., Rn são os valores dos resistores associados. No exemplo acima dos resistores de 1K, 2K2 e 1K8 em paralelo, a resistência equivalente total da associação é: 1 Req = 1 1 1 + + 1K 2 K 2 1K 8 1 Req = = 497,48Ω 0,001 + 0,000454 + 0,000555 Note-se que este valor é bem menor que o valor do menor resistor da associação (1KΩ). Para o caso bem comum de associarmos apenas dois resistores em paralelo, podemos simplificar a equação que define o valor da resistência equivalente total conforme abaixo: 1 Req = 1 1 + R1 R 2 invertendo-se temos: 1 1 1 = + Re q R1 R 2 Colocando um denominador comum, temos: 1 R1 R2 = + Re q R1xR2 R1 + R2 1 R1 + R2 = Re q R1xR2 Ou seja : 18 Invertendo novamente, temos: R1xR2 R1 + R 2 Req = 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: 1) 180 390 Req = 470 2) 120 82 68 Req = 150 3) 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 1 1 + + .... + R R R 1 isto pode ser agrupado em : 1 Req = = n (1/R) n/R onde n é o número de resistores R em paralelo. Esta equação pode ser simplificada para : 19 Req = R n A associação mista de resistores é aquela composta de grupos de em série e em paralelo. Vide desenhos abaixo: R1 Fig. 3 R2 R3 R1 R2 Fig. 4 R3 R4 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 Req12 , 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 Req12 e o valor da associação R3 e R4, resultando em Req34. Vê-se que Req12 esta em série com Req34. Assim a resistência equivalente total da associação da Fig. 4 é : Req12 + 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 R1xR2 circuito tanto faz se temos um resistor com Req = ohms ou dois resistores R1 + R 2 R1 e R2 em paralelo. 20 Exercícios: Calcule a resistência equivalente total das associações mistas a seguir: 82K 1) Req = ? 6K8 2K2 2) 1K2 2K7 Req = ? 33K 21 4M7 PRÁTICA MEDIDA DE RESISTÊNCIA EQUIVALENTE OBJETIVOS: Identificar fisicamente associações série, paralelo e mistas; Verificar na prática os valores calculados para resistência equivalente; Exercitar uso de multímetro; EQUIPAMENTOS: Múltimetro MATERIAL: - Resistores de 2K2, 6K8, 82K, 1K2, 2K7, 33K e 4M7 PROCEDIMENTO: 1) Conectar as ponteiras no múltimetro, sendo a preta no borne COM e a vermelha no borne V- Ω. 2) Ligar o múltimetro, colocando a chave seletora em ohms. 3) Identificar os circuitos A, B e C, para ver o tipo de associação. 4) Calcular a resistência equivalente da associação A . 5) Conectar as ponteiras do multímetro aos terminais da associação A e medir a resistência equivalente. Comparar com o valor calculado. 6) Calcular a resistência equivalente da associação B . 7) Conectar as ponteiras do multímetro aos terminais da associação B e medir a resistência equivalente. Comparar com o valor calculado. 8) Calcular a resistência equivalente da associação C . 9) Conectar as ponteiras do multímetro aos terminais da associação C e medir a resistência equivalente. Comparar com o valor calculado. 10) Desligar o multímetro, remover as ponteiras e guardá-lo. 22 D) SOLDAGEM E DESSOLDAGEM: SOLDAGEM é a união metalúrgica entre duas superfícies metálicas, através da fusão de um outro metal ou liga metálica sobre elas. Para soldar, necessitamos então duas peças metálicas e um terceiro componente que será responsável por fazer a união entre estas duas peças, além de algo para aquecer tudo, causando a fusão deste componente, denominado de solda. Esta união faz com que as duas peças, no ponto de junção, se comportem como uma só peça, como um só ponto, tanto mecânica como eletronicamente. Por isto chamamos a soldagem de união metalúrgica. Existem vários tipos de soldagem: elétrica, a oxigênio, a oxiacetileno, a arco voltaico e outras. Em eletrônica, usamos a fusão de uma liga de estanho-chumbo (Sn-Pb) para fazer esta união entre as peças. A composição mais comum desta solda é de 60% Sn e 40% Pb, que se funde a uma temperatura ao redor de 170°C. A ferramenta mais usada para causar o aquecimento e fundir a liga de solda é o chamado ferro de solda, que é basicamente uma resistência elétrica acoplada a uma ponteira de cobre ou liga de cobre e um cabo para manuseio da ferramenta. Os ferros de solda mais sofisticados possuem um termostato que desliga a resistência ao atingir uma temperatura específica e religa novamente assim que a temperatura baixar. As chamadas estações de soldagem possuem um transformador com saída 24 VDC para alimentar a resistência do ferro e um botão para ajuste da temperatura da ponteira, conforme o tipo de serviço a ser executado. É importante que a ponteira do ferro esteja sempre coberta com uma camada de Sn-Pb para facilitar a soldagem. Para que ocorra a união entre as peças é fundamental que as mesmas estejam absolutamente limpas, isto é, desengorduradas e livres de oxidação. Sabemos que o simples contato com o ar, que contém 21% de oxigênio, é o suficiente para oxidar a superfície de muitos materiais, incluindo-se aí a maioria dos metais. Assim, mesmo se compramos componentes novos, na loja de eletrônica, e quisermos soldá-los em um circuito, teremos que limpá-los antes, se quisermos fazer um bom trabalho. Lembremse que as correntes que circulam nos circuitos eletrônicos são muito pequenas, da ordem de miliamperes e as vezes até de picoamperes. Qualquer oxidação em um ponto de um circuito pode comprometer o funcionamento do todo. A limpeza é feita, em geral, mecanicamente com faca, estilete ou alicates. Outra forma de limpeza é através da química, usando desoxidantes. Como a oxidação pelo ar é muito rápida, mesmo se limparmos o componente, em segundos ele já fica superficialmente oxidado. Para esta limpeza final, em eletrônica, usamos um produto chamado de fluxo para soldagem, ou pasta de soldagem. Antigamente este fluxo ou pasta era vendido separadamente da liga metálica. A aplicação era feita mergulhando o terminal do componente no pote de fluxo, aquecendo o terminal com o ferro de solda e colocando-se então a liga de solda. Hoje a solda, além dos metais estanho e chumbo, possui três núcleos com fluxo no seu miolo, sendo por isto chamada de solda trinúcleo. Este é o tipo de solda mais comum e popular na eletrônica. 23 A técnica de soldagem é fundamental para o sucesso dos produtos de eletrônica. Um produto com soldas de baixa qualidade, pode ter componentes eletrônicos ótimos, mas apresentará certamente problemas de funcionamento mais cedo ou mais tarde. COMO SOLDAR EM ELETRÔNICA: 1) Tenha um ferro de solda com potência adequada ao tipo de solda a ser feito. Não use um ferro de 22W para soldar um resistor de potência ou um capacitor de 10µF num fio 4mm. Ele não terá potência suficiente para aquecer as peças e a solda de forma a permitir uma boa fusão. Da mesma maneira, não use um ferro machadinha de 100W para soldar um CI (circuito integrado). 2) Trabalhe em local com boa iluminação. 3) Limpe as peças a serem soldadas. Não use peças oxidadas ou corroídas. 4) Coloque as peças na posição que elas devem ficar após a soldagem. Use alicate de bico ou pinças para dobrar, fixar ou prender as peças. Não segure-as com as mãos! 5) Encoste o ferro de solda às peças, de forma a aquecê-las. Espere o tempo necessário para elevar a temperatura do ponto a ser soldado até 170 graus C. Isto deve levar dois ou três segundos, se o ferro de solda estiver bem dimensionado para o serviço. 6) Quando o ponto de solda estiver na temperatura adequada, encoste pelo lado oposto ao do ferro de solda, a solda trinúcleo. Ela deve fundir imediatamente, liberando o fluxo para a limpeza final e escorrer pelo ponto formando um cone perfeito. 7) Remova o ferro de solda, tendo cuidado para não mover nenhuma das peças que estão sendo soldadas, e deixe o ponto de solda esfriar por conta própria. A solda se solidifica em poucos segundos, ficando com uma superfície lisa e brilhante. Pronto, você conseguiu uma ótima solda. TÉCNICAS ESPECÍFICAS: 1) Resistores, Capacitores e Indutores - Em geral estes componentes recebem, na sua fabricação, um banho de Sn-Pb nos seus terminais ou lides. Basta limpá-los com uma raspada superficial com estilete ou alicate de corte. Para moldá-los na posição desejada aconselha-se segurar o terminal com o alicate de bico, no ponto onde deseja-se dobrá-lo, e forçar o terminal com a mão ou com uma pinça, até atingir a posição desejada. Isto evita estresse mecânico ao corpo do componente. 2) Diodos e Transistores - São um pouco mais sensíveis ao calor que os R,L,C e também são mais fracos mecanicamente. Usa-se as mesmas técnicas que para os R,L,C’s, porém cuidando mais com o superaquecimento e ao dobrar diodos de vidro. 3) CI’s (circuitos integrados ou chips) - Estes componentes são muito sensíveis ao calor. Eles possuem também um banho de Sn-Pb ou de ouro em seus terminais. Como são peças pequenas e com vários terminais a serem soldados, é muito fácil aquecê-los em demasia. Solda-se CI’s em ziguezague, aquecendo um terminal primeiro e soldando-o, para em seguida soldar outro terminal o mais distante possível do primeiro. Isto evita aquecimento localizado. CI’s em geral não necessitam ser moldados para serem montados. 24 4) Transformadores, Terminais, Placas Impressas e Fios: Verifique se a parte a ser soldada está estanhada, isto é, tem um banho de Sn-Pb. Caso positivo proceda igual aos R,L,C’s. Se não estiver estanhada, primeiro limpe bem a superfície, com estilete, aqueça o terminal até 170°C e aplique uma fina camada de solda sobre o terminal. Isto se chama estanhar o terminal e é muito útil para uma boa solda, pois facilita o escorrimento da solda quando formos unir este terminal a outro ponto no circuito. DESSOLDAGEM é a ação realizada com o intuito de desfazer uma soldagem, sem destruir as peças. A dessoldagem é fundamental na área de manutenção! Se não soubermos efetuar uma boa dessoldagem, não poderemos atuar como técnicos em manutenção. Para dessoldar necessitamos das mesmas ferramentas que para soldar e uma outra para remover a solda que foi adicionada aos terminais dos componentes no momento da soldagem. Esta ferramenta pode ser a chamada de sugador de solda (a mais comum)ou então uma malha absorvedora (solder wick) ou ainda uma estação de dessoldagem a vácuo. A dessoldagem consiste no processo de aquecimento do ponto a ser dessoldado, até a fusão da liga de solda e a remoção desta solda, por meio do sugador, que nada mais é do que uma bomba de sucção manual. O sugador deve estar armado e posicionado bem próximo, quase tocando a superfície a ser dessoldada, até notarmos que a solda se fundiu com o calor do ferro. Neste exato instante devemos acionar o sugador para remover a solda. Devemos ter muito cuidado ao dessoldarmos peças de uma placa de circuito impresso. Estas placas consistem de uma base em resina fenólica ou fibra de vidro e uma camada bem fina de cobre, onde são impressas as trilhas que unem os componentes do circuito. Nestas placas são feitos furos em locais determinados, chamados de ilhas, onde vão montados os componentes eletrônicos. Estas ilhas são frágeis e podem desprender-se da base da placa e romper a ligação do circuito. O conserto deste problema é difícil e trabalhoso, nem sempre sendo possível. Assim todo cuidado é pouco ao dessoldar componentes de placas impressas. Evite sobreaquecimento às ilhas! Se a primeira tentativa de dessoldagem não obteve sucesso, aguarde até a ilha e o terminal esfriarem bem antes de uma nova tentativa. Para dessoldar CI’s usa-se a mesma técnica que para soldá-los, ou seja dessolda-se um pico do CI e após este passa-se a outro o mais distante possível. Existem também ponteiras especiais, para colocar em ferros de solda, que aquecem todos os pinos do CI ao mesmo tempo, permitindo sua remoção rápida. Estas ponteiras só são aplicáveis a ferros de solda com temperatura controlada. 25 E) LEIS DE KIRCHHOFF Além da Lei de Ohm, as outras leis fundamentais para todos os circuitos eletrônicos são as chamadas Leis de Kirchhoff. Elas estabelecem as regras básicas para analisar todo e qualquer circuito, dos mais simples aos mais complexos. A Lei de Ohm permite calcular tensão (E) , resistência ( R) ou corrente (I ) num circuito simples. Quando temos um circuito com dois resistores em paralelo, como poderemos saber o valor da corrente em cada resistor? IT I1 E I2 R1 R2 IT Sabemos que a tensão em R1 e R2 é a mesma, pois estão em paralelo. Para sabermos a corrente total IT, devemos calcular o valor da resistência Req de R1 e R2 e então dividir E por Req. Mas e as correntes I1 e I2? O valor da corrente em cada um dos caminhos é calculado dividindo-se a tensão sobre cada resistor, que é E , pelo valor do resistor. Assim: I1 = E R1 e I2 = E R2 E qual a relação de I1 e I2 com IT ? Isto é definido pela primeira Lei de Kirchhoff. A primeira Lei de Kirchhoff expressa que a corrente que chega a um ponto num circuito é sempre igual a corrente que sai deste ponto. Então se naquele nó do circuito onde se ramificam as correntes chega a corrente IT e saem as corrente I1 e I2, com certeza podemos afirmar que IT = I1+ I2. Esta lei vale para qualquer nó em qualquer circuito elétrico. Exercício: Substitua no circuito acima os valores de E = 12 V, R1 = 1K, R2 = 2K2 e calcule as correntes IT , I1 e I2. A segunda Lei de Kirchhoff é relativa aos circuitos série. Lembrem-se que nestes casos a corrente tem um só caminho para circular, então seu valor depende somente da tensão e de resistência equivalente total. Mas e a tensão, como se distribui num circuito série? A fonte de tensão fornece uma tensão total para o circuito, a qual gera uma corrente I. Esta corrente ao passar pelos elementos do circuito (resistências) gera tensões 26 diferentes em cada componente. Esta tensão é sempre menor que a tensão da fonte e é chamada de queda de tensão no componente. Ela pode ser medida ao ligarmos um voltímetro em paralelo com o componente. A queda de tensão pode ser calculada pela lei de Ohm, a partir da tensão da fonte E e da resistência Req do circuito série, que definem a corrente I. Assim a queda de tensão em cada componente do circuito série será Vn = Rn x I onde Rn é a resistência do componente n. Isto significa que num componente de grande resistência haverá uma grande queda de tensão, enquanto num componente com baixa resistência a queda de tensão será pequena. A segunda Lei de Kirchhoff define que a soma das quedas de tensão em qualquer circuito fechado é igual à tensão total aplicada ao circuito. Exercício: Calcule as quedas de tensão nos resistores R1 e R2 abaixo: R1 = 120Ω E=5V R2 = 820Ω CIRCUITOS MISTOS Chama-se circuito misto aquele que possui partes em série e partes em paralelo. Para calcular as tensões e correntes em cada componente usa-se somente as leis de Ohm e de Kirchhoff. O procedimento é o mesmo para qualquer tipo de circuito e segue os passos abaixo: n Determinação da resistência equivalente; n Determinação da corrente total; n Determinação das tensões e correntes nos componentes do circuito. 