Governo do Estado de Mato Grosso do Sul Secretaria de Estado de Educação Centro de Educação Profissional Ezequiel Ferreira Lima APOSTILA

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1 APOSTILA CURSO TÉCNICO EM ELETRÔNICA PARTE I - Capacitores - Indutores - Tensão/Corrente Alternada - Transformador - Diodos Prof. Marcio Kimpara 202 Prof. Marcio Kimpara Página

2 CAPACITORES Até o momento estudamos as fontes de tensão, fontes de corrente e um componente com propriedades resistivas, o resistor. A resistência, que é a oposição ao fluxo de corrente está associada à dissipação de energia. No entanto, além da propriedade resistência, um circuito elétrico também pode possuir as propriedades da indutância e da capacitância, sendo que ambas estão associadas ao armazenamento de energia (os indutores serão vistos mais adiante). Um capacitor é um dispositivo eletro-eletrônico que serve para armazenar energia elétrica. Desta forma, o componente pode liberar a energia armazenada a qualquer momento funcionando como um opositor à variação de tensão no circuito. Simplificadamente, sempre que a tensão do circuito sofrer uma pequena variação o capacitor libera a energia armazenada com o objetivo de manter a tensão estável. A propriedade do capacitor é a capacitância. A capacitância expressa a habilidade do capacitor em armazenar cargas elétricas A unidade da capacitância é o Farad (F) ou Faraday (F) * O valor da capacitância é usualmente expressa em sub-unidades: micro-farad (uf), nano-farad (nf) e pico-farad (pf) LEMBRETE Não confundir capacitor com capacitância. Capacitor é o componente, ou seja, o elemento, o dispositivo. Já a capacitância é a propriedade do capacitor que representa a quantidade de carga elétrica que o capacitor consegue armazenar. Para um capacitor adquirir carga (armazenar energia) ele precisa primeiramente ser conectado a uma fonte de tensão. A carga elétrica armazenada é diretamente proporcional ao valor da tensão ao qual o capacitor foi conectado e à sua propriedade, que é a capacitância. Assim, temos: Q CV. Onde: Q = carga elétrica total armazenada no capacitor (unidade: Coulomb) C = valor da capacitância (F) V = tensão aplicada sobre o capacitor (V) Prof. Marcio Kimpara Página 2

3 Simbologia: OBS: O símbolo da direita é utilizado para representar os capacitores do tipo eletrolíticos. Este tipo de capacitor POSSUI polaridade definida e deve ser respeitada quando formos conecta-lo ao circuito. Já os capacitores do tipo cerâmico ou poliéster NÃO possuem polaridade e por esta razão utiliza-se o símbolo da esquerda. FUNCIONAMENTO DO CAPACITOR Um capacitor pode ser definido de maneira simplificada como sendo composto por duas placas de metais separadas por um dielétrico (material isolante). Vamos entender como o capacitor consegue armazenar energia analisando como ele se carrega. CARREGAMENTO De acordo com nosso estudo inicial, sabemos que os materiais são compostos de átomos cuja estrutura é consiste em um núcleo ao redor do qual circulam os elétrons. Sabemos que os materiais isolantes são compostos por átomos com elétrons intimamente ligados ao núcleo, razão pela qual não facilitam o deslocamento de elétrons (corrente elétrica). Também sabemos que a estrutura dos metais é característica porque os seus átomos têm elétrons que saem facilmente de suas órbitas e se convertem em elétrons-livres. Inicialmente as placas condutoras do capacitor se encontram em equilíbrio elétrico (neutra), ou seja, possui tanto cargas negativas quanto positivas. Ao conectar o capacitor a uma fonte de tensão contínua, os elétrons que estavam em uma das placas são atraídos para o polo positivo da fonte, deixando a placa com falta de Prof. Marcio Kimpara Página 3

4 elétrons e, portanto, eletricamente positiva. Já o polo negativo da fonte manda elétrons para a outra placa, já que está possui (inicialmente) alguma carga positiva. Perceba que os elétrons NÃO passam pelo interior do capacitor, pois este possui uma camada isolante que os bloqueia, mas ainda assim existe movimento de elétrons no circuito, ou seja, temos corrente elétrica. Este processo continua até não existir mais diferença de potencial entre uma das placas do capacitor e o polo positivo da fonte e entre a outra placa e o polo negativo da fonte. Quando isso ocorre, não temos mais corrente elétrica e o capacitor mantém em suas placas várias cargas elétricas (q) armazenadas totalizando numa carga elétrica Q. Essa carga elétrica é igual nas duas placas, mas de sinais opostos. A figura abaixo resume as etapas de carga do capacitor. Antes de conectar a fonte Logo após conectar a fonte Depois de algum tempo com a fonte conectada Desta forma, com o capacitor carregado: A corrente elétrica no circuito se interrompe O capacitor mantém a carga +Q armazenada em uma das placas e Q armazenada na outra placa A tensão ou ddp entre os terminais do capacitor é o mesmo que da fonte de tensão O processo de carga no capacitor não ocorre instantaneamente, porém o tempo que ele leva para se carregar é muito pequeno (esse tempo, claro, depende do valor da capacitância, pois quanto maior, maior a carga que poderá ser armazenada e consequentemente maio o tempo até atingir a carga máxima, mas mesmo assim ainda é um tempo muito curto). Graficamente, a tensão sobre o capacitor tem o seguinte aspecto: Prof. Marcio Kimpara Página 4

5 Vc V fonte Capacitor carregado com a tensão da fonte Tempo para o capacitor se carregar tempo DESCARGA Ao se retirar a fonte utilizada para carregar o capacitor este permanecerá carregado e esta energia pode ser utilizada para abastecer o circuito elétrico. Assim, conectando-se o capacitor carregado a um resistor, por exemplo, a tensão no capacitor faz circular uma corrente elétrica. Novamente devemos lembrar que a corrente não passa pelo interior do capacitor (por causa do isolante separando as duas placas), os elétrons simplesmente saem de uma placa e chegam até a outra. Sendo assim, essa corrente elétrica NÃO é ilimitada como o de uma fonte de tensão. A corrente permanece até que não exista mais diferença de potencial entre as placas, ou seja, até que as placas voltem a estar em equilíbrio elétrico ou, em outras palavras, descarregado. A figura abaixo mostra as etapas de descarga do capacitor. IMPORTANTE Em geral o tempo de descarga do capacitor é muito curto. Esse tempo de descarga depende da capacitância do capacitor e também da resistência do resistor que o capacitor está alimentando. Prof. Marcio Kimpara Página 5

