Introdução a Circuitos Eléctricos e Electrónicos 1 Introdução Não é intenção directa desta cadeira formar engenheiros com uma profunda instrução em electrónica; nunca é demais, no entanto, reafirmar a importância de se ter alguns conhecimentos rudimentares sobre electricidade e circuitos eléctricos. Neste breve texto, tentar-se-á desmistificar esses conceitos e providenciar um pequeno manual de sobrevivência (mais um kit de primeiros socorros...) para os futuros engenheiros informáticos no mundo da electrónica. 2 A Santa Trindade: Tensão, Corrente, Resistência Qualquer pessoa que tenha usado uma pilha, uma bateria ou mesmo uma tomada na parede de sua casa já tomou contacto com uma série de agentes fornecedores de energia eléctrica. No entanto, o que significa exactamente a existência da energia eléctrica? Como entender os seus efeitos? Qualquer pessoa que já tenha tido físico-química na sua vida tomou contacto com a realidade das cargas eléctricas, e muito particularmente com os electrões. Olhemos para o exemplo mais simples das fontes de energia eléctrica: a pilha contém em si um sistema electroquímico 1 cuja função é pura e simplesmente criar um desequilíbrio eléctrico (a chamada tensão) uma acumulação de carga eléctrica negativa, devido a excesso de electrões, no pólo negativo da pilha e acumulação de carga eléctrica positiva, devido a falta de electrões, no pólo positivo da pilha. Este desequilíbrio manter-se-á até que seja permitido à Natureza re-equilibrar- -se através da passagem de uma corrente de electrões, ou, mais simplesmente, uma corrente eléctrica, de um pólo até ao outro. Nesse cenário, a pilha tentará voltar a 1 Não interessa aqui conhecer tanto o que é, e sim como funciona. 1
desequilibrar o sistema e assim teremos uma tensão e uma corrente constantes até que o sistema electroquímico perca as suas propriedades 2, ou, posto de uma forma mais corrente e comum, a pilha se gaste. Pode-se dizer que, na maioria das circunstâncias, as tensões eléctricas são geradas 3 e que as correntes são obtidas através da aplicação dessas tensões. Notas importantes: Existem várias maneiras alternativas de denominar tensões eléctricas. Temos a diferença de potencial ou d.d.p. que deriva o seu nome do facto de a tensão eléctrica ser efectivamente uma medida do trabalho (no sentido físico-químico de energia gasta) que se desenvolve a levar uma carga positiva de um ponto de potencial eléctrico mais elevado (o pólo positivo, no caso da pilha) para um ponto de potencial eléctrico mais baixo (usando o mesmo critério, o pólo negativo). Quando se cria o desequilíbrio de que falámos anteriormente, podemos considerar que uma espécie de força está a ser aplicada para o atingir daí também se chamar a tensão de força electromotriz ou f.e.m.. Por fim, como a tensão se mede em Volts (V), em honra do inventor da pilha, Alessandro Volta, temos um último nome para a tensão: a voltagem. Todos estes termos são basicamente intermutáveis. Não é possível medir directamente potenciais eléctricos! Apenas e só diferenças de potencial entre 2 pontos num circuito eléctrico. No entanto, muitas vezes fala-se de voltagem ou tensão em 1 ponto do circuito será alguma incongruência de uma nova geração de engenheiros desconhecedores? De facto, não o é em muitos circuitos existe um ponto de referência, geralmente o ponto onde mais componentes desse circuito se ligam, a que muitas vezes se dá o nome de terra ou massa, e geralmente convenciona-se que nesse ponto o potencial é nulo (0 V), passando as tensões entre qualquer ponto do circuito e esse ponto comum a ser confundíveis com o potencial no primeiro. A razão para o nome terra reside no facto de muitas vezes, por razões técnicas, se efectuarem realmente ligações à terra no sentido concreto do termo essas razões não são importantes para o nosso estudo. Seja como for, tensões, d.d.p. e voltagens são 2 Lei fundamental da Termodinâmica: não se cria energia, apenas se transforma!... 3 Por geradores eléctricos quem diria! como por exemplo as pilhas e as baterias (geradores electroquímicos), geradores hidroeléctricos, geradores a carvão ou petróleo (geradores termoeléctricos) células solares (geradores fotovoltaicos), etc... 2
