ELETRÔNICA APLICADA

Muitos questionam que a Eletrônica deveria ser "ensinada" já nos moldes atuais.

Isso é impossível de acontecer.

Assim como a Eletrônica, todas as Áreas devem ser "ensinadas" do início, pois em manutenção, não escolhemos o equipamento que virá para a bancada.

Conhecemos técnicos que vieram da era das válvulas e estão sobressaindo bem melhor que nós, que começamos já na era dos transistores e circuitos integrados.

Já montamos circuitos valvulados e fizemos algumas manutenções também.

Em nenhum momento questionamos a idade de tal equipamento, apenas ficamos de queixo caído, perplexos pela magnitude do equipamento e a conservação em que se encontravam.

Ainda hoje temos muitos, mas muitos equipamentos valvulados existentes no mundo, no nosso planeta.

O site do Ali Express e outros sites chineses, americanos e europeus tem inúmeros equipamentos NOVOS e cheirando a NOVO, para venda.

Desde amplificadores valvulados, receptores valvulados a toca discos vinil, até tape deck, os famosos toca fitas vimos para venda, e novos.

E, se perceberem, estamos em 2017.

Então:

- "Se desfazer do início é negar nossa própria existência".(LUCAOVNI)

Iniciemos.

Componentes importantes serão examinados, estudados e, circuitos eletrônicos de uso geral.

Os componentes aqui estudados fazem parte de todos, mas todos os circuitos eletrônicos, sem exceção, tais como, televisores, monitores, impressoras, amplificadores, etc.

O conhecimento de suas funções é essencial para reparação de qualquer aparelho eletrônico ou para sua montagem.

Além disso, conheceremos o princípio de funcionamento de alguns transdutores, ou seja, dispositivos que convertem energia como os alto-falantes, fones e microfones.

Os Resistores

Caso não haja limitação para a corrente elétrica num circuito, dada pela resistência de suas partes, a sua intensidade não poderá ser controlada e isso pode provocar uma conversão de energia em calor em uma quantidade além do previsto:

é o caso do curto-circuito em que temos uma produção descontrolada de calor, com efeitos destrutivos.

Para reduzir, de maneira controlada, a intensidade da corrente, oferecendo-lhe uma oposição ou resistência, ou então para fazer cair a tensão num circuito a um valor mais conveniente a uma determinada aplicação, usamos componentes denominados resistores.

Os resistores mais comuns são os de película ou filme de carbono ou metálico, que tem o aspecto mostrado na figura.

Figura 1

A “quantidade” de resistência que um resistor oferece à corrente elétrica, ou seja, sua resistência nominal é medida em ohms(Ω) e pode variar entre 0,1 e mais de 22 000 000Ω.

Também usamos nas especificações de resistências os múltiplos do ohms, no caso o quilohm (kΩ) e o megohm (MΩ).

Assim, em lugar de falarmos que um resistor tem 4700Ω é comum dizermos 4,7kΩ ou simplesmente 4k7Ω, onde o “k” substitui a vírgula.

Para um resistor de 2.700.000Ω falamos simplesmente 2,7MΩ ou então 2M7Ω.

Como os resistores são componentes em geral pequenos, os seus valores não são marcados com números e letras, ou através de um código especial que todos os praticantes de eletrônica devem conhecer.

Neste código são usadas faixas coloridas conforme explicamos a partir da seguinte tabela:

Tabela 1

Partindo desta tabela, o valor de um resistor é dado por 3 ou 4 faixas coloridas que são lidas da ponta para o centro, conforme mostra a figura.

Vamos supor que estejamos de posse de um resistor cujas cores na ordem são:

amarelo, violeta, vermelho e dourado (figura).

Qual será o seu valor?

Figura 2

A primeira e a segunda faixa fornecem os dois algarismos da resistência, ou seja:

Amarelo=4

Violeta=7

Formamos assim, a dezena 47.

A terceira faixa nos dá o fator de multiplicação, ou quantos zeros devemos acrescentar ao valor já lido.

No caso temos:

Vermelho = 00 ou x 100

Temos então 47 + 00 = 4.700 ohms ou 4k7Ω.

A quarta faixa nos diz qual é a tolerância no valor do componente, quando ela existe.

Se esta faixa não existe, temos um resistor de 20%, ou seja, que pode ter até 20% de diferença entre o valor real da resistência que ele apresenta e o valor que temos na marcação.

No nosso caso, a faixa dourada diz que se trata de um resistor com 5% de tolerância.

Existem resistores “de fio” que por serem maiores, têm a marcação de resistência feita diretamente com números e outras indicações.

Quando uma corrente elétrica força uma passagem por um meio que lhe ofereça oposição ela despende energia na forma de calor.

No caso do resistor, se o componente não for capaz de transferir este calor para o meio ambiente, ele acaba por aquecer demais e queimar.

A capacidade de um resistor de transferir calor para o meio ambiente está diretamente ligada ao seu tamanho (superfície de contato com o ar).

Esta capacidade é dada pela potência (dissipação) do resistor, a qual é expressa em watts (W).

Assim, os menores resistores são de 1/8 ou 1/4 de watts enquanto que os maiores podem chegar a 20 ou mais watts (alguns fabricantes especificam as potências em valores decimais como 0,125W).

Estes resistores de grandes potências são de material resistentes à alta temperatura e em lugar do carbono ou filme metálico são feitos fios de nicromo (uma liga de metais).

São chamados também de resistores de fio (figura).

Figura 3

Os resistores de grande porte físico são do tipo resistor de fio, e estes são usados em circuito que consome corrente elevada.

Encontramos esse tipo de resistor na fonte de alimentação dos computadores, monitores e outros. 

Circuito Série de Resistores

Quando ligamos resistores em série, conforme mostra a figura, a resistência resultante que obtemos equivale à soma das resistências dos vários resistores.

Na figura temos a associação de resistores de 22,33 e 100Ω, que resulta numa resistência total de 155Ω.

Fórmula

R ==> equivalente = R1+R2+R3 ....Rn

R ==> total = R1+R2+R3

R ==> total = 155Ω

Figura 4

Circuito Paralelo de Resistores

Na associação (ou ligação) em paralelo, a resistência equivalente é dada pela fórmula:

Fórmula 1

ou

1/R = 1/R1 + 1/R2

Para o caso da figura, a resistência equivalente à ligação de um resistor de 20Ω com um de 30Ω em paralelo é de 12Ω.

