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ELETRÔNICA ANALÓGICA 2022 Sumário 1 – ELETRÔNICA ANALÓGICA.................................................................................................4 1.1 – Histórico.....................................................................................................................4 1.2 – Retificadores..............................................................................................................5 1.3 – Componentes Eletrônicos..........................................................................................5 2 – RESISTORES......................................................................................................................9 2.1 – Tipos de Resistores.....................................................................................................10 2.2 – Teste e Funcionamento...............................................................................................14 2.3 – Código de Cores..........................................................................................................24 3 – CAPACITORES..................................................................................................................24 3.1 – Aplicações..................................................................................................................25 3.2 – Tipos e Aspectos.........................................................................................................26 3.3 – Teste de Funcionamento............................................................................................28 4 – INDUTORES.....................................................................................................................28 4.1 – Função e Teoria.......................................................................................................29 4.2 – Tipos e Aspectos......................................................................................................30 4.3 – Construção...............................................................................................................30 4.4 – Teste de Funcionamento..........................................................................................32 5 – TRANSFORMADORES.....................................................................................................33 5.1 – Função e Teoria Básica...............................................................................................33 5.2 – Tipos e Aspectos..........................................................................................................35 5.3 – Aplicação......................................................................................................................37 6 – MATERIAIS SEMI CONDUTORES....................................................................................38 6.1 – Dopagem...................................................................................................................40 6.2 – Cristais N e P.............................................................................................................40 7 – DIODO SEMI CONDUTOR................................................................................................42 7.1 – Introdução................................................................................................................42 1 Profº Daniel Souza 7.2 – Tipos.........................................................................................................................43 7.3 – Aplicações....................................................................................................................43 7.4 – Configurações..............................................................................................................44 7.5 – Junção PN...................................................................................................................46 7.6 – Polarização..................................................................................................................48 7.7 – Teste de Funcionamento.............................................................................................50 8 – TRANSISTORES................................................................................................................52 8.1 – INTRODUÇÃO...........................................................................................................52 8.2 – Construção Física NPN e PNP...................................................................................53 9 – TIRISTORES......................................................................................................................59 9.1 – Introdução................................................................................................................59 9.2 – História.....................................................................................................................60 9.3 – Tipos de Tirtistores...................................................................................................60 9.4 – Simbologia...............................................................................................................61 10 – COMPONENTES ELETRÔNICOS ESPECIAIS..............................................................61 10.1 – Termistores Tipo PTC e NTC.................................................................................61 10.2 – Foto Diodo / Foto Transistor..................................................................................63 10.3 – Led.........................................................................................................................65 10.4 – Principio de funcionamento do Led.......................................................................66 11 – REVISÃO ……………………………………………………………………………………………….68 2 Profº Daniel Souza 3 Profº Daniel Souza I – Eletrônica analógica 1.1 - Introdução A eletrônica analógica é o ramo da Eletrônica que estuda o desempenho de componentes eletrônicos e circuitos analógicos como: resistores, capacitores, bobinas, potenciômetros, transistores, cristais e circuitos integrados em sua grande maioria. Trata-se também do estudo do comportamento de sinais elétricos tais como radiofrequência (sinal AM e FM), Bluetooth, Wireless, etc. Pode ser definida também como área da eletrônica que estuda características físicas de maneira análoga a referenciais elétricos preestabelecidos como: temperatura, medida de peso, medida de tensão e corrente (Multímetro), entre outras coisas. Segundo autor desconhecido, "A eletrônica analógica desenvolveu-se com o advento do controle das grandezas físicas, variáveis ou não, formas oscilatórias, em baixas ou altas frequências, e que são utilizados em quase todos os tipos de equipamentos[...]", ou seja, o estudo da eletrônica analógica surgiu com a necessidade de controlar certas grandezas para que possam ser utilizadas ou convertidas em valores reais ou utilizar e converter valores reais em grandezas. 1.2 História Os primeiros passos de eletrônica ocorreram em 1837 com a criação do telégrafo por Samuel Morse nos EUA. Em 1879, Thomas Edison fazendo experiências cria a primeira lâmpada incandescente da história. Mais tarde, John Ambrose Fleming criou um dispositivo que consistia em envolver o filamento de uma lâmpada elétrica por uma placa cilíndrica, que denominou válvula termiônica (ou diodo, como ficou conhecida mais tarde). Nos anos 1920 surgiu a Tiratron (válvula a gás). No final da década de 1930 começaram a surgir as válvulas mais modernas, como: válvulas de feixe dirigido, tubo de raios catódicos, tubo de sintonia, válvulas metálicas e válvulas miniaturas . Como consequência surgiram também os diodos de cristal dopado, o que posteriormente deu origem ao transístor na década de 1950. 4 Profº Daniel Souza 1.3 - Retificadores Os retificadoressão circuitos que transformam em . Também conhecidos como conversores AC/DC. Existem dois tipos de retificadores: não-controlados e controlados. Os Retificadores não- controlados usam diodos comuns para conversão de corrente alternada em corrente contínua. Enquanto os retificadores controlados usam (, , , e , sendo os principais) que controlam o ângulo de disparo da retificação para que, além de converter a AC em DC, haja um controle de potência em cargas indutivas como motores. • • • • • 1.4 - Componentes eletrônicos Polarizadores, Limitadores e Reguladores de tensão LM7805 - Regulador de tensão. Os polarizadores e são circuitos que usam transistores para determinar valores de tensão e/ou corrente que se mantenham estáveis para que funcionem em determinada temperatura de trabalho. O limitador de tensão são circuitos que usam diodos (mais comumente o ) para proteger a carga de excessos de tensão. Amplificador Operacional como amplificador diferencial. Os amplificadores operacionais, ou amp-op, são amplificadores com impedância de entrada muito alta (idealmente infinita) e impedância de saída muito baixa (idealmente nula) e com ganho muito alto. Os usos mais comuns de amp-op são: amplificador não-inversor, seguidor unitário, somador, integrador e diferenciador. 