CURSO DE TELEMTICA ELETRNICA I CONTEDOS

A) ESTRUTURA DA MATRIA, NVEIS DE ENERGIA Matria : Termo genrico para designar a substncia da qual os corpos so feitos, podendo estar nos estados slido, lquido ou gasoso. O comportamento da matria depende basicamente de sua estrutura, e como esta estrutura? Ao dividirmos a matria em pedaos cada vez menores chegaremos a um limite tal que, se dividirmos uma vez mais, ela perde as caractersticas originais. Esta poro mnima e chamada de molcula.

Molcula = menor poro de uma substncia que ainda mantm as caractersticasfsicas e qumicas originais da substncia. Por exemplo, a gua, uma das substncias 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 molcula de gua. Porm, ao seguirmos dividindo, chegaremos a um ponto onde a diviso d um resultado que no mais gua e sim um agrupamento de partculas extremamente pequenas chamadas de tomos.

tomo = menor partcula da matria que pode entrar em combinao com outras.Ou seja : as molculas so constitudas de tomos! No exemplo da gua, ao dividirmos a sua molcula, encontraremos dois tomos de hidrognio e um de oxignio (H2O). Para ilustrar a ordem de grandeza de um tomo, podemos dizer que num centmetro podemos colocar 100 milhes de tomos, lado a lado! Na natureza existem 87 tipos diferentes de tomos e tudo, todos os materiais do universo, apenas o resultado da combinao destes 87 tipos entre si. A famosa Tabela Peridica de Elementos Qumicos agrupa todos os tipos de tomos que existem. Nesta tabela, os elementos qumicos so representados por smbolos: H = hidrognio O = oxignio C = carbono Cu = cobre Si = silcio Ag = prata Fe = ferro Al = alumnio Ge = germnio Ni = nquel Ga = glio He = hlio

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Acreditava-se que o tomo era a menor partcula do universo e assim no podia ser dividida. A evoluo da cincia (Rutherford, 1911) demonstrou que isto no era verdade, que os tomos tambm so formados por partculas ainda menores, chamadas de subatmicas, que so os

prtons ,nutrons e eltronsEstas partculas diferem entre si por suas massas e cargas eltricas. Como so muitssimo pequenas, e no podiam, quando descobertas, nem ter seu peso quantificado, foi convencionada uma unidade especial chamada de u.m.a, unidade de massa atmica, para definir a massa destas partculas. Assim: Prtons tem 1 u.m.a . Nutrons tem 1 u.m.a . Eltrons so 1840 vezes mais leves que os prtons, assim sua massa quase no influencia o tomo podendo ser considerada desprezvel, ou quase zero (na realidade hoje sabemos que um eltron pesa 9,107 x 10 -28 gramas) .

A caracterstica mais importante a diferenciar as trs partculas subatmicas sua carga eltrica: Prtons tem carga eltrica positiva, convencionada em +1. Eltrons tem carga eltrica negativa, convencionada em -1.Nutrons no tm

carga eltrica.

Vamos estudar eletrnica, ou seja, a parte da cincia que estuda a emisso, o movimento e o comportamento dos fluxos de eltrons livres em diferentes materiais. S para terem uma idia, uma corrente de 1 pA representa o movimento de 6 milhes de eltrons em um segundo, isto que 1 pA quase no pode ser medido! So os eltrons que determinam as propriedades qumicas e eltricas dos tomos. O tomo constitudo ento de prtons, nutrons e eltrons. Os prtons e nutrons ficam no ncleo do tomo e os eltrons giram em torno deste ncleo, de forma semelhante aos planetas girando em torno do sol. A regio do espao onde os eltrons se movimentam chamada de eletrosfera. S que as dimenses deste espao so da ordem de 10-10 m.

Os eltrons giram em torno do ncleo em diferentes rbitas, chamadas de camadas ou nveis energticos. Dependendo do nmero de eltrons que o tomo possui, a eletrosfera pode apresentar de 1 a 7 nveis energticos, denominados K,L,M,N,O,P e Q. Sendo K o mais prximo do ncleo, L o seguinte e assim por diante.

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J que eletrnica o estudo do movimento dos eltrons, temos que nos concentrar nos eltrons que podem se mover de um tomo a outro. Quanto mais prximos do ncleo estiverem os eltrons, mais difcil mov-los, pois a atrao do ncleo maior. Assim sendo, a camada que nos interessa sempre a camada mais externa, ou seja, a mais distante do ncleo. Esta camada tem um nmero mximo de 8 eltrons e todas as reaes qumicas e eltricas ocorrem nela. CAMADA DE VALNCIA o nome da camada mais externa da eletrosfera, onde acontecem todas as reaes qumicas e eltricas.

Em condies normais, os tomos tendem a estar em equilbrio eltrico, isto , ter um nmero de cargas positivas (prtons) igual ao nmero de cargas negativas(eltrons). O tomo mais simples, o hidrognio, possui um prton e um eltron, portanto um tomo equilibrado. Assim tambm ocorre com o cobre que tem 29 prtons e 29 eltrons. possvel retirar ou acrescentar eltrons da camada de valncia atravs de foras externas ao tomo, sejam elas de natureza qumica, magntica ou trmica. Quando ser retira um ou mais eltrons da camada de valncia, o tomo passa a ficar com carga positiva, pois ao perder um eltron, fica com um prton a mais. Nesta condio, ele chamado de on positivo. Quando se adiciona um ou mais eltrons na camada de valncia, o tomo passa a ficar com carga negativa, pois fica com um prton a menos. Nesta condio, ele chamado de on negativo. A condio de on instvel, sendo causado por foras externas. Uma vez que esta fora cessa, o tomo tende sempre a voltar ao equilbrio eltrico. A carga eltrica de um eltron foi determinada como sendo de 1,6 x 10 -19 C (Coulomb) ou A-s. O processo de alterao do equilbrio eltrico de um material, atravs de em agente externo chamado de eletrificao. Este processo ocorre, como j dissemos, na camada mais externa de eltrons. Se retirarmos eltrons de um material, este ficar com mais prtons que eltrons, portanto carregado positivamente. O inverso tambm verdadeiro, ou seja, ao adicionarmos eltrons o material ficar carregado negativamente. A eletrizao de um corpo se d de diferentes formas: por atrito, por induo, por contato, por impacto. Quanto mais eltrons retiramos ou adicionamos a um corpo, maior ser o desequilbrio eltrico. Este desequilbrio gera um potencial de realizao de trabalho. Mas o que potencial? POTENCIAL = capacidade de realizar trabalho!

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Assim, se temos gua ao mesmo nvel onde estamos, ou nvel zero, ou terra, podemos dizer que esta gua no tem capacidade de realizar trabalho neste nvel. Porm se esta gua esta a 10 metros de altura, ela tem um potencial contido em si, capaz de empurrar uma roda dgua, por exemplo. Isto significa que ela pode, tem potencial, para realizar trabalho. Em eletrnica tambm assim. Um corpo em equilbrio eltrico no tem capacidade de gerar trabalho, no tem potencial. Ao eletrizarmos o corpo, ele adquire este potencial, em relao a outro corpo que no foi eletrizado. Se retirarmos um eltron de um corpo, ele fica com uma energia positiva, capaz de atrair um eltron de outro corpo, para tentar voltar ao seu estado de equilbrio natural. Veja-se bem que potencial sempre uma relao entre dois pontos, de um para outro. Por isto em geral falamos de diferena de potencial ou d.d.p. Esta diferena de potencial faz com haja uma possibilidade de fluir eletricidade de um corpo a outro. como se houvesse uma presso no ponto de maior potencial, tipo quando fechamos a sada de uma mangueira ligada numa torneira. Esta presso eltrica tambm chamada de f.e.m. (fora eletromotriz) a energia posta no circuito, que cria uma tenso entre os materiais ou corpos. No nosso campo de estudo iremos usar sempre esta denominao: TENSO.

TENSO = diferena de potencial eltrico entre dois corpos, capaz de fazer com que os eltrons sejam emitidos de um corpo a outro.

A tenso, tambm chamada de voltagem, a fora ou potencial eltrico existente entre dois pontos, que faz com que os eltrons circulem ao fecharmos um circuito ou caminho entre estes dois pontos. Usaremos a simbologia E para designar a tenso. A tenso medida em VOLTS, cujo smbolo V. Um VOLT a fora ou tenso causada por uma diferena de potencial capaz de fazer circular uma corrente de um Ampre (ou 6,25 x 1018 eltrons por segundo) em uma resistncia de um Ohm. Em nosso estudo de eletrnica iremos usar o Volt e seus submltiplos : mV = mililvolt = 1V/1000 V = 1x10-3 V = 0,001V e V = microvolt = 1V/1.000.000 V = 1 x10-6 V = 0,000001V

Exerccios: Converta as tenses abaixo em seus mltiplos e submltiplos: 1) 2) 3) 4) 6,25 V 0,3 V 100 mV 3,5 mV = = = = mV mV V V

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B) FONTES DE TENSOAs fontes empregadas para produzir tenso so fundamentais para o mundo da eletrnica. As primeiras fontes que existiram foram as baterias ou acumuladores de energia, atravs de reaes qumicas. So o que denominamos comumente de pilhas. Sem tenso ou potencial eltrico no podemos realizar nada em termos de eletricidade ou eletrnica. A diferena de potencial (ddp) ou tenso o ponto de partida para que acontea algo nos circuitos. Esta tenso, como j vimos acima, um desequilbrio eltrico que pode causar o deslocamento de eltrons. Os tipos de fonte de tenso existentes hoje so as pilhas ou baterias, as chamadas fontes de alimentao e os geradores de tenso. As baterias geram uma tenso de forma eletroqumica, a qual possui sempre a mesma polaridade , ou seja h um plo sempre positivo (eltrons de menos) e outro sempre negativo (eltrons de mais). A isto se chama tenso contnua ou tenso CC (em ingls = DC) .

Tenso contnua = tenso eltrica entre dois pontos que mantm sempre a mesma polaridade

As fontes de alimentao, assim chamadas pois alimentam o circuito com energia, so em geral ligadas na rede eltrica e fornecem tenses CC aos circuitos. Elas podem ter sadas de tenso fixas ou variveis. Existem tambm fontes de alimentao que fornecem tenso CA, embora no sejam muito comuns em eletrnica. J os geradores podem gerar tambm tenso CC ou, mais comumente, gerar tenses alternadas ou CA (em ingls = AC), que uma tenso cuja polaridade no fixa, e sim alterna entre positivo e negativo, numa determinada freqncia. Veremos adiante mais sobre tenso CA. As fontes de tenso podem ser associadas de duas formas : em srie ou em paralelo. A chamada associao srie bem comum no nosso dia a dia. Quem ainda no viu um aparelho (lanterna, rdio, brinquedo, etc. ) com mais de uma pilha ? Pois esta uma das associaes srie de fontes de tenso mais comuns. A utilidade desta associao para fornecer energia, na forma de tenso, a um circuito que precisa de tenso maior que uma s fonte pode fornecer. Na associao srie, ligamos o positivo da primeira bateria ao circuito, o negativo desta ao positivo da segunda bateria, cujo negativo tambm ligado ao positivo da prxima e assim por diante, at que o negativo da ltima bateria ligado ao circuito. Vide Figura 1 abaixo: E1 Positivo E2 E3 Negativo do circuito

+

+ -

+ -

+ 5

-

Na associao srie a tenso de cada fonte ou bateria somada da outra bateria, ou seja:

ET = E1 + E2

+E3 + ...