Observe que na ligação em série obtemos resistências maiores do que a dos resistores associados e na ligação em paralelo obtemos resistências menores.

Fórmula para duas resistências.

Fórmula 2

Quando não temos um determinado valor de resistor, podemos substituir por dois ou mais resistores em paralelo ou em série.

Figura 5

Potenciômetros e Trimpots

São resistores variáveis, ou seja, dispositivos que podemos usar para variar a resistência apresentada à circulação de uma corrente elétrica.

São constituídos por um elemento de resistência, que pode ser de carbono ou fio de nícromo, sobre o qual corre uma lingüeta denominada cursor.

Conforme a posição deste cursor temos a resistência apresentada pelo componente.

Veja que, tomando o potenciômetro ou trimpot da figura, à medida que o cursor vai de A para B, aumenta a resistência entre A e X ao mesmo tempo que diminui a resistência entre X e B.

A resistência total entre A e B é a resistência nominal do componente, ou seja, o valor máximo que podemos obter.

Figura 6

Trimpot – Resistor de ajuste localizado geralmente nos circuitos.

Com ajuste interno do equipamento pelo usuário.

Potenciômetro - Resistor de ajuste, localizado geralmente no setor frontal do equipamento.

Figura 7

Podemos encontrar potenciômetros e trimpots com valores na faixa de fração de ohms até milhões de ohms.

Se o mesmo eixo controlar dois potenciômetros, diremos que se trata de um potenciômetro duplo.

Alguns potenciômetros incorporam um interruptor que é controlado pelo mesmo eixo, como acontece com os controles de volume de rádios e amplificadores.

No mesmo controle podemos aumentar e diminuir o volume e ligar e desligar o aparelho.

Figura 8

Os potenciômetros são usados em diversas funções, como por exemplo, controles de volume, controle de tonalidade, sensibilidade, já que permitem o ajuste, a qualquer momento, das características desejadas.

Já os trimpots são usados quando se deseja um ajuste único, ou seja, somente num determinado momento, levando o aparelho a um comportamento que deve ser definitivo (é claro que o ajuste pode ser refeito sempre que necessário, mas o trimpot normalmente fica dentro do aparelho, que nesse caso precisa ser aberto).

Na figura mostramos um trimpot de precisão, do tipo multivoltas, muito usado em equipamentos de precisão.

Figura 9

Capacitores

Os capacitores (que também são chamados erroneamente de condensadores) são componentes eletrônicos formados por conjuntos de placas de metal entre as quais existe um material isolante que define o tipo.

Assim, se o material isolante for a mica teremos um capacitor de mica, se for uma espécie de plástico chamado poliéster, teremos um capacitor de poliéster.

Duas placas, tendo um material isolante entre elas (chamado genericamente dielétrico), adquirem a propriedade de armazenar cargas elétricas e com isso energia elétrica.

Na figura mostramos um capacitor em que o dielétrico é o vidro e as placas, chamadas armaduras são planas.

Quando encostamos uma placa na outra ou oferecemos um percurso para que as cargas se neutralizem, interligando as armaduras através de um fio, o capacitor se descarrega.

A capacidade de um capacitor em armazenar cargas, melhor chamada de capacitância, é medida em Farad (F), mas como se trata de uma unidade muito grande, é comum o uso de seus submúltiplos.

Temos então o microfarad (µF) que equivale à milionésima parte do Farad ou 0,000 001 F.

Em capacitores muito antigos encontramos o microfarad abreviado como mFd.

Um submúltiplo ainda menor é o nanofarad, que equivale a 0,000 000 001 F ou a milésima parte do microfarad e é abreviado por nF.

Temos ainda o picofarad (pF) que é a milésima parte do nanofarad ou 0,000 000 000 001 F.

Figura 10

É comum a utilização de potências de 10 para expressar números com muitos zeros.

Assim temos as indicações da tabela:

Tabela 2

Veja então que 1nF equivale a 1.000pF e que 1µF equivale a 1.000nF ou 1.000.000pF.

Os capacitores tubulares, que são formados por folhas de condutores e dielétricos enrolados são usados em circuitos de baixas freqüências enquanto que os possuem armaduras e dielétricos planos são usados em circuitos de altas freqüências.

Um tipo importante de capacitor é o eletrolítico, cuja estrutura básica é mostrada na figura.

Uma de suas armaduras é de alumínio que, em contato com uma substância quimicamente ativa, se oxida formando uma finíssima camada de isolante que vai ser o dielétrico.

Desta forma, como a capacitância é tanto maior quanto mais fino for o dielétrico, podemos obter capacitâncias muito grandes com um componente relativamente pequeno.

É preciso observar que os capacitores eletrolíticos são componentes polarizados, ou seja, a armadura positiva ser sempre a mesma.

Se houver uma inversão, tentando-se carregar a armadura positiva com cargas negativas, o dielétrico será destruído e o capacitor inutilizado. 

Na família dos capacitores eletrolíticos temos um tipo que emprega uma substância que permite obter capacitâncias ainda maiores que as obtidas pelo óxido de alumínio.

Trata-se do óxido de tântalo, o que nos leva aos capacitores de tântalo.

Estes capacitores podem ser encontrados na faixa de 0,1µF até de 100.000µF.

Figura 11

Figura - Capacitor Eletrolítico - Simbologia

Além da capacitância os capacitores possuem ainda uma outra especificação muito importante:

a tensão de isolação ou de trabalho.

Se aplicarmos uma tensão muito grande às armaduras de um capacitor, a ddp (diferença de potencial) entre estas armaduras pode ser suficiente para provocar uma centelha que atravessa o dielétrico e causa a destruição do componente.

Assim, nunca devemos usar um capacitor num circuito que mantenha uma tensão maior do que a especificada.

Na figura mostramos a maneira como normalmente é especificada esta tensão máxima.

Para alguns tipos de capacitores também existem códigos especiais para especificações de valores.

Os cerâmicos de discos, conforme mostra a figura, por exemplo, possuem dois tipos de especificações que não devem ser confundidas.