5 Profº Daniel Souza • Temporizadores e osciladores Os temporizadores e osciladores utilizam o CI LM 555 para controle de saída (liga ou desliga). Os temporizadores,ou timers, são circuitos que enviam sinal de saída por um determinado tempo. Pode-se controlar uma carga automaticamente durante um certo tempo. Osciladores são circuitos que criam um sinal oscilatório, ou senoidal. Sensores Os sensores são componentes eletrônicos que apresentam uma variação do sinal de saída dependendo de sua exposição. Exemplo: sensores de presença, sensores de temperatura (LM35), sensores de umidade (HIH-4000-001), entre outros. LM35 - Semicondutor sensor de temperatura. -> Acopladores São circuitos usados para separar circuitos de potência de circuitos de controle. Normalmente usa-se CI's opto acopladores que servem para fazer a passagem da corrente eléctrica de um ponto para outro sem a necessidade de usar um condutor eléctrico, são basicamente composto por um diodo emissor de infravermelho e um sensor óptico (LDR,fotodiodo, fotoSCR, fotoTRIAC, fototransístor, foto Darlington). Relé Um relé (do francês relais), ou, menos frequentemente, relê[1][2][3] (por influência do inglês relay, embora esta forma ainda não esteja dicionarizada), é um interruptor eletromecânico projetado por Michael Faraday na década de 1830, com inúmeras aplicações possíveis em comutação de contatos elétricos, servindo para ligar ou desligar dispositivos. A movimentação física deste interruptor ocorre quando a corrente elétrica percorre as espiras da bobina do relé, criando assim um campo magnético que por sua vez atrai a alavanca responsável pela mudança do estado dos contatos. 6 Profº Daniel Souza É normal o relé estar ligado a dois circuitos elétricos para efetuar a comutação. No caso do relé eletromecânico, a comutação é realizada alimentando-se a bobina do mesmo. Quando uma corrente originada no primeiro circuito passa pela bobina, um campo eletromagnético é gerado, acionando o relé e possibilitando o funcionamento do segundo circuito. Sendo assim, uma das aplicações do relé é usar baixas tensões e correntes para o comando no primeiro circuito, protegendo o operador das possíveis altas tensões e correntes que irão circular no segundo circuito (contatos). História do relé A história do relé começou com os estudos de Joseph Henry cientista norte americano em 1830, enquanto construía eletroímãs, descobriu o fenômeno eletromagnético chamado indução electromagnética ou auto-indutância e a indutância mútua. O seu trabalho foi desenvolvido independentemente de o de Michael Faraday, mas é a este último que se atribuí a honra da descoberta por ter publicado primeiro as suas conclusões. A Henry também é creditada a invenção do motor elétrico, embora mais uma vez, não tenha sido o primeiro a registrar a patente. Seus estudos acerca do relé eletromagnético foram a base do telégrafo elétrico, inventado por Samuel Morse e Charles Wheatstone. Mais tarde provou que as correntes podem ser induzidas à distância, magnetizando uma agulha com a ajuda de um relâmpago a 13 quilómetros de distância. Em 1832, Henry tornou-se professor de Física no College of New Jersey, mais tarde conhecido como Universidade de Princeton. Foi Professor na Academia de Albany (EUA) e o primeiro diretor do Instituto Smithsoniano, de 1846 até à sua morte, 32 anos depois. À frente deste Instituto, desempenhou importantíssimo papel no desenvolvimento da ciência norte- americana. Após a sua morte, a unidade de indutância ou resistência indutiva no Sistema Internacional (SI), foi batizada de Henry, em reconhecimento do seu trabalho. Componentes de um relé eletromecânico As partes que compõem um relé eletromecânico são: 7 Profº Daniel Souza Eeletroímã (bobina) - constituído por fio de cobre em torno de um núcleo de ferro maciço que fornece um caminho de baixa relutância para o fluxo magnético; Armadura de ferro móvel; Conjuntos de contatos; Mola de rearme; Nota: Atualmente existem diversas empresas que utilizam relés desenvolvidos para aplicação em PCI's (eletrônica convencional) em ambientes industriais, adaptando esta aplicação através de bases/soquetes. Porém é importante notar que quando aplicado em um ambiente industrial, onde se exige uma fácil reposição e manutenção, estes tipos de terminais facilmente danificam-se e podem causar problemas de mau contato e diversos outros tipos de falhas nas reposições futuras. Para aplicações industriais, seja qual for a sua natureza, é indicada a aplicação de relés com terminais tipo Faston em conjunto com suas bases por serem projetados para resistir a este tipo de operação e ambiente. Princípio de funcionamento Processo de Produção A bobina de um relé é constituída por um fio em torno de um núcleo de aço maciço. Então temos no relé uma bobina, um núcleo de aço que fornece um caminho de baixa relutância para o fluxo magnético, uma armadura de aço móvel e um conjunto, ou conjuntos, de contatos presos a molas. Enquanto a bobina se mantém desenergizada, a força das molas mantém os contatos em estado de repouso de modo a existir uma lacuna de ar no circuito magnético. O estado de repouso pode ser normalmente fechado (NF) ou normalmente aberto (NA), a depender da função do relé no circuito. Quando a bobina recebe a corrente elétrica, a armadura movimenta-se em direção ao núcleo, atraída pelo campo magnético gerado, movimentando mecanicamente o contato ou contatos ligados a esta armadura. No instante em que a força magnética gerada pela circulação de corrente na bobina se torna maior que a força das molas, o contato é atraído fisicamente, sai do estado de repouso e muda a condição do circuito para aberto (se for normalmente fechado) ou fechado (se for normalmente aberto). Quando a circulação de corrente através da bobina cessa, a bobina é desenergizada e o contato volta ao estado de repouso por força da mola. 8 Profº Daniel Souza Se a configuração do contato de um relé é NF (normalmente fechado, ou NC na sigla em inglês) o circuito está fechado enquanto o relé encontra-se desenergizado. Então quando energizado, a conexão física entre contato fixo e móvel se abre e interrompe a passagem de corrente elétrica. O inverso ocorre quando a configuração do contato do relé é NA (normalmente aberto, ou NO em inglês). Em alguns casos, os relés podem ter mais de um contato formando um conjunto de contatos que atuam simultaneamente com a força magnética, dependendo da função do relé. Hácasos também, comuns nas partidas de motores industriais, em que a força da mola, necessária para fazer o contato retornar ao estado de repouso, é substituída pela força da gravidade. Os relés, exemplificados na imagem utilizada no tópico Componentes de um relé, também têm um fio de ligação da armadura ao terminal, o que garante a continuidade do circuito entre os contatos que se deslocam sobre a armadura e a pista de circuito na Placa de Circuito Impresso (PCB), através do terminal, que é soldada ao PCB. Quando uma corrente elétrica passa através da bobina, o campo magnético resultante atrai a armadura e consequentemente movimenta o contato móvel, fazendo ou quebrando a conexão com um contato fixo. Se o conjunto de contatos for fechado quando o relé foi desenergizado, então o movimento abre os contatos e quebra a conexão, e vice-versa, se os contatos foram abertos. Quando a corrente na bobina é desligada, a armadura é devolvida por uma força tão forte quanto a força magnética, à sua posição relaxada. A maioria dos relés são fabricados para funcionar rapidamente. Em uma aplicação de baixa tensão, isto ocorre para reduzir o ruído. Em uma aplicação de alta tensão ou corrente elevada, isto ocorre para reduzir a formação de arco. Se a bobina é energizada em tensão DC (corrente contínua), um diodo é frequentemente instalado na bobina, para dissipar a energia do campo magnético em colapso na desativação, o que de outra forma poderia gerar um pico de tensão perigosa para os componentes do circuito. Alguns relés automotivos já incluem o diodo dentro da caixa de relé. Alternativamente, uma rede de proteção de contato, consistituída por um capacitor e resistor em série, pode absorver também este pico se a bobina for projetada para ser energizada em AC (corrente alternada). II - Resistores Os resistores são componentes elétricos passivos de dois terminais, que criam