A associao srie tem um s caminho para circular eltrons, o que significa que se um dos componentes se danificar, no circular mais corrente.

A associao paralela j no to comum no nosso dia a dia. A utilidade desta associao para alimentar circuitos que necessitam maior capacidade de corrente que um s gerador no pode fornecer. O caso mais comum que temos como exemplo quando precisamos de uma bateria auxiliar para dar partida ao nosso carro, quando a nossa bateria est fraca. Neste caso, a bateria auxiliar fornece a corrente necessria para virar o motor de partida. A ligao das baterias em paralelo se d conectando o plo positivo de uma no positivo da outra e os negativos da mesma forma. A tenso ou f.e.m. fornecida pela associao a mesma de uma s fonte ou bateria isolada. Por isto s possvel associar fontes de mesma tenso em paralelo. Se ligarmos fontes de tenso diferente, a corrente circular entre as fontes at haver um equilbrio na tenso das duas. Por isto no exemplo do carro, quando uma bateria est muito fraca, com tenso muito baixa, dizemos que ela mata a outra bateria. Neste caso necessrio desligar a bateria fraca e dar partida s com a auxiliar. A associao paralela fornece mais de um caminho para circulao de eltrons, assim se um caminho se romper, resta o outro. Porm se um ficar em curto, absorve toda a energia.

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PRTICA:MEDIDAS DE TENSO OBJETIVO: Ensinar a medir tenso eltrica em circuitos variados. EQUIPAMENTOS: Multmetro Baterias Fonte de tenso CC Fonte de tenso CA

PROCEDIMENTO: MEDIDAS DE TENSO CC 1) Conecte as ponteiras ao multmetro, sendo a ponteira preta no borne COM e a vermelha no borne V-; 2) Gire a chave seletora do multmetro 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 multmetro o valor da tenso CC da pilha. 5) Desencoste as ponteiras da pilha; 6) Gire a chave seletora do multmetro para a escala 20 DCV; 7) Conecte a fonte de alimentao na rede e depois ligue-a . 8) Conecte a ponteira preta do multmetro ao borne preto da fonte; 9) Conecte a ponteira vermelha do multmetro ao borne vermelho da fonte; 10) Leia a tenso de sada da fonte; 11) Desencoste as ponteiras da fonte; 12) Desligue a fonte.

MEDIDA DE TENSO CA 1) Gire a chave seletora do multmetro para a escala 750 ACV; 2) Com bastante cuidado, coloque as ponteiras do multmetro numa das tomadas da bancada, inserindo uma ponteira em cada pino da tomada; 3) Leia a tenso da rede eltrica da nossa sala.

MEDIDA DE TENSO CC DE ASSOCIAO DE FONTES 1) Gire a chave seletora do multmetro 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 tenso de sada da associao. 7

CORRENTE ELTRICA J vimos acima que a tenso eltrica devida diferena de potencial (ddp) entre um material e outro. E que esta tenso pode provocar o movimento dos eltrons nos materiais. Quando este movimento orientado, isto , os eltrons fluem um atrs do outro, estabelece-se o que denominamos uma corrente eltrica.

CORRENTE = Movimento ordenado de eltrons num condutor. Fazendo analogia com a gua, como fizemos no caso da definio de potencial, se temos gua 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 gua, simplesmente abrindo um furo no recipiente. Isto far a gua correr do ponto de maior altura (potencial) ao de menor altura. Assim ocorre com os eltrons num circuito eltrico. Convenciona-se que a corrente flui do ponto de maior potencial ao de menor potencial. A unidade de medida de corrente o Ampre, smbolo A e seu valor definido acima. Em eletrnica comum usarmos submltiplos do Ampre, que so: mA = miliampere = A = 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 tenso, a corrente pode ser de duas formas: CC e CA. A corrente contnua (CC) aquela que flui sempre no mesmo sentido. J a corrente alternada (CA) aquela que muda de sentido ao longo do tempo, numa determinada freqncia.

Para medir correntes eltricas usamos os ampermetros ou os multmetros que possuem ampermetros embutidos.

Exerccios: Converte as correntes abaixo para seus mltiplos e submltiplos: 1) 1,2 A = mA 2) 0,07 A = mA 3) 68 mA = nA 4) 150pA = mA

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C) RESISTNCIA ELTRICAVimos que o ponto de partida para a existncia dos nossos circuitos eletrnicos que haja uma fonte de tenso, que gera ou tenha um certo potencial eltrico. Esta tenso pode fazer com que flua uma corrente eltrica pelos materiais. Mas que corrente ir fluir? Como poderemos saber se a corrente ser grande ou pequena, se circularo muitos ou poucos eltrons? A resposta encontra-se na resistncia eltrica dos materiais.

Resistncia eltrica a oposio que um material apresenta passagem da corrente eltrica

A resistncia eltrica devida estrutura atmica do material sendo sua unidade de medida o Ohm, smbolo . Como as demais unidades na eletrnica, temos que usar os mltiplos do Ohm para valores prticos, assim temos: K = Kiloohm = 1000 = 1 x103 M = Megohm = 1000000 = 1 x106

Exerccios: Converta os valores de resistncia a seguir: 1) 560 = K 2) 1,2K = 3) 390K = M Nota: comum usar a notao 1K2 em vez de 1,2K. O instrumento usado para medir a resistncia eltrica o ohmmetro. Geralmente o ohmmetro incorporado no multmetro. Para resistncias muito elevadas existe outro instrumento chamado de megmetro, usado para medir resistncias de isolao.

APLICAES DA RESISTNCIA ELTRICA A resistncia eltrica muito til, embora possa se pensar que, se ela se ope passagem da corrente, ela atrapalha o circuito eltrico. Muito pelo contrrio. Todos conhecem uma aplicao de resistncia eltrica que usamos todos os dias: nos chuveiros eltricos. A passagem da corrente eltrica por uma resistncia pode gerar calor (caso do chuveiro, do ferro de passar, etc.), gerar luz (caso das lmpadas incandescentes) ou no 9

caso dos circuitos eletrnicos que iremos estudar, pode servir para dominar e controlar a corrente e a tenso, de forma que o fluxo de eltrons execute uma funo por ns definida! Sem sombra de dvida o componente mais comum em circuitos eletrnicos a resistncia eltrica, colocada nos circuitos sob a forma de resistores.

Resistores so componentes eletrnicos fabricados especialmente para apresentar determinado valor de resistncia hmica.

Os valores de resistncia hmica so padronizados em sries, sendo a mais comum a srie E-24, que apresenta 24 valores bsicos de resistncias e seus mltiplos. Tabela de valores da srie 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 so multiplicados por 0,1 ; 10 ; 100 ; 1000 ; 10000 ; 100000 . Exemplos: 1,3 , 270 , 3300 , 47K , 680K , 1,8 M. A especificao tcnica de um resistor deve conter: n Resistncia hmica n Percentual de tolerncia n Potncia

A resistncia dada em Ohms, nos valores seriados vistos acima. A tolerncia devido aos processos de fabricao que no podem produzir (por questes de custo) resistores exatamente iguais, pois varia a constituio atmica e as impurezas nos materiais usados na fabricao. Os resistores so divididos em 5 faixas de tolerncia: +/- 20% de tolerncia +/- 10% de tolerncia +/- 5% de tolerncia +/- 2% de tolerncia +/- 1% de tolerncia Os resistores comuns so os de tolerncia +/- 20%, +/- 10% e +/- 5%. Os de tolerncias menores +/- 2% e +/- 1% so chamados de resistores de preciso e so usados em aplicaes mais crticas. Normalmente no indicamos a tolerncia como +/- 10% e sim como 10%, ficando implcito sempre que tolerncia sempre uma variao no valor, para menos ou para mais! 10

Exemplificando: Um resistor de 220 , 10% pode ter valores de resistncia, medidos com ohmmetro, que vo desde 198 = 220 - 10% at 242 = 220 + 10%.

A potncia especificada do resistor potncia mxima que ele pode dissipar sem ser danificado ou aquecer em demasia. Os valores mais comuns de potncia de resistores em eletrnica so: 1/8 W, 1/4W, 1/2W, 1W, 5W e 10W.

Tipos de resistores: Existem quatro tipos bsicos de resistores, que diferem pela sua construo: n n n n Resistores de carvo Resistores de filme de carbono Resistores de filme metlico Resistores de fio

Resistores de carvo so constitudos por um corpo cilndrico e oco de porcelana, preenchido por um p de carvo com misturas adequadas para cada valor de resistncia, ou ento so fabricados unindo-se partculas de carvo com um agregante qumico e colocando-se num molde cilndrico e adicionando-se os terminais. No se obtm resistores muito precisos neste processo. So resistores de uso geral. Resistores de filme de carbono so produzidos depositando-se uma pelcula fina de carbono sobre um corpo cilndrico de porcelana ou cermica. Esta pelcula ou filme que determina a valor da resistncia hmica. Os terminais so ento 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 bem preciso, possui alta estabilidade da sua resistncia com o tempo. So os mais usados em eletrnica, em geral de 5% e 10% de tolerncia. Resistores de filme metlico so produzidos de forma similar aos de filme de carbono, porm como h um maior poder de controlar a qualidade do material do filme, consegue-se uma resistncia mais precisa. So os resistores de preciso com 1 ou 2% de tolerncia. Resistores de fio so construdos enrolando-se um fio de liga especial (em geral nquelcromo) sobre um corpo cermico. A bitola do fio que determina o valor da resistncia. Os resistores de fio so usados em circuitos de alta potncia, pois podem dissipar grandes quantidades de calor. Para tal comum termos resistores de fio em corpos cilndricos ocos, que facilitam a dissipao de calor.