6 OBS: Na prática o capacitor que estiver carregado NÃO permanece carregado durante um tempo indeterminado. Isso quer dizer que se carregarmos um capacitor em um dia, pode ser que no dia seguinte o capacitor já tenha se descarregado. Isso ocorre porque existe uma corrente muito pequena que consegue atravessar o material isolante. Com isso o capacitor vai perdendo a diferença de potencial e se descarregando muito lentamente. * Dependendo da qualidade do capacitor, esse tempo em que ele segura a carga é grande, mas não ilimitado. * A capacitância de um capacitor depende da área das placas que armazenam a carga e da distância entre estas placas. Graficamente, a tensão no capacitor tem o seguinte comportamento durante a descarga: Vc V fonte Tempo para o capacitor se descarregar tempo CAPACITOR EM SÉRIE EM CIRCUITOS DE CORRENTE CONTÍNUA Simplificadamente podemos considerar 2 efeitos para um capacitor conectado em série com uma carga num circuito CC: C E R Primeiro: Pelo que foi explicado anteriormente, logo que o circuito é ligado o capacitor irá se carregar. Assim, uma grande quantidade de elétrons irá sair da fonte em direção à placa do capacitor. Prof. Marcio Kimpara Página 6

7 Como o capacitor permite a circulação de corrente e essa corrente é elevada, dizemos que neste primeiro instante o capacitor é um curto-circuito para o restante do circuito. C Curto-circuito E R Segundo: Assim que carregado, não haverá mais diferença de potencial entre as placas do capacitor e a fonte de tensão, logo não existirá mais corrente elétrica. Logo, dizemos que após estar carregado (o que acontece rapidamente) o capacitor passa a se comportar como um circuito aberto. C Circuito aberto E R TIPOS Existem muitos tipos de capacitores para as mais diversas aplicações. Os capacitores são classificados, geralmente, com relação ao material do seu dielétrico. Os tipos mais comuns são: Capacitores Cerâmicos (também conhecidos como disco cerâmico); Capacitores de Filme Plástico (de poliéster, policarbonato, polipropileno e poliestireno); Capacitores Eletrolíticos de Alumínio; Capacitores de Tântalo; Os Capacitores de Disco Cerâmico são capacitores cujo dielétrico é feito de material cerâmico. Os capacitores de Disco Cerâmico apresentam capacitâncias de média a baixa, na ordem de PICOFARADS. São usados geralmente em circuitos que operam em alta freqüência, onde o baixo fator de perdas e a alta estabilidade do valor da capacitância são importantes. Existem ainda os capacitores cerâmicos plate. Plate é um tipo de capacitor cerâmico cujas principais vantagens e características são: tamanho ultra reduzido, grande estabilidade no valor da capacitância, baixo custo e uma estreita faixa de tolerância. Prof. Marcio Kimpara Página 7

8 Os Capacitores de Filme Plástico se caracterizam por apresentarem como dielétrico uma lâmina de material plástico (poliéster, polipropileno, poliestireno, policarbonato). Sua capacitância é da ordem de NANOFARADS. Como característica este tipo de capacitor apresenta baixíssimas perdas no dielétrico, alta resistência de isolação, estabilidade da capacitância, baixa porosidade e consequente resistência à umidade. Estudamos anteriormente que todo capacitor é constituído de duas armaduras com um dielétrico entre elas. Embora este princípio também seja válido para os Capacitores Eletrolíticos, a principal diferença entre estes e os demais tipos de capacitores se deve ao fato de que um dos eletrodos é constituído de um fluído condutor - o eletrólito - e não somente uma armadura metálica. O outro eletrodo é constituído de uma folha de alumínio em cuja superfície é formada, por processo eletroquímico, uma camada de óxido de alumínio servindo como dielétrico. A preferência por capacitores eletrolíticos deve-se à sua alta capacitância específica (grandes valores de capacitância em volume relativamente reduzido) apresentando capacitâncias na ordem de MICROFARADS. Os Capacitores Eletrolíticos de Tântalo utilizam o óxido de tântalo como isolante e também são polarizados devido à existência do eletrólito. Os capacitores de óxido de tântalo são designados especificamente para aplicações em circuito impresso que requeiram baixo fator de perdas. Oferecem ainda: - Longa vida operacional; - Grande compacticidade (alta capacitância em volume relativamente reduzido); - Elevada estabilidade dos parâmetros elétricos. IMPORTANTE Os capacitores eletrolíticos possuem polaridade. Isso significa que deve-se tomar cuidado para ligar o terminal positivo do capacitor ao terminal positivo da fonte e o terminal negativo do capacitor ao terminal negativo da fonte. O terminal negativo vem destacado no corpo do componente * Outra dica: O terminal positivo do capacitor eletrolítico é mais longo que o terminal negativo. CAPACITORES NA PRÁTICA Na prática é necessário identificar os parâmetros principais dos capacitores que são capacitância e tensão máxima. Prof. Marcio Kimpara Página 8

9 Identificação da Capacitância Nominal do Capacitor Cerâmico: Os capacitores cerâmicos geralmente podem ser identificados através de um código de 3 algarismos, sendo que os dois primeiros indicam os dois algarismos e o terceiro algarismo indica o número de zeros. Apesar de não aparecer a unidade, o valor lido é em picofarads (pf). Exemplo: 80 pf Note nos capacitores seguintes o aparecimento de uma letra maiúscula ao lado dos números. Esta letra refere-se a tolerância do capacitor, ou seja, o quanto que o capacitor pode variar de seu valor em uma temperatura padrão de 25 C. Segue na tabela abaixo, os códigos de tolerâncias de capacitância. Até 0pF Código Acima de 0pF ±0,pF B ±0,25pF C ±0,5pF D ±,0pF F ±% G ±2% H ±3% J ±5% K ±0% M ±20% S -50% -20% O capacitor G dos exemplos anteriores apresenta uma letra minúscula no meio dos algarismos de identificação da capacitância. Isso é bastante comum, por exemplo: Prof. Marcio Kimpara Página 9