27 Exemplo: Calcule a corrente que passa por R2 e a queda de tensão em R4, no circuito a seguir: R1 47Ω + 12V Passo 1 R3 33Ω R2 560Ω - R4 82Ω Determinação da resistência equivalente: Ra = R3 + R4 (série) = 33 + 82 = 115Ω Rb = Ra // R2 = RaxR2 115 x560 = = 95,4Ω Ra + R 2 115 + 560 Rc = R1 + Rb (série) = 47 + 95,4 = 142,4Ω Este Rc é nosso Req do circuito! Passo 2 - Determinação da corrente total: E = RI, logo I = E/R, então IT = 12/142,4 = 0,0843 A ou mais comum IT = 84,3 mA Passo 3 - Determinação das tensões e correntes individuais: Para tal voltamos a desassociar os componentes, para calcular queda de tensão em R1 e Rb, como abaixo: IT = 84,3 mA 47Ω 12V 95,4Ω VR1 = R1 x IT = 47 x 84,3 mA = 47 x 0,0843 = 3,96 V VRb é calculado pela 2A Lei de Kirchhoff E = VR1 + VRb então VRb = E - VR1 = 12 - 3,96 = 8,04 V Com isto sabemos que a tensão sobre o paralelo R2 com b é de 8,04V. Isto nos permite calcular as corrente sobre estes componentes: IR2 = VRb / R2 = 8,04 / 560 = 0,0143 A = 14,3 mA 28 e IRA = VRb / RA = 8,04 / 115 = 0,0699 A = 70 mA Com esta corrente é possível chegar à última resposta do nosso problema: a queda de tensão sobre R4, que é calculada: VR4 = IR4 x R4 = IRA x R4 = 0,0699 x 82 = 5,73 V Exercícios: 1) Calcule a queda de tensão sobre R1 e R3 ,no mesmo circuito acima, substituindo os valores dos resistores por : R1 = 12Ω, R2 = 270Ω, R3 = 1K e R4 = 390Ω. 2) Qual a corrente sobre R2 no circuito a seguir: R1 51Ω E = 5V R2 22Ω R3 22Ω 3) Qual a queda de tensão sobre R1 e a potência dissipada por R3 no circuito acima, se os valores forem alterados para E = 24V, R1 = 470Ω, R2 = 180KΩ e R3 = 22Ω. 4) Qual o valor da tensão EA e da corrente sobre R5 no circuito abaixo: R1 12Ω R2 560Ω R3 680Ω E = 24V R4 150Ω R5 22Ω 29 R6 390Ω EA PRÁTICA 4 LEIS DE KIRCHHOFF OBJETIVO: Verificar na prática o funcionamento das leis de Kirchhoff; Uso do multímetro como amperímetro; Familiarização com componentes. EQUIPAMENTOS: Multímetro Fonte MATERIAL: Kits de resistores PROCEDIMENTO: 1) Identificar o circuito, para ver o tipo de associação. 2) Calcular a resistência equivalente da associação, a corrente sobre R2 e tensão sobre R4. 3) Conectar as ponteiras no multímetro, sendo a preta no borne COM e a vermelha no borne V- Ω. 4) Ligar o multímetro, colocando a chave seletora em Ohms. 5) Conectar o fio de R2 ao nó entre R1 e R3. 6) Conectar as ponteiras do multímetro aos terminais da associação e medir a resistência equivalente. Comparar com o valor calculado. Desconectar. 7) Conectar os terminais da associação aos bornes da fonte e ligá-la. 8) Medir a tensão sobre R4, colocando a chave seletora do multímetro em DCV, escala 20, e encostando a ponteira preta ao borne preto da fonte ou ao nó entre R2 e R4, e a ponteira vermelha ao nó entre R3 e R4. Comparar com o valor calculado. 9) Desligar a fonte. Desconectar o multímetro. 10) Desconectar o fio entre R2 e o nó R1 e R3. 11) Conectar a ponteira vermelha do multímetro ao nó entre R1 e R3 e a ponteira preta ao fio de R2. 12) Girar a seletora do multímetro para A, escala 2. 13) Ligar a fonte e medir a corrente sobre R2. Comparar com o valor calculado. 14) Desligar a fonte, o multímetro, remover as ponteiras e guardá-los, junto com a associação e as ferramentas na bandeja. 30 F) CAPACITORES E SUAS APLICAÇÕES CAPACITOR = dispositivo composto essencialmente de duas superfícies condutoras, chamadas de armaduras, separadas por um material isolante, dito dielétrico. Os capacitores servem para armazenar cargas elétricas, bloquear a passagem de corrente contínua e permitir a passagem de corrente alternada, dependendo basicamente da freqüência e da capacitância. Os materiais condutores das armaduras são em geral metais. Os isolantes ou dielétricos podem ser o ar, papel, mica, vidro, filmes plásticos cerâmica ou óleo. Ao aplicarmos uma tensão contínua (DC ou CC) a um capacitor, ele se carrega até atingir a tensão da fonte CC. Como isto se dá? Primeiro as armaduras, ao conectarem-se à fonte CC, recebem ou doam elétrons aos pólos da fonte e como há um isolante entre as armaduras, os elétrons não podem circular de uma armadura à outra. A armadura conectada ao pólo positivo da fonte doa elétrons, já que o potencial do pólo é maior. Ao doar elétrons, esta armadura fica com mais prótons que elétrons, ou seja carregada positivamente. A armadura ligada ao pólo negativo recebe elétrons e fica carregada negativamente. Isto acontece até o momento em que a carga do capacitor fica praticamente igual à tensão da fonte. Aí para a troca de elétrons e diz-se que o capacitor está carregado. Podemos remover a fonte de tensão que as armaduras ainda ficarão carregadas, com o mesmo potencial. Isto porque o dielétrico não permite a circulação de corrente de uma armadura a outra. Então podemos afirmar que o capacitor armazena energia elétrica. Esta energia (tensão das armaduras) pode ser usada para alimentar uma carga, fornecendo uma corrente por alguns instantes, até que a diferença de potencial entre as armaduras seja zero, ou seja há uma volta ao estado de equilíbrio elétrico. Diz-se então que o capacitor está descarregado. CAPACITÂNCIA = capacidade de armazenamento de cargas de um capacitor. Capacitância pode ser medida pela taxa Q/V ou seja a quantidade de carga transferida de um condutor a outro (Q) e a diferença de potencial resultante (V). A capacitância depende de três fatores: n área das armaduras - áreas maiores permitem acumular maior carga. n espessura do dielétrico - ela determina a proximidade das armaduras. Se elas estão mais próximas, o campo elétrico é maior, havendo mais cargas por unidade de área, para uma dada tensão. n natureza do dielétrico - para uma mesma espessura do dielétrico, podemos aplicar tensões maiores em materiais com maior capacidade de isolamento. 31 A capacitância é medida em Farads (F). Um Farad significa que um campo com carga de um Coulomb produz uma diferença de potencial de um Volt entre as armaduras do capacitor. Na prática esta unidade é muito grande e usamos somente seus submúltiplos : ou 1 x 10-6 F µF = microfarad = 0,000001 F nF = nanofarad = 0,000000001 F ou 1 x 10-9 F pF = picofarad = 0,000000000001 F ou 1 x 10-12 F Os capacitores são classificados pela sua capacitância e também pela sua tensão de trabalho, que é a máxima tensão que o capacitor pode suportar, sem que haja risco de ruptura do seu dielétrico. Se aplicarmos tensão superior à especificada, o capacitor pode entrar em curto-circuito, ficando imprestável. TIPOS DE CAPACITORES: Os capacitores podem ser divididos em duas classes básicas e estas classes em duas subclasses, conforme abaixo: Capacitores fixos : - despolarizados - eletrolíticos Capacitores não fixos: - variáveis - ajustáveis Capacitores fixos despolarizados, como o nome já indica, tem uma capacitância fixa e não tem polaridade, podendo ser ligados ao circuito em qualquer posição. Estes capacitores em geral tem pequena capacitância e são de aplicação geral. Em eletrônica, exceto em fontes de alimentação, são os mais comuns. Tipos de capacitores fixos despolarizados mais populares: de poliester, de cerâmica, de mica e de stiroflex. Capacitores fixos eletrolíticos diferenciam-se por serem polarizados, isto é, só podem ser ligados de uma maneira no circuito. Não se pode inverter os terminais destes capacitores sob o risco de explodir a sua carcaça. A razão para serem polarizados é que o dielétrico é uma solução química, chamada de eletrólito, que funciona como isolante apenas em uma direção, opondo-se à passagem de elétrons somente nesta direção. Os eletrólitos mais usados são o óxido de alumínio ou tântalo. Nota: eletrólito = substância na qual a condução de eletricidade é acompanhada de reação química. A pequena espessura possível deste óxido, geralmente aplicado como um filme, torna possível uma construção de capacitores com alta capacitância em volumes pequenos. Os capacitores eletrolíticos possuem um tamanho cerca de metade de um capacitor não eletrolítico de mesma capacitância. Por serem polarizados, os capacitores eletrolíticos só podem ser usados em circuitos onde não haja mudança de polaridade, como circuitos em CC. Outra desvantagem dos eletrolíticos é a sua degradação com o tempo, se não for utilizado. Isto se deve ao fato do eletrólito necessitar receber excitação, via aplicação de tensão, para manter suas 32 características. Um capacitor eletrolítico guardado, sem uso, por muito tempo pode ter sua capacitância muito alterada ou até ficar imprestável. Devido às reações químicas que ocorrem no eletrólito, há uma variação grande no valor da capacitância, entre um capacitor e outro de mesmo valor. Isto se chama tolerância e pode chegar a 50% de diferença! Isto exige cuidados na aplicação destes componentes nos circuitos. Mesmo assim eles são muito comuns em fontes de alimentação, em filtros e em acoplamentos. Capacitores ajustáveis são aqueles que possuem um parafuso de ajuste, para variar a capacitância dentro de uma faixa. Em geral têm capacitâncias bem pequenas, da ordem de pF e são utilizados em pontos de ajuste ou calibração de circuitos, principalmente em radio freqüência (RF). A capacitância é ajustada via modificação na distância entre as armaduras. Capacitores variáveis também podem ter sua capacitância ajustada dentro de uma faixa, porém são projetados para variações maiores na capacitância e para uso mais intensivo, como por exemplo no dial dos rádios, para mudar a sintonia. A capacitância é alterada através da modificação da área das armaduras. ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA PARA CAPACITORES A especificação dos capacitores deve conter: n Tipo n Capacitância n Tensão de trabalho Exemplos: Capacitor de poliester 0,68µF 200V Capacitor eletrolítico de tântalo 10 µF 20V Capacitor de mica 10pF 63V IDENTIFICAÇÃO DE CAPACITORES Os capacitores podem ser identificados por marcações em seu corpo e pelo tipo construtivo. Esta identificação revela a capacitância e a tensão de trabalho. Já o tipo construtivo revela o tipo de capacitor (de poliester, de mica, eletrolítico, etc.). A marcação segue o sistema americano, com o ponto decimal em vez da vírgula. ( .1µF e não 0,1µF). Alguns capacitores apresentam sua identificação em código de cores, tipo os resistores, onde os dois primeiros algarismos definem o valor básico, o terceiro define o multiplicador, o quarto define a tolerância e o quinto a tensão de trabalho. Vide os exemplos a seguir: Amarelo = 4 Violeta = 7 Valor base = 47 3 Laranja = 3 = 10 = 1000 Multiplicador = 1000 Branco = 10 % ou Preto = 20 % Tolerância só pode ter estes valores Azul = 630 V, ou Amarelo = 400V ou Vermelho = 250V Tensão de trabalho 33 Assim um capacitor com estas cores tem capacitância de 47000 pF, +/- 10% e tensão de trabalho 630V. Outro exemplo: Vermelho = 2 Vermelho = 2 Amarelo = 4 Preto = 20 % Amarelo = 400V Nota: para lembrar o código de cores para resistores é: Preto = 0 Marrom = 1 Vermelho = 2 Laranja = 3 Amarelo = 4 Verde = 5 Azul = 6 Violeta = 7 Cinza = 8 Branco = 9 Os capacitores seguem a série E-12 de valores (10,12,15,18,22,27,33,39,47,56,68,82) com seus respectivos multiplicadores. Devido a falta de padronização entre os fabricantes, uma mesma capacitância pode ser escrita ou marcada em um capacitor de maneiras diversas, como no exemplo abaixo: 0,01µF = 10 nF = 10 KpF Em geral os capacitores maiores tem gravado no corpo a sua capacitância e tensão de trabalho. Os menores, principalmente os de poliester, usam o código de cores, que deve ser lido de cima para baixo, do topo do corpo em direção aos terminais. Esta marcação especifica uma capacitância sempre em pF. Exercícios: Quais as cores de um capacitor de 22nF, 20%, 250V ? Qual o valor de um capacitor azul, cinza, verde, branco e amarelo? Os capacitores bem pequenos, de cerâmica ou de mica, apresentam dificuldade até para o código de cores, pois não há espaço físico para imprimi-las. Adota-se então um código de 3 algarismos e uma letra. Neste código também os dois primeiros dígitos definem o valor básico, o terceiro define o multiplicador e o quarto dá a tolerância. O valor resultante da capacitância também é em pF. Exemplos: Capacitor 181K = 180 pF, tol 10% Capacitor 564J = 560000 pF, tol 5% Capacitor 222K = 2200 pF, tol. 10% 34 PRÁTICA: IDENTIFICAÇÃO E LEITURA DE CAPACITORES OBJETIVO: Familiarizar o aluno com os tipos de capacitor existentes no mercado, suas formas e marcações, visando identificá-los. MATERIAL: Capacitores variados; PROCEDIMENTO: Pegue cada um dos capacitores do seu kit e desenhe o formato dele, copie a marcação do capacitor e classifique-o por tipo, valor e tensão. 