Introdução aos Circuitos Elétricos. Corrente Elétrica

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1 Introdução aos Circuitos Elétricos Corrente Elétrica A corrente elétrica é um fluxo de elétrons que circula por um condutor quando entre suas extremidades houver uma diferença de potencial. Esta diferença de potencial chama-se tensão. A facilidade ou dificuldade com que a corrente elétrica atravessa um condutor é conhecida como resistência. Esses três conceitos: corrente, tensão e resistênca, estão relacionados entre si, de tal maneira que, conhecendo dois deles, pode-se calcular o terceiro através da Lei de Ohm Os elétrons e a corrente elétrica não são visíveis mas podemos comprovar sua existência conectando, por exemplo, uma lâmpada a uma bateria. Entre os terminais do filamento da lâmpada existe uma diferença de potencial causada pela bateria, logo, circulará uma corrente elétrica pela lâmpada e portanto ela irá brilhar. A relação existente entre a corrente, a tensão e a resistência denomina-se Lei de Ohm: Para que circule uma corrente de 1A em uma resistência de 1 Ohm, há de se aplicar uma tensão em suas extremidades de 1V (V = R.I). O conhecimento desta lei e o saber como aplicá-la são os primeiros passos para entrar no mundo da eletricidade e da eletrônica. Antes de se começar a realizar cálculos, há que se conhecer as unidades de medida. A tensão é medida em Volts (V), a corrente é medida em Amperes (A) e a resistência em Ohms (ohm) Unidades Básicas

2 Prefixos para indicar frações ou múltiplos de unidades RESISTORES, CAPACITORES, BOBINAS E TRANSFORMADORES RESISTORES Caso não haja limitação para a corrente elétrica num circuito, dada pela resistência de suas partes, a sua intensidade não poderá ser controlada e isso pode provocar uma conversão de energia em calor em uma quantidade além do previsto: é o caso do curto-circuito em que temos uma produção descontrolada de calor, com efeitos destrutivos. Para reduzir, de maneira controlada, a intensidade da corrente, oferecendo-lhe uma oposição ou resistência, ou então para fazer cair a tensão num circuito a um valor mais conveniente a uma determinada aplicação, usamos componentes denominados resistores. A quantidade de resistência que um resistor oferece à corrente elétrica, ou seja, sua resistência nominal é medida em ohms ( Ω ) e pode variar entre 0,1 e mais de Ω. Também usamos nas especificações de resistências os múltiplos do ohms, no caso o quilohm (kω ) e o megohm (MΩ ). Assim, em lugar de falarmos que um resistor tem 4700 Ω é comum dizermos 4,7 k ou simplesmente 4k7, onde o k substitui a vírgula. Para um resistor de ohms falamos simplesmente 2,7 M ou então 2M7. Resistores de valores fixos A ilustração mostra detalhes construtivos de um resistor de filme de carbono (carvão):