Para os pequenos valores, temos a especificação direta em picofarad (pF) em que existe uma última letra maiúscula que indica a sua tolerância, ou seja, a variação que pode haver entre o valor real e o valor indicado.

F = 1%
J = 5%
M = 20%
H = 2,5%
K = 10%

Observe que o “K” é maiúsculo neste caso, não deve ser confundido com “k” minúsculo que indica quilo ou x 1.000.

Para os valores acima de 100pF pode ser encontrado o código de 3 algarismos, conforme mostra a figura.

Figura 12

Simbologia do Capacitor simples despolarizado

Figura 13

Neste caso, multiplica-se os dois primeiros algarismos pelo fator dado pelo terceiro.

Por exemplo, se tivermos um capacitor com a indicação 104:

- Temos que acrescentar 4 zeros ao 10 obtendo 10.0000pF ou então 10 por 10.000 = 100.000pF o que é a mesma coisa.

E, é claro que devemos considerar a divisão por 1.000 se quisermos obter os valores em nanofarad.

Assim, 104 que resulta em 100.000pF é o mesmo que 100nF.

Para os capacitores cerâmicos temos também a marcação direta, conforme mostra a figura 17 em que os valores são dados em microfarad (µF).

Para obter o equivalente em nanofarad basta multiplicar por 1.000:

- assim 0,01µF equivale a 10nF.

Figura 14

Capacitor de disco de pequena capacitância.

ATENÇÃO:

Quando o capacitor está descarregado, e aplicamos uma tensão (DCV) neste capacitor, neste instante passa a existir uma corrente instantânea, e em seguida com o capacitor carregado, a corrente deixa de existir, ou seja, a corrente é igual a zero.

Figura 15

Como nos casos dos resistores, também existem capacitores variáveis.

Na figura mostramos os tipos mais comuns, os trimmers e os capacitores variáveis propriamente ditos.

Os trimmers são capacitores de ajuste com valores pequenos, normalmente de alguns picofarad. 
São especificados pela faixa de valores que podem adquirir.

Um trimmer de 2-20pF é um trimmer que pode ter sua capacidade ajustada entre estes dois valores.

Os variáveis são usados em sintonia e podem ser especificados pela capacitância máxima, ou seja, quando estão com o eixo todo fechados.

Também podemos associar capacitores em série e paralelo, conforme indica a figura.

Na associação em paralelo, todos os capacitores ficam submetidos à mesma tensão e o valor final obtido é a soma das capacitâncias associadas.

Na associação em série, os capacitores ficam submetidos a tensões diferentes, mas adquirem a mesma carga em suas armaduras.

A capacitância equivalente (C) é dada pela fórmula:

1 / C = 1 / C1 + 1 / C2 + 1 / C3 + 1/cn

Se tivermos mais capacitores basta acrescentar a expressão 1/Cn onde Cn é a capacitância destes capacitores adicionados à soma.

Figura 16

Figura 17

Bobinas ou Indutores

Muitas (ou poucas) voltas de fio enroladas de modo a formar uma bobina nos levam a um importante componente eletrônico.

As bobinas ou indutores apresentam propriedades elétricas principalmente em relação ás variações rápidas de corrente.

Estas propriedades são dadas pelo que chamamos de indutância.

A indutância de uma bobina é medida em Henry (H) e também é comum o uso de seus submúltiplos:

o milihenry (mH) que vale a milésima parte do henry e o microhenry (uH) que equivale à milionésima parte do henry.

Na figura 18 temos alguns tipos de bobinas e indutores encontrados nos computadores e em muitos circuitos eletrônicos.

Figura 18

As bobinas de poucas espiras, sem núcleos ou com núcleo de ferrite (que aumentam sua indutância) são usadas em circuitos de altas freqüências ou que trabalham com variações muito rápidas de corrente.

Já as bobinas de muitas espiras, os choques de filtro, por exemplo, que podem ter núcleos de ferrite ou mesmo ferro laminado trabalham com correntes de médias e baixas freqüências.

Circuito RC

Quando associamos um resistor e um capacitor em série, conforme mostra a figura 19.

Figura 19

Obtemos um circuito RC série que apresenta propriedades bastante interessantes que serão analisadas a partir de agora.

Supondo que inicialmente a chave S1 esteja aberta e que o capacitor esteja completamente descarregado, é óbvio que a tensão entre as suas armaduras será nula (zero volt).

No instante em que fechamos a chave, estabelecendo assim uma corrente no circuito, como o capacitor está completamente descarregado, começa a fluir uma corrente que tende a carregá-lo. 

Neste instante inicial, o capacitor se comporta como uma resistência praticamente nula, de modo que a corrente que circula pelo circuito é limitada apenas pelo valor do resistor.

Esta corrente é então máxima no instante em que ligamos a chave S1.

À medida que o capacitor se carrega, a tensão entre suas armaduras começa a subir (lembre-se que ele estava com zero volt no momento em que ligamos o circuito), o que significa que existirá uma diferença de tensão menor entre a bateria e o próprio capacitor para “bombear” mais cargas. 

Em outras palavras, à medida que o capacitor se carrega ele passa a representar uma resistência maior para a circulação da corrente, diminuindo assim a velocidade com que as novas cargas são transferidas para as suas armaduras.

Fazendo um gráfico do que ocorre temos então uma “subida” inicialmente rápida da tensão nas armaduras, mas à medida que o capacitor se carrega a carga vai se tornando mais lenta, conforme mostra a figura 20.

Figura 20

Observe que, como a velocidade da carga diminui à medida que a tensão nas armaduras se eleva, ela nunca chega a ser igual à estabelecida pela bateria.

Em outras palavras, temos uma curva exponencial que se aproxima infinitamente da tensão aplicada ao circuito, mas que na verdade nunca chega a ela.

A curva exponencial que o gráfico mostra pode ser estabelecida através de uma fórmula que é muito usada nos cálculos que envolvam circuitos de temporização, osciladores, e é importante para se determinar as velocidades máximas em que podem operar os circuitos de computadores. 

No entanto, para os nossos leitores que procuram um conhecimento básico existe um valor que pode ser calculado de maneira simples e que aparece muito nas especificações de circuitos que envolvam tempo e em centenas de projetos de circuitos eletrônicos.