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SIMBOLOGIA DOS RESISTORES: Nos diagramas esquemticos, que so representaes dos circuitos reais, os resistores so mostrados, segundo as normas da ABNT, pelo desenho abaixo:

J em esquemas mais antigos se usava o desenho Abaixo ou dentro do smbolo comum especificar o valor do resistor. Vide abaixo:

270 3K9

IDENTIFICAO DE RESISTORESPara identificar um resistor em suas caractersticas tcnicas, que so a resistncia hmica, a tolerncia e a potncia, existem duas formas. Os resistores de preciso (1 ou 2% de tolerncia), em geral tem seu valor de resistncia impresso no prprio corpo. J os resistores de uso mais corriqueiro, de 5, 10 ou 20 % de tolerncia, so identificados por anis ou barras coloridas impressas em seu corpo segundo um cdigo de cores. A potncia identificada pelo tamanho do resistor, sendo a mais comum a de W.

CDIGO DE CORES PARA RESISTORES O valor de resistncia eltrica dos resistores e a sua tolerncia podem ser impressos no corpo dos resistores usando-se uma seqncia de anis coloridos que possibilitam a leitura destes valores em qualquer posio. Esta seqncia segue um cdigo padronizado mundialmente. Para ler este cdigo, precisamos saber que: O valor da resistncia hmica dado pelos trs primeiros anis O quarto anel representa a tolerncia A leitura comea pelo anel mais prximo do terminal do resistor O anel da tolerncia fica um pouco mais afastado dos demais. Veja a figura abaixo exemplificando o cdigo:

1 2 3 Figura 2

4 anel

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Os trs primeiros anis servem para representar o valor de resistncia em Ohms ( ). O primeiro anel representa o primeiro dgito deste valor, o segundo anel representa o segundo dgito e o terceiro anel representa o fator multiplicador.

Os dois primeiros dgitos, que representam o valor bsico do resistor, seguem a sria E-24 como vimos acima. A cada cor corresponde um nmero, conforme o cdigo 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 anis num resistor de 180 = Cores dos dois primeiros anis num resistor de 2700 = Cores dos dois primeiros anis num resistor de 560 = Cores dos dois primeiros anis num resistor de 47000 = Cores dos dois primeiros anis num resistor de 39 = Qual o valor de um resistor com os dois anis azul e marrom ? Qual o valor de um resistor com os dois anis cinza e vermelho ? Qual o valor de um resistor com os dois anis laranja e laranja ? Qual o valor de um resistor com os dois anis violeta e verde ?

O terceiro anel representa o multiplicador, determinando o nmero de zeros que segue aos dois primeiros dgitos. Este multiplicador segue a mesma codificao de cores acima, sendo o preto = 0 , significa que o nmero de zeros zero; sendo o marrom = 1 , significa que o nmero de zeros um; sendo o vermelho = 2 , significa que o nmero de zeros dois; sendo o laranja = 3 , significa que o nmero de zeros trs; sendo o verde = 5 , significa que o nmero de zeros cinco; sendo o azul = 6 , significa que o nmero de zeros seis; as demais cores no se usam pois na prtica no h resistores maiores que ultrapassem a casa dos cem milhes de ohms (100M).

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Para resistores muito pequenos, abaixo de 10, 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 trs primeiros, representa a tolerncia e possui apenas quatro cores: Prateado Dourado Vermelho Marrom = = = = 10 % 5% 2% 1%

A ausncia do quarto anel significa tolerncia de 20 %.

A tabela abaixo apresenta o cdigo de cores completo: DGITOS SIGNIFICATIVOS 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

COR Preto Marrom Vermelho Laranja Amarelo Verde Azul Violeta Cinza Branco Ouro Prata sem cor

MULTIPLICADOR 1x 10x 100x 1000x 10000x 100000x 1000000x

TOLERNCIA +/- 1 % +/- 2 %

0,1x 0,01x

+/- 5 % +/- 10 % +/- 20 %

Apresentamos a seguir uma outra tabela, com os valores comerciais de resistores de 10% de tolerncia.

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Resistncia 0,22 ohms () 0,27 0,33 0,39 0,47 0,56 0,68 0,82 1 1,2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 8,2 10 12 15 18 22 27 33 39 47 56 68 82 100 120 150 180 220 270 330 390 470 560 680 820 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

Resistncia 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 tambm consultar as cores dos anis, enquanto no estivermos dominando totalmente o cdigo de cores. 15

PRTICA:

IDENTIFICAO E LEITURA DE RESISTORES

OBJETIVOS: Familiarizao com os resistores; Praticar interpretao do cdigo de cores; Exercitar uso do multmetro como ohmmetro.

EQUIPAMENTOS: Multmetro

MATERIAIS: Resistores Potencimetros

PROCEDIMENTO 1) Conecte as ponteiras ao multmetro, sendo a ponteira preta no borne COM e a vermelha no borne V-; 2) Gire a chave seletora do multmetro para , na escala 20M; 3) Pegue um resistor do kit, interprete o valor da resistncia pelo cdigo de cores; 4) Encoste a ponteira preta num dos terminais do resistor e a vermelha no outro; 5) Leia no mostrador do multmetro o valor da resistncia hmica do resistor e compare com o valor interpretado; 6) Repita os passos 3 a 5 para mais 5 resistores do kit; 7) Desligue o multmetro, desconecte as ponteiras e guarde-o .

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ASSOCIAO DE RESISTORES Tal como as fontes de tenso, os resistores podem ser associados em srie ou em paralelo e tambm de forma mista. A associao srie fornece um s caminho para a passagem da corrente. Vide desenho abaixo:

R1

R2

ou ento: R1

R2

Exatamente como na associao srie de fontes de tenso, para sabermos o valor da resistncia equivalente total de uma associao srie, temos que somar os valores das resistncias individuais. A expresso matemtica que traduz isto :

ASSOCIAO SRIE

Req = R1 + R2 + ..... + Rn

Onde R1, R2, ..., Rn so os valores dos resistores associados. A associao paralela aquela onde as peas esto ligadas de formas que a corrente se divida em mais de um caminho. Vide desenho abaixo:

It I1 R1 R2 I2 I3 R3

It

Como na associao 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 d uma idia intuitiva de que a resistncia equivalente total de uma associao de resistores em paralelo menor que a resistncia individual de cada um dos resistores usados na 17

associao. Desta forma no desenho acima, se R1 = 1K , R2 = 2K2 e R3 = 1K8, a resistncia equivalente total da associao menor que 1K. A equao abaixo nos permite calcular a resistncia equivalente total da associao paralela de resistores:

1 ASSOCIAO PARALELA Req = 1 1 1 + + ....+ R2 Rn R1

Onde R1, R2, ..., Rn so os valores dos resistores associados. No exemplo acima dos resistores de 1K, 2K2 e 1K8 em paralelo, a resistncia equivalente total da associao : 1 Req = 1 1 1 + + 1K 2 K 2 1K 8 1 Req = = 497,48 0,001 + 0,000454 + 0,000555 Note-se que este valor bem menor que o valor do menor resistor da associao (1K). Para o caso bem comum de associarmos apenas dois resistores em paralelo, podemos simplificar a equao que define o valor da resistncia 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:

Req =

R1xR2 R1 + R 2

Esta frmula mais simples muito til na prtica, pois comum usarmos apenas dois resistores em paralelo. Exerccios: Calcule a resistncia equivalente total das associaes a seguir: 1) 2)180 390 470

Req =

120

82

68

150

Req =

3)5K6 4K7

Req =

Outro caso particular de associao paralela de resistores quando colocamos resistores de mesmo valor em paralelo. Assim podemos simplificar a frmula para: 1 Req = 1 1 1 + + .... + R R R 1 isto pode ser agrupado em : Req = n (1/R) onde n o nmero de resistores R em paralelo. Esta equao pode ser simplificada para : Req = R n = n/R 1

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A associao mista de resistores aquela composta de grupos de em srie e em paralelo. Vide desenhos abaixo: R1

Fig. 3

R2

R3

R1 R2 Fig. 4 R3 R4

Podemos ver que a associao mista possui partes que so associaes srie e partes que so associaes paralelas. Para calcular a resistncia equivalente total de uma associao mista de resistores, usa-se uma tcnica muito comum na eletrnica, que consiste em dividir o todo em partes mais simples, as quais podem ser calculadas como associaes srie ou paralelo. Nos exemplos de associaes mistas acima podemos calcular: Na Fig.3 temos uma associao em paralelo de R2 e R3, que deve ser calculada em primeiro lugar, resultando num Req12 , o qual est em srie com R1. A resistncia equivalente total da associao da Fig. 3 : R1 + Req12. Na Fig. 4 temos uma associao em paralelo de R1 e R2 e outra em paralelo de R3 e R4. Temos que calcular o valor da associao R1 e R2, resultando em Req12 e o valor da associao R3 e R4, resultando em Req34. V-se que Req12 esta em srie com Req34. Assim a resistncia equivalente total da associao da Fig. 4 : Req12 + Req34.

Pelos exemplos acima podemos inferir que numa associao mista, devemos primeiramente calcular cada associao paralela em separado, definindo seu Req e depois olhar o circuito novamente, verificando se ainda h alguma associao paralela dos Req. No havendo mais paralelos, o circuito ficou reduzido a uma associao srie, onde devemos somar os valores dos resistores restantes, conforme demonstramos nos exemplos acima. clculo das resistncias equivalentes 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

Exerccios: Calcule a resistncia equivalente total das associaes mistas a seguir: 82K 1) Req = ? 6K8 2K2

2) 1K2 2K7 Req = ? 33K 4M7

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PRTICAMEDIDA DE RESISTNCIA EQUIVALENTE

OBJETIVOS: Identificar fisicamente associaes srie, paralelo e mistas; Verificar na prtica os valores calculados para resistncia equivalente; Exercitar uso de multmetro;

EQUIPAMENTOS: Mltimetro

MATERIAL: - Resistores de 2K2, 6K8, 82K, 1K2, 2K7, 33K e 4M7

PROCEDIMENTO: 1) Conectar as ponteiras no mltimetro, sendo a preta no borne COM e a vermelha no borne V- . 2) Ligar o mltimetro, colocando a chave seletora em ohms. 3) Identificar os circuitos A, B e C, para ver o tipo de associao. 4) Calcular a resistncia equivalente da associao A . 5) Conectar as ponteiras do multmetro aos terminais da associao A e medir a resistncia equivalente. Comparar com o valor calculado. 6) Calcular a resistncia equivalente da associao B . 7) Conectar as ponteiras do multmetro aos terminais da associao B e medir a resistncia equivalente. Comparar com o valor calculado. 8) Calcular a resistncia equivalente da associao C . 9) Conectar as ponteiras do multmetro aos terminais da associao C e medir a resistncia equivalente. Comparar com o valor calculado. 10) Desligar o multmetro, remover as ponteiras e guard-lo.

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D) SOLDAGEM E DESSOLDAGEM:SOLDAGEM a unio metalrgica entre duas superfcies metlicas, atravs da fuso de um outro metal ou liga metlica sobre elas.

