Elementos de Electricidade e Electrónica

UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR
PRELIMINAR
Sistemas Lógicos - Elementos de Electricidade e Electrónica
Pedro Araújo
-----------------------------------------------1 - Introdução
A electricidade é um conjunto complexo de fenómenos originados pela passagem de uma
corrente de electrões ao longo de um circuito designado por circuito eléctrico. Um circuito
eléctrico é constituído por um certo número de componentes, os quais permitem controlar
adequadamente o comportamento do circuito. Alguns desses componentes deixam-se atravessar
pela corrente, enquanto outros se opõem à sua passagem. Os primeiros designam-se por
condutores, sendo exemplos quase todos os metais, a grafite e também alguns tipos de borrachas
e os segundos por isoladores de que são exemplos o vidro, o papel, o ar seco e a água pura, bem
como a maioria dos materiais plásticos. Existe ainda um terceiro tipo, os semicondutores, com
condutividade intermédia entre os condutores e os isoladores, que desempenham um papel chave
em electrónica e de que pode dar-se como exemplo o silício e o germânio.
1.1 - Circuito eléctrico
Para que os fenómenos eléctricos possam ocorrer, tem de existir um fluxo de electrões ao longo
do circuito de modo que os electrões o atravessem passando pelos elementos condutores, não
podendo o circuito estar interrompido por algum componente isolador. Um circuito deste tipo
diz-se um circuito fechado. Se no circuito existir algum elemento isolante, os electrões são
bloqueados e não passam, tendo-se um circuito aberto.
isolante
Circuito fechado – os electrões
fluem ao longo do circuito
Circuito aberto – os electrões são
bloqueados
Exemplo de um circuito que pode estar aberto ou fechado é quando se desliga ou liga o
interruptor de um candeeiro, em que o interruptor respectivamente impede ou permite a
passagem dos electrões.
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1.2 - Tensão e Corrente
Para que o fluxo de electrões possa ocorrer não basta existir um circuito fechado formado por
elementos condutores, é preciso algo que obrigue os electrões a movimentarem-se ao longo do
circuito. O conceito é semelhante ao dos sistemas de rega, em que a água circula ou por acção de
uma bomba, ou porque provém de um depósito colocado a um nível superior àquele em que vai
ser utilizada. Em ambos os casos é criada uma força que impele a água ao longo da tubagem,
força essa que é tanto maior quanto mais potente é a bomba ou maior o desnível.
Em termos eléctricos, a força que movimenta os electrões é fornecida por um elemento de
circuito designado por gerador. Um gerador pode assumir a forma de uma pilha no qual ocorrem
reacções químicas, uma célula fotovoltaica em que é aproveitada a energia da luz solar, ou ainda
um gerador mecânico accionado por turbinas numa central hidroeléctrica. Esses diferentes tipos
de geradores apresentam diferentes características nomeadamente quanto à sua capacidade para
impulsionarem os electrões, a qual é muito maior para o último tipo em relação aos dois
primeiros.
A força fornecida por esses geradores, capaz de movimentar os electrões, é designada por força
electro-motriz, tensão ou voltagem. A tensão ou voltagem é um parâmetro que caracteriza o
gerador e mede a sua capacidade para movimentar os electrões, a qual é tanto maior quanto
maior for a voltagem. A unidade de medida é o Volt[V]. Uma vulgar pilha de lanterna de bolso
apresenta uma voltagem típica de 1.5V, nas tomadas das nossas casas existem 220V, dentro de
um televisor podem encontrar-se 20 000V, enquanto em certas linhas de transmissão de energia
(linhas de alta tensão) pode chegar-se aos 220 000V. Em termos de analogia com o circuito de
rega, a tensão representa a força gerada pela bomba ou pelo desnível do depósito.
Um conceito associado ao de tensão é o conceito de corrente eléctrica. Voltando ao circuito de
rega, a água que circula na tubagem depende não só da força exercida pela bomba ou pelo
desnível, mas também da oposição apresentada pela tubagem à passagem da água, a qual é
função, por exemplo, do calibre dos tubos. Quanto maior for esta oposição, menos água circula.