Trata-se da constante de tempo de um circuito RC e que é abreviada normalmente por “t”.

A constante de tempo, de um circuito RC é obtida multiplicando-se o valor do resistor (R) em ohms pelo valor do capacitor (C) em Farad, obtendo-se um valor em segundos.

t = R x C

Mas, o que significa este valor? 

O valor RC nos diz quanto tempo decorre entre o instante em que a chave S1 é fechada até que a tensão no capacitor cheque a 63% do valor da tensão aplicada pela bateria ou fonte externa.

Veja o leitor que o mesmo raciocínio também é válido para a descarga de um capacitor, conforme mostra a figura 21.

Figura 21

Assim, partindo de um capacitor completamente carregado, em que a tensão entre as armaduras é máxima, no momento em que fechamos a chave S1, a descarga começa através do resistor R.

À medida que a tensão cai, entretanto, a corrente de descarga também diminui de modo que a descarga se torna cada vez mais lenta, obtendo-se um gráfico conforme mostrado na figura 22.

Figura 22

Este gráfico também nos fornece uma curva exponencial que nunca encontra com a horizontal de zero volt, o que quer dizer que teoricamente o capacitor nunca se descarrega completamente.

Aplicando a mesma fórmula da constante de tempo T = R x C obtemos um ponto muito importante neste gráfico:

o instante em que a tensão nas armaduras do capacitor é de 37% da tensão com que ele estava inicialmente carregado.

Os circuitos de tempo são muito importantes na eletrônica.

Um exemplo é dado na figura 23 em que temos um dispositivo que “sente” quando a tensão na sua entrada atinge um determinado valor, por exemplo, 2/3 da tensão de alimentação, o que está bem próximo dos 63% da constante de tempo do circuito RC.

Figura 23

Neste circuito, depois de decorrido o tempo determinado pelos componentes RC da rede de tempo, quando a tensão atinge 2/3 da tensão de alimentação, o dispositivo “sente” este valor e realiza alguma função ligando ou desligando uma carga externa.

Trata-se de um temporizador.

Circuito LC

Uma bobina (Indutor) e um resistor ligados em série, conforme mostra a figura 24, formam um circuito LC.

Figura 24

Supondo inicialmente que neste circuito a chave S1 esteja aberta, a corrente circulante será nula. Não haverá campo magnético criado pelo indutor.

No instante em que o interruptor é fechado, a corrente tende a se estabelecer circulando pelo resistor e pelo indutor onde vai criar um campo magnético.

No entanto, o campo magnético que a corrente tende a criar, tem linhas de força que se expandem e que cortam as espiras do próprio indutor de modo a induzir uma corrente que se opõe àquela que está sendo estabelecida, conforme mostra a figura 25.

Figura 25

O resultado disso é que inicialmente a corrente no indutor encontra uma forte resistência que diminui consideravelmente sua intensidade.

Fazendo um gráfico para visualizar melhor o que ocorre, vemos que no instante em que a chave (S1) é fechada, a corrente é praticamente nula.

Somente à medida que as linhas do campo magnético criado pela bobina vão se expandindo é que sua oposição é corrente diminui e ela pode aumentar de intensidade.

Como no caso do capacitor, temos para a corrente uma curva de crescimento exponencial que é mostrada na figura 26.

Figura 26

Também neste caso teoricamente a corrente nunca atinge o máximo, que é o valor dado apenas pelo resistor.

A constante de tempo de circuito é obtida quando multiplicamos o valor da indutância do indutor em henry (H) pelo valor do resistor em ohms(Ω).

t = L x R

Numericamente este valor nos diz, depois de quanto tempo a partir do instante em que fechamos a chave que a corrente atinge 63% do valor máximo.

Do mesmo modo, partindo do circuito em que a corrente seja máxima no indutor e que momentaneamente seja comutada, conforme mostra a figura 27, a constante de tempo RL também nos dá uma informação importante.

Figura 27

Com a interrupção da corrente, as linhas do campo magnético se contraem induzindo uma corrente que vai circular pelo resistor, dissipando assim a energia existente no circuito na forma de calor.

A corrente induzida é inicialmente alta e gradualmente vai caindo, obtendo-se um gráfico conforme mostra a figura 28.

Figura 28

Neste gráfico o ponto que corresponde ao produto L x R nos fornece o instante em que a corrente cai a 37% do valor máximo.

Trata-se da constante de tempo do circuito LR. 

Nas aplicações práticas, dada a dificuldade de se obter indutores de valores muitos altos (o que não ocorre com os capacitores) os circuitos RL não são usados senão nos casos em que se necessitam de tempos muito pequenos de retardo para temporização ou outras aplicações.

Acima de alguns milihenries, a obtenção de um indutor já se torna problemática, pois estes componentes começam a se tornar volumosos, caros e pesados.

Capacitores em Corrente Alternada

No item (a) desta lição vimos o que ocorre com um capacitor, associado com um resistor, num circuito de corrente contínua, ou seja, em que estabelecemos uma corrente num sentido único para a carga ou descarga do capacitor.

O que aconteceria com um capacitor se ele fosse usado num circuito alimentado por corrente alternada?

Conforme já vimos na lição anterior, numa corrente alternada o fluxo de cargas inverte-se rapidamente e de forma constante, no nosso caso a razão de 60 vezes por segundo.

Isto é, em cada segundo a corrente circula 60 vezes num sentido e 60 vezes noutro.

A inversão não se faz de maneira rápida, mas sim suave, de modo que, partindo de um instante que a corrente é nula, ela cresce suavemente até atingir o máximo num sentido, para depois diminuir até se tornar nula novamente. 

Depois, ela inverte crescendo suavemente até o máximo no sentido oposto para depois diminuir, isso num processo contínuo que nos dá um gráfico conforme mostra a figura 31.

Figura 29

A curva representada neste gráfico recebe o nome de senóide, de modo que a corrente que obtemos nas tomadas de nossas casas é senoidal de 60 hertz.

Alguns países usam correntes de 50 hertz.

O que acontece se ligarmos um capacitor a um circuito que forneça uma corrente desta conforme mostra a figura 30?

Figura 30

Partindo de um instante em que a tensão seja nula, à medida que ela aumenta de valor numa certa polaridade, ela “bombeia” cargas para o capacitor, que começa a carregar com a mesma polaridade.