Para soldar, necessitamos ento duas peas metlicas e um terceiro componente que ser responsvel por fazer a unio entre estas duas peas, alm de algo para aquecer tudo, causando a fuso deste componente, denominado de solda. Esta unio faz com que as duas peas, no ponto de juno, se comportem como uma s pea, como um s ponto, tanto mecnica como eletronicamente. Por isto chamamos a soldagem de unio metalrgica. Existem vrios tipos de soldagem: eltrica, a oxignio, a oxiacetileno, a arco voltaico e outras. Em eletrnica, usamos a fuso de uma liga de estanho-chumbo (Sn-Pb) para fazer esta unio entre as peas. A composio mais comum desta solda de 60% Sn e 40% Pb, que se funde a uma temperatura ao redor de 170C. A ferramenta mais usada para causar o aquecimento e fundir a liga de solda o chamado ferro de solda, que basicamente uma resistncia eltrica 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 resistncia ao atingir uma temperatura especfica e religa novamente assim que a temperatura baixar. As chamadas estaes de soldagem possuem um transformador com sada 24 VDC para alimentar a resistncia do ferro e um boto para ajuste da temperatura da ponteira, conforme o tipo de servio a ser executado. importante que a ponteira do ferro esteja sempre coberta com uma camada de Sn-Pb para facilitar a soldagem. Para que ocorra a unio entre as peas fundamental que as mesmas estejam absolutamente limpas, isto , desengorduradas e livres de oxidao. Sabemos que o simples contato com o ar, que contm 21% de oxignio, o suficiente para oxidar a superfcie de muitos materiais, incluindo-se a a maioria dos metais. Assim, mesmo se compramos componentes novos, na loja de eletrnica, e quisermos sold-los em um circuito, teremos que limp-los antes, se quisermos fazer um bom trabalho. Lembremse que as correntes que circulam nos circuitos eletrnicos so muito pequenas, da ordem de miliamperes e as vezes at de picoamperes. Qualquer oxidao em um ponto de um circuito pode comprometer o funcionamento do todo. A limpeza feita, em geral, mecanicamente com faca, estilete ou alicates. Outra forma de limpeza atravs da qumica, usando desoxidantes. Como a oxidao pelo ar muito rpida, mesmo se limparmos o componente, em segundos ele j fica superficialmente oxidado. Para esta limpeza final, em eletrnica, usamos um produto chamado de fluxo para soldagem, ou pasta de soldagem. Antigamente este fluxo ou pasta era vendido separadamente da liga metlica. A aplicao era feita mergulhando o terminal do componente no pote de fluxo, aquecendo o terminal com o ferro de solda e colocando-se ento a liga de solda. Hoje a solda, alm dos metais estanho e chumbo, possui trs ncleos com fluxo no seu miolo, sendo por isto chamada de solda trincleo. Este o tipo de solda mais comum e popular na eletrnica.

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A tcnica de soldagem fundamental para o sucesso dos produtos de eletrnica. Um produto com soldas de baixa qualidade, pode ter componentes eletrnicos timos, mas apresentar certamente problemas de funcionamento mais cedo ou mais tarde.

COMO SOLDAR EM ELETRNICA: 1) Tenha um ferro de solda com potncia adequada ao tipo de solda a ser feito. No use um ferro de 22W para soldar um resistor de potncia ou um capacitor de 10F num fio 4mm. Ele no ter potncia suficiente para aquecer as peas e a solda de forma a permitir uma boa fuso. Da mesma maneira, no use um ferro machadinha de 100W para soldar um CI (circuito integrado). 2) Trabalhe em local com boa iluminao. 3) Limpe as peas a serem soldadas. No use peas oxidadas ou corrodas. 4) Coloque as peas na posio que elas devem ficar aps a soldagem. Use alicate de bico ou pinas para dobrar, fixar ou prender as peas. No segure-as com as mos! 5) Encoste o ferro de solda s peas, de forma a aquec-las. Espere o tempo necessrio para elevar a temperatura do ponto a ser soldado at 170 graus C. Isto deve levar dois ou trs segundos, se o ferro de solda estiver bem dimensionado para o servio. 6) Quando o ponto de solda estiver na temperatura adequada, encoste pelo lado oposto ao do ferro de solda, a solda trincleo. 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 no mover nenhuma das peas que esto sendo soldadas, e deixe o ponto de solda esfriar por conta prpria. A solda se solidifica em poucos segundos, ficando com uma superfcie lisa e brilhante. Pronto, voc conseguiu uma tima solda.

TCNICAS ESPECFICAS: 1) Resistores, Capacitores e Indutores - Em geral estes componentes recebem, na sua fabricao, um banho de Sn-Pb nos seus terminais ou lides. Basta limp-los com uma raspada superficial com estilete ou alicate de corte. Para mold-los na posio desejada aconselha-se segurar o terminal com o alicate de bico, no ponto onde deseja-se dobr-lo, e forar o terminal com a mo ou com uma pina, at atingir a posio desejada. Isto evita estresse mecnico ao corpo do componente. 2) Diodos e Transistores - So um pouco mais sensveis ao calor que os R,L,C e tambm so mais fracos mecanicamente. Usa-se as mesmas tcnicas que para os R,L,Cs, porm cuidando mais com o superaquecimento e ao dobrar diodos de vidro. 3) CIs (circuitos integrados ou chips) - Estes componentes so muito sensveis ao calor. Eles possuem tambm um banho de Sn-Pb ou de ouro em seus terminais. Como so peas pequenas e com vrios terminais a serem soldados, muito fcil aquec-los em demasia. Solda-se CIs em ziguezague, aquecendo um terminal primeiro e soldando-o, para em seguida soldar outro terminal o mais distante possvel do primeiro. Isto evita aquecimento localizado. CIs em geral no necessitam ser moldados para serem montados. 24

4) Transformadores, Terminais, Placas Impressas e Fios: Verifique se a parte a ser soldada est estanhada, isto , tem um banho de Sn-Pb. Caso positivo proceda igual aos R,L,Cs. Se no estiver estanhada, primeiro limpe bem a superfcie, com estilete, aquea o terminal at 170C e aplique uma fina camada de solda sobre o terminal. Isto se chama estanhar o terminal e muito til para uma boa solda, pois facilita o escorrimento da solda quando formos unir este terminal a outro ponto no circuito.

DESSOLDAGEM a ao realizada com o intuito de desfazer uma soldagem, sem destruir as peas.

A dessoldagem fundamental na rea de manuteno! Se no soubermos efetuar uma boa dessoldagem, no poderemos atuar como tcnicos em manuteno. 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 ento uma malha absorvedora (solder wick) ou ainda uma estao de dessoldagem a vcuo. A dessoldagem consiste no processo de aquecimento do ponto a ser dessoldado, at a fuso da liga de solda e a remoo desta solda, por meio do sugador, que nada mais do que uma bomba de suco manual. O sugador deve estar armado e posicionado bem prximo, quase tocando a superfcie a ser dessoldada, at 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 peas de uma placa de circuito impresso. Estas placas consistem de uma base em resina fenlica ou fibra de vidro e uma camada bem fina de cobre, onde so impressas as trilhas que unem os componentes do circuito. Nestas placas so feitos furos em locais determinados, chamados de ilhas, onde vo montados os componentes eletrnicos. Estas ilhas so frgeis e podem desprender-se da base da placa e romper a ligao do circuito. O conserto deste problema difcil e trabalhoso, nem sempre sendo possvel. Assim todo cuidado pouco ao dessoldar componentes de placas impressas. Evite sobreaquecimento s ilhas! Se a primeira tentativa de dessoldagem no obteve sucesso, aguarde at a ilha e o terminal esfriarem bem antes de uma nova tentativa. Para dessoldar CIs usa-se a mesma tcnica que para sold-los, ou seja dessolda-se um pico do CI e aps este passa-se a outro o mais distante possvel. Existem tambm ponteiras especiais, para colocar em ferros de solda, que aquecem todos os pinos do CI ao mesmo tempo, permitindo sua remoo rpida. Estas ponteiras s so aplicveis a ferros de solda com temperatura controlada.

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E) LEIS DE KIRCHHOFFAlm da Lei de Ohm, as outras leis fundamentais para todos os circuitos eletrnicos so as chamadas Leis de Kirchhoff. Elas estabelecem as regras bsicas para analisar todo e qualquer circuito, dos mais simples aos mais complexos. A Lei de Ohm permite calcular tenso (E) , resistncia ( 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 IT R1 I2 R2

Sabemos que a tenso em R1 e R2 a mesma, pois esto em paralelo. Para sabermos a corrente total IT, devemos calcular o valor da resistncia Req de R1 e R2 e ento dividir E por Req. Mas e as correntes I1 e I2? O valor da corrente em cada um dos caminhos calculado dividindo-se a tenso sobre cada resistor, que E , pelo valor do resistor. Assim: I1 = E R1 e I2 = E R2

E qual a relao de I1 e I2 com IT ? Isto definido pela primeira Lei de Kirchhoff. A primeira Lei de Kirchhoff expressa que a corrente que chega a um ponto num circuito sempre igual a corrente que sai deste ponto. Ento se naquele n 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 n em qualquer circuito eltrico. Exerccio: 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 relativa aos circuitos srie. Lembrem-se que nestes casos a corrente tem um s caminho para circular, ento seu valor depende somente da tenso e de resistncia equivalente total. Mas e a tenso, como se distribui num circuito srie? A fonte de tenso fornece uma tenso total para o circuito, a qual gera uma corrente I. Esta corrente ao passar pelos elementos do circuito (resistncias) gera tenses 26

diferentes em cada componente. Esta tenso sempre menor que a tenso da fonte e chamada de queda de tenso no componente. Ela pode ser medida ao ligarmos um voltmetro em paralelo com o componente. A queda de tenso pode ser calculada pela lei de Ohm, a partir da tenso da fonte E e da resistncia Req do circuito srie, que definem a corrente I. Assim a queda de tenso em cada componente do circuito srie ser Vn = Rn x I onde Rn a resistncia do componente n. Isto significa que num componente de grande resistncia haver uma grande queda de tenso, enquanto num componente com baixa resistncia a queda de tenso ser pequena.

A segunda Lei de Kirchhoff define que a soma das quedas de tenso em qualquer circuito fechado igual tenso total aplicada ao circuito.

Exerccio: Calcule as quedas de tenso nos resistores R1 e R2 abaixo:

R1 = 120 E=5V R2 = 820

CIRCUITOS MISTOS

Chama-se circuito misto aquele que possui partes em srie e partes em paralelo. Para calcular as tenses e correntes em cada componente usa-se somente as leis de Ohm e de Kirchhoff. O procedimento o mesmo para qualquer tipo de circuito e segue os passos abaixo: n Determinao da resistncia equivalente; n Determinao da corrente total; n Determinao das tenses e correntes nos componentes do circuito.