35 APLICAÇÕES DOS CAPACITORES Já vimos como se comportam os capacitores em CC, armazenando cargas. Este processo de armazenamento segue uma curva de carga, dependente da corrente aplicada. Isto se usa em bases de tempo, para osciladores, como veremos mais adiante no curso. Um dos usos mais corriqueiros dos capacitores é como filtro de saída em fontes de alimentação. Vide figuras abaixo: E1 C1 Trafo C1 filtra as oscilações da tensão E1 e ao variar a corrente da carga, ele tenta manter a tensão fixa. D1 C1 220 Volts Carga RL A função do capacitor nestes circuitos é de ajudar a fornecer uma tensão contínua e estável para a carga. Ao ligarmos a fonte, o capacitor se carrega, quase instantaneamente. Se a carga RL variar, solicitando mais energia da fonte, o capacitor que armazenou energia ao se carregar, pode fornecer esta energia adicional. Também na figura de baixo, o diodo retifica a tensão alternada, transformando-a em contínua. Porém esta tensão contínua não é “limpa”, pois contém oscilações. Para remover estas oscilações usamos um capacitor, de valor elevado, para se carregar nos momentos em que a tensão é máxima e depois fornecer energia ao circuito quando a tensão é mínima. Nestes caso usa-se capacitores de 100µF ou mais. Mais adiante no curso veremos esta situação na prática, analisando as oscilações com osciloscópio. Vimos que o capacitor se carrega quase instantaneamente ao ligarmos a fonte. Na prática isto não ocorre pois tanto a fonte como os fios que a ligam ao capacitor não são ideais, pois apresentam uma pequena resistência, que fica em série com o capacitor. Assim a corrente não pode ser grande o suficiente para carregar instantaneamente o capacitor. Há sempre um intervalo de tempo entre ligarmos a bateria e o capacitor se carregar plenamente. Para entender este mecanismo veja a figura abaixo: R1 E R1 = resistência interna da fonte + fios C1 Ao ligarmos a fonte E, o capacitor está descarregado e a corrente pode fluir rapidamente, carregando C1. A medida que a carga de C1 aumenta, sua tensão se aproxima à da fonte, diminuindo a diferença de potencial entre os dois. Com menor d.d.p. a corrente é menor, e o restante da carga se processa mais lentamente. Assim a 36 carga do capacitor se inicia rapidamente e depois continua de forma mais lenta. Também devido às resistências do circuito, o capacitor nunca chega a se carregar até exatamente o valor da fonte E. A curva de carga do capacitor é exponencial e depende da corrente, a qual por sua vez depende da resistência em série com o capacitor. Vide figura abaixo: Vc + E E R C Vc = t (s) RxC Como o valor de Vc, tensão sobre o capacitor, só tangencia o valor E da fonte, nunca chegando a E, convencionou-se que o capacitor estará bem carregado ao atingir 63% do valor de E. Pela curva se vê esta é a parte rápida da carga, sendo atingida em pouco tempo. Este tempo é chamado de constante de tempo dum circuito RC. Isto significa que o tempo para um capacitor se carregar é sempre o mesmo, se ele estiver num mesmo circuito em série com um resistor. Este tempo em segundos é dado pela multiplicação de R em Ohms por C em Farads. Por exemplo, um capacitor de 10µF em série com um resistor de 10K, apresenta uma constante de 10 x 10-6 F x 10 x103 Ω, ou 1 segundo. Estes componentes ligados a uma fonte de 12 volts, carregarão o capacitor até 7,56V (63% de 12) em 1 segundo. Se trocamos a fonte por 5 volts, o tempo de carga até 63% será o mesmo 1 segundo, só que o capacitor estará então com 3,15 V. Por isto se chama de constante de tempo do RC. Apresentamos a seguir um tipo de oscilador, bem fácil de ser montado, que pode ser usado para fazer um pisca-pisca. Com ele podemos entender melhor o mecanismo de funcionamento dos circuitos RC. S1 E + R1 C1 L1 = lâmpada néon Neste circuito, temos uma fonte CC (E), uma chave (S1), um resistor (R1), um capacitor (C1) e uma lâmpada néon(L1). Esta lâmpada é um tubo cheio de gás, que apresenta uma resistência bem elevada inicialmente. Ao energizar a lâmpada, o gás se ioniza passando a emitir luz. Neste instante a resistência da lâmpada baixa consideravelmente. O circuito funciona em duas fases: na inicial, com o fechamento da chave S1, o capacitor se carrega via R1, até 63% do valor da tensão E, num tempo igual a R1C1, pois L1 tem resistência muito alta, representando quase um circuito aberto. Se escolhermos corretamente a tensão E, ao atingir 63% de E, a lâmpada L1 tem seu gás ionizado e consequentemente sua resistência baixa, fazendo com que C1 se 37 descarregue via L1. Esta é a segunda fase. Isto faz a tensão sobre C1 baixar a menos de 63% de E, o que faz a lâmpada apagar, aumentando novamente sua resistência. Voltamos á fase inicial! Veja a forma de onda da tensão sobre C1 e a lâmpada: Exemplificando, se usarmos L1 acendendo com 80 VCC, e isto for 63% de E, implica em E = 126 VCC. O tempo para C1 se carregar depende dos valores de R1 em ohms e C1 em Farads, como vimos acima. A forma de onda sobre o capacitor e a lâmpada é a chamada dente de serra, como podemos perceber no gráfico acima. Note-se que o tempo de carga de C1 é bem maior que o tempo de descarga, via L1. Outra aplicação dos capacitores em circuitos CC é como acopladores e desacopladores, entre estágios diferentes dos circuitos. Por exemplo, se queremos bloquear a entrada de sinais CC de um ponto de nosso circuito a outro, podemos colocar um capacitor em série com este sinal. Vide abaixo: sinal CA sinal CC sinal CC Em corrente alternada (CA ou AC) podemos usar capacitores despolarizados. Em CA há uma inversão da polaridade a cada semiciclo e assim cada armadura do capacitor fica sujeita, num semiciclo à tensão positiva e noutro à tensão negativa. Isto faz com que num semiciclo uma armadura entregue elétrons à fonte e noutro receba elétrons, o que significa que se forma uma corrente elétrica no circuito, embora esta corrente não circule pelo dielétrico do capacitor. 38 O capacitor permite que circule corrente num circuito CA. Mas qual a corrente que pode circular? Vimos a lei de Ohm que diz que a numa dada tensão, corrente que circula num componente depende da resistência que este componente apresenta, sendo esta resistência expressa em Ohms. Para um capacitor de 1nF qual será a resistência que ele oferece à passagem de corrente num circuito CA? Esta resistência é chamada de REATÂNCIA CAPACITIVA, Xc expressa também em Ohms e calculada pela fórmula: Xc = 1/ 2π.f.c onde: Xc = 2π = f = C = reatância capacitiva em Ohms constante = 6,28 freqüência da corrente alternada em Hertz Capacitância em Farads Como o Farad é muito grande para expressar valores práticos de capacitores, a equação acima pode ser alterada para: Xc = 106 / 2π.f.c Desta forma podemos usar valores de capacitância em µF. Exemplos de cálculo de reatância capacitiva: 1)Qual a reatância de um capacitor de 10nF num circuito de 60 Hz? Dados f = 60 Hz e C = 10 nF ou 0,01µF Xc = 106 / 2π.f.c = 1000000 / 6,28 . 60. 0,01 ou seja Xc = 265392Ω ≅ 265 KΩ 2) Qual a reatância de um capacitor de 6,8µF num circuito de 60 Hz? Dados f = 60 Hz e C = 6,8 µF Xc = 106 / 2π.f.c = 1000000 / 6,28 . 60. 6,8 ou seja Xc = 390,28Ω Vimos que a reatância capacitiva depende exclusivamente da capacitância e da freqüência do circuito CA. Como ambos encontram-se sob o denominador, isto é dividindo o resultado, concluímos que a reatância capacitiva diminui com o aumento da capacitância e também com o aumento da freqüência! 39 Notem que a tensão aplicada ao circuito NÃO aparece na fórmula, portanto a reatância NÃO depende do valor da tensão aplicada! A tensão irá, pela lei de Ohm, definir a corrente que circulará pelo circuito. Desta forma, para circuitos CA com capacitores, a lei de Ohm fica: E = Xc . I Exercício: Qual a corrente que circula no circuito que tem um capacitor de 10 µF, conectado numa rede de 220V, 60 Hz ? Primeiro determinamos Xc = 106 / 2π.f.c = 106 / 6,28. 60. 10 Xc = 265 Ω Depois, Lei de Ohm: I = Vc / Xc = 220/265 = 0,83 A I = 830 mA ASSOCIAÇÃO DE CAPACITORES: ASSOCIAÇÃO PARALELA DE CAPACITORES - Serve para obter valores de capacitância maiores, pois a capacitância total de uma associação de capacitores em paralelo é igual soma das capacitâncias individuais. CT = C1 + C2 + C3 + ... + Cn Onde : CT = capacitância total da associação C1 = capacitância do capacitor C1 .... Cn = capacitância do capacitor Cn Estando em paralelo, os capacitores recebem todos a mesma tensão. Desta forma a maior tensão que pode ser aplicada a uma associação paralela de capacitores é a do capacitor que tem a menor tensão de trabalho. 40 No caso de capacitores polarizados, deve-se atentar para conectar sempre terminal positivo com positivo e terminal negativo com negativo. Lembrem-se que não é aconselhável aplicar nos capacitores tensão igual ou muito próxima à sua tensão máxima. Exercícios: Qual a capacitância das associações abaixo? 560nF 2,2µF 680nF 8,2µF Qual a tensão máxima que pode ser aplicada aos circuitos abaixo? 390nF, 400V 3,3µF 250V 6,8µF 600V 910nF, 250V ASSOCIAÇÃO SÉRIE DE CAPACITORES - É usada para obter capacitâncias menores ou para poder trabalhar com tensões de trabalho mais elevadas. A capacitância da associação série é sempre menor que a do menor capacitor da associação, sendo calculada pela fórmula: CT Onde : = 1 1 1 1 + + ...... + C1 C 2 Cn CT = capacitância total da associação C1 = capacitância do capacitor C1 .... Cn = capacitância do capacitor Cn 41 Em dois casos comuns, podemos simplificar a fórmula acima: 1) Associação série de “n “ capacitores iguais: CT = C n 2) Associação série de dois capacitores C1 e C2: CT = C1 x C2 C1 + C2 Exercícios: Calcule o valor das associações a seguir: 1nF 250pF 820 nF 330nF 270kpF 1µF Tensão de trabalho da associação série : A tensão se distribui de maneira inversamente proporcional à capacitância, ou seja o capacitor de menor capacitância fica com a maior parcela de tensão! Para determinar a tensão em cada capacitor numa associação série, usa-se a lei de Ohm, calculando primeiro a CT, depois a corrente do circuito e sendo Vc1 a tensão no capacitor 1, seu valor será: Vc1 = I . Xc1 e assim sucessivamente. Na prática é mais comum usar associação série de capacitores iguais, com mesma capacitância e mesma tensão de trabalho. Assim a tensão se divide igualmente entre os capacitores. No caso de capacitores polarizados ligados em série, devemos sempre ligar o positivo de um no negativo do outro, como fazemos com as pilhas das lanternas ou rádios. PRÁTICA: Medida de capacitâncias Calculo de capacitâncias desconhecidas, pela E e I Medidas de capacitâncias equivalentes série e paralelo 42 G) SEMICONDUTORES: JUNÇÕES PN Já estudamos os materiais condutores e isolantes. Também já conhecemos os componentes básicos da eletrônica, os ditos passivos, que são os resistores, capacitores e indutores. Agora vamos estudar os materiais semicondutores, que são a base dos componentes eletrônicos ativos. Semicondutores são materiais que podem ter características de condutores ou de isolantes, dependendo da forma como se apresenta sua estrutura química. Os semicondutores são tetravalentes, ou seja apresentam quatro elétrons na camada de valência. Esta formação faz com que eles procurem se agrupar em estruturas cristalinas, de formas que cada átomo se combina com quatro outros e cada elétron pertença simultaneamente a dois átomos. Vide esquema abaixo: Este tipo de ligação entre os átomos é chamado de ligação covalente, caracterizandose por manter os elétrons fortemente ligados aos núcleos. Isto significa que é difícil arrancar elétrons para conduzir eletricidade, portanto esta estrutura cristalina é isolante. Os semicondutores mais usados na eletrônica são o silício e o germânio. Em sua forma pura, cristalina, ambos são isolantes. Para aproveita-los como condutores de eletricidade é necessário alterar esta estrutura, forçando a presença de elétrons livres. Isto se faz colocando impurezas no meio da estrutura cristalina, num processo chamado de dopagem. Na natureza encontramos cristais de silício e germânio que não são perfeitos, possuindo algum outro elemento químico misturado na estrutura do cristal. Porém na eletrônica a dopagem é feita em laboratório, a fim de colocar a quantidade certa e o tipo adequado de impureza para permitir certa condutibilidade elétrica. Um dos tipos mais comuns de um cristal de silício impuro é o dopado com fósforo, elemento químico que possui 5 elétrons na camada de valência. Neste caso ao combinar o fósforo (P) ao silício (Si), quatro dos cinco elétrons do fósforo encontram um par na estrutura cristalina, para formar ligação covalente. O quinto elétron não consegue formar ligação covalente, ficando então fracamente ligado ao átomo, podendo por isto se desprender e vagar pelo material, conduzindo carga elétrica. Cada 43 átomo de impureza fornece um elétron livre dentro da estrutura cristalina. Assim quanto mais impurezas pusermos, mais condutor fica o cristal. Devemos notar que o material, apesar de dopado e com elétrons livres , se mantém eletricamente neutro, pois o número der prótons é igual ao de elétrons. Um cristal semicondutor dopado com impurezas que tem número de elétrons maior que quatro (tipo o fósforo ou arsênico) é denominado cristal N , pois a corrente elétrica é conduzida no material por cargas negativas. Se doparmos um cristal com impurezas que tem menos de quatro elétrons na última camada, a combinação com os átomos do cristal cria uma situação inversa, pois todos elétrons da impureza se associam com os do cristal e ainda assim ficam elétrons faltando na estrutura. Esta falta de elétron cria um “buraco”, que se chama de lacuna , e representa uma carga positiva, pela própria ausência do elétron. Os cristais dopados com impurezas de menos de quatro elétrons na camada de valência são chamados cristais P. Neste material a corrente circula pelo deslocamento das lacunas. Isto se dá pois a aplicação de um potencial elétrico aos extremos de um cristal P faz com que um elétron se desloque, ocupando o espaço da lacuna mais próxima. Este elétron deixa uma lacuna em seu lugar, que é preenchida com outro elétron, que cria nova lacuna e assim por diante. A CORRENTE NOS MATERIAIS SEMICONDUTORES. CRISTAL N: Num cristal N, existem elétrons livres, que podem “andar” pelo material, ao serem submetidos a uma tensão elétrica. Isto pode ser visto nas ilustrações abaixo: corrente de elétrons corrente de elétrons elétron livre - + + - Como se pode ver a corrente circula pelo cristal N, através do deslocamento dos elétrons, independentemente da polaridade da tensão! Os elétrons livres do cristal são atraídos pelo potencial positivo da fonte de tensão, enquanto o polo negativo da fonte fornece outros elétrons ao lado negativo do cristal, para suprir os que se deslocaram em direção ao polo positivo. 44 CRISTAL P: Num cristal P não há elétrons livres e sim buracos ou lacunas, onde os elétrons podem se alojar. Como circula a corrente? Vejamos nas ilustrações abaixo: corrente de lacunas corrente de lacunas lacuna - + + - Ao aplicarmos uma tensão aos extremos de um cristal P, os elétrons tendem a ir para o polo positivo da fonte “saltando” de lacuna em lacuna. Assim a lacuna é ocupada por um elétron, que ao movimentar-se deixa atrás de si outra lacuna. Esta segunda lacuna é ocupada pelo próximo elétron, que forma a nova lacuna e assim por diante. Portanto, a medida que os elétrons se deslocam, a impressão que fica é que as lacunas estão se movendo, o que nos leva a chamar este deslocamento de corrente de lacunas, que também independe da polaridade. Os cristais P e N são a matéria prima básica para fabricação dos diodos, transistores e circuitos integrados (chips), que serão nosso próximo assunto. Devemos citar que a temperatura influencia muito a condutibilidade dos materiais semicondutores. Quanto mais alta a temperatura, mais soltas ficam as ligações covalentes, permitindo que haja mais elétrons livres disponíveis e portanto mais conduzirá o material. Isto é o oposto do que acontece com os metais, que são bons condutores de eletricidade, mas que tem sua resistência elétrica aumentada com o aumento de temperatura. A JUNÇÃO PN Vimos acima que a corrente pode circular num cristal N ou P, independentemente da polaridade. Na verdade um semicondutor composto de material N apenas ou P sozinho, comporta-se como um resistor, que apresenta uma resistência definida e conduz corrente nos dois sentidos. Se usarmos um material semicondutor básico, tipo silício, e doparmos um cristal com X impurezas de 5 elétrons e outro cristal de mesmas dimensões com X impurezas de 3 elétrons, criaremos respectivamente um cristal N e um P, com mesma resistência elétrica. Sua oposição à passagem de corrente é praticamente idêntica. 