uma resistência no fluxo da corrente elétrica em um circuito elétrico, por suas características, eles são bastantes empregados em circuitos que necessitem: Delimitação de corrente elétrica, divisores de tensão, geradores de calor, etc. 9 Profº Daniel Souza Para entender o seu funcionamento, é necessário compreender os conceitos básicos dos materiais condutores e os isolantes que basicamente só existem dois tipos, e são eles: Isolantes Elétricos: São materiais onde a passagem de cargas elétricas sofrem uma grande dificuldades no seu deslocamento. Alguns exemplos podem ser vistos abaixo: Plástico, Vidro, Madeira, Papel, Borracha, Cerâmica, etc. Condutores Elétrico: São materiais onde a passagem de cargas elétricas se deslocam com maior facilidade. Alguns exemplos podem ser vistos abaixo: Metais (cobre, ferro, alumínio etc), Gases Ionizados, Soluções Eletrolíticas Como eles Funcionam? Na eletrônica, os resistores basicamente tem uma função de trabalho específico, limitar uma corrente que flui através de um circuito elétrico. A sua resistência é medida em ohms e o seu símbolo padrão é "Ω" padronizada pelo Sistema Internacional de Unidades (SI). Medições Para um resistor com a medida de 1Ω "1 ohms" é mesurada quando uma corrente de 1A "1 Ampere", passa através de um resistor com uma queda de tensão de 1V "1 Voltes" em seus terminais. A medida da corrente é proporcional à tensão nas extremidades do terminal, e essa proporção é calculada através da formula consolidada e bastante conhecida, lei de Ohm: R = V / I Onde: R = A resistência V = A tensão I = A corrente II - Resistores - Tipos Existem diversos tipos diferentes de resistores, tais como os resistores PTH, "Pin Through Hole" (Fixar Através do Furo) que são bastante conhecidos como Resistores Axial, que possuem dois terminais, um de cada lado, e Resistores Radial que teem dois terminais do mesmo lado. Temos também os resistores SMD "Surface Mount Device" (Dispositivo de Montagem Superficial), os resistores SMT "Surface Mount Technology" (Tecnologia de Montagem Superficial) e os SMC "Surface Mount Component" (Componentes de Montagem Superficial), que são resistores extremamente pequenos com os terminais unificados ao próprio corpo que são soldados na superfície da ilha da PCI "Placa de Circuito Impresso". 10 Profº Daniel Souza Os resistores podem ser do tipo fixos ou do tipo variáveis. Neste último caso, são chamados de Potenciômetros, Reostatos e Trimpots. O valor nominal em ohms é alterado ao girarmos o eixo central, ou deslizarmos através de uma alavanca vertical. Existe ainda duas vertentes nos potenciômetros que diferem uma da outra em aspecto de funcionamento de sua resistência, que serão melhor explanado na categoria abaixo. Os resistores normalmente são divididos em CLASSES de construção e tipos de materiais. Iremos abordar aqui os tipos de resistores mais conhecidos, agregadas as 3 classes de resistores: Resistores Fixos Resistor de Filme de Carbono - Padrão 5% de tolerância Resistor de Filme Metálico - Padrão de precisão 1% de tolerância Resistor de Fio - Resistores de alta Potência Resistores Variáveis Potenciômetro Trimpot Reostato Resistores que dependem de condições físicas Varistor (VDR) - Muda de acordo com a tensão Foto-Resistor (LDR) - Muda de acordo com o nível de luz Thermistor (NTC e PTC) - Muda de acordo com a temperatura Para a classe de Resistores Fixos, podemos destacar os 3 tipos de resistores mais conhecidos e utilizados em diversos tipos de projetos de Eletrônica e Elétrica. Resistor De Filme De Carbono Os resistores de Filme de Carbono são os tipos de resistores mais comuns como ilustrado na Figura 2 abaixo, eles são resistores de uso geral, são baratos e fácies de serem encontrados no mercado, e são imprescindivelmente utilizados em sua grande maioria nos circuitos eletrônicos. Seu elemento resistivo é fabricado à partir de uma mistura de pó de carbono ou grafite, e um pó de cerâmica não condutor que unem todos os elementos dentro do encapsulamento. 