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Exemplo: Calcule a corrente que passa por R2 e a queda de tenso em R4, no circuito a seguir:R1 47 R3 33

+ 12V

R2 560

R4 82

Passo 1

-

Determinao da resistncia equivalente: Ra = R3 + R4 (srie) = 33 + 82 = 115 Rb = Ra // R2 = RaxR2 115 x560 = = 95,4 Ra + R 2 115 + 560

Rc = R1 + Rb (srie) = 47 + 95,4 = 142,4 Este Rc nosso Req do circuito! Passo 2 Determinao da corrente total: E = RI, logo I = E/R, ento IT = 12/142,4 = 0,0843 A ou mais comum IT = 84,3 mA Passo 3 Determinao das tenses e correntes individuais: Para tal voltamos a desassociar os componentes, para calcular queda de tenso em R1 e Rb, como abaixo: IT = 84,3 mA 47

12V

95,4

VR1 = R1 x IT = 47 x 84,3 mA = 47 x 0,0843 = 3,96 V VRb calculado pela 2A Lei de Kirchhoff E = VR1 + VRb ento VRb = E - VR1 = 12 - 3,96 = 8,04 V Com isto sabemos que a tenso sobre o paralelo R2 com b 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 possvel chegar ltima resposta do nosso problema: a queda de tenso sobre R4, que calculada: VR4 = IR4 x R4 = IRA x R4 = 0,0699 x 82 = 5,73 V

Exerccios: 1) Calcule a queda de tenso sobre R1 e R3 ,no mesmo circuito acima, substituindo os valores dos resistores por : R1 = 12, R2 = 270, R3 = 1K e R4 = 390. 2) Qual a corrente sobre R2 no circuito a seguir:

R1 51

E = 5V R2 22 R3 22

3) Qual a queda de tenso sobre R1 e a potncia dissipada por R3 no circuito acima, se os valores forem alterados para E = 24V, R1 = 470, R2 = 180K e R3 = 22.

4) Qual o valor da tenso EA e da corrente sobre R5 no circuito abaixo:

R1 12 R2 560 R3 680

E = 24VR4 150 R5 22 R6 390 EA

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PRTICA 4 LEIS DE KIRCHHOFF

OBJETIVO: Verificar na prtica o funcionamento das leis de Kirchhoff; Uso do multmetro como ampermetro; Familiarizao com componentes.

EQUIPAMENTOS: Multmetro Fonte MATERIAL: Kits de resistores

PROCEDIMENTO: 1) Identificar o circuito, para ver o tipo de associao. 2) Calcular a resistncia equivalente da associao, a corrente sobre R2 e tenso sobre R4. 3) Conectar as ponteiras no multmetro, sendo a preta no borne COM e a vermelha no borne V- . 4) Ligar o multmetro, colocando a chave seletora em Ohms. 5) Conectar o fio de R2 ao n entre R1 e R3. 6) Conectar as ponteiras do multmetro aos terminais da associao e medir a resistncia equivalente. Comparar com o valor calculado. Desconectar. 7) Conectar os terminais da associao aos bornes da fonte e lig-la. 8) Medir a tenso sobre R4, colocando a chave seletora do multmetro em DCV, escala 20, e encostando a ponteira preta ao borne preto da fonte ou ao n entre R2 e R4, e a ponteira vermelha ao n entre R3 e R4. Comparar com o valor calculado. 9) Desligar a fonte. Desconectar o multmetro. 10) Desconectar o fio entre R2 e o n R1 e R3. 11) Conectar a ponteira vermelha do multmetro ao n entre R1 e R3 e a ponteira preta ao fio de R2. 12) Girar a seletora do multmetro para A, escala 2. 13) Ligar a fonte e medir a corrente sobre R2. Comparar com o valor calculado. 14) Desligar a fonte, o multmetro, remover as ponteiras e guard-los, junto com a associao e as ferramentas na bandeja.

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F) CAPACITORES E SUAS APLICAESCAPACITOR = dispositivo composto essencialmente de duas superfcies condutoras, chamadas de armaduras, separadas por um material isolante, dito dieltrico.

Os capacitores servem para armazenar cargas eltricas, bloquear a passagem de corrente contnua e permitir a passagem de corrente alternada, dependendo basicamente da freqncia e da capacitncia.

Os materiais condutores das armaduras so em geral metais. Os isolantes ou dieltricos podem ser o ar, papel, mica, vidro, filmes plsticos cermica ou leo. Ao aplicarmos uma tenso contnua (DC ou CC) a um capacitor, ele se carrega at atingir a tenso da fonte CC. Como isto se d? Primeiro as armaduras, ao conectarem-se fonte CC, recebem ou doam eltrons aos plos da fonte e como h um isolante entre as armaduras, os eltrons no podem circular de uma armadura outra. A armadura conectada ao plo positivo da fonte doa eltrons, j que o potencial do plo maior. Ao doar eltrons, esta armadura fica com mais prtons que eltrons, ou seja carregada positivamente. A armadura ligada ao plo negativo recebe eltrons e fica carregada negativamente. Isto acontece at o momento em que a carga do capacitor fica praticamente igual tenso da fonte. A para a troca de eltrons e diz-se que o capacitor est carregado. Podemos remover a fonte de tenso que as armaduras ainda ficaro carregadas, com o mesmo potencial. Isto porque o dieltrico no permite a circulao de corrente de uma armadura a outra. Ento podemos afirmar que o capacitor armazena energia eltrica. Esta energia (tenso das armaduras) pode ser usada para alimentar uma carga, fornecendo uma corrente por alguns instantes, at que a diferena de potencial entre as armaduras seja zero, ou seja h uma volta ao estado de equilbrio eltrico. Diz-se ento que o capacitor est descarregado. CAPACITNCIA = capacidade de armazenamento de cargas de um capacitor. Capacitncia pode ser medida pela taxa Q/V ou seja a quantidade de carga transferida de um condutor a outro (Q) e a diferena de potencial resultante (V). A capacitncia depende de trs fatores: n rea das armaduras - reas maiores permitem acumular maior carga. n espessura do dieltrico - ela determina a proximidade das armaduras. Se elas esto mais prximas, o campo eltrico maior, havendo mais cargas por unidade de rea, para uma dada tenso. n natureza do dieltrico - para uma mesma espessura do dieltrico, podemos aplicar tenses maiores em materiais com maior capacidade de isolamento.

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A capacitncia medida em Farads (F). Um Farad significa que um campo com carga de um Coulomb produz uma diferena de potencial de um Volt entre as armaduras do capacitor. Na prtica esta unidade muito grande e usamos somente seus submltiplos :

ou 1 x 10-6 F F = 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 so classificados pela sua capacitncia e tambm pela sua tenso de trabalho, que a mxima tenso que o capacitor pode suportar, sem que haja risco de ruptura do seu dieltrico. Se aplicarmos tenso superior especificada, o capacitor pode entrar em curto-circuito, ficando imprestvel.

TIPOS DE CAPACITORES: Os capacitores podem ser divididos em duas classes bsicas e estas classes em duas subclasses, conforme abaixo: Capacitores fixos : - despolarizados - eletrolticos

Capacitores no fixos: - variveis - ajustveis Capacitores fixos despolarizados, como o nome j indica, tem uma capacitncia fixa e no tem polaridade, podendo ser ligados ao circuito em qualquer posio. Estes capacitores em geral tem pequena capacitncia e so de aplicao geral. Em eletrnica, exceto em fontes de alimentao, so os mais comuns. Tipos de capacitores fixos despolarizados mais populares: de poliester, de cermica, de mica e de stiroflex. Capacitores fixos eletrolticos diferenciam-se por serem polarizados, isto , s podem ser ligados de uma maneira no circuito. No se pode inverter os terminais destes capacitores sob o risco de explodir a sua carcaa. A razo para serem polarizados que o dieltrico uma soluo qumica, chamada de eletrlito, que funciona como isolante apenas em uma direo, opondo-se passagem de eltrons somente nesta direo. Os eletrlitos mais usados so o xido de alumnio ou tntalo.Nota: eletrlito = substncia na qual a conduo de eletricidade acompanhada de reao qumica.

A pequena espessura possvel deste xido, geralmente aplicado como um filme, torna possvel uma construo de capacitores com alta capacitncia em volumes pequenos. Os capacitores eletrolticos possuem um tamanho cerca de metade de um capacitor no eletroltico de mesma capacitncia. Por serem polarizados, os capacitores eletrolticos s podem ser usados em circuitos onde no haja mudana de polaridade, como circuitos em CC. Outra desvantagem dos eletrolticos a sua degradao com o tempo, se no for utilizado. Isto se deve ao fato do eletrlito necessitar receber excitao, via aplicao de tenso, para manter suas 32

caractersticas. Um capacitor eletroltico guardado, sem uso, por muito tempo pode ter sua capacitncia muito alterada ou at ficar imprestvel. Devido s reaes qumicas que ocorrem no eletrlito, h uma variao grande no valor da capacitncia, entre um capacitor e outro de mesmo valor. Isto se chama tolerncia e pode chegar a 50% de diferena! Isto exige cuidados na aplicao destes componentes nos circuitos. Mesmo assim eles so muito comuns em fontes de alimentao, em filtros e em acoplamentos. Capacitores ajustveis so aqueles que possuem um parafuso de ajuste, para variar a capacitncia dentro de uma faixa. Em geral tm capacitncias bem pequenas, da ordem de pF e so utilizados em pontos de ajuste ou calibrao de circuitos, principalmente em radio freqncia (RF). A capacitncia ajustada via modificao na distncia entre as armaduras.

Capacitores variveis tambm podem ter sua capacitncia ajustada dentro de uma faixa, porm so projetados para variaes maiores na capacitncia e para uso mais intensivo, como por exemplo no dial dos rdios, para mudar a sintonia. A capacitncia alterada atravs da modificao da rea das armaduras.