45 Um comportamento completamente diferente acontece quando juntamos um material N a um P. Esta junção PN ou NP, pode ser feita preparando-se um material N e outro P e depois juntando-os por calor, até causar a fusão do material, ou mais comumente na eletrônica, pegando-se um bloco de material semicondutor e fazendo se difundir num pedaço do material as impurezas que formam o tipo N e noutro as tipo P. Desta forma obtemos um bloco único de material com uma extremidade N e outra P. Mas o que acontece ao juntarmos um material N a um P ? Na região dopada com impurezas N, temos elétrons livres ou “sobrando”, enquanto na região com impurezas P temos lacunas ou falta de elétrons. Era de se esperar que houvesse uma migração dos elétrons livres para ocupar as lacunas, até haver neutralização de todo o material. Porém não é bem isto que ocorre. Há uma migração, apenas restrita a uma zona central do bloco, Veja figuras abaixo: P + N + + - + + + + + - - - + +- - - + + - + + +- - - - - - Início da junção + Elétrons saltam para lacunas + + -+ +- - + ++- Lacunas “saltam” para lado N + + -+ +- - Zona neutra ou de DEPLEÇÃO (ausência de portadores de carga) Como cada pedaço do cristal P ou N é eletricamente neutro originalmente, quando alguns elétrons saltam do lado N para o P, este lado P fica com mais cargas negativas na zona de depleção e o lado N fica com carga positiva próximo à junção. O material fica com a aspecto abaixo: zona de depleção + + + + + + + - - - - Forma-se uma barreira de potencial na junção, que tem polaridade invertida em relação ao material. Esta barreira comporta-se como uma bateria no interior do material. Esta barreira depende do tipo do material usado para fabricar o semicondutor. No caso de germânio a barreira é de aproximadamente 0,2 Volts e no caso mais comum hoje, nos semicondutores a base de silício, a barreira é de aproximadamente 0,7 Volts. + + + + + + - + - + - - - - 46 E = 0,7 V para o silício Não se pode medir esta barreira de potencial com voltímetros, pois é uma característica interna do componente. Ao medirmos externamente encontraremos uma tensão igual a zero, pois o material como um todo é neutro. Se quisermos fazer passar uma corrente pela junção PN ,devemos aplicar um potencial externo que seja maior que esta barreira, ou seja precisamos vencer a barreira interna. Veremos agora como se comporta a junção ao aplicarmos uma tensão externa a ela. H) INTRODUÇÃO SOBRE DIODOS E TRANSISTORES DIODO: Dispositivo semicondutor composto basicamente de uma junção PN encapsulada, com dois terminais externos. Vide figura abaixo: P N terminal encapsulamento Representação do diodo: P N anodo (A) catodo (K) FUNCIONAMENTO DO DIODO: Vejamos a seguir o que ocorre com os elétrons livres e com as lacunas ao aplicarmos uma tensão sobre a junção PN. Observe o circuito abaixo: + - Amperímetro + + -+ +- - + ++- + + -+ +- - P N 47 Ao aplicarmos uma tensão com a polaridade acima demonstrada, ou seja com o polo positivo da fonte ligado ao lado P da junção e o polo negativo ligado ao lado N, dizemos que há uma polarização direta do diodo. Nesta polarização direta, o polo positivo da fonte, que atrai elétrons, repele as lacunas do lado P, que se “deslocam” para a junção, enquanto o polo negativo igualmente repele os elétrons para a junção. Na junção há uma barreira de potencial, como se fosse uma bateria, com polaridade invertida em relação à fonte, isto é opondo-se a fonte. Porém se a tensão da fonte for maior que a da barreira interna, os portadores de cargas (elétrons e lacunas) conseguem atravessar a barreira, com os elétrons se deslocando em direção ao polo positivo da fonte e as lacunas em direção ao polo negativo. Ou seja desenvolve-se uma corrente elétrica pelo material, que passa a ser um condutor, com baixa resistência à passagem da corrente. Podemos dizer também que na polarização direta, com as lacunas e os elétrons sendo repelidos até a junção, ocorre uma recombinação destas cargas na junção e isto faz com que desapareça a barreira. Para tal a tensão aplicada tem que ser maior que a tensão da barreira interna (0,7 V para o silício). Se aplicarmos uma tensão superior a 0,7 V num diodo de silício, com polarização direta, o diodo passa a conduzir corrente elétrica. Dizemos então que o diodo entra em condução. Nesta caso o amperímetro (A) da figura acima passa a indicar uma corrente bem elevada, pois o diodo em condução apresenta resistência bem baixa. Por outro lado, se invertermos a fonte de tensão iremos criar uma situação bem diferente. O polo positivo, que atrai elétrons, ao ser ligado ao lado N, que tem elétrons livres, atrai estes elétrons para a extremidade do diodo. O mesmo ocorre com o polo negativo, que atrai as lacunas. Desta forma os portadores de carga afastam-se da junção e aproximam-se das extremidades, aumentando a zona central neutra e livre de portadores, que é a barreira de potencial. Com isto a resistência do material à passagem de corrente aumenta muito e quanto maior a tensão da fonte externa, maior fica a resistência, pois mais elétrons e lacunas são atraídos para as extremidades, aumentando mais a barreira interna. O amperímetro (A) na figura acima indicará praticamente zero corrente, pois a junção polarizada inversamente apresenta uma resistência muito elevada. Nesta condição dizse que o diodo está em bloqueio. Resumindo : + - - + Diodo em condução: I Diodo em bloqueio : I = 0 Explicado o funcionamento básico do diodo em polarização direta e inversa, podemos observar com mais detalhes seu uso na eletrônica. O diodo ideal apresenta resistência 48 zero ao entrar em condução, podendo ser representado por um curto circuito numa análise de circuito equivalente. + = Similarmente o diodo ideal, em bloqueio, apresenta resistência infinita, podendo ser representado por um circuito aberto: - + = Formas físicas dos diodos: Os diodos se apresentam de diversas formas, sendo as mais comuns as abaixo: A K A diodos de sinal ou retificadores K diodos de potência O catodo do diodo é indicado por uma faixa, branca em diodos com o corpo preto ou escura em diodos com o corpo claro. Nos diodos de potência, que são rosqueados em dissipadores de calor, o catodo é em geral o terminal ligado ao corpo do diodo e, consequentemente ao parafuso de fixação. Os diodos de sinal ou retificadores são encapsulados em plástico ou vidro, enquanto os de potência são montados em estruturas metálicas, facilitando a condução do calor. O diodo semicondutor real difere do diodo ideal por dois motivos: n a barreira de potencial n a resistência interna A barreira de potencial só permite que o diodo entre em condução quando a tensão externa aplicada for superior à tensão da barreira interna(0,7 V para diodos de silício). A resistência interna existe pois o diodo não é um condutor perfeito, apresentando resistência bastante baixa, mas não zero. Valores típicos de resistência para diodos em condução são da ordem de 1Ω ou menos. Representação do circuito equivalente de um diodo real: em condução: A K barreira resistência interna 49 Esta representação nos ajuda a entender melhor o funcionamento do diodo, mas na prática a resistência interna é muito pequena, comparada com as encontradas nos demais componentes do circuito, bem como a tensão da barreira é bem mais baixa que as tensões aplicadas aos diodos. Podemos em geral desprezar estes fatores no cálculo do circuito. Da mesma forma na condição de bloqueio, o diodo não consegue bloquear totalmente a passagem da corrente, pois devido a imperfeições na estrutura cristalina alguns portadores minoritários de carga conseguem fazer passar uma pequena corrente, chamada de CORRENTE DE FUGA, da ordem de alguns microamperes. A representação do circuito equivalente do diodo em bloqueio é dada abaixo: A K R = vários megohms Na maioria dos circuitos podemos igualmente desprezar esta corrente de fuga. CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO REAL Esta curva representa o funcionamento do diodo em condução e em bloqueio. O quadrante positivo - positivo (tensão positiva sobre o diodo e corrente direta pelo diodo) mostra o comportamento do diodo em condução, onde podemos ver que com tensão VD menor que 0,7V (barreira interna) não há passagem de corrente ( I = 0 ). Ao aumentarmos a tensão sobre o diodo, assim que esta passe de 0,7V, o diodo entra em condução, com a corrente aumentando bruscamente. Note-se que há um pequeno 50 aumento da tensão sobre o diodo com o aumento da corrente. Por exemplo, para um certo diodo, ao aumentarmos a corrente de 100 mA para 200mA, e queda de tensão sobre o mesmo aumenta de 0,7 até 0,75 V. Já no outro quadrante (negativo - negativo ou tensão reversa sobre o diodo e corrente no sentido contrário) temos demonstrado o funcionamento em bloqueio. Nesta situação podemos aumentar a tensão reversa sobre o diodo que ele não entra em condução, permitindo a passagem apenas da corrente de fuga, da ordem de alguns microamperes, mesmo para tensões reversas da ordem de 100 ou 200 Volts. Se excedermos a tensão reversa máxima o diodo entra em condução no sentido reverso, com a corrente aumentando muito. Este efeito será apresentado mais adiante nos diodos zener. ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA DE DIODOS Os diodos são especificados por dois parâmetros básicos: n Corrente de condução ( IF ) n Tensão reversa ( VR ) A corrente de condução IF é a máxima corrente que o diodo pode suportar sem sofrer danos à junção. Correntes acima de IF causam aquecimento excessivo da junção e sua conseqüente destruição. O F de IF provem do inglês Forward (direto ou para frente) A tensão reversa VR é a máxima tensão que o diodo suporta estando em bloqueio, sem que a corrente de fuga cause danos à junção. Ultrapassando VR a corrente de fuga dispara e o diodo fica destruído. Os fabricantes de diodos fornecem para cada tipo ou série de diodo estes dados, bem como outras características aplicáveis em circuitos específicos, como os de RF (Radio Freqüência ). Note-se que a tensão de condução VD não é citada, pois é característica do tipo do cristal do diodo (0,7 V p/silício e 0,2 V p/germânio), bem como a corrente de fuga que também está associada ao material do diodo. Exemplos de especificações de diodos: Ref.: 1N4001 IF 0,5 A VR 50 V Tipo: retificador 1N4007 1,0 A 1000 V retificador SKE1/12 1,0 A 1200 V retificador 1N4148 200 mA 75 V de sinal 1N914 200 mA 75 V de sinal TESTE DE DIODOS Para testarmos um diodo e comprovar se ele está bom, basta um multímetro. Usamos o multímetro na função ohmímetro para medir a resistência do diodo. Sabemos que para medir resistências o ohmímetro aplica uma tensão e mede a corrente. Esta mesma tensão pode ser aplicada ao diodo para verificar se ele conduz ou não. 51 Ao ligarmos o terminal positivo do multímetro no anodo e o negativo no catodo o diodo deve apresentar baixa resistência (menor que 500 ohms). Ao invertermos a polaridade das ponteiras do multímetro a indicação deve ser de alta resistência (muitos KΩ. No multímetro que usamos no curso temos uma função específica para teste de diodos, marcada pelo símbolo do diodo. É só conectar ao diodo as ponteiras (positiva no anodo e negativa no catodo) e se ele estiver OK o aparelho emite um bip, indicando baixa resistência. Ao inverter as ponteiras não deve soar o bip, pois a resistência é alta. Cumpre notar que em alguns multímetros analógicos na função ohmímetro, há uma inversão da polaridade das ponteiras, sendo nestes casos a ponteira preta a positiva e a vermelha a negativa. Se o diodo apresentar baixa resistência nos dois sentidos ele está em curto. Ao contrário, se apresentar alta resistência nos dois sentidos, ele estará aberto. APLICAÇÕES DOS DIODOS Os diodos são muito úteis na eletrônica, sendo usados em praticamente todos os circuitos. Uma das aplicações mais comuns é como retificador, dispositivo que transforma corrente alternada em contínua. Vejamos a seguir como isto ocorre. O diodo permite a passagem de corrente em apenas uma direção, quando o anodo esta mais positivo que o catodo. Esta propriedade é usada para converter um sinal alternado, cuja polaridade troca a cada semiciclo, em um sinal contínuo, que não troca de polaridade. O retificador mais simples é o de meia onda, que permite o aproveitamento de apenas um semiciclo da tensão de entrada. Vide figura abaixo: semi ciclo semi ciclo Entrada VCA Saída Circuito que executa esta função: Diodo 220 VCA VCA R carga Transformador 52 No primeiro semiciclo o diodo fica polarizado diretamente e conduz a tensão para a carga. No segundo semiciclo a polarização é inversa e o diodo bloqueia a passagem da tensão. Como podemos ver na figura acima, a tensão de saída do retificador de meia onda é uma tensão pulsante CC. Ela é CC pois circula num só sentido sem troca de polaridade e pulsante pois num semiciclo circula corrente e noutro não circula. A tensão de pico sobre a carga é sempre menor que a tensão de entrada, pois há uma queda de 0,7 V (ou 0,2 V) no diodo. Além disto podemos observar que a quantidade de energia transferida para a carga é bem menor que a energia da entrada, pois somente metade da energia CA da entrada consegue passar pelo diodo, enquanto a outra metade fica bloqueada. Se formos medir a tensão de saída de um retificador meia onda com um voltímetro ou multímetro, o aparelho indicará a tensão média sobre a carga, bem abaixo da tensão de pico. Para calcular a tensão sobre a carga, usamos a fórmula a seguir: VP − VD π Onde: VCC = tensão contínua sobre a carga VP = tensão de pico (VP) em CA aplicada ao circuito VD = queda de tensão sobre o diodo (0,7 ou 0,2 V) π = fator devido à forma da onda de entrada (senóide) VCC = A tensão de pico é a tensão eficaz, medida pelo multímetro, multiplicada por ,2 , ou seja VP = Vrms x ,2 = VCA x ,2 . Quando a tensão de entrada CA for superior a 10 V (o que ocorre na maioria dos casos) podemos desprezar a queda no diodo, reduzindo a fórmula a: VCC = VCA × 2 = VCA x 0,45 π Isto significa que o retificador de meia onda transfere apenas 0,45 ou 45% da tensão CA aplicada, o que é um rendimento muito baixo. Outro inconveniente do retificador de meia onda é a qualidade da tensão CC que ele fornece ao circuito. Pela figura acima podemos perceber que a tensão sobre a carga oscila bastante, gerando problemas em diversas aplicações. O mesmo ocorre com a corrente, que pulsa como a tensão, e é calculada por: VCC R O valor de ICC é usado para selecionar o diodo adequado para nosso circuito. ICC = O retificador de meia onda é empregado em circuitos bem simples, que não requeiram uma tensão contínua pura, bem estável, como em carregadores de baterias. Retificador de meia onda com saída negativa: V Tensão de saída R carga negativa + Sinal sobre R carga 53 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA Outra aplicação dos diodos como retificadores é nos chamados retificadores de onda completa. Neste processo há um aproveitamento da onda de entrada nos seus dois semiciclos. Vide figura abaixo: Entrada VCA Saída VCC Retificador onda completa Tensão p/a carga um ciclo A retificação de onda completa pode ser feita com diodos de duas formas: n usando um transformador com derivação central e dois diodos; n usando 4 diodos em ponte; A retificação de onda completa com dois diodos, usando um transformador com derivação central (center tape em inglês) é feita conforme mostra a figura abaixo: Entrada D1 + Saída D2 R carga Funcionamento do retificador de onda completa com center tape: A derivação central ou center tape, é o ponto de referência para medição de tensão, servindo como terra, ou negativo do circuito. As tensões na saída do circuito devem ser medidas sempre em relação a este ponto. No primeiro semiciclo, ao subir a tensão da entrada, na saída do transformador, chamada de secundário, são geradas em cada enrolamento tensões opostas em relação à derivação central. Vide figura abaixo: Entrada Saída - + + 0 V (Referência) - 54 Nesta condição o diodo D1 fica polarizado diretamente, entrando em condução, ao mesmo tempo em que D2 fica polarizado inversamente, entrando em bloqueio. O circuito pode fornecer corrente através de D1, R da carga e fechando a malha na derivação central. Neste semiciclo D1 fica sempre conduzindo, com a tensão sobre a carga acompanhando a tensão de saída no enrolamento superior do transformador. No segundo semiciclo há uma inversão na polaridade na entrada do transformador, que gera uma inversão também na saída. Vide figura abaixo: Entrada Saída + - - 0V + Nesta condição D2 fica polarizado diretamente, enquanto D1 fica em bloqueio. O circuito fornece corrente via D2, R de carga e fecha a malha no center tape. Note que a corrente pela carga é no mesmo sentido que no primeiro semiciclo, indo dos diodos em direção à derivação central. A tensão sobre a carga segue igualmente a tensão de saída do transformador, apenas que agora ela acompanha a tensão do enrolamento inferior Ao juntarmos os dois semiciclos, podemos verificar que diferentemente do retificador de meia onda, há corrente sobre a carga sempre, nos dois semiciclos. No primeiro via D1 e no segundo via D2. Por este motivo é chamada de retificação de onda completa, pois toda a onda de entrada é transferida para a saída, independentemente da polaridade da entrada. Entrada Saída Retificador onda completa D1 D2 A tensão de saída de um retificador de onda completa, não é constante, oscilando em pulsos como na figura acima. Ao medirmos com um voltímetro, iremos ler uma média dos valores fornecidos pelos pulsos de tensão. Esta é considerada a tensão sobre a carga. V tensão de pico tensão média sobre a carga t (s) 55 O valor da tensão média sobre a carga é exatamente o dobro da tensão de saída do retificador de meia onda, já que agora temos praticamente dois circuitos de meia onda cada um, sendo que um conduz no primeiro semiciclo e outro no segundo. (VP - VD) VCC = 2 sendo VP = VCA . ,2 π A tensão VCA da fórmula acima é a tensão alternada existente entre a derivação central e uma das extremidades do transformador. VCA VCA Nos casos em que VCA é maior que 10 V, podemos simplificar a equação acima, desconsiderando a queda de tensão no diodo, como fizemos na retificação de meia onda. A fórmula fica então: VCC = 2 VP / π = 2 VCA x ,2 /π = 2 VCA x 0,45 ou seja VCC = VCA x 0,9 Isto comprova que a tensão contínua de saída de um retificador de onda completa é o dobro da tensão de um retificador de meia onda. Podemos constatar também que a eficiência do retificador de onda completa é bem elevada, pois ele consegue transferir 90% da tensão CA para a carga. A corrente média que este circuito pode fornecer para a carga é, pela lei de Ohm: ICC = VCC RL Outro aspecto a observar é que, como cada semiciclo da tensão de entrada é transformado em um ciclo na tensão de saída, a freqüência dos pulsos sobre a carga será o dobro da freqüência do sinal de entrada. Assim para redes de 60 Hz teremos pulsos de 120 Hz sobre a carga. 56 Exercícios: Calcule a tensão e a corrente CC sobre a carga nos circuitos a seguir: 1) VCA = 7V RL = 2K7 2) VCA = 18 V RL = 330 Ω RETIFICAÇÃO DE ONDA COMPLETA EM PONTE A retificação de onda completa com ponte de diodos permite fornecer à carga uma onda completa, sem a necessidade de usar um transformador com derivação central. Veja figura abaixo: D4 -12/12V D2 + D3 R1 60. 0Hz D1 Xa: 83.33m Yc: 10.20 a-b: 83.33m freq: 12.00 c-d: 10.20 b a Y=3V/Div A Xb: 0.000 Yd: 0.000 c d Ref=Ground X=13.9mS/Div Como a retificação em ponte usa uma só tensão VCA, podemos usar a ponte direto na rede, sem necessidade de transformador. 57 FUNCIONAMENTO DO RETIFICADOR EM PONTE No primeiro semiciclo podemos considerar a tensão positiva no terminal de entrada da parte de cima da ponte, como mostra a figura anterior. Nesta condição a polarização dos diodos fica: D1 em condução D2 em bloqueio D3 em condução D4 em bloqueio (anodo positivo em relação ao catodo) (catodo positivo em relação ao anodo) (catodo negativo em relação ao anodo) (anodo negativo em relação ao catodo) Desta forma a corrente flui via terminal superior, D1, RL e D3, fechando o circuito no terminal inferior. Vide desenho abaixo: D1 + D2 RL - D4 D3 No segundo semiciclo podemos considerar a tensão positiva no terminal de entrada da parte de baixo da ponte. Nesta condição a polarização dos diodos fica: D1 em bloqueio D2 em condução D3 em bloqueio D4 em condução (anodo negativo em relação ao catodo) (catodo negativo em relação ao anodo) (catodo positivo em relação ao anodo) (anodo positivo em relação ao catodo) Desta forma a corrente flui via terminal inferior, D4, RL e D2, fechando o circuito no terminal superior. Vide desenho abaixo: D1 - D2 D4 RL + D3 Como se pode ver o funcionamento do retificador em ponte é bem semelhante ao do retificador de onda completa com derivação central, exceto por três diferenças: - o tipo do transformador - a quantidade de diodos - a tensão de saída 58 A tensão contínua de saída do retificador em ponte difere também da do retificador com derivação central pois a corrente passa por dois diodos na retificação em ponte, causando uma queda de 1,4 V e não apenas 0,7 V como no retificador com derivação central. Assim a fórmula para cálculo da tensão de saída do retificador em ponte é: (EM - 2VD) VCC = sendo EM = VCA . ,2 2 π Para tensões acima de 20 VCA na entrada da ponte podemos desconsiderar 2VD e assim teremos: VCC = VCA x 0,9 A vantagem básica da retificação em ponte é que usamos o transformador de modo mais eficiente que na retificação com center tape. Naquela, em cada semiciclo apenas metade da tensão disponível na saída do transformador é aproveitada, enquanto na retificação em ponte aproveitamos sempre a tensão total na saída do transformador. Como os diodos são muito menores e mais baratos que os transformadores, é mais lógico empregar dois diodos a mais e um transformador mais simples. A retificação em ponte ficou tão popular que os fabricantes de diodos lançaram no mercado pontes retificadoras completas prontas, encapsuladas como se fossem um componente só. A representação deste componente é: ∼ - + ∼ As pontes retificadoras são especificadas pela máxima corrente de saída e máxima tensão CA de entrada. 59 PRÁTICA INTRODUÇÃO AO OSCILOSCÓPIO O osciloscópio é um instrumento muito útil pois permite observar numa tela a forma de onda da tensão elétrica, ou seja ela transforma uma tensão elétrica em um sinal visível. A tela do osciloscópio funciona como uma tela de TV, pois ambas são tubos de raios catódicos ou CRT’s. Nestes tubos um feixe de elétrons é projetado numa tela reticulada, deixando um rastro luminoso no fósforo que reveste a tela por dentro. CONTROLES PARA OPERAR O OSCILOSCÓPIO Existem três grupos de controle distintos, que são: n ajustes da tela (traço, brilho, foco e outros) n controles do eixo vertical n controles do eixo horizontal AJUSTES DE TELA: No osciloscópio que usaremos no nosso curso, os ajustes de tela localizam-se logo abaixo da tela, iniciando-se pelo botão Power para ligar o osciloscópio, passando depois para os ajustes específicos: Intensidade (2)- controla o brilho(luminosidade) do traço na tela. Devemos evitar usar o brilho no máximo para não danificar a camada de fósforo do revestimento. Foco (4)- controla o foco, a nitidez, com que se visualiza o traço na tela. Devemos ajustar o foco de modo a ver um traço bem fino e nítido. Rotação de traço (5)- Em geral não é necessário ajustar este potenciômetro, apenas nas calibrações do osciloscópio, para alinhar o traço horizontal com as linhas do reticulado da tela. Veja figura abaixo para localizar estes controles. 60 CONTROLES DO EIXO VERTICAL: Nosso osciloscópio tem dois canais, permitindo a observação simultânea de dois sinais diferentes ao mesmo tempo. Cada canal possui seus ajustes e controles individuais para o eixo vertical. Entrada CH1 (12) - Terminal onde se conecta a ponteira do osciloscópio para injetar um sinal no canal 1. Entrada CH2 (16) - Terminal onde se conecta a ponteira do osciloscópio para injetar um sinal no canal 2. Seleção do modo de entrada - (11 e 15) - permite selecionar o tipo de sinal que queremos ver na tela, se é CA ou CC ou se queremos aterrar (GND = ground = terra) a entrada do amplificador vertical. Seletora do ganho vertical (10 e 14) - permite ajustar a sensibilidade do eixo vertical, isto é a quantidade de volts por divisão (VOLT/DIV) exibida na tela. Com esta seletora é possível aumentar ou diminuir a amplitude de uma onda exibida na tela, ou seja a mesma onda pode ficar grande ou pequena na tela, dependendo do ajuste desta seletora. Variável (13 e 17) - VARIABLE permite ajuste fino da sensibilidade ajustada acima. Na posição CAL indica exatamente o valor da sensibilidade ajustada pelas chaves 10 e 14. Posição (40 e 37) - Controle da posição vertical do traço na tela. Modo vertical (39) - VERT MODE seleciona o modo de operação vertical dos canais 1 e 2. Em CH1 apenas o sinal do canal 1 é exibido. Em CH2 apenas o sinal do canal 2 é exibido. Em DUAL ambas os canais são mostrados. Em ADD o osciloscópio mostra a soma algébrica (1+2) ou a diferença (1-2) dos sinais dos canais 1 e 2. Para obter a diferença a chave CH INV (36) precisa ser acionada. Gatilho - Terminal que permite o gatilhamento externo do osciloscópio. Para usá-lo é necessário passar a chave SOURCE (26) em EXT. Source, coupling, slope, level e holdoff serão apresentados mais tarde no curso. Colar figura 61 CONTROLES DO EIXO HORIZONTAL: O eixo horizontal é o chamado eixo da base de tempo, pois o osciloscópio mostra a variação do sinal ao longo do tempo. Através destes ajustes podemos alargar ou estreitar a forma de onda mostrada na tela, facilitando a visualização. Base de tempo - (18) - TIME/DIV esta seletora permite a escolha do tempo de varredura do sinal na tela, que no nosso modelo pode variar de 0.1 µs/div a 0,5 s/div. Ajuste fino da base de tempo (21) - SWP VAR com este ajuste podemos variar o tempo de varredura do selecionado na chave (18) acima a até 2,5 vezes este valor, porém somente se o botão SWP UNCAL(19) for acionado. Magnificação - (33) - X10 MAG ao pressionar este botão o sinal será ampliado 10 vezes no eixo horizontal. Posição (34)- Ajuste da posição horizontal do traço na tela. Gatilhamento (28) - TRIGGER MODE Seleciona o modo de varredura horizontal desejado. Possui duas posições : AUTO usado para sinais sem gatilhamento externo ou quando o sinal de gatilho for inferior a 50 Hz. Na posição NORM p traço fica apagado, sempre mostrado apenas quando entra o sinal de gatilho, sendo usado para sinais acima de 50 Hz. Modo X - Y (27) - Para poder observar os canais um como eixo X e dois como eixo Y, usamos este botão. Colar figura 62 PRÁTICA 5 CIRCUITOS COM DIODOS OBJETIVO: Verificar na prática o funcionamento de circuitos com diodos; Uso do osciloscópio; Uso do gerador de funções. EQUIPAMENTO: Fonte Multímetro; Osciloscópio Gerador de funções MATERIAL: Circuito de teste Kirchhoff 2 diodos PROCEDIMENTO: 1) Conectar um diodo em série com R1 do circuito Kirchhoff ; 2) Ajustar a fonte para 10 Volts e conectá-la ao circuito; 3) Medir a tensão na entrada do circuito, antes e depois do diodo; 4) Medir a tensão sobre R1 e R2, comparando-a com a medida na prática anterior; 5) Ligar o osciloscópio e ajustar no eixo vertical para: canal 1 para medir CC, 2V/DIV, e no eixo horizontal: para 0,5 s/div e posição do zero para primeira linha do retículo acima da base; 6) Conectar as ponteiras do osciloscópio e medir as mesmas tensões antes do diodo, depois do diodo e sobre R1 e R2; 7) Desligar o osciloscópio e a fonte; 8) Ajustar o gerador de sinais para sinal senoidal, 60 Hz; 9) Conectar o osciloscópio ao gerador de sinais e ligá-lo. Ajuste a entrada do scope para AC. Observar na tela o sinal do gerador. Ajuste a amplitude no gerador para 10 Vp-p; 10) Desligar o gerador e conectar a sua saída ao circuito de teste. Conectar o scope para medir no canal 1 o sinal na saída do gerador e no CH2 o sinal após o diodo; 11) Ligar o gerador e observar no osciloscópio as formas de onda da tensão; 12) Desenhar as forma observadas; 13) Desligar todos os equipamentos e desconectá-los; 14) Preparar relatório com as medidas efetuadas e formas de onda do passo 11. 