Quando a tensão alternada atinge o máximo num sentido, o capacitor também atinge sua carga máxima.

Depois, quando a tensão diminui, as cargas se escoam do capacitor até que, quando a tensão na rede atinge zero, o capacitor também estará descarregado.

No semiciclo (metade do ciclo) seguinte, a corrente começa a aumentar, mas no sentido oposto, carregando assim as armaduras do capacitor com a polaridade oposta, tudo conforme mostra a seqüência da figura 31. 

Figura 31

A carga e descarga acompanhadas o ritmo de inversão de polaridade da rede ocorre indefinidamente.

A quantidade de cargas que é “bombeada” e “extraída” do capacitor depende não só da tensão aplicada, mas também do próprio tamanho do capacitor, ou seja, de sua capacitância.

Esta capacitância determina então a corrente média que circula por este componente no processo de carga e descarga, já que não podemos falar num valor em cada instante, pois ela varia, conforme vimos.

Podemos dizer que o capacitor se comporta como uma “resistência” neste circuito, permitindo que uma corrente variável circule.

Como o termo “resistência” não se aplica neste caso, pois o que temos é corrente de carga e descarga circulado, adota-se um outro termo para indicar o comportamento do capacitor no circuito de corrente alternada.

Este termo adotado é “reatância” e no caso do capacitor temos uma “reatância capacitiva” representada por Xc.

O valor de Xc é dado em ohms e depende basicamente de dois fatores: a freqüência da corrente alternada e o valor do capacitor.

Para calcular a reatância capacitiva apresentada por um capacitor utilizamos a seguinte fórmula:

Fórmula Xc

Onde:

Xc = reatância capacitiva em ohms (Ω)

π = constante que vale 3,14

f = freqüência em hertz (Hz)

C = capacitância em farad (F) 

Onde:

XL = reatância capacitiva em ohms (Ω)

π = constante que vale 3,14

f = freqüência da corrente em hertz (Hz)

L = indutância em henry (f)

Observe que a fórmula nos mostra claramente que quanto maior for a freqüência da corrente, maior será a oposição encontrada para ela se estabelecer num circuito que exista um indutor.

Dizemos que os indutores oferecem uma oposição maior aos sinais de freqüência mais altas.

Seu uso em combinação com os capacitores nos circuitos de filtros permite a separação de sinais de freqüências diferentes, conforme veremos oportunamente.

Semicondutores

Estudamos alguns componentes denominados “passivos” assim chamados porque não amplificam nem geram sinais.

Estes componentes básicos como os resistores, capacitores e transformadores são muitos importantes nos circuitos dos computadores e de muitos outros equipamentos eletrônicos, pois complementam as funções exercidas pelos componentes denominados “ativos” como os transistores, circuitos integrados e outros.

Na construção dos transistores e de um outro componente passivo importante que é o diodo entram os chamados materiais semicondutores que serão justamente o assunto central desta lição. 

Veremos também o que ocorre quando estes materiais são dopados com impurezas e formão junções, chegando assim ao primeiro componente semicondutor importante de nosso curso, que é o diodo.

Materiais Semicondutores

Conforme estudamos na primeira lição, existem materiais que podem conduzir a corrente elétrica com facilidade, como por exemplo, os metais, e que são chamados condutores.

Por outro lado, existem materiais em que a corrente elétrica não pode passar, pois os portadores de cargas não têm mobilidade e que são denominados isolantes.

Dentre os isolantes, destacamos os plásticos, o vidro, a mica e a borracha.

Num grupo intermediário, situado entre condutores e isolantes temos alguns materiais que não são nem bons condutores e nem isolantes, e entre os elementos químicos com estas características destacamos os dois mais importantes, que são o germânio (Ge) e o silício (Si) (figura 32).

Figura 32

Existem outros elementos semicondutores igualmente importantes para a Eletrônica, mas eles só serão estudados futuramente, como o Selênio (Se) , o Gálio (Ga), etc.

A principal característica que nos interessa no caso do Silício e do Germânio é que estes elementos possuem átomos com 4 elétrons na sua última camada e que eles se dispõem numa estrutura ordenada conforme mostra a figura 33.

Figura 33

O Germânio e o Silício formam então cristais onde os átomos se unem compartilhando os elétrons da última camada.

Se o leitor consultar livros de química no ginásio e do colégio verá que os átomos dos diversos elementos que existem na natureza têm uma tendência natural em obter um equilíbrio quando sua última camada adquire o número máximo de elétrons que é 8.

Assim, formando um cristal, tanto o Germânio como o Silício fazem com que os átomos, um ao lado do outro possam compartilhar os elétrons havendo sempre 8 deles em torno de cada núcleo, o que resulta num equilíbrio bastante estável para o material .

De fato, os elétrons ficam tão firmemente presos aos átomos nestas condições que não tendo mobilidade não podem funcionar como portadores de cargas e com isso transmitir a corrente elétrica com facilidade.

Por este motivo, o Silício e o Germânio quando puros, na forma cristalina, apresentam uma resistência elétrica muito alta, muito mais próxima dos isolantes do que propriamente dos condutores, se bem que numa faixa intermediária ainda.

Nesta forma cristalina de grande pureza o Silício e o Germânio não servem para a elaboração de dispositivos eletrônicos, mas a situação muda quando adicionamos certas “impurezas” ao material.

Estas impurezas consistem em átomos de algum elemento que tenha número diferente de 4 elétrons na sua última camada e se faz em proporções extremamente pequenas, da ordem de poucas partes por milhão (ppm).

Temos então duas possibilidades de adição de impurezas:

- Elementos com átomos dotados de 5 elétrons na última camada

- Elementos com átomos dotados de 3 elétrons na última camada.

O primeiro caso, mostrado na figura 4 é do elemento Arsênio (As).

Como os átomos vizinhos só podem compartilhar 8 elétrons na formação da estrutura cristalina, sobra um que, que não tendo a que se ligar, adquire mobilidade no material, e que por isso pode servir como portador de cargas.

O resultado é que a resistividade ou capacidade do material de conduzir a corrente se altera e o Germânio ou Silício “dopados” desta forma, se tornam bons condutores de correntes elétricas.