ESPECIFICAO TCNICA PARA CAPACITORES A especificao dos capacitores deve conter: n Tipo n Capacitncia n Tenso de trabalho Exemplos: Capacitor de poliester 0,68F 200V Capacitor eletroltico de tntalo 10 F 20V Capacitor de mica 10pF 63V

IDENTIFICAO DE CAPACITORES Os capacitores podem ser identificados por marcaes em seu corpo e pelo tipo construtivo. Esta identificao revela a capacitncia e a tenso de trabalho. J o tipo construtivo revela o tipo de capacitor (de poliester, de mica, eletroltico, etc.). A marcao segue o sistema americano, com o ponto decimal em vez da vrgula. ( .1F e no 0,1F). Alguns capacitores apresentam sua identificao em cdigo de cores, tipo os resistores, onde os dois primeiros algarismos definem o valor bsico, o terceiro define o multiplicador, o quarto define a tolerncia e o quinto a tenso de trabalho. Vide os exemplos a seguir: Amarelo = 4 Violeta = 7 Valor base = 47 3 = 1000 Laranja = 3 = 10 Multiplicador = 1000 Branco = 10 % ou Preto = 20 % Tolerncia s pode ter estes valores Azul = 630 V, ou Amarelo = 400V ou Vermelho = 250V Tenso de trabalho 33

Assim um capacitor com estas cores tem capacitncia de 47000 pF, +/- 10% e tenso de trabalho 630V. Outro exemplo: Vermelho = 2 Vermelho = 2 Amarelo = 4 Preto = 20 % Amarelo = 400V Nota: para lembrar o cdigo de cores para resistores : Preto = 0 Marrom = 1 Vermelho = 2 Laranja = 3 Amarelo = 4 Verde = 5 Azul = 6 Violeta = 7 Cinza = 8 Branco = 9

Os capacitores seguem a srie E-12 de valores (10,12,15,18,22,27,33,39,47,56,68,82) com seus respectivos multiplicadores. Devido a falta de padronizao entre os fabricantes, uma mesma capacitncia pode ser escrita ou marcada em um capacitor de maneiras diversas, como no exemplo abaixo: 0,01F = 10 nF = 10 KpF Em geral os capacitores maiores tem gravado no corpo a sua capacitncia e tenso de trabalho. Os menores, principalmente os de poliester, usam o cdigo de cores, que deve ser lido de cima para baixo, do topo do corpo em direo aos terminais. Esta marcao especifica uma capacitncia sempre em pF. Exerccios: 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 cermica ou de mica, apresentam dificuldade at para o cdigo de cores, pois no h espao fsico para imprimi-las. Adota-se ento um cdigo de 3 algarismos e uma letra. Neste cdigo tambm os dois primeiros dgitos definem o valor bsico, o terceiro define o multiplicador e o quarto d a tolerncia. O valor resultante da capacitncia tambm em pF. Exemplos: Capacitor 181K = 180 pF, tol 10% Capacitor 564J = 560000 pF, tol 5% Capacitor 222K = 2200 pF, tol. 10%

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PRTICA:IDENTIFICAO E LEITURA DE CAPACITORES OBJETIVO: Familiarizar o aluno com os tipos de capacitor existentes no mercado, suas formas e marcaes, visando identific-los. MATERIAL: Capacitores variados; PROCEDIMENTO: Pegue cada um dos capacitores do seu kit e desenhe o formato dele, copie a marcao do capacitor e classifique-o por tipo, valor e tenso.

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APLICAES DOS CAPACITORES J 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 como filtro de sada em fontes de alimentao. Vide figuras abaixo:

E1

C1

C1 filtra as oscilaes da tenso E1 e ao variar a corrente da carga, ele tenta manter a tenso fixa.

Trafo

D1 C1 Carga RL

220 Volts

A funo do capacitor nestes circuitos de ajudar a fornecer uma tenso contnua e estvel 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. Tambm na figura de baixo, o diodo retifica a tenso alternada, transformando-a em contnua. Porm esta tenso contnua no limpa, pois contm oscilaes. Para remover estas oscilaes usamos um capacitor, de valor elevado, para se carregar nos momentos em que a tenso mxima e depois fornecer energia ao circuito quando a tenso mnima. Nestes caso usa-se capacitores de 100F ou mais. Mais adiante no curso veremos esta situao na prtica, analisando as oscilaes com osciloscpio. Vimos que o capacitor se carrega quase instantaneamente ao ligarmos a fonte. Na prtica isto no ocorre pois tanto a fonte como os fios que a ligam ao capacitor no so ideais, pois apresentam uma pequena resistncia, que fica em srie com o capacitor. Assim a corrente no pode ser grande o suficiente para carregar instantaneamente o capacitor. H 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 C1 R1 = resistncia interna da fonte + fios

Ao ligarmos a fonte E, o capacitor est descarregado e a corrente pode fluir rapidamente, carregando C1. A medida que a carga de C1 aumenta, sua tenso se aproxima da fonte, diminuindo a diferena de potencial entre os dois. Com menor d.d.p. a corrente 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. Tambm devido s resistncias do circuito, o capacitor nunca chega a se carregar at exatamente o valor da fonte E. A curva de carga do capacitor exponencial e depende da corrente, a qual por sua vez depende da resistncia em srie com o capacitor. Vide figura abaixo: Vc + E R C Vc = t (s) RxC Como o valor de Vc, tenso sobre o capacitor, s tangencia o valor E da fonte, nunca chegando a E, convencionou-se que o capacitor estar bem carregado ao atingir 63% do valor de E. Pela curva se v esta a parte rpida da carga, sendo atingida em pouco tempo. Este tempo chamado de constante de tempo dum circuito RC. Isto significa que o tempo para um capacitor se carregar sempre o mesmo, se ele estiver num mesmo circuito em srie com um resistor. Este tempo em segundos dado pela multiplicao de R em Ohms por C em Farads. Por exemplo, um capacitor de 10F em srie com um resistor de 10K, apresenta uma constante de 10 x 10-6 F x 10 x103 , ou 1 segundo. Estes componentes ligados a uma fonte de 12 volts, carregaro o capacitor at 7,56V (63% de 12) em 1 segundo. Se trocamos a fonte por 5 volts, o tempo de carga at 63% ser o mesmo 1 segundo, s que o capacitor estar ento com 3,15 V. Por isto se chama de constante de tempo do RC. Apresentamos a seguir um tipo de oscilador, bem fcil de ser montado, que pode ser usado para fazer um pisca-pisca. Com ele podemos entender melhor o mecanismo de funcionamento dos circuitos RC. E

S1 E +

R1 C1 L1 = lmpada non

Neste circuito, temos uma fonte CC (E), uma chave (S1), um resistor (R1), um capacitor (C1) e uma lmpada non(L1). Esta lmpada um tubo cheio de gs, que apresenta uma resistncia bem elevada inicialmente. Ao energizar a lmpada, o gs se ioniza passando a emitir luz. Neste instante a resistncia da lmpada baixa consideravelmente. O circuito funciona em duas fases: na inicial, com o fechamento da chave S1, o capacitor se carrega via R1, at 63% do valor da tenso E, num tempo igual a R1C1, pois L1 tem resistncia muito alta, representando quase um circuito aberto. Se escolhermos corretamente a tenso E, ao atingir 63% de E, a lmpada L1 tem seu gs ionizado e consequentemente sua resistncia baixa, fazendo com que C1 se 37

descarregue via L1. Esta a segunda fase. Isto faz a tenso sobre C1 baixar a menos de 63% de E, o que faz a lmpada apagar, aumentando novamente sua resistncia. Voltamos fase inicial! Veja a forma de onda da tenso sobre C1 e a lmpada:

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 lmpada a chamada dente de serra, como podemos perceber no grfico acima. Note-se que o tempo de carga de C1 bem maior que o tempo de descarga, via L1. Outra aplicao dos capacitores em circuitos CC como acopladores e desacopladores, entre estgios 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 srie com este sinal. Vide abaixo:

sinal CA

sinal CC

sinal CC

Em corrente alternada (CA ou AC) podemos usar capacitores despolarizados. Em CA h uma inverso da polaridade a cada semiciclo e assim cada armadura do capacitor fica sujeita, num semiciclo tenso positiva e noutro tenso negativa. Isto faz com que num semiciclo uma armadura entregue eltrons fonte e noutro receba eltrons, o que significa que se forma uma corrente eltrica no circuito, embora esta corrente no circule pelo dieltrico do capacitor.

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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 tenso, corrente que circula num componente depende da resistncia que este componente apresenta, sendo esta resistncia expressa em Ohms. Para um capacitor de 1nF qual ser a resistncia que ele oferece passagem de corrente num circuito CA? Esta resistncia chamada de REATNCIA CAPACITIVA, Xc expressa tambm em Ohms e calculada pela frmula:

Xc = 1/ 2.f.conde: Xc = 2 = f = C = reatncia capacitiva em Ohms constante = 6,28 freqncia da corrente alternada em Hertz Capacitncia em Farads

Como o Farad muito grande para expressar valores prticos de capacitores, a equao acima pode ser alterada para:

Xc = 106 / 2.f.cDesta forma podemos usar valores de capacitncia em F. Exemplos de clculo de reatncia capacitiva: 1)Qual a reatncia de um capacitor de 10nF num circuito de 60 Hz? Dados f = 60 Hz e C = 10 nF ou 0,01F Xc = 106 / 2.f.c = 1000000 / 6,28 . 60. 0,01 ou seja Xc = 265392 265 K 2) Qual a reatncia de um capacitor de 6,8F num circuito de 60 Hz? Dados f = 60 Hz e C = 6,8 F Xc = 106 / 2.f.c = 1000000 / 6,28 . 60. 6,8 ou seja Xc = 390,28

Vimos que a reatncia capacitiva depende exclusivamente da capacitncia e da freqncia do circuito CA. Como ambos encontram-se sob o denominador, isto dividindo o resultado, conclumos que a reatncia capacitiva diminui com o aumento da capacitncia e tambm com o aumento da freqncia! 39

Notem que a tenso aplicada ao circuito NO aparece na frmula, portanto a reatncia NO depende do valor da tenso aplicada! A tenso ir, pela lei de Ohm, definir a corrente que circular pelo circuito. Desta forma, para circuitos CA com capacitores, a lei de Ohm fica:

E = Xc . I

Exerccio: Qual a corrente que circula no circuito que tem um capacitor de 10 F, conectado numa rede de 220V, 60 Hz ? Primeiro determinamos Xc = 106 / 2.f.c = 106 / 6,28. 60. 10 Xc = 265 Depois, Lei de Ohm: I = Vc / Xc = 220/265 = 0,83 A I = 830 mA

ASSOCIAO DE CAPACITORES:

ASSOCIAO PARALELA DE CAPACITORES - Serve para obter valores de capacitncia maiores, pois a capacitncia total de uma associao de capacitores em paralelo igual soma das capacitncias individuais. CT = C1 + C2 + C3 + ... + Cn

Onde :

CT = capacitncia total da associao C1 = capacitncia do capacitor C1 .... Cn = capacitncia do capacitor Cn

Estando em paralelo, os capacitores recebem todos a mesma tenso. Desta forma a maior tenso que pode ser aplicada a uma associao paralela de capacitores a do capacitor que tem a menor tenso de trabalho.