63 INTRODUÇÃO AOS TRANSISTORES Transistores são componentes eletrônicos fundamentais para os modernos equipamentos, servindo de base para todos os circuitos integrados. Seu estudo e o conhecimento de suas características são muito importantes para o desenvolvimento dos demais conteúdos da eletrônica, tanto analógica como digital. Existem diversos tipos de transistores, que iremos estudar um a um em Eletrônica II. Na presente introdução analisaremos o transistor bipolar, base do desenvolvimento dos outros tipos. O transistor bipolar é um semicondutor, composto basicamente de duas junções PN, as quais já estudamos. A estrutura interna do transistor é um “sanduíche” de duas pastilhas mais espessas com mesma dopagem, “recheadas” com uma pastilha mais fina de dopagem inversa. Vide ilustração abaixo: N P P N N P Como podemos observar, existem dois tipos de transistor bipolar: os tipo NPN e os PNP. A função ou operação destes dois tipos é semelhante, mudando apenas a polarização e consequentemente a forma com que a corrente circula. O transistor possui três terminais, um em cada tipo de material semicondutor. Estes terminais são denominados de : EMISSOR (E) BASE (B) COLETOR ( C ) A base é sempre o “recheio” do “sanduíche” , sendo o emissor e o coletor as pastilhas externas. Isto não significa porém que num transistor comercial os terminais externos sejam o coletor e o emissor. Isto varia de modelo a modelo e de fabricante a fabricante, assim a identificação dos terminais do transistor deve ser feita via consulta a um manual ou folheto técnico do fabricante. O EMISSOR serve para emitir portadores majoritários de corrente (elétrons no transistor NPN e lacunas no PNP). A BASE é extremamente fina ,em relação ao coletor e ao emissor. Serve para permitir ou não a passagem dos portadores de carga do emissor ao coletor. O COLETOR recebe os elétrons ou lacunas, vindos do emissor. 64 Simbologia do transistor: O transistor é representado nos circuitos eletrônicos pelos símbolos abaixo: NPN PNP C C B B E E O símbolo do transistor é praticamente o mesmo para os dois tipos NPN e PNP, mudando apenas o sentido da seta. FUNCIONAMENTO DO TRANSISTOR: Dizemos que o transistor tem duas junções: base - emissor e base - coletor. Podemos entender o funcionamento do transistor considerando que o mesmo se parece com dois diodos, sendo um polarizado diretamente e outro indiretamente. Veja ilustração abaixo: emissor N - + Polarização direta base coletor P emissor base coletor P N P N - + + Polarização inversa - Polarização direta + - Polarização inversa O transistor deve ser polarizado como mostrado acima para funcionar. Veremos agora como e porque. Primeiro num transistor NPN. Ao polarizarmos diretamente a junção base - emissor, os elétrons podem fluir do emissor para a base. Ao entrar na área da base, os elétrons são atraídos por duas forças: o positivo da fonte base-emissor e o positivo da fonte base-coletor. A tensão da fonte emissor-base é chamada de tensão de polarização do transistor. Tem valor baixo, da ordem de 0,7 V para o silício e 0,2 V para o germânio. Isto, como podemos recordar, é o mínimo para a junção conduzir. Já a tensão base-coletor é chamada de tensão de coletor e apresenta em geral valores bem superiores à base-emissor. Os elétrons entram na base em alta velocidade, atraídos como já dissemos, por duas forças. Cerca de 97% deles são atraídos pela tensão maior do coletor e passam direto pela base em direção ao coletor. Como a base é bem fina, 65 fica fácil os elétrons atravessarem e passarem para o coletor. O restante dos elétrons são atraídos pelo positivo da tensão na base, formando uma corrente de base, cujo valor é bem baixo, da ordem de mili ou microamperes. Cada elétron que passa pelo coletor, em direção ao positivo da fonte, tem que ser substituído por outro elétron do emissor, que por sua vez busca mais elétrons no negativo da fonte, formando um fluxo contínuo e ordenado, ou seja, ma corrente, chamada de corrente de coletor. A ilustração abaixo mostra estes fluxos de elétrons. Pag 94 vol 3 lorenz Agora veremos como são as coisa num transistor PNP . Neste tipo também temos a junção base-emissor polarizada diretamente, enquanto a junção base-coletor fica polarizada inversamente. Os portadores de carga nestes transistores são as lacunas. Ao polarizarmos diretamente a junção emissor-base, as lacunas são aceleradas do emissor para a base. A maioria destas lacunas são atraídas pela tensão negativa maior do coletor, passando direto pela base, em direção ao coletor. Estas lacunas ao chegarem no coletor são preenchidas por elétrons vindos do negativo da fonte. Alguns destes elétrons passam do coletor para a base, formando a corrente de base. Outros passam para o emissor, sendo atraídos pelo positivo da fonte. Cada elétrons que sai para o positivo da fonte deixa uma lacuna em seu lugar. É como se as lacunas se movessem através da base até o coletor. Vide figura abaixo: pag 97 lorenz 66 Como vimos pelas duas figuras acima, podemos simplificar a explicação do funcionamento dos transistores da seguinte forma: PNP (Pointing iN P) - A ponta da seta no símbolo aponta para dentro do transistor PNP, que tem como portadores de corrente as lacunas, que devem passar do emissor para o coletor. Por isto o coletor deve ser negativo em relação ao emissor. Os elétrons circulam no sentido inverso ao da seta. NPN (Not Pointing iN) - A ponta de seta não aponta para dentro no NPN, que tem com portadores de corrente os elétrons, que devem passar do emissor ao coletor, o que nos leva a ter um coletor maios positivo que o emissor para atrair os elétrons do emissor. Os elétrons circulam no sentido inverso ao da seta. TESTE DE TRANSISTORES: Para testar os transistores podemos usar um multímetro. Este teste é apenas para detectar falhas nas junções, não garantindo um funcionamento perfeito do transistor nos circuitos. Para um teste completo o equipamento necessário é bem mais complexo. O teste com multímetro serve para detectar junções em curto ou abertas. Este teste é bem semelhante ao teste de diodos. Podemos considerar o transistor como dois diodos em oposição, como mostra a figura abaixo: C B B NPN E E C B C PNP B E E Com base nas figuras vemos que é possível testar as junções que existem entre base e emissor e base e coletor. Para um transistor NPN, ao aplicarmos uma tensão positiva na base, devemos ter baixa resistência em direção aos dois lados, emissor e coletor, pois aí teremos os diodos conduzindo. Podemos afirmar então que não existe junção aberta entre base emissor(BE) e base coletor(BC). Se houver uma resistência elevada para qualquer lado, com esta polarização, podemos afirmar que há uma junção aberta. Invertendo a polarização, ao ligarmos uma tensão negativa na base, teremos dois diodos em bloqueio, ou seja com resistência elevada. Isto indica que não há nenhuma junção em curto. 67 O teste entre emissor e coletor deve apresentar resistência elevada com as duas polaridades. Para um transistor PNP o teste é o mesmo, apenas invertendo as polaridades. Aplicando tensão negativa na base os dois diodos devem conduzir, indicando baixa resistência, portanto não há junção aberta. Invertendo a polaridade teremos resistência elevada para os dois lados, indicando que não há junção em curto. Da mesma forma que nos NPN, o teste entre emissor e coletor deve apresentar resistência elevada com as duas polaridades. Com base nos testes acima podemos afirmar que um transistor testado com multímetro, caso apresente defeito, com certeza estará danificado. Porém se não apresentar defeito neste teste, ainda assim pode estar com problemas de funcionamento que só aparecerão no circuito. POLARIZAÇÃO DE TRANSISTORES Já vimos acima como devemos ligar a alimentação dos transistores para que eles funcionem. A correta alimentação dos transistores é chamada de polarização dos mesmos. Num transistor temos as tensões: VBE = tensão base emissor VCB = tensão coletor base VCE = tensão coletor emissor Dizemos que o transistor entra em operação, ou está na região ativa, quando sua junção base-emissor está polarizada diretamente e sua junção base coletor está polarizada inversamente, isto é: NPN = base positiva em relação ao emissor base negativa em relação ao coletor PNP = base negativa em relação ao emissor base positiva em relação ao coletor Podemos representar a polarização acima de outra forma NPN E2 > E1 E1 Neste caso, como E2>E1, o coletor está mais positivo que a base, ou a base está mais negativa que o coletor, logo a polarização base coletor é inversa. 68 Analisando o circuito acima e aplicando Kirchhoff, podemos ver que: VCE = VBE + VCB Isto vale tanto para transistores NPN como para PNP, havendo apenas inversão da polaridade das fontes de tensão. Da mesma forma ao analisarmos as correntes no transistor, teremos: IE = IC + IB IC IB IE A corrente de base IB é causada por VBE. Se VBE for maior que 0,7 V, vencemos a barreira interna da junção PN, e a corrente passa a fluir. Como a base é pequena e pouco dopada, a corrente que circula de base a emissor é também pequena. Porém como o emissor é maior e fortemente dopado, ele possui muitos elétrons livres, que são atraídos até a base. A corrente de coletor IC é devida a tensão VCE, e pelo fato de termos muitos elétrons livres no emissor e no coletor, esta corrente pode ser bem elevada, muitíssimo maior que IB. Pela figura pode compreender que os elétrons que geram as correntes IB e IC provém do emissor e pela lei dos nós, IE = IB + IC. Poderíamos agora nos perguntar porque usamos duas tensões (VBE e VCB) e duas junções PN para gerar uma corrente, se com apenas um diodo polarizado diretamente também conseguimos estabelecer uma corrente contínua? Aí reside a diferença fundamental e uma das características mais importantes dos transistores: A QUANTIDADE DA TENSÃO DE BASE - EMISSOR CONTROLA A CORRENTE DE COLETOR. Se aumentarmos a tensão VBE, aumentará um pouco IB, mas IC aumentará muito. Ou seja uma corrente bem baixa (IB) ,pode controlar uma corrente bem maior (IC). Isto se deve ao fato de que aumentando VBE, a barreira de potencial na junção base-emissor vai diminuindo, permitindo a passagem de mais portadores (elétrons ou lacunas), que não podendo ser absorvidos pela pequena base, circulam entre coletor e emissor. A corrente de base IB pode controlar uma IC varias vezes maior que ela. Mas quantas vezes maior? Este dado é chamado tecnicamente de ganho de corrente contínua, ou hFE, sendo representado por beta (β), sendo β = IC/IB. 69 O funcionamento dos transistores nos circuitos precisa ser avaliado através de curvas de carga, conforme a configuração do circuito utilizada. Estas curvas são fornecidas pelos fabricantes dos transistores e através de sua análise podemos projetar adequadamente os circuitos e escolher o tipo de transistor mais adequado. Em Eletrônica II veremos com mais detalhes estas curvas e circuitos práticos. Por hora devemos aprender os tipos de configuração de circuitos com transistores, que são: 1 3 Saída Entrada 2 Base comum 2 1 3 Entrada Emissor comum Coletor comum Saída 2 2 1 3 Entrada Saída 2 2 A configuração base comum é aquela em que a base é o terminal comum tanto à entrada como à saída do circuito. A entrada do sinal é pelo emissor (tensão emissor base) e a saída pelo coletor (tensão coletor base). A configuração emissor comum é aquela em que o emissor é o terminal comum tanto à entrada como à saída do circuito. A entrada do sinal é pela base (tensão base emissor) e a saída pelo coletor (tensão coletor emissor). A configuração coletor comum é aquela em que o coletor é o terminal comum tanto à entrada como à saída do circuito. Esta configuração também é chamada de seguidor de emissor, sendo a menos usada das três. A entrada do sinal é pela base (tensão coletor base) e a saída pelo emissor (tensão emissor coletor). Seu uso é basicamente para casar um circuito de alta impedância com um de baixa impedância. ESTADOS DO TRANSISTOR: O transistor pode estar em três estados diferentes, dependendo de como for polarizado, ou ligado no circuito: ♦ em corte ♦ na região ativa ♦ saturado 70 Um transistor está em corte, ou seja não conduzindo corrente, quando não tiver tensões aplicadas a ele ou quando a polarização for tal que não permita a circulação de corrente (VBE < 0,7 V ou com polaridade invertida, VCB também com polaridade invertida). Um transistor está na região ativa quando sua junção base emissor estiver polarizada diretamente e sua junção base coletor estiver polarizada inversamente. Nesta condição a corrente de coletor depende basicamente da corrente de emissor, que depende da corrente de base, sendo independente da tensão de coletor. A corrente de coletor é quase igual a de emissor. Na região de saturação é quando as junções base emissor e base coletor estão ambas polarizadas diretamente. Neste caso temos VCB ≅ 0 , o que causa variações grandes na corrente de coletor se variarmos um pouquinho a tensão de coletor. Ë como na curva do diodo polarizado diretamente, onde ao aumentarmos a tensão sobre a junção, acima da barreira de potencial, a corrente sobe exponencialmente. A figura abaixo ilustra as três regiões de funcionamento de um transistor PNP, mostrando a relação entre VCB(tensão base coletor) e IC ( corrente de coletor) para várias IE. Na região de saturação VCB fica < 0, ou negativa. Xa: 3.980 Yc: 12.00m Saturação b Xb: 0.000 Yd: 0.000 a-b: 3.980 c-d: 12.00m Ativa a A c Y= 2m A/ Di v Corrente coletor Ref=Ground X=663mV/Div d Corte VCB = 0 Outro aspecto a conhecer é a técnica de fabricação dos transistores. Eles são construídos de quatro formas básicas: por crescimento, por liga, por difusão e epitaxial. Por crescimento é a forma que estudamos no caso dos diodos, com as impurezas sendo agregadas na fase de formação ou crescimento dos cristais. Por liga, também chamada de construção por fusão, é quando usamos uma “bolacha” de silício, tipo n para transistor PNP, de espessura bem pequena, onde colamos dois pingos de índio (I), um de cada lado. Ao aquecer este conjunto, há uma recombinação dos materiais, com o índio transformando o material a seu lado de n para p. Por difusão é a técnica mais usada atualmente, junto com a epitaxial. Nesta técnica uma “bolacha” de silício é dopada pela difusão gasosa de impurezas n e p para formar as junções de emissor e coletor. Neste processo a junção base-coletor é definida por 71 uma máscara de difusão. Aí então o emissor é difundido via outra máscara. Uma pequena camada de dióxido de silício é aplicada sobre toda a superfície e fotocorroída, de formas que contatos de alumínio possam ser feitos para os terminais de emissor e coletor. Devido à passivação obtida pela camada de óxido, obtém-se baixas correntes de fuga e bons ganhos de corrente. Na figura abaixo ilustramos este tipo de construção, também bastante empregada na fabricação de circuitos integrados: Fig 5-5 milman A construção epitaxial será vista coma mais detalhes ao estudarmos circuitos integrados. Sua técnica consiste em formar um cristal único, de alta pureza, bem fino, de silício ou germânio, sobre um substrato altamente dopado do mesmo material. Este cristal aumentado forma o coletor, onde a base e o emissor podem ser difundidos. Aplicações de transistores serão vista em Eletrônica II. Por enquanto mencionaremos apenas algumas aplicações típicas: n n n n n amplificador oscilador modulador demodulador modificador da forma de onda Na próxima prática veremos como testar transistores com multímetros. 