habitualmente representadas por V, um sinal (positivo ou negativo, exceptuando, evidentemente os 0 V) ou uma seta curva do potencial mais positivo para o mais negativo representando a sua polaridade 4, e sempre medidas, como já foi dito, em Volts. As correntes eléctricas foram convencionadas, por razões históricas, como sendo sempre um fluxo de portadores de carga positiva de um ponto de maior potencial para um ponto de menor potencial. Mas então como pensar no caso dos electrões que fluem do pólo negativo para o pólo positivo de um gerador?! Não há razões para desespero basta lembrar que os electrões são cargas negativas a circular em sentido contrário e, consequentemente...... menos com menos dá mais. As correntes eléctricas são geralmente representadas por um I (intensidade de corrente eléctrica carga eléctrica que atravessa uma secção por unidade de tempo) e uma seta indicando o seu sentido, e medidas em Amperes (A). Diz-se sempre que estas atravessam partes do circuito eléctrico ou fluem através dele. Como fazer para permitir ou causar a passagem de corrente num circuito, tendo nós uma fonte de tensão? Geralmente efectua-se uma ligação a um ou mais componentes usando fios condutores. Mas, note-se que este fluxo de corrente vem com um custo: qualquer componente (incluindo os condutores!) num circuito se opõe em certa medida à passagem de correntes eléctricas, através da transformação de alguma da energia eléctrica em energia calorífica (o chamado Efeito de Joule) a esta oposição dá-se o nome de resistência eléctrica (representada por R). Um físico, de seu nome Georg Simon Ohm (1854), um dia chegou à conclusão que a relação entre as três santas grandezas da electricidade era dada de forma simples pela relação I = V R (1) a que as pessoas, gentilmente, decidiram dar o nome de Lei de Ohm, em honra ao seu descobridor 5. Através da magia da matemática, pode-se modificar esta relação para V = RI ou até mesmo R = V I (resta dizer que a resistência mede-se pasme-se! em Ohms, 4 A não ser que o componente seja um gerador, o que torna tal informação redundante, visto este último ter de alguma forma a sua polaridade assinalada no seu símbolo. 5 Existe mesmo um site dedicado a esta lei! Podem encontrá-lo em http://www.ohmslaw.com. 3
+ Fonte de tensão genérica Pilha (pólo positivo representado em cima, pólo negativo em baixo) Componente genérico (não-gerador) Resistência Terra ou Massa Interruptor (aberto ou desligado) Comutador 1,5V 10Ω 1,5V 10Ω Dois circuitos simples equivalentes (Conseguem perceber porquê?) Figura 1: Alguns dos símbolos mais recorrentes em esquemas de circuitos eléctricos. As ligações entre estes componentes com condutores são representadas, obviamente e como se pode ver, por traços interligando os ponto de ligação de cada componente. Qual a corrente que atravessa os circuitos representados quando se ligar o interruptor? E fluirá em que sentido? unidade que se abrevia através de Ω) de forma a obter uma das grandezas a partir das duas restantes, se estas forem conhecidas. 3 Circuitos eléctricos: o que são e como se representam Posto de uma forma genérica, básica e simples, um circuito eléctrico existe quando dois ou mais componentes estão interligados de forma a que haja pelo menos, ou uma tensão, ou uma corrente em jogo (as razões para este ou são apresentadas na secção que se segue). Existem duas maneiras de encarar os circuitos eléctricos: os circuitos físicos propriamente ditos e as esquematizações que se podem construir para representar esses circuitos. A maior parte das vezes, no mundo da engenharia (e não só) costuma confundir-se o projecto com a realização, e portanto, para simplificar, denominaremos também os esquemas de circuitos eléctricos. Os símbolos mais habitualmente utilizados nesses esquemas e que poderiam ser objecto das vossas dúvidas estão representados e rotulados na figura 1. 4
4 Casos limites da Lei de Ohm como evitar pirotecnia... Há duas condições limites para a lei de Ohm, caracterizadas pela resistência que opomos, por via de um componente, à passagem de corrente: a resistência nula (curtocircuito) e a resistência infinita (circuito aberto). O primeiro caso acontece quando usamos um condutor perfeito (resistência nula) para ligar dois pólos de um gerador: os dois pólos passariam a estar teoricamente como se estivessem no mesmo lugar, ao mesmo tempo e nas mesmas condições ou seja, seriam um e um só pólo, uma condição insustentável fisicamente. Tão insustentável que através da Lei de Ohm se pode facilmente verificar que este cenário implicaria uma corrente infinita (! verifiquem a equação (1), na página 3), o que não parece nada bom, visto que não é possível fornecer tal quantidade de energia/cargas eléctrica(s). Logo, o que sucede é que se dá aquilo que geralmente se associa a um curto-circuito: fogo-de-artifício! Qualquer componente ou gerador avariará nestas condições. O segundo caso acontece se uma fonte de tensão estiver desligada de qualquer componente visto que o ar é um bom isolador eléctrico (mas não perfeito! veja-se o caso dos relâmpagos), não passará corrente, ou, visto de outra forma, a resistência à sua passagem parecerá infinita. Uma boa situação onde o circuito aberto é utilizado em nosso benefício é quando se coloca um interruptor num circuito: este não faz mais que abrir ou fechar o circuito a comando nosso (atenção!: interruptor aberto = interruptor desligado, interruptor fechado = interruptor ligado!). Referências Bibliográficas [1] Horowitz, P., and Hill, W. The Art Of Electronics, 2nd ed. Cambridge University Press, 1989. [2] Wakerly, J. F. Digital Design Principles and Practices, 2nd ed. Prentice Hall, 1994. 5