Como o transporte das cargas é feito neste material pelos elétrons que sobram ou elétrons livres que são cargas negativas, o material semicondutor obtido desta forma, pela adição deste tipo de impureza, recebe o nome de semicondutor do tipo N (N de negativo).

Na segunda possibilidade, acrescentamos uma impureza cujos átomos tenham 3 elétrons na sua última camada, como por exemplo o Índio (In) obtendo-se então uma estrutura.

Veja que, no local em que se encontra o átomo de Índio não existem 8 elétrons para serem compartilhados de modo que sobra uma vaga, ou “lacuna”.

Esta lacuna também funciona como um portador de cargas, pois elétrons que queiram se movimentar através do material podem “saltar” de lacuna em lacuna encontrando assim um percurso com pouca resistência.

Como os portadores de carga neste caso são lacunas, e a falta de elétrons corresponde ao predomínio de uma carga positiva, dizemos que o material semicondutor assim obtido é do tipo P (P de positivo).

Podemos formar materiais semicondutores do tipo P e N tanto com elementos como o Germânio e o Silício, como alguns outros que encontram muitas aplicações na Eletrônica.

Junções PN

Um importante dispositivo eletrônico é obtido quando juntamos dois materiais semicondutores de tipos diferentes formando entre eles uma junção semicondutora.

A junção semicondutora é parte importante de diversos dispositivos como os diodos, transistores, SCRs, circuitos integrados, etc.

Por este motivo, entender seu comportamento é muito importante e é isso que veremos agora. 

Supondo que temos dois pedaços de materiais semicondutores, um do tipo P e um outro do tipo N, se unimos de modo a estarem num contato muito próximo, formam uma junção, conforme mostra a figura 34.

Figura 34

Esta junção apresenta propriedades muitos importantes.

Analisaremos inicialmente o que ocorre na própria junção.

No local da junção os elétrons que estão em excesso no material N e podem movimentar-se procuram as lacunas que estão presentes no material P preenchendo-as.

O resultado é que estas cargas se neutralizam e ao mesmo tempo o aparece uma certa tensão entre os dois materiais (P e N).

Esta tensão que aparece na junção consiste numa verdadeira barreira que precisa ser vencida para que possamos fazer circular qualquer corrente entre os dois materiais.

Conforme o fenômeno sugere, o nome dado é “barreira de potencial”.

Esta barreira possui um valor que depende da natureza do material semicondutor, sendo tipicamente de 0,2 V para o Germânio e 0,6 V para o Silício.

A estrutura indicada, com dois materiais semicondutores P e N, forma um componente que apresenta propriedades elétricas bastante interessantes e que denominamos diodo semicondutor.

Diodo Semicondutor

Para fazer uma corrente circular numa estrutura conforme a estudada, com dois materiais P e N formando uma junção, temos duas possibilidades ou dois sentidos possíveis:

a corrente pode fluir do material P para o N ou vice-versa.

Na prática, veremos que estas duas correntes encontram obstáculos de natureza completamente diferente.

Vamos supor que uma bateria seja ligada nos pedaços de material semicondutor que formam a junção, conforme mostra a figura 35.

Figura 35

O material P é conectado ao pólo positivo da bateria enquanto que o material N é conectado ao pólo negativo.

Ocorre então uma repulsão, que faz com que os portadores do pedaço de material N se afastem do pólo negativo dirigindo-se à junção, enquanto que os portadores do material P se afastam deste pólo também se dirigindo a junção.

Temos então na região da junção uma recombinação, já que os elétrons que chegam passam a ocupar as lacunas que também são “empurradas” para esta região.

O resultado é que este fenômeno abre caminho para que novas cargas, tanto do material P como do N, se dirijam para esta região, num processo contínuo que significa a circulação de uma corrente.

Esta corrente é então intensa, o que quer dizer que o pedaço de material semicondutor polarizado desta forma, ou seja, no sentido direto, deixa passar a corrente com facilidade.

No entanto se invertemos a polaridade da bateria em relação aos semicondutores, o que ocorre é uma atração dos portadores de material N para o pólo positivo e do material P para o negativo, ou seja, eles se afastam da junção, conforme mostra a figura 36.

Figura 36

O resultado é que em lugar de termos uma aproximação das cargas na região da junção tem seu afastamento, com um aumento da barreira de potencial que impede a circulação de qualquer corrente.

O material polarizado desta forma não deixa passar corrente alguma.

Na prática, uma pequena corrente denominada “de fuga” circula, da ordem milionésimos de ampére, devido ao fato de que o calor do próprio material pode “soltar” portadores de carga dos átomos da junção, os quais se recombinam. 

Como esta corrente varia com a temperatura, o material polarizado desta forma funciona como um excelente sensor para esta grandeza.

Diodo Semicondutor

Uma simples estrutura PN de Silício ou Germânio resulta num importante componente eletrônico, que é o diodo semicondutor.

O símbolo é uma seta que aponta no sentido em que ocorre a condução da corrente.

Na mesma figura temos o aspecto mais comum para um diodo semicondutor, onde o material N, que é o catodo (C ou K) do diodo, é identificado por uma faixa ou anel.

Figura 37

Um diodo semicondutor pode então ser polarizado de duas formas, conforme figura 38.

Figura 38

Se o diodo for polarizado como em (a) com o pólo positivo de uma bateria ligado em seu anodo, a corrente pode fluir com facilidade, pois o diodo apresenta uma baixa resistência.

Dizemos que o diodo está polarizado no sentido direto.

Se a polarização for feita conforme mostra a mesma figura em (b), então nenhuma corrente pode circular.

Dizemos que o diodo está polarizado no sentido inverso.

É muito comum que seja feita a comparação do diodo com uma “válvula de retenção hidráulica’, mostrada na figura 39.

Figura 39

Se a água for forçada a circular num sentido, a “tampa” abre e ela flui normalmente (polarização direta), mas se a água for forçada no sentido inverso ou quiser voltar, a tampa fecha e não ocorre o retorno.

O diodo semicondutor, por estas propriedades pode ser usado em muitas aplicações importantes, conforme teremos oportunidade de ver em nosso curso, nas experiências descritas e mesmo em muitos aparelhos comerciais.