Em termos eléctricos, a quantidade de electrões movimentada pelo gerador depende não só da
sua tensão mas também da oposição apresentada pelo circuito, a que se dá a designação de
resistência. Quanto maior a resistência menos electrões fluem. Assim, dado um gerador com
uma certa tensão ou voltagem, ligado a um circuito que apresenta uma certa resistência, este será
atravessado por um fluxo de electrões, ou seja, por uma corrente eléctrica.
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1.3 - Lei de Ohm
Viu-se atrás que a corrente que circula num circuito fechado é função da tensão do gerador e
também da resistência oferecida pelo circuito. Em termos quantitativos, qual será a relação entre
essas quantidades ? ela é dada pela lei de Ohm (em homenagem a George S. Ohm) e é uma das
leis mais importantes da electrotecnia, podendo apresentar-se como:
I=
U
, em que I representa a corrente eléctrica que passa no circuito, U a tensão ou voltagem
R
do gerador (também designado por fonte) e R a resistência do circuito. As unidades de cada uma
das grandezas bem como os seus multiplos e sub-múltiplos mais comuns são:
Grandeza
Unidades (mais usuais)
sub-múltiplos
Fundamental
múltiplos
Ampére [A]
kilo Ampére = 103A [kA]
-6
Corrente – I
Tensão – U
Resistência - R
micro Ampére = 10 A [µA]
-3
mili Ampére = 10 A [mA]
micro Volt = 10-6 V [µV]
mili Volt = 10-3 V [mV]
mili Ohm = 10-3 Ω [m Ω]
Volt [V]
Ohm [Ω]
kilo Volt = 103V [kV]
mega Volt = 106V [MV]
kilo Ohm = 103 Ω [k Ω]
mega Ohm = 106 Ω [M Ω]
Ex. Um circuito cuja resistência é de 2000Ω = 2*103Ω = 2kΩ é alimentado por uma fonte de 5V.
Qual a intensidade da corrente que percorre o circuito? I =
U
5
=
= 2.5 ∗ 10 −3 A = 2.5mA
3
R 2 ∗ 10
Note-se que enquanto a tensão é um parâmetro que define o gerador (depende da sua
constituição a qual em princípio é fixa) e a resistência é um parâmetro do circuito (depende dos
elementos que o constituem), a corrente não é uma característica do gerador nem do circuito,
pois depende quer da tensão utilizada, quer do valor da resistência do circuito. Assim, não faz
sentido falar da corrente de uma fonte ou de um circuito. Já faz sentido é falar da corrente
máxima que uma fonte pode fornecer, ou da corrente máxima que pode atravessar um dado
circuito.
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1.4 - Sentido da corrente eléctrica
No sistema de rega visto atrás, a água movimenta-se sempre no mesmo sentido, descendo pela
tubagem que vem do depósito aonde está armazenada, até ao local aonde vai ser usada. Em
termos eléctricos, o fluxo de electrões parte do terminal aonde estes são gerados e armazenados,
para o terminal aonde estão em falta. Como os electrões têm carga eléctrica negativa, o terminal
de partida é assim o de energia mais baixa(mais negativa) e que por isso é designado por
terminal negativo, sendo o terminal de chegada aquele que apresenta a energia mais alta(menos
negativa), sendo por isso designado por terminal positivo. O sentido real da corrente eléctrica é
pois do terminal negativo para o positivo. Nos primórdios da investigação em electricidade estes
factos não eram conhecidos e o mais intuitivo foi considerar que o sentido da corrente era do
terminal positivo para o negativo. Este sentido ficou conhecido como sentido convencional, o
qual é normalmente utilizado pois a maioria dos fenómenos eléctricos pode explicar-se usando
um sentido ou o outro. Os terminais são também designados por pólos e quando se referem os
pólos positivo e negativo de uma fonte, está-se a referir qual a polaridade da fonte.