10 O desenho ao lado, mostra capacitores onde aparece uma letra "n" minúscula, como por exemplo: 3n3, significa que este capacitor é de 3,3nF. No exemplo, o "n" minúsculo é colocado ao meio dos números, apenas para economizar uma vírgula e evitar erro de interpretação de seu valor. O valor de tensão pode vir escrito diretamente no corpo do componente. Quando não marcada, é preciso conferir no catálogo do fabricante. Exemplo: Capacitor cerâmico00pf 0% de 000V. Podemos identificar as características dos capacitores Plate pela cor do corpo do capacitor e pela cor da faixa superior. O valor da capacitância é gravado no próprio corpo de capacitor Prof. Marcio Kimpara Página 0

11 Identificação da Capacitância Nominal do Capacitor de Filme Plástico: A leitura das características dos capacitores de filme plástico pode ser efetuada: ) Leitura direta dos valores impressos: no corpo dos capacitores de filme plástico normalmente vêm indicadas a capacitância nominal (um número), a tolerância (em letra maiúscula) e a tensão nominal. A tabela para a tolerância é a mesma dos capacitores cerâmicos. Exemplo: Capacitância: 0,47uF Capacitância: 3,3nF Tolerância: K (0%) Tolerância: K (0%) Tensão: 00V Tensão: 63V 2) Leitura por código de cores: Para capacitores do tipo poliéster metalizado, o corpo do capacitor vem pintado com cinco faixas coloridas. A leitura deve ser feita de acordo com uma tabela, começando com a faixa superior. O valor dado é em NANOFARADS. A tabela abaixo mostra como interpretar o código de cores dos capacitores abaixo. No capacitor "A", as 3 primeiras cores são, laranja, laranja e laranja, correspondem a 33000, equivalendo a 3,3 nf. A cor branca, logo adiante, é referente a ±0% de tolerância. E o vermelho, representa a tensão nominal, que é de 250 volts. ª Algarismo 2ª Algarismo 3ª N de zeros 4ª Tolerância 5ª Tensão PRETO ± 20% - MARROM 0-00V VERMELHO V / 250V LARANJA V AMARELO V VERDE V AZUL V / 630V VIOLETA V CINZA V BRANCO ± 0% 900V Prof. Marcio Kimpara Página

12 Identificação da Capacitância Nominal dos Capacitores Eletrolíticos: Geralmente os capacitores eletrolíticos (alumínio ou tântalo) trazem suas características nominais de capacitância, tensão e tolerância, diretamente impressas no corpo do capacitor. Geralmente a capacitância nominal vem impressa em microfarads (uf). Exemplo: Capacitor eletrolítico de tântalo Capacitância: 2,2uF Tensão: 25V Capacitor eletrolítico de alumínio Capacitância: 000uF Tensão: 6V Tabela Capacitores Comerciais.0F.F.2F.3F.5F.6F.8F 2.0F 2.2F 2.4F 2.7F 3.0F 3.3F 3.6F 3.9F 4.3F 4.7F 5.F 5.6F 6.2F 6.8F 7.5F 8.2F 9.F Para obter os demais valores multiplique pelos submultiplos: mili, micro, nano e pico. ASSOCIAÇÃO SÉRIE/PARALELO Assim como resistores, os capacitores também podem ser associados com o objetivo de obter valores de capacitâncias equivalentes diferentes dos valores comerciais em que os capacitores são fabricados. SÉRIE Numa associação de capacitores em série (sequência) as placas se carregam em efeito cascata e todos os capacitores adquirem a mesma carga Q. Entretanto, como estão em série, a tensão aplicada ao circuito é dividida entre os capacitores. A capacitância equivalente é dada por: Prof. Marcio Kimpara Página 2

13 C C2 C3 C eq C C 2 C 3 A capacitância equivalente de capacitores em série é dada pelo inverso da soma dos inversos das capacitâncias individuais. PARALELO Na associação em paralelo de capacitores todos os capacitores estão sujeitos a mesma tensão. Porém cada capacitor assume uma carga Q independente (que depende do valor da capacitância) A capacitância equivalente de uma associação em paralelo é calculada por: C C2 C3 C eq C C2 C3 A capacitância equivalente de capacitores em paralelo é dada pela soma das capacitâncias dos capacitores individuais. ALERTA! Cuidado para não confundir a associação de resistores e capacitores. As fórmulas para calcular os valores equivalentes são similares, porém ao contrário quando se trata de associações série e paralelo. ESPECIFICAÇÃO Principais parâmetros As principais especificações que devemos saber para comprar ou mesmo ligar um capacitor ao circuito são: Capacitância: parâmetro principal do componente (capacidade de armazenar carga). É o valor para o qual o capacitor foi fabricado (valor nominal). O valor real da Prof. Marcio Kimpara Página 3

14 capacitância pode apresentar um desvio (uma diferença), em relação ao valor nominal. Tolerância: a tolerância é uma faixa de variação admissível para a capacitância que o capacitor realmente apresenta. O valor da tolerância pode ser expresso em valor percentual da capacitância nominal. Tensão: máxima tensão que o componente suporta (tem a ver com o dielétrico no interior do componente) Além destas ainda existem as especificações de temperatura que devem ser observadas sempre que o circuito a ser montado seja exposto a elevadas temperaturas. EXEMPLO: Capacitor 3300uF de 35V Temperatura suportada: de -40 a 05ºC UTILIZANDO O MULTÍMETRO Caso você não consiga fazer a leitura da capacitância diretamente no corpo do capacitor, é possível utilizar o multímetro (com a chave seletora na posição adequada) para medir o valor da capacitância. Procure pelo símbolo do capacitor OBS: Nem todo multímetro possui a função de medir capacitância. Existem ainda os capacitores SMD que são componentes de tamanho extremamente reduzido. O valor da capacitância ou tensão suportada não são informados no corpo do Prof. Marcio Kimpara Página 4