3 Durante a construção, uma película fina de carbono (filme) é depositada sobre um pequeno tubo de cerâmica. O filme resistivo é enrolado em hélice por fora do tubinho - tudo com máquina automática - até que a resistência entre os dois extremos fique tão próxima quanto possível do valor que se deseja. São acrescentados terminais (um em forma de tampa e outro em forma de fio) em cada extremo e, a seguir, o resistor é recoberto com uma camada isolante. A etapa final é pintar (tudo automaticamente) faixas coloridas transversais para indicar o valor da resistência. Resistores de filme de carbono (popularmente, resistores de carvão) são baratos, facilmente disponíveis e podem ser obtidos com valores de (+ ou -) 10% ou 5% dos valores neles marcados (ditos valores nominais). Resistores de filme de metal ou de óxido de metal são feitos de maneira similar aos de carbono, mas apresentam maior acuidade em seus valores (podem ser obtidos com tolerâncias de (+ ou-) 2% ou 1% do valor nominal). Resistores de fio, são feitos enrolando fios finos, de ligas especiais, sobre uma barra cerâmica. Eles podem ser confeccionados com extrema precisão ao ponto de serem recomendados para circuitos e reparos de multitestes, osciloscópios e outros aparelhos de medição. Alguns desses tipos de resistores permitem passagem de corrente muito intensa sem que ocorra aquecimento excessivo e, como tais, podem ser usados em fontes de alimentação e circuitos de corrente bem intensas. O "retângulo" com terminais é uma representação simbólica para os resistores de valores fixos tanto na Europa como no Reino Unido; a representação em "linha quebrada" (zig-zag) é usada nas Américas e Japão. Como os resistores são componentes em geral pequenos, os seus valores não são marcados com números e letras, ou através de um código especial que todos os praticantes de eletrônica devem conhecer. Neste código são usadas faixas coloridas conforme explicamos a partir da seguinte tabela: TABELA 1 Cor 1º anel 2º anel 3º anel 4º anel Preto - 0 x1 - Marrom 1 1 x10 1% Vermelho 2 2 x100 2% Laranja 3 3 x1000 3% Amarelo 4 4 x % Verde 5 5 x Azul 6 6 x Violeta Cinza Branco Prata - - x0,01 10% Dourado - - x0,1 5%

4 Código de cores A PRIMEIRA FAIXA em um resistor é interpretada como o PRIMEIRO DÍGITO do valor ôhmico da resistência do resistor. Para o resistor mostrado abaixo, a primeira faixa é amarela, assim o primeiro dígito é 4: A SEGUNDA FAIXA dá o SEGUNDO DÍGITO. Essa é uma faixa violeta, então o segundo dígito é 7. A TERCEIRA FAIXA é chamada de MULTIPLICADOR e não é interpretada do mesmo modo. O número associado à cor do multiplicador nos informa quantos "zeros" devem ser colocados após os dígitos que já temos. Aqui, uma faixa vermelha nos diz que devemos acrescentar 2 zeros. O valor ôhmico desse resistor é então ohms, quer dizer, 4 700Ω ou 4,7 kω. Verifique novamente, nosso exemplo, para confirmar que você entendeu realmente o código de cores dados pelas três primeiras faixas coloridas no corpo do resistor. A QUARTA FAIXA (se existir), um pouco mais afastada das outras três, é a faixa de tolerância. Ela nos informa a precisão do valor real da resistência em relação ao valor lido pelo código de cores. Isso é expresso em termos de porcentagem. Nosso resistor apresenta uma quarta faixa de cor OURO. Isso significa que o valor nominal que encontramos tem uma tolerância de 5% para mais ou para menos. Ora, 5% de são 235 então, o valor real de nosso resistor pode ser qualquer um dentro da seguinte faixa de valores: = e = Ainda sobre o código de cores A ausência da quarta faixa indica uma tolerância de 20%. O código de cores como explicado acima permite interpretar valores acima de 100 ohms. Com devido cuidado, ele pode se estendido para valores menores. Como serão as cores para um resistor de valor nominal 12 ohms? Será: marrom, vermelho e preto. A cor preta (0) para a faixa do multiplicador indica que nenhum zero (0 zeros) deve ser acrescentado aos dois dígitos já obtidos.