1.5 - Representação
A simbologia usada para representar os elementos de circuito vistos até agora é a seguinte:
+
U
─
Fonte de tensão de valor U [Volts] : terminal marcado com “+” = pólo positivo
terminal marcado com “-“ = pólo negativo
R ou
R Resistência de valor R [Ω]
Fio condutor de ligação
Interruptor aberto
Interruptor fechado
Exemplo (problema da alínea 1.3):
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I=0
+
5V
I = 2.5mA
2kΩ
─
+
5V
2kΩ
─
(circuito aberto)
(circuito fechado)
1.6 - Curto-circuito
Dá-se um curto-circuito quando a um gerador é aplicado um circuito cuja resistência é R = 0Ω.
Na prática tal pode acontecer se nos terminais do gerador for ligado um simples fio condutor,
cuja resistência é próxima de zero. Segundo a lei de Ohm, nessas circunstâncias a corrente
assumiria um valor infinito. Na prática tal não acontece, mas a corrente pode assumir valores
muito altos, suficientes para destruir a fonte, ou provocar um aquecimento tal no fio ou na fonte
que leve à sua destruição por exemplo através de um incêndio. A situação de curto-circuito é
pois de evitar a todo o custo, embora existam dispositivos com a função de protegerem os
circuitos se tal ocorrer.
1.7 – Capacidade
Um dispositivo constituído por duas placas metálicas separadas por um material isolante
designa-se por condensador e apresenta propriedades de armazenamento de carga eléctrica
semelhantes a uma bateria. Se aplicarmos uma tensão a um condensador e em seguida retirarmos
a fonte, poderemos constatar que ele permanece carregado com um valor de tensão igual ao da
fonte e com a mesma polaridade, isto é, o condensador armazenou a carga eléctrica aplicada pela
fonte. O tempo durante o qual o condensador mantém a carga é relativamente pequeno e esta
decai rapidamente até desaparecer. Porém, durante o período de tempo em que o condensador
mantém a carga pode dizer-se que ele memorizou o valor da tensão que lhe foi aplicada. Este
princípio é utilizado na construção de memórias, aonde se consegue prolongar o tempo durante o
qual o condensador armazena a carga e assim guardar dados por longos períodos.
1.8 – Corrente contínua e alternada
As fontes referidas atrás apresentam polaridade fixa, isto é, os pólos positivo e negativo são
sempre os mesmos. Deste modo, ao aplicar uma destas fontes a um circuito, a corrente circulará
sempre no mesmo sentido, ou seja, do pólo positivo para o negativo da fonte(sentido
convencional). Este tipo de fontes é designada por fontes de corrente contínua ou fontes DC (do
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inglês “direct current”). A fig.(a) mostra a representação gráfica de uma tensão DC, com um
valor U constante no tempo. Existem outras fontes em que os pólos da fonte mudam
periodicamente, fazendo com que o sentido de circulação da corrente também mude
periodicamente. Este tipo de fontes é assim designado por fontes de corrente alterna, corrente
alternada ou fontes AC (do inglês “alternate current”). A fig.(b) mostra a representação gráfica
de uma tensão AC que varia periodicamente no tempo segundo uma função sinusoidal. A
corrente alternada apresenta características que a tornam apropriada para ser utilizada na
distribuição doméstica ou em utilizações industriais, mas a maioria dos equipamentos
electrónicos precisa de tensão e corrente DC para trabalhar. Como nas tomadas domésticas existe
tensão AC pode tornar-se necessário converter um tipo no outro.
+U
+U
0
0
tempo
tempo
-U
(a) tensão DC, constante no tempo
(b) tensão AC, variável no tempo
O primeiro passo para converter a forma de onda da fig.(b) na da fig.(a) é impedir que a corrente
inverta o sentido, ou seja, tem de eliminar-se a parte da sinusóide abaixo do eixo das
abcissas(processo designado por rectificação). Existe um componente que apresenta a
propriedade de só permitir a passagem da corrente num sentido e que pode ser usado naquela
função. Trata-se do diodo, representado em (c), o qual só permite a passagem da corrente no
sentido da seta, bloqueando a corrente que o tente atravessar em sentido contrário. O resultado da
aplicação do sinal (b) ao diodo é representado na fig.(d).