15 componente. Por isso é preciso consultar o fabricante ou utilizar o multímetro para medir. APLICAÇÕES Armazenador de energia: Circuitos de flash para máquinas fotográficas Filtros de tensão: Filtros na saída dos circuitos retificadores Acoplamento Filtros passa baixa, passa alta, passa banda * Veremos estas e outras aplicações com o decorrer do curso!!! INDUTORES Um indutor é um componente eletrônico bastante simples, constituído por uma bobina de material condutor, por exemplo, fio de cobre. Por esta razão o indutor é popularmente conhecido como bobina. Os indutores são componentes formados por espiras (fio enrolado) de fio esmaltado (para evitar o contato entre uma espira e outra) numa forma dentro da qual pode ou não existir um núcleo de material ferroso. Núcleo ferroso Os indutores funcionam a partir de efeitos magnéticos e apresentam uma propriedade elétrica denominada indutância. Assim, a presença de um núcleo de material ferroso (ferro, ferrite, ligas, etc) proporcionam uma indutância maior. O núcleo funciona como um caminho magnético para as linhas de fluxo magnético (essas linhas são invisíveis). Além do material o formato do núcleo também pode variar. É bastante comum encontrarmos nos diversos circuitos eletrônicos os indutores toroidais. Prof. Marcio Kimpara Página 5

16 SIMBOLOGIA Indutores com núcleos toroidais de diversos tamanhos Nos esquemas elétricos os indutores são simbolizados da seguinte maneira: Núcleo de ar Núcleo de ferrite Núcleo de ferro Na realidade existem outros tipos de materiais para os núcleos. De forma simplificada assume-se o símbolo do núcleo de ar como símbolo padrão. O formato do núcleo NÃO interfere na simbologia. A unidade da indutância é o Henry (H) * O valor da indutância é usualmente expressa em sub-unidades: mili-henry (mh), micro-henry (uh), nano-henry (nh) FUNCIONAMENTO DO INDUTOR Para entendermos melhor o efeito de um indutor num circuito alimentado por corrente contínua, vamos analisar o circuito abaixo. Neste circuito temos uma pilha (fonte de tensão contínua), um resistor e uma lâmpada em paralelo com um indutor (bobina). Prof. Marcio Kimpara Página 6

17 R A L Interruptor A lâmpada é feita por um fio de espessura muito pequena o que o torna um resistor - a resistência cria calor para fazer o filamento na lâmpada brilhar. O fio na bobina tem resistência muito menor. Então, o que era esperado é que quando se liga o interruptor, a lâmpada brilhe muito fracamente, pois a corrente deveria seguir o caminho de baixa resistência, ou seja, o caminho do indutor. Porém o que acontece é que quando você liga o interruptor, a lâmpada brilha intensamente e, na sequencia, fica mais fraca. Quando desliga o interruptor, a lâmpada brilha com intensidade e, então, desliga rapidamente. A razão para esse comportamento é a presença do indutor. Quando a corrente começa a fluir pelo circuito e encontra o ponto A, a corrente teria dois caminhos para seguir (uma parcela da corrente iria circular pela lâmpada e outra parcela iria circular pelo indutor). Entretanto, quando a corrente elétrica vai passar pela bobina, esta tende a estabelecer um campo magnético. Enquanto o campo é estabelecido, a bobina inibe o fluxo da corrente, ou seja, o indutor atrasa a circulação da corrente. Uma vez que o campo esteja estabelecido, a corrente pode fluir normalmente através do fio. Quando o interruptor é desligado, o campo magnético da bobina mantém a corrente fluindo até que o campo seja nulo. Essa corrente mantém a lâmpada acesa por um período de tempo, mesmo que o interruptor esteja desligado. Em outras palavras, um indutor pode armazenar energia no seu campo magnético e tende a resistir a qualquer mudança na quantidade de corrente que flui através dele. Assim como o capacitor, o indutor também pode armazenar energia. O indutor armazena energia na forma de campo magnético. O indutor é um componente que se opõe à variação de corrente elétrica. A tensão sobre o indutor é dada pela fórmula: V L i L. t i Onde L é o parâmetro indutância e representa uma variação de corrente no tempo. t Prof. Marcio Kimpara Página 7

18 Toda vez que a corrente no circuito varia, tem-se uma tensão sobre o indutor que tende i a se opor à variação da corrente. Quando a corrente não varia o termo na equação t vale zero e portanto, o indutor não tem efeito nenhum no circuito. Observe ainda que quanto maior a indutância (L) maior o efeito sobre o circuito. Assim, em circuitos de corrente contínua temos dois efeitos para o indutor: Primeiro: Logo que o circuito é ligado o indutor se comporta como um circuito aberto, pois a corrente era zero (antes de ligar o interruptor) e o indutor tende a mantê-la em zero (se opõe à variação de corrente). Segundo: Após a corrente começar a circular pelo indutor, este se comporta como um curto-circuito, ou seja, pode ser substituído por um fio, pois não interfere mais no funcionamento do circuito. Quando a tensão de alimentação sobe ao valor máximo (devido à Lei de Lenz) a bobina cria uma força contra-eletromotriz (tensão) que se opõe ao aumento da corrente. Quando a tensão de alimentação desce ao valor mínimo (devido à Lei de Lenz ), a bobina cria uma tensão que tende a manter a circulação da corrente no mesmo sentido. Prof. Marcio Kimpara Página 8

19 FATORES QUE DETERMINAM O VALOR DA INDUTÂNCIA O valor da indutância de um indutor é determinada por: o número de espiras (voltas) - mais espiras significam maior indutância; o material em que as bobinas são enroladas (o núcleo) - um núcleo de ferro oferece ao indutor muito mais indutância do que o ar e outros materiais além do ferro (ferrite, ligas magnéticas, etc) proporcionam indutâncias maiores ou menores que do ferro; O tamanho do núcleo.. INDUTORES NA PRÁTICA Na prática os indutores têm diferentes tamanhos, diferentes tipos de núcleo, diferentes bitolas de fios e podem utilizar fios esmaltados (para isolar) ou fios encapados. Os indutores geralmente NÃO trazem especificados o valor da indutância. Apenas alguns componentes comerciais apresentam anotados o valor da indutância em Henry ou um número de série que permite buscar junto ao catálogo do fabricante o valor da indutância. Exemplo de indutor comercial que apresenta o valor da indutância anotado no componente. No caso, indutor de 6,2uH. Por esta razão é difícil substituir um indutor com problemas em uma placa eletrônica. Geralmente, tenta-se reconstruir o componente enrolando um fio de mesmo comprimento que o do indutor danificado, mas utilizando o mesmo núcleo, com o objetivo de obter a mesma indutância. Além da dificuldade de não apresentar o valor da indutância, nem mesmo por algum código, os indutores não podem ser medidos facilmente na prática. Um procedimento experimental é utilizado para tal finalidade. Prof. Marcio Kimpara Página 9