5 Qual será o código de cores para 47 ohms? A resposta é: amarelo, violeta e preto. Usando esse método, para indicar valores entre 10 ohms e 100 ohms, significa que todos os valores de resistor requerem o mesmo número de faixas. Para resistores com valores ôhmicos nominais entre 1 ohm e 10 ohms, a cor do multiplicador é mudada para OURO. Por exemplo, as cores marrom, preto e ouro indicam um resistor de resistência 1 ohm (valor nominal). Outro exemplo, as cores vermelho, vermelho e ouro indicam uma resistência de 2,2 ohms. Resistores de filme de metal, fabricados com 1% ou 2% de tolerância, usam freqüentemente um código com, 4 faixas coloridas para os dígitos e 1 faixa para a tolerância, num total de 5 faixas. Assim, um resistor de 1kΩ, 1% terá as seguintes faixas: marrom, preto, preto, marrom marrom zero 1% Já, um resistor de 56kΩ, 2% terá as seguintes faixas: Padrões E12 e E24 verde, azul, preto, vermelho vermelho zeros 2% Os resistores têm comumente valores como 2,2 (Ω, kω ou MΩ), 3,3 (Ω, kω ou MΩ) ou 4,7 (Ω, kω ou MΩ) e não encontra no mercado valores igualmente espaçados tais como 2, 3, 4, 5 etc. Os fabricantes não produzem resistores com esses valores ôhmicos nominais. Por que será? A resposta, pelo menos em parte tem algo a ver com a precisão expressas pelas porcentagens. Na tabela abaixo indicamos os valores encontrados nos denominados padrões E12 e E24, um para aqueles com tolerância de 10% e outro para a tolerância de 5%:

6 Os resistores são fabricados com resistências nominais de valores múltiplos desses vistos nas tabelas, por exemplo, 1,2Ω 12Ω 120Ω 1200Ω etc. Considere os valores adjacentes 100Ω e 120Ω do padrão E12; 100 é múltiplo de 10 e 120 é múltiplo de 12. Ora, como esse padrão é para tolerância de 10%, teremos: 10% de 100Ω = 10Ω e 10% de 120Ω = 12Ω. Assim sendo, os resistores marcados como 100Ω poderão ter qualquer valor entre 90Ω e 110Ω e os marcados como 120Ω poderão ter qualquer valor entre 108Ω e 132Ω. Essas duas faixas de alcances se sobrepõem, mas só ligeiramente; só 2Ω, entre 108Ω e 110Ω. Vamos repetir o raciocínio para valores do extremo da tabela, digamos 680Ω e 820Ω. O marcado como 680Ω poderá ter resistência real de até 680Ω + 68Ω = 748Ω, enquanto que aquele marcado como 820Ω poderá ter resistência tão baixa quanto 820Ω - 82Ω = 738Ω. Novamente há superposição porém, de valor bastante pequeno, só 10Ω! Os padrões E12 e E24 são projetados para cobrir todos os valores de resistência, com o mínimo de sobreposição entre eles. Associação em Série Na associação em série, o resultado total (RT) será igual a soma de todas as resistências empregadas: RT=R1+R Rn

7 Associação em Paralelo Quando associamos resistências em paralelo, o resultado não será a soma total, mas sim a soma através da seguinte fórmula: 1/RT=1/R1+1/R2... Para somente dois resistores em parelelo podemos usar a formula: RT = (R1+R2)/(R1 x R2) Potência nos resistores Quando corrente elétrica circula através de resistores, especificamente, e nos condutores, em geral, esses sempre se aquecem. Neles ocorre conversão de energia elétrica em energia térmica. Essa energia térmica produzida, via de regra, é transferida para fora do corpo do resistor sob a forma de calor. A potência de um dispositivo qualquer nos informa "quanto de energia" foi convertida de uma modalidade para outra, a cada "unidade de tempo" de funcionamento. Energia convertida Potência = Tempo para a conversão As unidades oficiais para as grandezas da expressão acima são: Potência em watt (W), Energia em joule (J) e Tempo em segundo (s). Em particular, na Eletrônica, a potência elétrica nos informa quanto de energia elétrica, a cada segundo, foi convertida em outra modalidade de energia. Em termos de grandezas elétricas a expressão da potência pode ser posta sob a forma: Ou Potência elétrica = tensão x intensidade de corrente P = U. I Dentro da Eletrônica, para os resistores, onde a energia elétrica é convertida exclusivamente em energia térmica, essa potência passa a ser denominada potência dissipada no resistor. Desse modo, podemos escrever: P = U. I = (R.I). I = R. I 2