I>0
A
K
A - ânodo ou
terminal positivo
I=0
0
símbolo do diodo
K - cátodo ou
terminal negativo
A
tempo
K
aspecto de um diodo real
(c) diodo
+U
tempo
-U
(d) sinal (b) após atravessar o diodo
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O sinal em (d) ainda não é igual ao sinal (a) mas é fácil torná-los iguais usando condensadores,
embora isso saia fora do âmbito deste texto. O que este exemplo permitiu foi apresentar a
principal propriedade dos diodos, que é a de só permitirem a passagem da corrente num sentido,
propriedade essa que será utilizada mais tarde na construção de circuitos digitais. As figuras
seguintes mostram o resultado da introdução de um diodo num circuito. No caso (e) em que o
diodo se encontra polarizado no sentido de não condução, não há corrente no circuito; no caso (f)
existe corrente pois o diodo está polarizado no sentido directo.
I=0
I = 2.5mA
+
2kΩ
5V
─
+
2kΩ
5V
─
(circuito fechado)
(circuito aberto)
(e) diodo polarizado inversamente(ao corte)
(f) diodo polarizado directamente (à condução)
1.9 – Circuitos de comutação
Nas figuras anteriores só é possível passar da situação de não condução à de condução,
invertendo o sentido do diodo, o que implica uma alteração física sobre o circuito. É necessário
desligar o diodo do circuito, inverter os seus terminais e voltar a ligá-lo, possivelmente
recorrendo a alicate e a ferro de soldar. Seria útil poder alternar entre o estado de condução e de
não condução sem ter de actuar fisicamente sobre o circuito. Embora isso não seja possível
usando o diodo, há um outro componente que o possibilita. Trata-se do transistor, cuja
representação é feita na figura (g) para um tipo comum de transistor. O transistor dispõe de mais
um terminal, designado por base(B) a qual permite controlar a passagem ou não-passagem de
corrente entre os outros dois terminais colector(C) e emissor(E), representada na figura por IC-E.
C
B
IC-E
E
(g) representação de um transistor (do tipo NPN)
De modo simplificado, o funcionamento do transistor é:
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•
se nenhuma corrente for aplicada ao terminal B, não circula corrente entre os terminais C e E
•
se for aplicada corrente em B, então circula corrente entre os terminais C e E
As figuras (h) e (i) mostram o comportamento do transistor num circuito semelhante aos
anteriores. Neste exemplo, a corrente I é a corrente IC-E do transistor.
I=0
I = 2.5mA
Rb
IB=0
+
IB>0
+
5V
2kΩ
─
(circuito aberto)
(h) transistor ao corte
5V
2kΩ
─
(circuito fechado)
(i) transistor à condução
No caso (h) não existe corrente de base e portanto não existe corrente no resto do circuito,
comportado-se o transistor como um interruptor aberto. Nesta situação diz-se que o transistor se
encontra no estado de corte.
No caso (i) existe uma corrente de base (aplicada pela resistência Rb) que provoca a existência
da corrente I, comportado-se o transistor como um interruptor fechado. Nesta situação diz-se que
o transistor se encontra no estado de condução.
Esta propriedade do transistor, a de poder passar do corte à condução pela aplicação ou não de
uma corrente na base, confere-lhe uma grande utilidade na construção de circuitos digitais, como
será visto adiante.
Convém notar para finalizar, que a corrente IC-E quando existe é muito maior que a corrente IB,
ou seja, basta uma pequena corrente de base para controlar uma grande corrente através do
transistor. Esta propriedade está na base da construção dos amplificadores de sinal (ex:
amplificador de microfone).
1.9.1 – Circuitos com transistores
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