20 Além da indutância, os indutores são ESPECIFICADOS pela corrente elétrica que suportam. Esse valor de corrente depende da bitola do fio que foi enrolado. ASSOCIAÇÃO DE INDUTORES Assim como resistores e capacitores, os indutores também podem ser associados em SÉRIE e PARALELO. O valor da indutância equivalente numa associação é bastante similar à dos resistores. SÉRIE O valor da indutância equivalente de indutores ligados em série é dado por: L L2 L3 L eq L L2L3 A indutância equivalente em série é a SOMA das indutâncias individuais. * A fórmula acima vale para qualquer quantidade de indutores associados em série. PARALELO L L2 L3 L eq L L 2 L 3 O inverso da indutância equivalente da associação paralela é a SOMA do INVERSO das indutâncias individuais * A fórmula acima vale para qualquer quantidade de indutores associados em paralelo. Prof. Marcio Kimpara Página 20

21 APLICAÇÕES Os indutores tem sua aplicação quase que exclusivamente como filtros. O indutor é utilizado como filtro de corrente para alisar, estabilizar a forma de onda da corrente. Além disso, existem os filtros de frequência formados por capacitores e indutores utilizados em circuitos de sintonia, ou filtragem de sinal (filtros passa baixa, passa alta, passa banda, etc) * Estudaremos estes filtros mais adiante. TENSÃO / CORRENTE ALTERNADA Nos circuitos estudados até o momento utilizamos fontes de tensão CONTÍNUA, isto é, uma fonte cujo valor da tensão permanecia sempre constante no valor definido. Além disso, a polaridade da tensão nos terminais de fonte de tensão contínua não se altera NUNCA, o terminal positivo é sempre positivo e o negativo é sempre negativo. Os circuitos eletrônicos funcionam quase que exclusivamente utilizando fontes de tensão contínua. Entretanto, o tipo de tensão disponível nas tomadas em geral é do tipo ALTERNADA, isto é: uma fonte de tensão cuja POLARIDADE alterna (troca) de sinal periodicamente. Além disso, o valor NÃO é constante, ao invés disso o valor da tensão tem um aspecto SENOIDAL. A fonte de tensão alternada não tem polaridade definida, ora um terminal é positivo, ora negativo. A ddp entre os terminais da fonte de tensão alternada varia a todo instante. Qualquer tensão que troque de polaridade é dita como sendo alternada. Observe nas figuras abaixo a representação gráfica de diferentes tipos de sinais de tensão alternada. Mas, como dito anteriormente, o sinal de tensão disponível nas tomadas é do tipo SENOIDAL. Essa forma de onda se deve ao modo como é produzida a tensão alternada nas usinas geradoras, mais especificamente devido aos geradores elétricos. Prof. Marcio Kimpara Página 2

22 Porque tensão alternada??? Porque ela pode ser transmitida a grandes distâncias mais economicamente que a corrente contínua, sem grandes perdas. Para isso, é preciso elevar e diminuir a tensão por meio de transformadores. Simbologia: A representação de uma fonte de tensão alternada alimentando os circuitos será: CARACTERÍSTICAS DA TENSÃO ALTERNADA CICLO: Ciclo de uma tensão alternada senoidal é a sequência de valores onde, a partir do qual, os valores voltam a se repetir. Em outras palavras ciclo é toda a parcela da onda que se mantém diferente e depois volta a se repetir. Um ciclo é composto por dois semiciclos, um positivo e um negativo. No semiciclo positivo a tensão sai de zero, sobe até o valor máximo (V máx ), onde a partir do qual começa a diminuir até chegar novamente a zero. Quando a tensão entra no semiciclo negativo (começa aumentar negativamente), ocorre uma mudança de polaridade, o terminal que era positivo no semiciclo positivo, agora é negativo. A tensão aumenta até chegar ao máximo negativo (-V máx ), quando começa, então, a diminuir até chegar a zero, a partir do qual começa um novo ciclo. PERÍODO: É o intervalo de TEMPO necessário para se completar um ciclo. O período é representado pela letra T (maiúscula) e sua unidade é o segundo (s). FREQUÊNCIA: É a quantidade de ciclos gerados a cada segundo. A frequência é o inverso do período e sua unidade é o Hertz (Hz). * No Brasil, a tensão alternada que utilizamos tem 60 Hz. Isso significa que a cada segundo ocorrem 60 ciclos. Relação entre período e frequência f T f Hz T s Quanto maior a frequência, menor o período. Prof. Marcio Kimpara Página 22

23 AMPLITUDES DE UMA TENSÃO ALTERNADA Existem várias formas de se representar numericamente uma tensão alternada senoidal. Valor de pico (VP) É o valor máximo atingido pela onda senoidal de tensão. A tensão atinge o valor de pico uma vez a cada semiciclo. Valor de pico a pico (VPP) É o dobro do valor de pico. É a faixa de tensão entre o pico positivo e o pico negativo. VPP 2 VP Valor eficaz (Vef) O valor eficaz ou valor RMS (valor quadrático médio) é o valor que a tensão alternada deveria ter se fosse contínua para produzir a mesma quantidade de calor. Suponha que ligamos uma fonte de tensão alternada aos terminais de um resistor durante um minuto, levando o mesmo se aquecer a 00ºC. O valor de tensão contínua aplicada ao mesmo resistor durante o mesmo tempo, fazendo com que o mesmo se aqueça com a mesma temperatura, é o valor eficaz desta tensão alternada. O valor RMS é calculado dividindo-se o valor de pico por 2 (raiz de 2). Vpico VRMS ou V pico V RMS 2 2 Uma tensão alternada aplicada diretamente em qualquer circuito dará origem a uma corrente elétrica também alternada. Porém de acordo com os componentes presentes neste circuito, a corrente elétrica sofre alguns fenômenos, como atraso ou adiantamento. Estudaremos estes circuitos e efeitos mais adiante. TRANSFORMADOR Como dito anteriormente a grande vantagem da tensão alternada é que ela pode ser transportada a longas distâncias com baixas perdas, devendo para isto, ser manipulada. Prof. Marcio Kimpara Página 23