11 Profº Daniel Souza Fig. 2 - Resistores de Filme de Carbono E são exatamente essas misturas entre o pó de carbono e a cerâmica, que determinam os valores resistivos gerais da resistência, a proporção dessas misturas são; quanto mais carbono, menor será a resistência. A modelagem é feita em forma cilíndrica com pedaços de fios condutores fixados em cada lado do resistor para permitir a condução elétrica limitado a sua resistência antes de serem revestidos com um material isolante externo, e suas marcações são codificadas por cores e indicam o seu valor resistivo em Ω - Ohm, KΩ - Kilo Ohm, MΩ - Mega Ohm. Os resistores de carbono geralmente teem seus prefixos CR "Carbon Resistor" e são padronizados por séries, conhecido como E-series. A série mais básica dentro da faixa E é a série E3, para a os resistores de Filme de Carbono, as séries estariam disponíveis apenas nas faixas de tolerância mais baixas, pois seus valores não podem ser garantidos com uma tolerância tão estreita, eles estão disponíveis em encapsulamento E6 com tolerância de ± 20%, E12 com tolerância de ± 10%, e "não muito normal" E24 com tolerância de ± 5%, e sua potência são classificadas com valores entre 0,250W, conhecidos como 1/4 de W, até 5W. As faixas de valores de resistores padrão da série E, são aceitas internacionalmente e foram adotadas por organizações de padrões internacionais. A EIA (Electrical Industries Association), "Associação de Indústrias Elétricas" com sede na América do Norte, é uma organização que adotou o sistema e, como resultado, as séries de valores de resistores são frequentemente chamadas de valores de resistores padrão EIA. Resistor De Filme Metálico Os resistores de Filme Metálico possuem uma fina camada de metal como elemento resistivo em um corpo de cerâmica, cuja determinação da resistência é feita através da largura e da espessura da camada metálica, diferentemente do resistorde carbono, o ruído emitido por este resistor e bem baixo. Devido a sua camada ser constituída de Níquel Cromo Ni (Níquel) Cr (Cromo), garante uma precisão maior nos valores das resistências, e para aplicações especiais também são usadas outras tipos de ligas, como estanho e antimônio, ouro com nitreto de platina e tântalo. Suas tolerâncias 12 Profº Daniel Souza são variáveis e dependendo do resistor, eles estão disponíveis com tolerâncias entre; 0,1%, 0,25%, 0,5%, 1% e 2%. E o Coeficiente de Resistência de Temperatura é geralmente entre 50 e 100 ppm / K. A aparência dos resistores de filme de metal é semelhante aos resistores de filme de carbono, como mostrado na Figura 3 abaixo, mas suas propriedades de estabilidade, precisão e confiabilidade são consideravelmente melhores. Assim como os Resistores de Filme de Carbono, os valores das resistências também são disponibilizados em cores, e é possível identificar a resistência através da tabela de código de cores. Fig. 3 - Resistores de Filme Metálico Resistor De Fio Os Resistores de FIO são componentes elétrico passivo de dois terminais, dotados de diversos modelos e tamanhos, como mostrado na Figura 4 abaixo, que tem a função de limitar ou restringir um fluxo de corrente em um circuito. Os resistores de Fio são construídos com um fio metálico condutor de alta resistividade, que geralmente são feitos de um liga como o Ni-Cr (Nicromo) ou também de uma liga chamada manganês (Cobre-Níquel-Manganês), que é então enrolado em torno de um núcleo de material não condutor "Na maioria das vezes são de cerâmica, mas também são fabricados com materiais de Vidro e Plástico de alta Resistência ao calor". A resistividade do Resistor de Fio, dependem do material condutor utilizado em sua fabricação, eles podem ser fabricados com muita precisão e suas propriedades resistivas são excelentes trazendo resultados bem precisos, o que faz desse tipo de resistor, mesmo sendo um tipo de resistor muito antigo, mais ainda sim, são bem utilizados nos dias atuais, para aplicações de alta potências. 13 Profº Daniel Souza Fig. 4 - Resistores de Fio de potência II - Resistores – Testes de Funcionamento Existem vários tipos de padrões diferentes utilizados para descrição de como os componentes devem ser exibidos. No entanto a organização internacional de padrões elétrico e eletrônico IEC - "International Electrotechnical Commission", publicou o padrão IEC 60617 que é o padrão internacional para esses símbolos eletrônicos que seguimos atualmente, isso para descomplicar a grande demanda de símbolos diferentes, já que no passado muitos países e indústrias costumavam usar seus próprios padrões, o que tornava tudo muito confuso. Existe o padrão ANSI qua ainda é muito comum nos Estados Unidos, em software de simulação e em muitos diagramas esquemático, e por serem os padrões mais conhecidos e utilizado