72 F) PULSOS, ONDAS, SINAIS E RUÍDOS A matéria que iremos estudar agora é a que trata da forma dos sinais. Já pudemos observar no osciloscópio algumas formas de onda e veremos aqui novas formas. SINAL = UM MEIO DE TRANSMITIR INFORMAÇÃO Os sinais servem para levar informação de um ponto a outro, podendo esta informação ser visível, audível, etc. Um sinal traz embutido em si uma mensagem, uma informação ou um efeito, que desejamos transmitir ou levar de um ponto a outro. Os sinais são funções do tempo, pois variam com o tempo de formas diferenciadas. Para que existem os circuitos eletrônicos? Para executar funções as mais variadas, que nos auxiliam na nossa vida. Pode ser para uma simples calculadora, pode ser para controlar uma usina hidroelétrica inteira que abastece milhões de pessoas com energia elétrica, pode guiar uma nave espacial pelo sistema solar afora, para permitir a comunicação entre as pessoas via fone ou computador ou ambas em conjunto, e para o que mais nossa mente o desejar. Depende apenas de sabermos qual informação (sinal) queremos transmitir e como fazê-lo. Em eletrônica tratamos com sinais eletrônicos, ou seja distúrbios causados nos materiais pela movimentação dos elétrons. Estes distúrbios carregam informação. Vimos que a força que causa esta movimentação é a tensão elétrica, ou diferença de potencial entre dois pontos. Esta tensão entre os pontos pode ser contínua, ou CC, causando um fluxo contínuo de elétrons pelos materiais ou componentes. Também pode ser alternada, variando no tempo de forma repetitiva. Outra possibilidade é esta tensão variar de forma não repetitiva. Mas o que é uma onda? Uma onda é uma atividade física que sobe e baixa, avança e recua, periodicamente ao atravessar um meio. Pode ser definida também como um distúrbio, em geral periódico, que se propaga , tal como uma onda sonora ou uma onda de rádio. Esta definição é dada pela Física e engloba os mais variados campos do conhecimento. No nosso caso estudaremos as ondas eletromagnéticas, que são ondas que apresentam distúrbios elétricos e magnéticos simultaneamente. Há uma energia produzida pela movimentação dos elétrons, podendo criar ondas do tipo de rádio, de luz em infravermelho, visível, ultravioleta, raios X, Gama e cósmicos. Podemos usá-las como um meio que nos permite transmitir um sinal. As ondas possuem um padrão de variação no tempo, que permitem sua representação gráfica nas chamadas formas de onda. O que caracteriza uma onda são: n a amplitude n a freqüência 73 A amplitude é a quantificação da intensidade da onda, quão forte ou fraca ela é. Já a freqüência mostra a taxa de variação da amplitude ao longo do tempo. amplitude ciclo T t Um ciclo é quando a onda vai do início ao fim, ou seja é uma variação completa da onda, que se repete sucessivamente. O período é o tempo necessário em segundos (s) para se realizar um ciclo completo, sendo representado pela letra T. A freqüência é o número de períodos que ocorrem em um segundo, ou seja ela é igual a 1/T, sendo representada por f e medida em Hertz (Hz). f = 1 T O modo como a amplitude varia ao longo do ciclo é que define a forma de onda. No desenho acima usamos uma forma de onda senoidal, que é a forma de variação da amplitude da tensão nas redes elétricas em nossas casa e empresas. Outras formas de onda comuns são a triangular e a dente de serra, além das exponenciais. Uma tensão contínua pode ser considerada como uma onda sem começo nem fim. Ou então começando no momento de ligarmos a tensão (pilha, bateria ou fonte) e terminando no momento que desligamos a tensão ou quando ela acaba (pilha ou bateria). Já vimos no osciloscópio esta forma de onda. Ela é uma reta, já que a tela do osciloscópio mostra no eixo vertical a tensão e no horizontal o tempo. A visualização de uma onda contínua é : V ou I t Podemos dizer que um degrau de tensão é aplicado ao circuito no momento quando ligamos a chave e alimentamos o circuito com a nossa tensão CC. Um degrau de 74 tensão ocorre por exemplo quando ligamos o farol do carro ou quando ligamos o radinho de pilhas. A forma de onda de um degrau é representado por: V tON t Veja que um degrau (ou step em inglês) causa uma modificação instantânea na amplitude da onda. Este tipo de onda é usada para estudar o comportamento da linearidade de amplificadores. Um pulso é uma onda que começa como um degrau, com uma variação súbita para cima e termina logo em seguida, voltando à situação original. Um pulso tem uma subida e uma descida e duração finita. Um exemplo seria o sinal de luz dado com o farol do carro. A representação de um pulso é: V t Um pulso é uma variação para cima ou para baixo de uma tensão que leva uma informação (sinal) ao circuito. Exemplos: V V pulso pulso V1 V2 t t Um pulso que começa e termina num espaço de tempo muitíssimo pequeno, que pode ser considerado matematicamente infinitesimal, é chamado de impulso. O comportamento de circuitos em resposta a um impulso quase sempre é diferente de seu comportamento em CC. Um pulso causa uma corrente pulsante, que diferentemente de uma tensão alternada, não muda de polaridade, só varia em amplitude. 75 RUÍDO: um ruído é um distúrbio elétrico indesejado num circuito. Ele não leva informação, diferentemente de um sinal, que é colocado de propósito no circuito para transmitir informações. Um ruído modifica a informação ou mensagem sendo transmitida. O ruído tem caráter randômico e pode ser gerado externamente ao circuito ou internamente dentro dos próprios componentes eletrônicos. Uma informação importante em diversos equipamentos é a relação sinal/ruído, a qual expressa a taxa (relação) existente entre a magnitude do sinal e a do ruído. Quanto mais alta a relação sinal /ruído melhor o equipamento, pois para uma mesma quantidade de sinal, se o ruído for menor, a qualidade da informação ou sinal será melhor. Esta relação é chamada de relação S/R (ou s/n ratio, em inglês). Esta relação é expressa em decibéis (dB). O decibel é 1/10 de um bel , unidade logarítmica usada para medir e comparar níveis de sinal, ou para expressar a relação entre duas potências. dB = 10 log 10 P1 , onde P1 é o nível que desejamos P2 medir e P2 é o nível de referência. O dB serve para medir ganhos ou perdas de transmissão e potências relativas. Em acústica o dB indica a intensidade do som. Um dB é a menor variação no som que nosso ouvido consegue perceber. Para percebermos o dobro do “volume” ou intensidade do som é necessário que a potência seja elevada ao quadrado. A fórmula do dB mostra isto. Uma quantidade de + x dB indica aumento ou ganho na potência e - y dB indica atenuação ou perdas. O dBm é o dB medido com referência à potência de um miliwatt. 76 PRÁTICA 6 CIRCUITOS COM DIODOS E CAPACITORES OBJETIVO: Verificar na prática o funcionamento de circuitos com diodos e capacitores; Testar transistores com multímetro. Uso do osciloscópio; Uso do gerador de funções. EQUIPAMENTO: Fonte Multímetro; Osciloscópio Gerador de funções MATERIAL: Circuito de teste Kirchhoff 4 diodos Placa impressa 2 capacitores eletrolíticos 2 transistores PROCEDIMENTO: 1) Montar uma ponte retificadora com os 4 diodos na placa impressa e ligá-la em série com R1 do circuito Kirchhoff ; 2) Ligar o osciloscópio e ajustar no eixo vertical para: canal 1(CH1) para medir CA, 2V/DIV, e no eixo horizontal: para 0,5 µs/div e posição do zero para primeira linha do retículo acima da base; 3) Ajustar o gerador de sinais para: 60 Hz, forma de onda = senóide; e conectá-lo ao osciloscópio CH1, ajustando a amplitude para 10 Volts p-p; 4) Ligar o gerador na entrada da ponte retificadora; 5) Conectar a ponteira do osciloscópio CH2 para medir a tensão após a ponte retificadora e passar o osciloscópio para DUAL, CH2 em 2V/DIV, e ajustar a posição das ondas na tela de forma que uma fique acima da outra. 6) Desenhar a formas de onda observadas no osciloscópio, em escala, indicando os valores de tensão lidos; 7) Desligar o gerador de sinais ; 8) Montar um capacitor na saída da ponte retificadora, ligar outra vez o gerador e observar novamente as formas de onda, desenhando-as em escala; 9) Montar o outro capacitor em paralelo com o primeiro, na saída da ponte retificadora e observar novamente as formas de onda, desenhando-as em escala; 10) Desligar todos os equipamentos e desconectá-los; 11) Testar os dois transistores da bandeja com o multímetro; 12) Preparar relatório com as medidas efetuadas e formas de onda observadas. 77 G) CONTATOS E CHAVES Contatos existem sempre que associamos dois ou mais componentes. Se esta junção entre os componentes é bem feita, dizemos que temos um bom contato. De outra forma, se a junção for feita de modo inadequado, dizemos que temos um mau contato. Porém tecnicamente não denominamos todas as junções de componentes como contatos, apenas algumas em especial. CONTATOS : Contatos são as partes que se tocam ou não, para fechar ou abrir caminhos para a corrente em um conector, chave ou relé. São as junções onde dois condutores formam um caminho para que a corrente flua. Contatos, pela definição acima, envolvem partes que se abrem ou fecham para permitir a passagem de sinais de um ponto a outro nos circuitos. Os contatos servem como elo de ligação entre as partes do circuito ou entre um circuito e outro. Como os contatos são usados em chaves, conectores e relés, vamos definir o que são estes componentes e sua simbologia: Conectores : são peças que fazem o acoplamento elétrico e/ou mecânico entre dois condutores, cabos, ou entre um cabo e uma placa ou chassis, permitindo a conexão e desconexão rápida entre as partes. Um contato de conector é representado pelo símbolo: Relés : dispositivo eletromecânico que dispõe de contatos que se abrem ou fecham, dependendo das condições do circuito, e que estudaremos a seguir. Chaves: dispositivo elétrico ou mecânico que fecha ou abre o caminho para a passagem da corrente elétrica ou que a desvia para outro caminho. É um dispositivo que conecta, desconecta ou transfere um ou mais circuitos, não sendo um controlador ou um relé. Um contato de chave é representado pelo símbolo: A parte do contato que está permanentemente ligada a um lado do circuito é chamada de centro do contato ( C ) e a outra parte é chamada simplesmente de contato ou de contato NA (normalmente aberto). C NA Este tipo de chave é o mais simples e é chamado de chave um polo, uma posição. Em inglês a identificação é SPST (single pole, single throw). É o tipo de chave usada como interruptor de luz nas nossas casas. Ele deixa ou não passar a tensão para as lâmpadas, 78 conforme a posição em que se encontra, por isto é chamado de interruptor, pois interrompe ou não a corrente elétrica nos circuitos. Outro tipo de chave bem comum é o um polo duas posições, ou SPDT (single pole, double throw), representado pelos símbolos: NF NA C Neste tipo de chave temos um centro (polo) e duas posições. Na configuração de cima temos os contatos NA (normalmente aberto) e NF (normalmente fechado), ou em inglês NO e NC respectivamente. Outro modelo de chave muito usado é o de dois pólos, podendo também ser de uma ou duas posições, conforme esquemas abaixo: dois pólos, uma posição (DPST ) dois pólos, duas posições (DPDT) As chaves podem ter configurações mais variadas e complexas, podendo ter vários pólos e múltiplas posições. A representação destes modelos varia conforme sua construção. Um exemplo destas chaves é o seletor de canais das TV’s mais antigas, que tem em geral um polo e doze posições. Outro exemplo é a chave dos limpadores de parabrisa de carros, que tem um pólo e quatro posições. As chaves de múltiplos pólos em geral são montadas, acoplando partes das chaves de um pólo uma sobre a outra até obter o número de pólos necessário. Existem no mercado internacional chaves de 6, 8 pólos e 5 a 8 posições. São chaves bem caras e de uso bastante específico para projetos especiais. 79 PRÁTICA 7 CIRCUITOS COM TRANSISTORES OBJETIVO: Hoje montaremos um pré-amplificador simples, tipo o que se usa para microfones e outros sinais fracos, na faixa de áudio, conforme esquema abaixo; Verificar o funcionamento de circuitos com transistores como amplificadores; Uso do osciloscópio; Uso do gerador de funções. +10V EQUIPAMENTO: Fonte Multímetro Osciloscópio Gerador de funções R2 C2 + R1 C1 Q1 + Saída Entrada Material: Resistor R2 = 10K Resistor R1 = 2M2 Placa impressa padrão Capacitor C1 = 0,22µF ou próximo Capacitor C2 = 2,2µF ou próximo Transistor Q1 = BC548 ou BC549 - PROCEDIMENTO: 1) Montar o circuito acima na placa impressa; 2) Ligar o osciloscópio e ajustar no eixo vertical para: canal 1 (CH1) para medir CA, 0,1V/DIV e no eixo horizontal para 0,2ms/DIV e posição do zero para centro do retículo; 3) Ajustar o gerador de sinais para 1600Hz, forma de onda senóide e conectá-lo ao osciloscópio CH1, ajustando a amplitude para 0,2 V p-p; 4) Ligar a fonte CC e ajustar a tensão para 10V; 5) Ligar a fonte CC no circuito, conforme esquema (+ em R2 e - no emissor de Q1); 6) Medir as tensões VBE, VCB, VCE e sobre R2. Confirmar a teoria das tensões no transistor. Dizer em que estado está o transistor; 7) Ligar o gerador de funções na entrada do circuito; 8) Conectar a ponteira CH2 do osciloscópio para medir a tensão de saída do circuito e passar o osciloscópio para DUAL, CH2 em 2V/div e ajustar a posição das ondas na tela de forma que uma fique acima da outra; 9) Desenhar as formas de onda observadas no osciloscópio, em escala, indicando os valores de tensão lidos e a relação de fase entre eles; 10) Desligar todos os equipamentos e desconectá-los. Preparar relatório com as medidas efetuadas e formas de onda observadas. 