24 O termo manipular significa que a tensão alternada pode ser convertida facilmente para diferentes níveis, ou seja, pode ser abaixada ou elevada de maneira simples através de um TRANSFORMADOR. Como o próprio nome sugere, o transformador transforma energia elétrica em energia elétrica, sua principal função é apenas modificar os níveis (amplitude) de tensão. O transformador é formado por um núcleo de ferro, onde são enrolados os enrolamentos primário e secundário, normalmente com fios de cobre. Funcionamento O transformador opera segundo o princípio da indução e por isso só funciona em tensão alternada. O transformador NÃO poderia ser utilizado em tensão contínua. Alimentando a bobina primária com tensão alternada, produz-se um campo magnético alternado. As linhas de campo são conduzidas pelo núcleo que submete a bobina secundária a ação deste campo. O campo magnético variável produz tensão na bobina secundária. Simbologia onde: V - Tensão no Primário V2 - Tensão no Secundário N - Número de enrolamentos (espiras) no Primário N2 - Número de enrolamentos (espiras) no Secundário Para que serve o transformador? Na maioria das aplicações em eletrônica o transformador serve para abaixar o valor da tensão existente nos plugs das tomadas para valores aceitáveis em eletrônica. Prof. Marcio Kimpara Página 24

25 RELAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO A tensão obtida no secundário depende do número de espiras do enrolamento. A relação de transformação, ou seja, a relação entre a tensão aplicada e a tensão obtida é diretamente proporcional à relação entre espiras. Isto é: V V 2 N N 2 Considerando um transformador ideal, ou seja, sem perdas, a potência de entrada deve ser igual a potência de saída, então fazemos: P P V I V V entrada 2 I I V I 2 saída 2 2 Com isso temos que a relação entre as correntes é inversamente proporcional a relação de tensão. Juntando as expressões, obtemos a formula geral para o transformador (ideal): N N 2 V V 2 I I 2 a A letra a na fórmula acima representa a relação de transformação, ou seja, é apenas um número (sem unidade) que representa a divisão de N por N 2 (que deve ser o mesmo número quando dividimos V por V 2 ; ou I 2 por I ). * Na prática, existem as perdas, mas em geral não são muito grandes e para facilitar os cálculos e ter uma noção da corrente no secundário, a fórmula acima é utilizada, mesmo sendo obtida considerando um transformador ideal. EXEMPLO: Um transformador possui 550 Espiras no primário e.00 Espiras no secundário. Se for aplicado 0V no primário, qual será a tensão de saída no secundário? N N V V 2 2 V V V Prof. Marcio Kimpara Página 25

26 * Importante: No transformador elevador de tensão a corrente do secundário é menos que no primário, isto é, o diâmetro do fio do secundário pode ser menor que o do primário. No transformador redutor (abaixador) de tensão a corrente do secundário é maior que no primário, isto é, o diâmetro do fio do secundário deve ser maior que do primário. CLASSIFICAÇÃO De acordo com a relação de transformação, podemos classificar os transformadores em elevadores, abaixadores ou isoladores. Elevador (a < ) Abaixador (a > ) Isolador (a = ) Prof. Marcio Kimpara Página 26

27 TRANSFORMADORES NA PRÁTICA Especificações Na prática os transformadores são especificados pela tensão de entrada, tensão de saída e corrente de saída. A simbologia sugere que o transformador tenha 2 terminais na entrada e 2 na saída. Entretanto é comum os transformadores apresentarem 3 terminais na ENTRADA (primário), como na foto abaixo. Isto significa que com 3 terminais o transformador é flexível para ser ligado tanto em 27V como em 220V fornecendo sempre a mesma tensão de saída para o qual foi fabricado. Os transformadores também podem possuir 3 terminais na SAÍDA (secundário) sendo conhecidos por transformadores de tap central. Ligação transformador de 3 terminais Transformador real Três terminais na saída Ocorre quando o transformador tem o enrolamento secundário com derivação central. Vejamos o exemplo de um transformador 2V+2V (esta é a nomenclatura para este tipo de saída) No secundário se usarmos um dos terminais da extremidade e o terminal central termos 2V. Pode ser utilizado QUALQUER um dos terminais extremos em conjunto com o ponto central para obter os 2V. Se utilizarmos os dois terminais extremos, teremos 24V. Três terminais na entrada Transformadores que podem ser ligados em 27V ou 220V. No primário temos dois enrolamentos e três terminais. Ao ligarmos um dos extremos ao terminal Prof. Marcio Kimpara Página 27

28 central devemos aplicar 27V a este transformador. Neste caso NÃO pode ser qualquer um dos extremos. É preciso saber qual dos fios extremos ligar em conjunto com o central. Geralmente olhando de frente para o transformador, o fio da esquerda é que deve ser utilizado para obter 27V. Em todo caso, pode-se utilizar o multímetro para identificar, medindo entre o central e cada um dos extremos, o enrolamento que tem os 27V é um pouco maior, ou seja, tem maior resistência. Utilizando-se os dos terminais extremos, liga-se o transformador em 220V. ** Os transformadores podem possuir 3 terminais de entrada e 3 de saída ao mesmo tempo, seria uma combinação dos dois casos apresentados acima. Chave seletora Quando vamos montar uma fonte não podemos prever em qual tensão primária o equipamento será ligado, por isso, em muitos casos os equipamentos possuem as duas opções: 27V ou 220V. A tensão é escolhida pelo usuário através de uma chave seletora. IDENTIFICANDO OS TERMINAIS DO TRANSFORMADOR Na prática como saber qual é o primário e o secundário? Quando novos os transformadores possuem etiquetas, mas que podem se perder com tempo. Assim podemos fazer esta identificação utilizando o multímetro. Como todo o fio possui uma resistência interna (pequena, mas existe) quanto maior o comprimento deste fio maior a resistência. Se medirmos a resistência (ohmímetro) entre os terminais do transformador, então quanto maior o número de espiras (comprimento) maior será a resistência medida. Como na eletrônica utilizamos os transformadores quase que exclusivamente para abaixar a tensão, o primário será o lado que possuir maior resistência. Exemplo: Vejamos um transformador abaixador com relação de transformação a=2, medindo a resistência entre os terminais, teremos: Prof. Marcio Kimpara Página 28