Observe ainda que, devido ao fato de precisarmos vencer a barreira de potencial de 0,2 volts para os diodos de Germânio ou 0,6 volts para os de Silício, quando ocorre a condução existe sempre sobre o diodo uma tensão deste valor, independentemente da intensidade da corrente, conforme mostra a figura 40.

Figura 40

Na verdade, como a resistência do diodo é muito baixa na sua condição de condução da corrente, se não houver algo para limitá-la no circuito, o diodo corre o risco de se “queimar” pois existe um limite para a intensidade da corrente que ele pode conduzir.

Da mesma forma, também existe um limite para a tensão máxima que podemos aplicar num diodo ao polarizá-lo inversamente.

Chega um ponto em que, mesmo polarizado inversamente, a barreira de potencial não mais pode conter o fluxo de cargas “rompendo-se” com a queima do diodo.

Os diodos comuns são então especificados em função da corrente máxima que podem conduzir no sentido direto, abreviada por If  (o F vem de “forward” em inglês que quer dizer direto ), e pela tensão máxima que podem suportar no sentido inverso, abreviada por Vr, R vem de “Reverse”, que em português quer dizer inverso.

Conforme veremos, existem alguns tipos de diodos especiais que podem funcionar polarizados no sentido inverso, e que apresentam características muito interessantes para a eletrônica.

Tipos de Diodos

Já vimos que o material semicondutor usado na formação de junções pode ser tanto o germânio como o silício, assim temos diodos tanto de germânio como de silício.

E, nestes grupos, os tipos podem ainda ter finalidades diferentes, conforme veremos a seguir:

Diodo de germânio

Na figura 41 temos a estrutura interna de um diodo de germânio comum.

Figura 41

Este tipo de diodo é usado com correntes muito fracas, mas pode operar em velocidades muito altas, assim ele é usado principalmente na detecção de sinais de altas freqüências (rádio).

Tipos conhecidos desta família são o 1N34, 1N60, OA79, etc.

Veja que a especificação dos diodos é feita segundo uma codificação: para os diodos de origem americana temos a sigla “OA “ ou ainda ”BA”.

Diodos de Silício de Uso Geral

Estes são diodos de silício fabricados para o trabalho com correntes de pequena intensidade, da ordem de no Máximo uns 200mA e tensões que não vão além dos 100 volts.

São usados em circuitos lógicos, circuitos de proteção de transistores, polarização, etc.

Na figura 42 temos o 1N4148, que é um dos tipos mais populares deste grupo de silício de uso geral.

Figura 42

Diodos Retificados de Silício

Estes são à condução de correntes intensas e também operam com tensões relativamente elevadas que podem chegar a 1.000 volts ou 1.200 volts no sentido inverso.

Uma série muito importante destes diodos é a formada pelos “1N4000” e que começa com o 1N4001.

Todos os diodos da série podem conduzir uma corrente direta de até 1 ampere, mas a tensão interna vai aumentando à medida que o número do componente também aumenta.

Assim temos:

Tipo              VR
1N4001         50 volts
1N4002         100 volts
1N4003         200 volts
1N4004         400 volts
1N4005         600 volts
1N4006         800 volts
1N4007         1.000 volts

Conforme veremos, na pratica, ao usar estes diodos devemos dar uma boa margem de segurança em relação à tensão, de modo que ela não chegue ao valor Máximo suportado.

Além dos diodos citados existem muitos outros que apresentam propriedades importantes para a eletrônica e que serão estudados em capítulos separados.

Diodo Zenner

Conforme vimos, existe um limite para a tensão inversa máxima que podemos aplicar a um diodo. Quando a tensão atinge este valor, que varia de tipo para tipo, a junção “rompe-se”, e a corrente passa a fluir sem obstáculos.

Para os diodos comuns, este rompimento no sentido inverso significa a queima do componente.

No entanto, existem diodos que são projetados para poderem operar justamente com esta tensão inversa máxima.

Na figura 43 temos uma curva que mostra a característica de um diodo comum e que também vai servir para o nosso diodo zenner.

Figura 43

Alertamos aos alunos que é sempre bom saber “interpretar” gráficos como o dado acima.

Como este é um dos primeiros que damos no nosso curso, vejamos o que ele nos “diz”.

O Gráfico, por exemplo, mostra que o diodo só começa a conduzir quando a tensão V1 é atingida, quando então a corrente no diodo pode aumentar bastante (a curva sobe), mas a tensão praticamente não varia (pois a curva se mantém quase perpendicular a o valor dado por V1).

Por outro lado, no terceiro quadrante (III) temos o ponto em que ocorre a “ruptura inversa” (Vp) quando então a corrente pode aumentar muito no sentido inverso (a reta é vertical, perpendicular a este ponto Vp), mas a tensão no diodo não varia.

Veja então que, quando ocorre a ruptura no sentido inverso, por mais que a corrente aumente a tensão no diodo se mantém estável, fixa no valor Vr que a partir de agora, para os diodos zener será chamado de Vz, ou tensão zenner.

Isso significa que se tivemos um diodo que possa trabalhar neste ponto da curva característica, ele será capaz de manter fixa a tensão num circuito independentemente da corrente, ou seja, ele poderá funcionar como um regulador de tensão.

Na figura 44 temos o símbolo adotado para representar este tipo de diodo, que é denominado “diodo zener”.

Figura 44

Os diodos zener cumprem função muito importante regulando a tensão de circuitos de fontes de alimentação, além de estarem presentes em outras aplicações em que se necessita de tensão fixa. 

Diodos zener com tensões entre 2 e 200 volts são encontrados em aparelhos eletrônicos.

Na figura 45 temos o modo de se usar um diodo zenner.

Figura 45

Veja, em primeiro lugar, que ele é polarizado no sentido inverso, ou seja, seu catodo vai ao ponto de alimentação positiva.

O circuito que deve ter a tensão estabilizada é ligado em paralelo com o diodo zenner.

O resistor R tem a importante função de limitar a corrente no diodo zener, pois se ela superar um valor determinado pela capacidade de dissipação do diodo, ele pode queimar-se.

O valor máximo da corrente depende da potência do zenner e pode ser calculado facilmente em cada aplicação.