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No caso de capacitores polarizados, deve-se atentar para conectar sempre terminal positivo com positivo e terminal negativo com negativo. Lembrem-se que no aconselhvel aplicar nos capacitores tenso igual ou muito prxima sua tenso mxima.

Exerccios: Qual a capacitncia das associaes abaixo?

560nF 2,2F 8,2F

680nF

Qual a tenso mxima que pode ser aplicada aos circuitos abaixo? 390nF, 400V

3,3F 250V

6,8F 600V

910nF, 250V

ASSOCIAO SRIE DE CAPACITORES - usada para obter capacitncias menores ou para poder trabalhar com tenses de trabalho mais elevadas. A capacitncia da associao srie sempre menor que a do menor capacitor da associao, sendo calculada pela frmula:

CT

=

1 1 1 1 + + ...... + C1 C 2 Cn

Onde :

CT = capacitncia total da associao C1 = capacitncia do capacitor C1 .... Cn = capacitncia do capacitor Cn

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Em dois casos comuns, podemos simplificar a frmula acima:

1) Associao srie de n capacitores iguais: CT = C n

2) Associao srie de dois capacitores C1 e C2:

CT =

C1 x C2 C1 + C2

Exerccios: Calcule o valor das associaes a seguir: 1nF 250pF 820 nF 330nF 270kpF

1F

Tenso de trabalho da associao srie : A tenso se distribui de maneira inversamente proporcional capacitncia, ou seja o capacitor de menor capacitncia fica com a maior parcela de tenso!

Para determinar a tenso em cada capacitor numa associao srie, usa-se a lei de Ohm, calculando primeiro a CT, depois a corrente do circuito e sendo Vc1 a tenso no capacitor 1, seu valor ser: Vc1 = I . Xc1 e assim sucessivamente. Na prtica mais comum usar associao srie de capacitores iguais, com mesma capacitncia e mesma tenso de trabalho. Assim a tenso se divide igualmente entre os capacitores. No caso de capacitores polarizados ligados em srie, devemos sempre ligar o positivo de um no negativo do outro, como fazemos com as pilhas das lanternas ou rdios.

PRTICA: Medida de capacitncias Calculo de capacitncias desconhecidas, pela E e I Medidas de capacitncias equivalentes srie e paralelo 42

G) SEMICONDUTORES: JUNES PNJ estudamos os materiais condutores e isolantes. Tambm j conhecemos os componentes bsicos da eletrnica, os ditos passivos, que so os resistores, capacitores e indutores. Agora vamos estudar os materiais semicondutores, que so a base dos componentes eletrnicos ativos. Semicondutores so materiais que podem ter caractersticas de condutores ou de isolantes, dependendo da forma como se apresenta sua estrutura qumica. Os semicondutores so tetravalentes, ou seja apresentam quatro eltrons na camada de valncia. Esta formao faz com que eles procurem se agrupar em estruturas cristalinas, de formas que cada tomo se combina com quatro outros e cada eltron pertena simultaneamente a dois tomos. Vide esquema abaixo:

Este tipo de ligao entre os tomos chamado de ligao covalente, caracterizandose por manter os eltrons fortemente ligados aos ncleos. Isto significa que difcil arrancar eltrons para conduzir eletricidade, portanto esta estrutura cristalina isolante. Os semicondutores mais usados na eletrnica so o silcio e o germnio. Em sua forma pura, cristalina, ambos so isolantes. Para aproveita-los como condutores de eletricidade necessrio alterar esta estrutura, forando a presena de eltrons livres. Isto se faz colocando impurezas no meio da estrutura cristalina, num processo chamado de dopagem. Na natureza encontramos cristais de silcio e germnio que no so perfeitos, possuindo algum outro elemento qumico misturado na estrutura do cristal. Porm na eletrnica a dopagem feita em laboratrio, a fim de colocar a quantidade certa e o tipo adequado de impureza para permitir certa condutibilidade eltrica. Um dos tipos mais comuns de um cristal de silcio impuro o dopado com fsforo, elemento qumico que possui 5 eltrons na camada de valncia. Neste caso ao combinar o fsforo (P) ao silcio (Si), quatro dos cinco eltrons do fsforo encontram um par na estrutura cristalina, para formar ligao covalente. O quinto eltron no consegue formar ligao covalente, ficando ento fracamente ligado ao tomo, podendo por isto se desprender e vagar pelo material, conduzindo carga eltrica. Cada 43

tomo de impureza fornece um eltron 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 eltrons livres , se mantm eletricamente neutro, pois o nmero der prtons igual ao de eltrons. Um cristal semicondutor dopado com impurezas que tem nmero de eltrons maior que quatro (tipo o fsforo ou arsnico) denominado cristal N , pois a corrente eltrica conduzida no material por cargas negativas. Se doparmos um cristal com impurezas que tem menos de quatro eltrons na ltima camada, a combinao com os tomos do cristal cria uma situao inversa, pois todos eltrons da impureza se associam com os do cristal e ainda assim ficam eltrons faltando na estrutura. Esta falta de eltron cria um buraco, que se chama de lacuna , e representa uma carga positiva, pela prpria ausncia do eltron. Os cristais dopados com impurezas de menos de quatro eltrons na camada de valncia so chamados cristais P. Neste material a corrente circula pelo deslocamento das lacunas. Isto se d pois a aplicao de um potencial eltrico aos extremos de um cristal P faz com que um eltron se desloque, ocupando o espao da lacuna mais prxima. Este eltron deixa uma lacuna em seu lugar, que preenchida com outro eltron, que cria nova lacuna e assim por diante.

A CORRENTE NOS MATERIAIS SEMICONDUTORES.

CRISTAL N: Num cristal N, existem eltrons livres, que podem andar pelo material, ao serem submetidos a uma tenso eltrica. Isto pode ser visto nas ilustraes abaixo: corrente de eltrons corrente de eltrons

eltron livre

-

+

+

-

Como se pode ver a corrente circula pelo cristal N, atravs do deslocamento dos eltrons, independentemente da polaridade da tenso! Os eltrons livres do cristal so atrados pelo potencial positivo da fonte de tenso, enquanto o polo negativo da fonte fornece outros eltrons ao lado negativo do cristal, para suprir os que se deslocaram em direo ao polo positivo.

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CRISTAL P: Num cristal P no h eltrons livres e sim buracos ou lacunas, onde os eltrons podem se alojar. Como circula a corrente? Vejamos nas ilustraes abaixo: corrente de lacunas corrente de lacunas

lacuna

-

+

+

-

Ao aplicarmos uma tenso aos extremos de um cristal P, os eltrons tendem a ir para o polo positivo da fonte saltando de lacuna em lacuna. Assim a lacuna ocupada por um eltron, que ao movimentar-se deixa atrs de si outra lacuna. Esta segunda lacuna ocupada pelo prximo eltron, que forma a nova lacuna e assim por diante. Portanto, a medida que os eltrons se deslocam, a impresso que fica que as lacunas esto se movendo, o que nos leva a chamar este deslocamento de corrente de lacunas, que tambm independe da polaridade. Os cristais P e N so a matria prima bsica para fabricao dos diodos, transistores e circuitos integrados (chips), que sero nosso prximo assunto. Devemos citar que a temperatura influencia muito a condutibilidade dos materiais semicondutores. Quanto mais alta a temperatura, mais soltas ficam as ligaes covalentes, permitindo que haja mais eltrons livres disponveis e portanto mais conduzir o material. Isto o oposto do que acontece com os metais, que so bons condutores de eletricidade, mas que tem sua resistncia eltrica aumentada com o aumento de temperatura.

A JUNO 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 resistncia definida e conduz corrente nos dois sentidos. Se usarmos um material semicondutor bsico, tipo silcio, e doparmos um cristal com X impurezas de 5 eltrons e outro cristal de mesmas dimenses com X impurezas de 3 eltrons, criaremos respectivamente um cristal N e um P, com mesma resistncia eltrica. Sua oposio passagem de corrente praticamente idntica.

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Um comportamento completamente diferente acontece quando juntamos um material N a um P. Esta juno PN ou NP, pode ser feita preparando-se um material N e outro P e depois juntando-os por calor, at causar a fuso do material, ou mais comumente na eletrnica, pegando-se um bloco de material semicondutor e fazendo se difundir num pedao do material as impurezas que formam o tipo N e noutro as tipo P. Desta forma obtemos um bloco nico de material com uma extremidade N e outra P. Mas o que acontece ao juntarmos um material N a um P ? Na regio dopada com impurezas N, temos eltrons livres ou sobrando, enquanto na regio com impurezas P temos lacunas ou falta de eltrons. Era de se esperar que houvesse uma migrao dos eltrons livres para ocupar as lacunas, at haver neutralizao de todo o material. Porm no bem isto que ocorre. H uma migrao, apenas restrita a uma zona central do bloco, Veja figuras abaixo: P + + + N + +- - - + + - + + +- - - Eltrons saltam para lacunas +

+ + + + +

Incio da juno

+

+ -+ +- - + ++- Lacunas saltam para lado N + + -+ +- - Zona neutra ou de DEPLEO (ausncia de portadores de carga) Como cada pedao do cristal P ou N eletricamente neutro originalmente, quando alguns eltrons saltam do lado N para o P, este lado P fica com mais cargas negativas na zona de depleo e o lado N fica com carga positiva prximo juno. O material fica com a aspecto abaixo: zona de depleo + + + + + + - - -

+

Forma-se uma barreira de potencial na juno, que tem polaridade invertida em relao 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 germnio a barreira de aproximadamente 0,2 Volts e no caso mais comum hoje, nos semicondutores a base de silcio, a barreira de aproximadamente 0,7 Volts. + + + - - -

+ + + +

-

+ 46

E = 0,7 V para o silcio

No se pode medir esta barreira de potencial com voltmetros, pois uma caracterstica interna do componente. Ao medirmos externamente encontraremos uma tenso igual a zero, pois o material como um todo neutro. Se quisermos fazer passar uma corrente pela juno 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 juno ao aplicarmos uma tenso externa a ela.