29 DIODOS Componente de material semicondutor cuja característica é conduzir corrente elétrica em um sentido e bloquear no sentido inverso. SEMICONDUTORES matéria Toda matéria é composta por átomos. Um átomo é formado por um núcleo contendo prótons e nêutrons e camadas onde circulam os elétrons. A quantidade de camadas depende do material e cada camada contém um número máximo de elétrons. A última camada de cada átomo é chamada de camada de valência. Segundo a teoria do octeto, a camada de valência precisa de 8 elétrons para que o átomo esteja estável, neutro. Prof. Marcio Kimpara Página 29

30 Os materiais condutores (cobre, prata, alumínio, etc) possuem menos de 4 elétrons na camada de valência. Isso significa que o átomo destes materiais fornecem esses elétrons que estão sobrando com facilidade. Estes elétrons se desprendem e vagam como elétrons livres. Já os materiais isolantes (borracha, mica, madeira, etc) possuem de mais de 4 elétrons na camada de valência. Quando um elétron se liga a este átomo ele fica preso pela maior possibilidade de se tornar estável (possuir 8 elétrons). Existe, no entanto, uma terceira categoria de materiais: os SEMICONDUTORES. Esses possuem propriedade intermediária em relação àquelas dos condutores e dos isolantes. O termo semicondutor sugere algo entre os condutores e os isolantes, pois o prefixo semi é aplicado a algo no meio, entre dois limites. Enfim, um semicondutor é um material que possui valores típicos de condutividade elétrica e resistividade elétrica numa faixa entre os extremos definidos por materiais considerados isolantes e condutores. Quando se analisa a estrutura do Silício e do Germânio observa-se que os dois possuem quatro elétrons na última camada (camada de valência). Para que o elemento semicondutor seja útil precisamos que ele NÃO seja puro. Desta forma, precisamos tratá-lo conforme nossa necessidade. Tal técnica de adicionar impurezas se chama Doping. Se adicionarmos impurezas com um elétron a mais na camada de valência, como átomos de fósforo, antimônio, arsênico, teremos uma substância com elétrons extras. Se por outro lado adicionarmos ao silício elementos com um elétron a menos na camada de valência como o boro, temos uma substância com lacunas extras. Definimos assim, dois tipos de semicondutores: TIPO P e TIPO N Quando se juntam em uma única pastilha dois materiais sendo um do tipo P e outro do tipo N forma-se uma junção PN, comumente chamado de diodo. No instante da junção entre os dois tipos de materiais, ocorre a combinação entre alguns elétrons do lado N e as lacunas do lado P. Entretanto esta combinação ocorre apenas na região próxima a fronteira. Com isso forma-se uma zona chamada de camada de depleção onde existem ligações estabilizadas. Além de certo ponto, a camada de depleção atua como uma barreira impedindo a difusão de elétrons livres através da junção. Prof. Marcio Kimpara Página 30

31 POLARIZAÇÃO O termo polarização significa aplicar uma tensão com polaridade (positivo e negativo) definida. Na polarização direta de uma junção PN, o positivo da fonte é ligado ao material tipo P e o negativo é ligado ao material tipo N. Assim, o terminal negativo repele os elétrons livres do material N em direção a junção, que podem atravessar a junção e encontrar as lacunas do lado P (porque agora possuem energia extra, ou seja, a pressão exercida pela fonte). Conforme os elétrons encontram as lacunas eles se recombinam com as lacunas sucessivamente, continuando a se deslocar para a esquerda através das lacunas até atingirem a extremidade esquerda do material P, quando então deixam o cristal e fluem para o pólo positivo da fonte. Quando se liga o pólo positivo da bateria ao lado N diz-se que a junção está reversamente polarizada. Quando isto acontece os elétrons livres do lado N se afastam da junção em direção ao pólo positivo da bateria; as lacunas da região P também se afastam da região de junção, aumentando a largura da camada de depleção. Com o aumento da tensão reversa aplicada sobre a junção, mais larga se torna a camada de depleção. A camada só pára de aumentar quando a tensão sobre a camada de depleção for igual a tensão da fonte. O aumento da camada de depleção NÃO é infinito, pois esta pode se romper e destruir o componente. Prof. Marcio Kimpara Página 3

32 RESUMINDO: Diodo Conduz Diodo Bloqueia Simbologia CONDIÇÃO PARA CONDUÇÃO Tensão de ânodo > Tensão do Cátodo (K) DIODOS EM CIRCUITOS Quando analisamos circuitos contendo diodos, primeiramente precisamos identificar se o diodo está diretamente polarizado (conduzindo) ou reversamente polarizado (bloqueado). Quando está no estado LIGADO, ou seja, conduzindo, o diodo pode ser substituído por um CURTO-CIRCUITO. Quando está no estado BLOQUEADO o diodo pode ser substituído por um CIRCUITO-ABERTO. EXEMPLO Quais lâmpadas estão acesas e quais estão apagadas??? Prof. Marcio Kimpara Página 32

33 Resp: Acesas: L3 Apagadas: L2 e L CURVA DE OPERAÇÃO A substituição do diodo por um curto-circuito quando ele está no diretamente polarizado é uma simplificação. Na prática o diodo apresenta uma pequena queda (consumo) de tensão quando está conduzindo. No gráfico abaixo é possível visualizar que para conduzir I D o diodo consome 0.6V (silício) ou 0.3V (germânio) de tensão direta (V D ). A curva também mostra que existe uma tensão reversa (V R ) máxima que o diodo suporta, acima da qual o componente permite condução no sentido reverso. Esta tensão é chamada de tensão de ruptura. Prof. Marcio Kimpara Página 33