8 É importante e indispensável que a energia térmica produzida num resistor seja transferida para o meio ambiente sob a forma de calor. Ora, essa transferência irá depender, entre outros fatores, da superfície do corpo do resistor. Quanto maior for a área dessa superfície mais favorável será essa transferência. Um resistor de tamanho pequeno (área pequena) não poderá dissipar (perder energia térmica para o ambiente sob a forma de calor) calor com rapidez adequada, quando percorrido por corrente muito intensa. Ele irá se aquecer em demasia o que o levará à destruição total. A cada finalidade, prevendo-se as possíveis intensidades de corrente que o atravessarão, deve-se adotar um resistor de tamanho adequado (potência adequada) para seu correto funcionamento. Quanto maior o tamanho físico de um resistor maior será a potência que pode dissipar (sem usar outros artifícios). A ilustração abaixo mostra resistores de tamanhos diferentes: O resistor de carvão mais comum nos circuitos de aprendizagem são os de 0,5W. Em média, tais resistores, pelo seu tamanho, podem dissipar calor à razão de 0,5 joules a cada segundo, ou seja, têm potência máxima de 0,5W. POTENCIÔMETROS E TRIM-POTS São resistores variáveis, ou seja, dispositivos que podemos usar para variar a resistência apresentada à circulação de uma corrente elétrica. Na figura 6 temos os aspectos destes componentes. São constituídos por um elemento de resistência, que pode ser de carbono ou fio de nicromo, sobre o qual corre uma lingüeta denominada cursor. Conforme a posição deste cursor temos a resistência apresentada pelo componente. Veja que, tomando o potenciômetro ou trimpot da figura 7, à medida que o cursor vai de A para B, aumenta a resistência entre A e X ao mesmo tempo que diminui a resistência entre X e B. A resistência total entre A e B é a resistência nominal do componente, ou seja, o valor máximo que podemos obter. TRIMPOT Resistor de ajuste localizado geralmente nos circuitos. Com ajuste interno do equipamento pelo usuário. POTENCIÔMETRO - Resistor de ajuste, localizado geralmente no setor frontal do equipamento.

9 Podemos encontrar potenciômetros e trimpots com valores na faixa de fração de ohms até milhões de ohms. Se o mesmo eixo controlar dois potenciômetros, diremos que se trata de um potenciômetro duplo. Alguns potenciômetros incorporam um interruptor que é controlado pelo mesmo eixo, como acontece com os controles de volume de rádios e amplificadores. No mesmo controle podemos aumentar e diminuir o volume e ligar e desligar o aparelho (figura 8). Os potenciômetros são usados em diversas funções, como por exemplo, controles de volume, controle de tonalidade, sensibilidade, já que permitem o ajuste, a qualquer momento, das características desejadas. Já os trimpots são usados quando se deseja um ajuste único, ou seja, somente num determinado momento, levando o aparelho a um comportamento que deve ser definitivo (é claro que o ajuste pode ser refeito sempre que necessário, mas o trimpot normalmente fica dentro do aparelho, que nesse caso precisa ser aberto). Resistores não Lineares Os resistores não lineares são componentes bastante interessantes pois possuem certos comportamentos que mudam, dependendo da situação. Estes componentes tem como principal característica variar a resistência de acordo com a mudança de tensão, temperatura, grau de iluminação, entre outras grandezas físicas. Cada componente não linear exerce determinada função. Eis os principais:

10 LDR Um LDR (Light Dependent Resistor ou Resistor Dependente de Luz) altera sua resistência de acordo com a intensidade de luz recebida, através do efeito fotoelétrico. Sem luz há uma alta resistência entre os terminais. Ja com o aumento da iluminação, cai a resistência. Este dispositivo é bastante utilizado quando precisa-se detectar a variação de luminosidade para o controle de alarmes, de lâmpadas de acendimento noturno, etc. NTC's (Termistores) Os Termistores são os sensores de temperaturas utilizados em certos termostatos e termômetros, tendo sua resistência variada de acordo com a mudança de temperatura. São de dois tipos: NTC e PTC NTC's são os termistores que diminuem a resistência com o aumento da temperatura. PTC's são os termistores que aumentam a resistência com o aumento da temperatura. Varistores Os varistores estão sempre associados a proteção de fontes e circuitos de alimentação, pois seu funcionamentos se baseia na forte condução, ou seja, na queda brusca da resistência com o aumento da tensão. Esse componente é feito colocando-se entre duas placas metálicas um dielétrico (não confundir com capacitores) que, com o aumento da tensão tem sua resistência quase igual a zero. Deve-se prestar atenção para a tensão de ruptura desejada. CAPACITORES Os capacitores (que também são chamados erroneamente de condensadores) são componentes eletrônicos formados por conjuntos de placas de metal entre as quais existe um material isolante que define o tipo. Assim, se o material isolante for a mica teremos um capacitor de mica, se for uma espécie de plástico chamado poliéster, teremos um capacitor de poliéster. Duas placas, tendo um material isolante entre elas (chamado genericamente dielétrico), adquirem a propriedade de armazenar cargas elétricas e com isso energia elétrica. Na figura 10 mostramos um capacitor em que o dielétrico é o vidro e as placas, chamadas armaduras são planas. Quando encostamos uma placa na outra ou oferecemos um percurso para que as cargas se neutralizem, interligando as armaduras através de um fio, o capacitor se descarrega. A capacidade de um capacitor em armazenar cargas, melhor chamada de capacitância, é medida em Farad (F), mas como se trata de uma unidade muito grande, é comum o uso de seus submúltiplos.

11 Temos então o microfarad (μf) que equivale à milionésima parte do Farad ou 0, F. Um submúltiplo ainda menor é o nanofarad, que equivale a 0, F ou a milésima parte do microfarad e é abreviado por nf. Temos ainda o picofarad (pf) que é a milésima parte do nanofarad ou 0, F. É comum a utilização de potências de 10 para expressar números com muitos zeros. Assim temos as indicações da tabela 2: TABELA 2 1μF = 10-6 F 1nF = 10-9 F 1pF = F Veja então que 1 nf equivale a pf e que 1 μf equivale a nf ou pf. Os capacitores tubulares, que são formados por folhas de condutores e dielétricos enrolados são usados em circuitos de baixas freqüências enquanto que os possuem armaduras e dielétricos planos são usados em circuitos de altas freqüências. O porque será visto em lições futuras. Um tipo importante de capacitor é o eletrolítico, cuja estrutura básica é mostrada na figura 12. Uma de suas armaduras é de alumínio que, em contato com uma substância quimicamente ativa, se oxida formando uma finíssima camada de isolante que vai ser o dielétrico. Desta forma, como a capacitância é tanto maior quanto mais fino for o dielétrico, podemos obter capacitâncias muito grandes com um componente relativamente pequeno. É preciso observar que os capacitores eletrolíticos são componentes polarizados, ou seja, a armadura positiva ser sempre a mesma. Se houver uma inversão, tentando-se carregar a armadura positiva com cargas negativas, o dielétrico será destruído e o capacitor inutilizado. Na família dos capacitores eletrolíticos temos um tipo que emprega uma substância que permite obter capacitâncias ainda maiores que as obtidas pelo óxido de alumínio. Tratase do óxido de tântalo, o que nos leva aos capacitores de tântalo (figura 13). Estes capacitores podem ser encontrados na faixa de 0,1 μf até de μf.