H) INTRODUO SOBRE DIODOS E TRANSISTORESDIODO: Dispositivo semicondutor composto basicamente de uma juno PN encapsulada, com dois terminais externos. Vide figura abaixo:

P N

terminal encapsulamento Representao do diodo: P anodo (A) N catodo (K)

FUNCIONAMENTO DO DIODO: Vejamos a seguir o que ocorre com os eltrons livres e com as lacunas ao aplicarmos uma tenso sobre a juno PN. Observe o circuito abaixo: + Ampermetro

+ -+ +- - + ++- + + -+ +- - P N

+

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Ao aplicarmos uma tenso com a polaridade acima demonstrada, ou seja com o polo positivo da fonte ligado ao lado P da juno e o polo negativo ligado ao lado N, dizemos que h uma polarizao direta do diodo. Nesta polarizao direta, o polo positivo da fonte, que atrai eltrons, repele as lacunas do lado P, que se deslocam para a juno, enquanto o polo negativo igualmente repele os eltrons para a juno. Na juno h uma barreira de potencial, como se fosse uma bateria, com polaridade invertida em relao fonte, isto opondo-se a fonte. Porm se a tenso da fonte for maior que a da barreira interna, os portadores de cargas (eltrons e lacunas) conseguem atravessar a barreira, com os eltrons se deslocando em direo ao polo positivo da fonte e as lacunas em direo ao polo negativo. Ou seja desenvolve-se uma corrente eltrica pelo material, que passa a ser um condutor, com baixa resistncia passagem da corrente. Podemos dizer tambm que na polarizao direta, com as lacunas e os eltrons sendo repelidos at a juno, ocorre uma recombinao destas cargas na juno e isto faz com que desaparea a barreira. Para tal a tenso aplicada tem que ser maior que a tenso da barreira interna (0,7 V para o silcio). Se aplicarmos uma tenso superior a 0,7 V num diodo de silcio, com polarizao direta, o diodo passa a conduzir corrente eltrica. Dizemos ento que o diodo entra em conduo. Nesta caso o ampermetro (A) da figura acima passa a indicar uma corrente bem elevada, pois o diodo em conduo apresenta resistncia bem baixa.

Por outro lado, se invertermos a fonte de tenso iremos criar uma situao bem diferente. O polo positivo, que atrai eltrons, ao ser ligado ao lado N, que tem eltrons livres, atrai estes eltrons 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 juno e aproximam-se das extremidades, aumentando a zona central neutra e livre de portadores, que a barreira de potencial. Com isto a resistncia do material passagem de corrente aumenta muito e quanto maior a tenso da fonte externa, maior fica a resistncia, pois mais eltrons e lacunas so atrados para as extremidades, aumentando mais a barreira interna. O ampermetro (A) na figura acima indicar praticamente zero corrente, pois a juno polarizada inversamente apresenta uma resistncia muito elevada. Nesta condio dizse que o diodo est em bloqueio. Resumindo : + Diodo em conduo: I -

Diodo em bloqueio : I = 0

+

Explicado o funcionamento bsico do diodo em polarizao direta e inversa, podemos observar com mais detalhes seu uso na eletrnica. O diodo ideal apresenta resistncia 48

zero ao entrar em conduo, podendo ser representado por um curto circuito numa anlise de circuito equivalente. + = Similarmente o diodo ideal, em bloqueio, apresenta resistncia infinita, podendo ser representado por um circuito aberto:

-

+ =

Formas fsicas 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 potncia

O catodo do diodo indicado por uma faixa, branca em diodos com o corpo preto ou escura em diodos com o corpo claro. Nos diodos de potncia, que so rosqueados em dissipadores de calor, o catodo em geral o terminal ligado ao corpo do diodo e, consequentemente ao parafuso de fixao. Os diodos de sinal ou retificadores so encapsulados em plstico ou vidro, enquanto os de potncia so montados em estruturas metlicas, facilitando a conduo do calor. O diodo semicondutor real difere do diodo ideal por dois motivos: n a barreira de potencial n a resistncia interna A barreira de potencial s permite que o diodo entre em conduo quando a tenso externa aplicada for superior tenso da barreira interna(0,7 V para diodos de silcio). A resistncia interna existe pois o diodo no um condutor perfeito, apresentando resistncia bastante baixa, mas no zero. Valores tpicos de resistncia para diodos em conduo so da ordem de 1 ou menos. Representao do circuito equivalente de um diodo real: em conduo: A K barreira resistncia interna 49

Esta representao nos ajuda a entender melhor o funcionamento do diodo, mas na prtica a resistncia interna muito pequena, comparada com as encontradas nos demais componentes do circuito, bem como a tenso da barreira bem mais baixa que as tenses aplicadas aos diodos. Podemos em geral desprezar estes fatores no clculo do circuito. Da mesma forma na condio de bloqueio, o diodo no consegue bloquear totalmente a passagem da corrente, pois devido a imperfeies na estrutura cristalina alguns portadores minoritrios de carga conseguem fazer passar uma pequena corrente, chamada de CORRENTE DE FUGA, da ordem de alguns microamperes. A representao do circuito equivalente do diodo em bloqueio dada abaixo:

A

K R = vrios megohms

Na maioria dos circuitos podemos igualmente desprezar esta corrente de fuga.

CURVA CARACTERSTICA DO DIODO REAL

Esta curva representa o funcionamento do diodo em conduo e em bloqueio. O quadrante positivo - positivo (tenso positiva sobre o diodo e corrente direta pelo diodo) mostra o comportamento do diodo em conduo, onde podemos ver que com tenso VD menor que 0,7V (barreira interna) no h passagem de corrente ( I = 0 ). Ao aumentarmos a tenso sobre o diodo, assim que esta passe de 0,7V, o diodo entra em conduo, com a corrente aumentando bruscamente. Note-se que h um pequeno 50

aumento da tenso 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 tenso sobre o mesmo aumenta de 0,7 at 0,75 V. J no outro quadrante (negativo - negativo ou tenso reversa sobre o diodo e corrente no sentido contrrio) temos demonstrado o funcionamento em bloqueio. Nesta situao podemos aumentar a tenso reversa sobre o diodo que ele no entra em conduo, permitindo a passagem apenas da corrente de fuga, da ordem de alguns microamperes, mesmo para tenses reversas da ordem de 100 ou 200 Volts. Se excedermos a tenso reversa mxima o diodo entra em conduo no sentido reverso, com a corrente aumentando muito. Este efeito ser apresentado mais adiante nos diodos zener.

ESPECIFICAO TCNICA DE DIODOS Os diodos so especificados por dois parmetros bsicos: n Corrente de conduo ( IF ) n Tenso reversa ( VR ) A corrente de conduo IF a mxima corrente que o diodo pode suportar sem sofrer danos juno. Correntes acima de IF causam aquecimento excessivo da juno e sua conseqente destruio. O F de IF provem do ingls Forward (direto ou para frente) A tenso reversa VR a mxima tenso que o diodo suporta estando em bloqueio, sem que a corrente de fuga cause danos juno. Ultrapassando VR a corrente de fuga dispara e o diodo fica destrudo. Os fabricantes de diodos fornecem para cada tipo ou srie de diodo estes dados, bem como outras caractersticas aplicveis em circuitos especficos, como os de RF (Radio Freqncia ). Note-se que a tenso de conduo VD no citada, pois caracterstica do tipo do cristal do diodo (0,7 V p/silcio e 0,2 V p/germnio), bem como a corrente de fuga que tambm est associada ao material do diodo. Exemplos de especificaes 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 est bom, basta um multmetro. Usamos o multmetro na funo ohmmetro para medir a resistncia do diodo. Sabemos que para medir resistncias o ohmmetro aplica uma tenso e mede a corrente. Esta mesma tenso pode ser aplicada ao diodo para verificar se ele conduz ou no. 51

Ao ligarmos o terminal positivo do multmetro no anodo e o negativo no catodo o diodo deve apresentar baixa resistncia (menor que 500 ohms). Ao invertermos a polaridade das ponteiras do multmetro a indicao deve ser de alta resistncia (muitos K. No multmetro que usamos no curso temos uma funo especfica para teste de diodos, marcada pelo smbolo do diodo. s conectar ao diodo as ponteiras (positiva no anodo e negativa no catodo) e se ele estiver OK o aparelho emite um bip, indicando baixa resistncia. Ao inverter as ponteiras no deve soar o bip, pois a resistncia alta. Cumpre notar que em alguns multmetros analgicos na funo ohmmetro, h uma inverso da polaridade das ponteiras, sendo nestes casos a ponteira preta a positiva e a vermelha a negativa. Se o diodo apresentar baixa resistncia nos dois sentidos ele est em curto. Ao contrrio, se apresentar alta resistncia nos dois sentidos, ele estar aberto.

APLICAES DOS DIODOSOs diodos so muito teis na eletrnica, sendo usados em praticamente todos os circuitos. Uma das aplicaes mais comuns como retificador, dispositivo que transforma corrente alternada em contnua. Vejamos a seguir como isto ocorre. O diodo permite a passagem de corrente em apenas uma direo, quando o anodo esta mais positivo que o catodo. Esta propriedade usada para converter um sinal alternado, cuja polaridade troca a cada semiciclo, em um sinal contnuo, que no troca de polaridade. O retificador mais simples o de meia onda, que permite o aproveitamento de apenas um semiciclo da tenso de entrada. Vide figura abaixo: semi ciclo semi ciclo

Entrada

VCA

Sada

Circuito que executa esta funo: Diodo

220 VCA

VCA

R carga

Transformador

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No primeiro semiciclo o diodo fica polarizado diretamente e conduz a tenso para a carga. No segundo semiciclo a polarizao inversa e o diodo bloqueia a passagem da tenso. Como podemos ver na figura acima, a tenso de sada do retificador de meia onda uma tenso pulsante CC. Ela CC pois circula num s sentido sem troca de polaridade e pulsante pois num semiciclo circula corrente e noutro no circula. A tenso de pico sobre a carga sempre menor que a tenso de entrada, pois h uma queda de 0,7 V (ou 0,2 V) no diodo. Alm disto podemos observar que a quantidade de energia transferida para a carga 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 tenso de sada de um retificador meia onda com um voltmetro ou multmetro, o aparelho indicar a tenso mdia sobre a carga, bem abaixo da tenso de pico. Para calcular a tenso sobre a carga, usamos a frmula a seguir: VP VD Onde: VCC = tenso contnua sobre a carga VP = tenso de pico (VP) em CA aplicada ao circuito VD = queda de tenso sobre o diodo (0,7 ou 0,2 V) = fator devido forma da onda de entrada (senide) VCC = A tenso de pico a tenso eficaz, medida pelo multmetro, multiplicada por ,2 , ou seja VP = Vrms x ,2 = VCA x ,2 . Quando a tenso de entrada CA for superior a 10 V (o que ocorre na maioria dos casos) podemos desprezar a queda no diodo, reduzindo a frmula a: VCC = VCA 2 = VCA x 0,45

Isto significa que o retificador de meia onda transfere apenas 0,45 ou 45% da tenso CA aplicada, o que um rendimento muito baixo. Outro inconveniente do retificador de meia onda a qualidade da tenso CC que ele fornece ao circuito. Pela figura acima podemos perceber que a tenso sobre a carga oscila bastante, gerando problemas em diversas aplicaes. O mesmo ocorre com a corrente, que pulsa como a tenso, e calculada por: VCC R O valor de ICC usado para selecionar o diodo adequado