80 H) RELÊS RELÊS ou RELÉS são dispositivos eletromecânicos que dispõe de contatos que podem ser abertos ou fechados, dependendo das condições em um circuito, podendo assim afetar este mesmo circuito ou outro circuito separado. O relé é um dispositivo chamado de ferro móvel, pois seu funcionamento baseia-se numa conversão de energia elétrica em mecânica, a qual acontece via a passagem de uma corrente por uma bobina, criando um campo magnético, o qual causa o deslocamento de uma peça de ferro, na direção deste campo. Outros dispositivos que usam o mesmo princípio físico do ferro móvel são as campainhas de casa (mais antigas) e campainhas de telefones eletromecânicos. Nestes casos também a passagem de uma corrente por uma bobina cria um campo magnético que impulsiona um pedaço de ferro em direção a uma campânula de metal. Ao atingir esta campânula o pedaço de ferro cria uma onda sonora, transformando energia mecânica em elétrica outra vez. Voltando ao nosso relé, como já dissemos acima, o relé constitui-se de: uma bobina, que cria um campo magnético ao ser atravessada por uma corrente; uma armadura, que é a peça que se move ao ser excitada pelo campo magnético; um conjunto de contatos também chamado de jogo de contatos, que executam a função de uma chave, podendo ser no caso mais comum de um pólo duas posições, ( SPDT) ou de dois pólos duas posições (DPDT); uma mola que auxilia o retorno da armadura, ao ser desligada a corrente da bobina. A figura abaixo ilustra o esquema de funcionamento do relé: Fig 12,20 pag 353 do smith A passagem da corrente i1 pela bobina cria um campo que atrai a armadura (o ferro que se move) de formas que o contato preso à armadura toca o outro contato, fixo à estrutura do relé, fechando a “chave”. Isto permite a passagem de outra corrente i2 pelos contatos. Esta i2 pode ser de outro circuito totalmente diferente daquele que gerou i1. 81 O contato preso à armadura é sempre o centro da “chave” e os outros contatos são denominados : NA - normalmente aberto NF - normalmente fechado NF C NA Como o nome já diz, o contato NF é aquele que esta conectado ao centro do contato quando não há energia no circuito, ou seja em repouso o “chave” está fechada entre C e NF. Ao aplicarmos uma corrente suficiente para causar a movimentação da armadura, esta se move para mais perto do núcleo da bobina, causando a abertura da chave C - NF e o fechamento da chave C - NA. Se a corrente aplicada à bobina é muito pequena, o campo magnético gerado não irá conseguir atrair a armadura. Há uma corrente mínima necessária para causar o movimento da armadura e o fechamento do contato C- NA. Esta corrente é a chamada corrente de fechamento ou de arme do relé. Se aplicamos uma corrente de arme muito superior à necessária causaremos aquecimento da bobina e do relé e diminuiremos sua vida útil. A simbologia dos relés nos diagramas de circuito é: bobina contatos Utilizamos a letra K para simbolizar os relés nos esquemas , como usamos R para resistores e C para capacitores. Especificação técnica de relés: A especificação técnica de relés deve conter: n tensão de operação da bobina n corrente de arme n capacidade de corrente dos contatos Além destes parâmetros os fabricantes informam outros dados úteis para determinadas aplicações, tais como : 82 n tempo de atuação (tempo que leva, após aplicação da corrente na bobina, até o contato NA ser fechado); n resistência dos contatos (em geral < 1 ohm) n balanço (bounce) dos contatos ( contatos abrem e fecham por breves instantes quando relé atua) APLICAÇÕES DOS RELÉS Os relés são empregados em diversos circuitos, sendo sua principal aplicação na saída de sistemas de controle, que operam em CC, para controlar circuitos em AC. Com os relés podemos controlar grandes correntes através de uma pequena corrente. Um relé pode ser usado, por exemplo, num circuito CC sendo acionado via transistor, com correntes da ordem de 20 mA, e controlar o liga/desliga de uma carga em CA de 20 A, ou seja mil vazes mais corrente. Diferentemente dos transistores os relés não amplificam correntes, nem podem transformar formas de onda, simplesmente os relés funcionam como uma “chave” controlada por um circuito isolado do circuito da “chave”. Veja abaixo um esquema típico de circuito com relés: +12VCC 220 VCA (fase) K1 Rb Ei Q1 M W Ë 220 VCA (neutro) Ei é o sinal de controle, que gera Ib no transistor, fazendo com que Q1 conduza corrente da fonte de 12 VCC para a terra. Esta corrente passa pela bobina de K1 e faz com que se feche o contato do relé, alimentando o motor M, o qual faz girar o ventilador. O relé é muito utilizado na saída de vários tipos de controladores industriais (controladores de temperatura, de pressão, de umidade, etc.). Nestes controladores a variável de controle vem de um sensor, é processada em CC no controlador, o qual aciona um relé que liga ou desliga o atuador no processo, influindo na variável. Vide esquema abaixo: Entrada controle saída relé atuador processo industrial sensor 83 I) MICROFONES E ALTO-FALANTES Antes de definir microfones e alto-falantes, vamos definir o que é som, já que ambos são dispositivos que trabalham com som. SOM = Também chamado de onda sonora ou acústica, é uma alteração na pressão, intensidade, deslocamento ou velocidade de partículas, propagadas num material elástico. O som pode ser também uma superposição destas alterações. Esta alteração causa uma percepção pelo ouvido humano. As ondas sonoras são aquelas cuja freqüência está dentro da chamada faixa de áudio, que vai teoricamente de 20 Hz a 20 kHz. Na prática, a maioria das pessoas pode ouvir ou captar de 30 Hz a 16 kHz. Idosos já captam entre 50 Hz e 10 kHz. Áudio é relativo às freqüências que o ouvido humano médio pode ouvir ou sentir. MICROFONES são dispositivos transdutores destinados a converter energia acústica, tais como ondas sonoras ou vibrações que produzem sons (como cordas de um violão) em energia elétrica equivalente. Qualquer som que emitimos causa um deslocamento das moléculas do ar. Estas ao tocar um elemento sensível, causam uma movimentação deste elemento, ou seja geram uma energia mecânica. Este movimento por sua vez gera um sinal elétrico proporcional à energia mecânica aplicada. Esta energia elétrica é então passível de ser transportada, amplificada, transmitida, modulada, etc.... Microfones podem usar como elemento transdutor pastilhas de cristal ou cerâmicas, tiras ou fitas, bobinas móveis ou capacitores. Microfones de cristal ou também chamados de microfones piezoelétricos funcionam pela geração de uma carga elétrica causada pela deformação de um cristal, em geral piezoelétrico. Um material é dito piezoelétrico quando gera uma tensão elétrica ao ser pressionado, torcido ou dobrado. Um exemplo de cristal piezoelétrico é o titanato de bário, usado nos microfones de eletreto.. Fig pag 536 dic elec Microfones de cerâmica possuem um cartucho cerâmico, com um membrana bem fina, que gera uma tensão elétrica, proporcional à pressão sonora. 84 Microfones de tiras ou fitas são aqueles em que um condutor em forma de tira ou fita se move pela pressão das ondas sonoras. Em geral usa-se uma tira de liga de alumínio, suspensa num campo magnético. As ondas sonoras fazem com que esta tira vibre numa direção perpendicular ao campo magnético, induzindo uma corrente numa bobina. Este tipo de microfone é muito direcional, pois ondas vindas das laterais, mesmo intensas causam pequenas deformações na tira. Vide figura abaixo: pag 625 dic elec Microfones de bobina móvel, também chamados de microfones dinâmicos, são os mais comuns. Neste modelo, uma membrana tipo diafragma é presa numa bobina, colocada num campo magnético fixo. As ondas sonoras, ao baterem na membrana. Causam um movimento na bobina para frente e para trás. Uma corrente, na freqüência de áudio, é induzida na bobina móvel e daí captada pelo circuito para amplificação. Microfones com capacitor ou eletrostáticos, também são muito comuns. Seu funcionamento baseia-se num fino diafragma de metal preso bem próximo a uma chapa metálica. Uma tensão de polarização é aplicada à ambas as placas e a pressão do som altera a capacitância do microfone, movendo a placa do diafragma. ALTO-FALANTES: são dispositivos eletroacústicos, que irradiam potência acústica no ar, com a mesma forma de onda, essencialmente, do sinal elétrico a eles aplicados. Dizemos essencialmente com a mesma forma de onda pois na prática há um dado que é a eficiência do alto-falante, a qual indica a relação entre a quantidade útil de som efetivamente gerada e a potência elétrica aplicada ao alto-falante. A construção mais comum de alto-falantes é pelo sistema de bobina móvel, ou voice coil, no qual uma bobina se move num campo magnético fixo, segundo a excitação elétrica recebida. Esta bobina é presa a um cone, que se movimenta no ar junto com a bobina, gerando o deslocamento das partículas de ar, que é o som propriamente dito. Este tipo de alto-falante é também chamado de alto-falante dinâmico. O cone funciona como uma membrana, exatamente como o que ocorre nos microfones, só que agora a membrana gera o som e não recebe o som. As ondas elétricas são aplicadas à bobina, que está imersa num campo magnético fixo, gerado 85 por um imã. A corrente pela bobina interage com este campo causando o movimento da bobina e do cone (membrana) preso a ela. Este movimento para frente e para trás do cone e da bobina gera as ondas sonoras. Alto-falantes de suspensão acústica são aqueles em que o cone é fixo por uma suspensão bem elástica, a qual obtém a rigidez necessária pela pressão do ar na parte de trás do alto-falante, o qual deve ser colocado num gabinete bem fechado. Este sistema tem menos eficiência que um usando alto-falantes comuns, mas dá uma resposta melhor nas freqüências baixas. Podemos dizer que neste sistema o cone fica “suspenso” no ar, pela pressão causada pelo seu próprio movimento. Os alto-falantes se compõe então de: ♦ um imã para gerar um campo magnético; ♦ uma bobina para receber o sinal de áudio e mover-se de acordo com a amplitude e a freqüência; ♦ um cone acoplado à bobina, para mover o ar e gerar as ondas sonoras; O cone é feito de material leve e com boa elasticidade. Na maioria dos casos empregase papel especial para fabricar os cones. Hoje já existem materiais sintéticos tipo plásticos que também são adequados para cones. Fig 14 lor pag 19vol 4 Os alto-falantes podem ser divididos em tipos de acordo com a freqüência de trabalho: • Woofer - são especializados em reproduzir freqüências baixas (graves) geralmente de 25 a 2000 Hz. Em geral são grandes, com diafragmas pesados e bobinas grandes. Em freqüências mais altas tendem a se tornar direcionais. • Tweeter - são especializados em reproduzir altas freqüências (agudos), geralmente acima de 3000 Hz. Tweeters podem ser iônicos, de tiras, eletrostáticos ou dinâmicos. 86 • Midrange - É o menos usual dos três, e dedica-se a freqüências intermediárias, na faixa de 400Hz a 3000Hz. Muitos sistemas usam apenas um alto-falante. Nestes casos aplica-se um alto-falante de uso geral, dito full-range, com resposta razoável na faixa de 50 a 2500 Hz. O tamanho, muitas vezes dependente do espaço físico no equipamento, nos dá uma idéia da capacidade do alto-falante de reproduzir as freqüências. Quanto maior o cone, mais capacidade de reproduzir freqüências baixas (graves). Vide figura abaixo: fig 47 pag 72 lor Os sistemas de áudio com mais de um alto-falante usam um divisor de freqüências, para separar as faixas de freqüência adequadas para cada tipo de alto-falante. Estes divisores são na realidade filtros passa faixa, onde os sinais até determinada faixa passam enquanto os outros são bloqueados. Usa-se capacitores e indutores para construir estes filtros. Sabemos que os capacitores bloqueiam os sinais CC e deixam passar os CA. Pela fórmula da impedância do capacitor, podemos ver que quanto mais alta a freqüência, menor a resistência que o capacitor oferece à passagem da corrente. Logo podemos usar capacitores para deixar passar freqüências altas e bloquear as baixas. Já as bobinas ou indutores tem a propriedade de bloquear as altas freqüências e deixar passar as baixas. Um circuito típico de divisor de freqüências é mostrado abixo: + L1 C1 + + woofer - tweeter L2 - Neste circuito, L1 bloqueia as freqüências mais altas, protegendo o woofer, enquanto C1 deixa passar os sinais de alta freqüência e outros de CA, mas de baixa freqüência também passam e são curto-circuitados por L2. Em geral usamos a freqëuncia em 87 torno de 2500 Hz como cross-over, ou ponto onde um deixa de atuar e entra o outro alto-falante. Para alto-falantes de 4 e 8 ohms de impedância, que são os mais comuns no mercado, os valores práticos para o divisor de freqüências são: Falante L1 4Ω 1,2mH 8Ω 2,1 mH L2 0,5mH 1,2mH C1 8µF 8µF Construção dos indutores: 1,2 mH = 400 espiras de fio esmaltado16AWG em forma de 2,5 cm de diâmetro, comprimento aproximado de 3 cm. 2,1 mH = 480 espiras de fio esmaltado 16 AWG em forma de 2,5 cm de diâmetro e 3cm de comprimento. 0,5 mH = 180 espiras de fio esmaltado 16 AWG em forma de 2,5 cm de diâmetro e 3cm de comprimento. Pequenas variações no número de espiras ou comprimento não afetam significativamente o funcionamento. SOMENTE PARA ILUSTRAÇÃO, INFORMAMOS: Construção dos tipos de tweeters: Os tweeters iônicos funcionam pela ativação das moléculas do ar por um campo de rádio freqüência de alta tensão gerado por um campo eletrostático variável. Estes tweeters podem ir até freqüências de 100 kHz. Os tweeters de tiras usam uma tira ou fita reta e chata no lugar da bobina. Em geral tem formato corneta. O gap magnético é tão pequeno que há uma alta concentração de fluxo magnético, fazendo vibrar esta tira, que é realmente leve, em freqüências bem altas. Já os tweeters eletrostáticos consistem em um diafragma plano de metal e um eletrodo fixo de metal, capaz de reproduzir altas freqüências. O diafragma se move pela aplicação de altas tensões variáveis sobre ele e sobre o eletrodo. FINAL DA MATÉRIA DE ELETRÔNICA I 88