12 Simbologia Capacitor eletrolítico (símbolo) + + a) c) b) Além da capacitância os capacitores possuem ainda uma outra especificação muito importante: a tensão de isolação ou de trabalho. Se aplicarmos uma tensão muito grande às armaduras de um capacitor, a ddp (diferença de potencial) entre estas armaduras pode ser suficiente para provocar uma centelha que atravessa o dielétrico e causa a destruição do componente. Assim, nunca devemos usar um capacitor num circuito que mantenha uma tensão maior do que a especificada. Na figura 14 mostramos a maneira como normalmente é especificada esta tensão máxima. Para alguns tipos de capacitores também existem códigos especiais para especificações de valores. Os cerâmicos de discos, conforme mostra a figura 15, por exemplo, possuem dois tipos de especificações que não devem ser confundidas. Para os pequenos valores, temos a especificação direta em picofarad (pf) em que existe uma última letra maiúscula que indica a sua tolerância, ou seja, a variação que pode haver entre o valor real e o valor indicado. F = 1% J = 5% M = 20% H = 2,5% K = 10% Observe que o K é maiúsculo neste caso, não deve ser confundido com k minúsculo que indica quilo ou x Para os valores acima de 100 pf pode ser encontrado o código de 3 algarismos, conforme mostra a figura 16.

13 Simbologia Capacitor simples a) b). Neste caso, multiplica-se os dois primeiros algarismos pelo fator dado pelo terceiro. Por exemplo, se tivermos um capacitor com a indicação 104: Temos que acrescentar 4 zeros ao 10 obtendo pf. E, é claro que devemos considerar a divisão por 1000 se quisermos obter os valores em nanofarad. Assim, 104 que resulta em pf é o mesmo que 100 nf. Para os capacitores cerâmicos temos também a marcação direta, conforme mostra a figura 17 em que os valores são dados em microfarad (μf). Para obter o equivalente em nanofarad basta multiplicar por 1 000: assim 0,01 μf equivale a 10 nf. Como nos casos dos resistores, também existem capacitores variáveis. Na figura 18 mostramos os tipos mais comuns, os trimmers e os capacitores variáveis propriamente ditos. Os trimmers são capacitores de ajuste com valores pequenos, normalmente de alguns picofarad. São especificados pela faixa de valores que podem adquirir. Um trimmer de 2-20 pf é um trimmer que pode ter sua capacidade ajustada entre estes dois valores. Os variáveis são usados em sintonia e podem ser especificados pela capacitância máxima, ou seja, quando estão com o eixo todo fechados. Também podemos associar capacitores em série e paralelo, conforme indica a figura 19.

14 Na associação em paralelo, todos os capacitores ficam submetidos à mesma tensão e o valor final obtido é a soma das capacitâncias associadas. Na associação em série, os capacitores ficam submetidos a tensões diferentes, mas adquirem a mesma carga em suas armaduras. A capacitância equivalente (C) é dada pela fórmula: 1 / C = 1 / C1 + 1 / C2 + 1 / C3 + 1/cn BOBINAS OU INDUTORES Muitas (ou poucas) voltas de fio enroladas de modo a formar uma bobina nos levam a um importante componente eletrônico. As bobinas ou indutores apresentam propriedades elétricas principalmente em relação ás variações rápidas de corrente. Estas propriedades são dadas pelo que chamamos de indutância. A indutância de uma bobina é medida em Henry (H) e também é comum o uso de seus submúltiplos: o milihenry (mh) que vale a milésima parte do henry e o microhenry (uh) que equivale à milionésima parte do henry. Na figura 20 temos alguns tipos de bobinas e indutores encontrados nos computadores e em muitos circuitos eletrônicos. As bobinas de poucas espiras, sem núcleos ou com núcleo de ferrite (que aumentam sua indutância) são usadas em circuitos de altas freqüências ou que trabalham com variações muito rápidas de corrente. Já as bobinas de muitas espiras, os choques de filtro, por exemplo, que podem ter núcleos de ferrite ou mesmo ferro laminado trabalham com correntes de médias e baixas freqüências.

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