Assim, lembrando que a potência é dada pelo produto tensão x corrente, se tivermos um diodo zenner de 2 volts, cuja dissipação máxima para a potência indicada:

P = U x I

1 = 2 x I

I = ½ ampere

Para um diodo de 4 volts, a corrente será menor:

P = U x I

1 = 4 x I

I = ¼ amperes

Esta corrente máxima determina o valor do resistor que deve ser ligado em série com o diodo zenner numa aplicação normal.

Uma série de diodos que se emprega muito em projetos e aparelhos comerciais é a BZX79C da Philips Components, formada por diodos de 400 mW.

Nesta série a tensão do diodo é dada pelo próprio tipo.

Assim:

- BZX79C2V1 corresponde a um diodo de 2,1 volts.

- BZX79C12V corresponde a um diodo de 12 volts.

O leitor que pretende mexer com computadores deve estar atento as especificações dos diodos no sentido de saber identifica-los pelo tipo.

Por este motivo, manual de equivalências e dos próprios componentes são muito importantes na oficina.

Diodos Emissores de Luz

A observação de que quando um diodo conduz a corrente no sentido direto há emissão de radiação, normalmente infravermelha (luz invisível) é bem antiga.

Este efeito pode ser modificado para a obtenção de radiação em outra faixa do espectro avançado então do infravermelho rumo a faixa de luz visível.

Temos então componentes cuja estrutura básica é a mesma de um diodo comum, mas que são feitos de materiais como o arseneto de gálio (GaAs), ou ainda o arseneto de gálio com índio (GaAsI), e que são denominados “light emitting diodes” ou abreviadamente Leds (em português chamamos estes componentes de diodos emissores de luz).

Os diodos emissores de luz ou Leds podem produzir uma luz incrivelmente pura, pois como a emissão ocorre por um processo de transferência de energia entre elétrons que estão em órbitas definidas nos átomos, sua freqüência é única (este processo é semelhante ao laser, daí os Leds serem considerados dispositivos “aparentados” dos lasers). 

Assim diferente da luz branca que é formada pela mistura de todas as cores, a luz emitida por um Led tem cor única.

Trata-se de uma fonte de luz monocromática, conforme mostra a figura 46.

Figura 46

Os primeiros Leds colocados no comércio operavam na faixa do infravermelho, emitindo pois uma luz que não podíamos ver.

Atualmente temos Leds que emitem que emitem luz no espectro visível como, por exemplo, os de cores vermelha, laranja, amarelo, verde e mais recentemente os azuis.

Mas, temos também Leds que emitem várias cores em um mesmo elemento, Leds automotivos, Laser, dentre outros.

Na figura 47 temos o aspecto e o símbolo de um Led.

Figura 47

Para saber usar um Led precisamos conhecer suas características elétricas e isso pode ser facilmente conseguido a partir de sua curva característica mostrada na figura 48.

Figura 48

Por esta curva temos diversas informações interessantes.

A primeira delas nos mostra que o ponto Vf, ou seja, o instante em que o Led começa a conduzir corresponde a uma tensão bem maior do que a de diodos comuns de silício ou germânio.

Para um Led vermelho esta tensão esta em torno de 1,6 volts, enquanto que para os Leds de outras cores pode chegar a 1,8 ou mesmo 2,1 volts, isso nos Leds comuns.

Hoje em dia, existem Leds de potência de tensões e correntes variadas.

Isso significa que precisamos de uma tensão com pelo menos este valor para que o Led “acenda”, pois ele precisa conduzir no sentido no sentido direto para isso.

Por outro lado, vemos que a tensão inversa de ruptura (Vr) está em torno de 5 volts e os Leds não suportam que isso ocorra.

Assim, nunca devemos aplicar mais de 5 volts no sentido inverso de um Led, pois ele pode queimar-se. 

Outro fato importante a ser analisado é que, a partir da condução no sentido direto, a corrente aumenta numa quase vertical, o que quer dizer que, começando a conduzir, o Led apresenta uma resistência muito baixa.

Isso significa que, se não houver algum meio para limitar corrente neste componente, ela pode superar o valor Máximo que ele suporta, causando a queima.

Para os Leds comuns esta corrente é de apenas 50mA ou pouco mais, o que significa que estes componentes são muito frágeis.

Já vimos nas partes práticas das primeiras ligações que podemos usar resistores para limitar a corrente num Led a valores seguros.

Nunca devemos ligar um Led diretamente a qualquer fonte de tensão (pilhas, baterias, etc) sem o resistor, pois não havendo limitação para a corrente, temos sua queima imediata.

Os Leds comuns são indicados por tipos de fábrica tais como os da sigla TIL (TIL221, etc) da Texas instruments, CQV (da Philips), ou LD (Icotron).

Foto-Diodos

Conforme já estudamos, uma pequena corrente pode fluir por um diodo quando polarizado no sentido inverso devido à liberação de portadores de cargas e que permite a utilização do diodo de uma nova maneira.

Se a luz incidir na junção polarizada no sentido inverso, conforme sugere a figura 49, portadores de carga podem ser liberados.

Figura 49

O resultado é que pode circular uma corrente no sentido inverso que depende de intensidade de luz incidente.

Com isso podemos elaborar componentes denominados “foto-diodos”, conforme mostra a figura 50, em que propositalmente se expõe a junção à luz de modo a se obter uma corrente proporcional á intensidade da luz.

Figura 50

Os foto-diodos se caracterizam tanto pela sua sensibilidade como pela velocidade com que podem responder às variações da intensidade da luz incidente.

Estes componentes podem ser usados na leitura de códigos de barras, cartões perfurados ou ainda na recepção da luz modulada de um Laser via uma fibra óptica.

Como extensão desta propriedade do diodo ser sensível à luz, também temos a sensibilidade à radiação nuclear.

Partículas de certa energia que penetrem na junção de um diodo polarizado no sentido inverso podem liberar portadores de cargas e portanto influir na corrente conduzida.

Assim, são usado diodos com grandes junções que são expostas à radiação para se fazer a sua detecção e medida, conforme sugere a figura 51.

Figura 51

Na figura 52 temos a característica de sensibilidade de um foto-diodo mostrando que estes componentes podem “ver” mesmo a luz que nossos olhos não conseguem, ou seja, possuem uma sensibilidade a radiação infravermelha e mesmo a ultravioleta.

Figura 52

FIM