34 Quando estão diretamente polarizados (conduzindo) os diodos possuem um limite para a corrente que circula através dele acima da qual o componente queima. Esta corrente é chamada de corrente direta (I D ) e é especificada pelo fabricante. Como os diodos não são componentes ideais, quando estão no estado bloqueado eles permitem a circulação de uma pequena corrente, da ordem de micro-amperes, chamada de corrente de fuga. Esta corrente é muito baixa e não interfere na grande maioria das aplicações contendo diodos. DIODOS NA PRÁTICA * A faixa no corpo do componente determina o terminal Cátodo. ESPECIFICAÇOES As principais especificações dos diodos que devem ser observadas antes de utilizá-los nos circuitos eletrônicos são: Corrente direta (Maximum Forward Current) Corrente reversa (Maximum Reverse Current) Tensão de ruptura (Maximum Blocking Voltage) Prof. Marcio Kimpara Página 34

35 Todos estes, e outros parâmetros (temperatura, dimensões físicas do componente, etc) estão reunidos nos chamados DATASHEETS. O nome datasheet é um termo em inglês que traduzido significa folha de dados, é uma espécie de manual do componente, onde existem todas as informações necessárias. As informações estão em inglês. A utilização destas folhas de dados se deve ao tamanho do componente ser muito reduzido para trazer as informações escritas. Assim, o fabricante imprime apenas um número (uma espécie de código) que é utilizado para identificar o componente e localizar sua folha de dados (datasheet) correspondente. Todos os datasheets estão disponíveis na internet, basca procurá-los através do código lido no componente. VERIFICAÇÃO DO DIODO A condição de um diodo (bom ou danificado) pode ser verificada utilizando-se um multímetro. Alguns multímetros digitais possuem a função específica para teste do diodo. Mas caso o multímetro não possua esta função, o teste pode ser realizado através da função ohmímetro, ou seja, através da medição da resistência do diodo. Função de teste do diodo Um multímetro com display digital, com a alternativa de teste do diodo possui um pequeno símbolo do diodo como opção para o seletor de funções/escala. Quando o seletor é colocado nesta posição, e as ponteiras posicionadas como na Figura, o diodo deve estar no estado ligado e o display fornecerá uma indicação de tensão de polarização direta, tal como 0,7V (diodos se silício). Uma indicação OL (ou se aparecer o número ) no visor do instrumento revela um diodo defeituoso aberto. PONTEIRA PRETA PONTEIRA VERMELHA Figura Diodo sendo medido polarizado diretamente (ponteira vermelha no anodo e preta no catodo). Agora se as pontas de teste do medidor forem invertidas, como na Figura 2, uma indicação OL (ou o número ) deve aparecer caso o diodo esteja em bom estado, pois neste caso ele estará reversamente polarizado (consideramos a ponteira vermelha como o polo positivo e a ponteira preta como o negativo). Prof. Marcio Kimpara Página 35

36 PONTEIRA VERMELHA PONTEIRA PRETA Figura 2 Diodo sendo medido polarizado reversamente (ponteira vermelha no catodo e preta no anodo). Em geral, uma indicação OL (ou ) em ambas as direções constitui uma indicação de um diodo aberto ou defeituoso. Verificação através do ohmímetro Todo componente apresenta uma resistência interna. No entanto, a resistência de polarização direta de um diodo é bem pequena comparada ao nível encontrado para a polarização reversa. Logo, se utilizarmos o multímetro na função ohmímetro e medirmos a resistência de um diodo usando as conexões da Figura, podemos esperar um valor relativamente baixo. Para a situação de polarização reversa (Figura 2), a leitura deve ser bem alta, exigindo uma escala para medida de alta resistência do medidor. Uma leitura de resistência elevada em ambas as direções indica obviamente um comportamento de circuito aberto (dispositivo defeituoso), enquanto uma leitura de resistência muito baixa em ambas as direções irá indicar um dispositivo também defeituoso, mas provavelmente em curtocircuito. TIPOS Existem diferentes tipos de diodo. Os diodos vistos até aqui são os diodos comuns, também chamados de diodos retificadores. No entanto existem ainda os diodos de sinal, utilizados apenas para pequenos sinais (não suportam correntes elevadas), diodos de potência que suportam elevadas tensões reversas e elevadas correntes (este diodo possui um encapsulamento diferente para ser utilizado em conjunto com dissipadores de calor, ver figura abaixo). Existem ainda os diodos especiais: o LED que é um diodo emissor de luz e também o diodo Zener que serve para estabilizar a tensão. Prof. Marcio Kimpara Página 36

37 Diodos de sinal Diodos de potência Diodos emissores de luz (LED) Diodos Zener Diodos de recuperação rápida LED O LED (Light Emitting Diode) é um tipo especial de diodo que tem a capacidade de emitir luz quando é atravessado por uma corrente elétrica. Este dispositivo tem o mesmo comportamento do diodo simples, permitindo a passagem de corrente no sentido direto anodo-catodo (neste caso o LED acende) e bloqueando a passagem de corrente no sentido inverso catodo-anodo (neste caso o LED não acende). A função de um LED é apenas para sinalização. Existem LEDs que emitem luz nas cores vermelha, verde, amarela e azul. Existem LEDs que emitem luz infravermelha, muito usados em sistemas de alarmes. Existem ainda os chamados LEDs bicolores e tricolores. Os terminais do LED podem ser identificados conforme mostra a figura acima. Olhando de baixo para cima, o lado do catodo possui um chanfro. Outra maneira seria observar o comprimento dos terminais do componente, o terminal positivo (anodo) possui um comprimento maior que o terminal do catodo. Prof. Marcio Kimpara Página 37

38 Se ainda assim não for possível identificar os terminais, pode-se fazer o teste com o multímetro semelhante ao do diodo comum, porém no teste do LED é muito mais simples, pois quando diretamente polarizado pelas ponteiras do instrumento, o componente se acende (se estiver em bom estado, é claro). * O diodo Zener será estudado mais adiante. APLICAÇÕES DO DIODO COMUM Retificação (transformar tensão alternada em contínua) Proteção (proteger contra inversão de polaridade no momento de conectar o circuito) Circuitos onde a corrente deve circular apenas em um sentido. Prof. Marcio Kimpara Página 38

39 REFERÊNCIAS - Texto e figuras de elaboração própria - Texto e figuras retirados de outros materiais/apostilas disponíveis na internet - Livros e artigos relacionados - Blogs, datasheets, fóruns Prof. Marcio Kimpara Página 39