atualmente, iremos adotar esses símbolos padrões como mostrado na Figura 5 abaixo. Fig. 5 - Padrões Símbolos Resistores ANSI e IEC 14 Profº Daniel Souza Para a classe de Resistores Variáveis, também podemos destacar os 3 tipos de resistores mais conhecidos e utilizados em diversos tipos de projetos de Eletrônica e Elétrica. Potenciômetro - Linear E Logarítmico Os potenciômetros, "também conhecido como resistor variável" são dispositivos de 3 terminais cuja sua resistência varia de acordo com um controle manual giratório ou deslizante, que tem umas aletas de contatos deslizante na superfície resistiva que aumenta ou diminui a resistência de acordo com o nível de ajuste feito. O que faz com que o fluxo de corrente elétrica seja controlado formando um divisor de tensão ajustável, isso quando utilizamos os três terminais, quando utilizados com apenas dois terminais, ele funcionará como um resistor variável ou um reostato. Os potenciômetros são normalmente utilizados para controlar dispositivos eletrônicos e elétricos, como controles de volume em equipamentos de áudio, mesa de som, amplificadores, são também utilizados como sensores de posição operados por um mecanismo como joystick. Como controle de tensão em fontes ajustáveis através de circuitos específicos pois os potenciômetros não são usados para controlar diretamente um circuito de carga, devido a potência dissipada no potenciômetro serem baixas "em sua grande maioria". 15 Profº Daniel Souza Os potenciômetros podem ser de volta simples ou de múltiplas voltas com um elemento helicoidal, e alguns deles são dotados de um display mecânico para monitorar as voltas dada. Existem ainda, duas vertentes nos potenciômetros que diferem uma da outra em aspecto de funcionamento de sua resistência, são eles os Potenciômetros Lineares que podemos identificar pela letra B que veem impresso antes do código da resistência, ou os Potenciômetros Logarítmico que sempre veem com a letra A antes do código da resistência, como podemos ver na Figura 6 abaixo. Fig. 6 - Potenciômetros lineares e Logarítmicos Potenciômetro Linear Os potenciômetros lineares teem um elemento resistivo de seção transversal constante, resultando em um dispositivo onde a resistência entre o controle deslizante ou transportador do limpador e os terminais, são proporcionais à distância entre eles, dividindo proporcionalmente uma tensão regulada aplicada em sua faixa operacional que fornece uma saída de tensão proporcional à posição do ângulo de rotação do controle deslizante. Os potenciômetros lineares podem ser utilizados em diversas aplicações e em vários tipos de dispositivos que necessitem de um dispositivo de medição com movimentos lineares, alguns exemplos de aplicações em dispositivos conhecidos que utilizam esse componente: Aplicação Robótica Aplicação Sensor de posição Aplicação dispositivos Médico Hospitalar Aplicação em dispositivos Automobilísticos Aplicação em máquinas agrícolas Aplicação em mesa de iluminações Aplicação em Laboratórios Aplicação em Processos Industriais, etc... Potenciômetro logarítmico 16 Profº Daniel Souza Os Potenciômetros Logarítmicos são potenciômetros que mudam a resistência logarítmica conforme você gira o controle deslizante do potenciômetro, ele possui uma polarização embutida no elemento resistivo. Isso significa que a posição central do potenciômetro não é a metade do valor total do potenciômetro. Isso está em contraste com os potenciômetros lineares, que mudam a resistência linearmente conforme o controle deslizante do potenciômetro é girado. O elemento resistivo é projetado para seguir um afilamento logarítmico, também conhecido como um expoente matemático ou perfil "quadrado". Um potenciômetro logarítmico são fabricados com material cuja resistividade não são homogêneas, eles variam de uma extremidade à outra, isso resulta em um dispositivo onde a tensão de saída é uma função logarítmica na posição do controle deslizante. Os potenciômetros Logarítmicos podem ter diversas aplicações em diversos seguimentos, mas, os mais comuns são em aplicações de áudio para ajustar o nível ou volume do som. O ouvido humano percebe o som de forma logarítmica, isso quer dizer que se fossemos utilizar um potenciômetro linear para controle de volume, as mudanças de volume em nossa percepção não sairiam corretas aos nossos ouvidos. Ajuste de Funcionamento O ajuste de um potenciômetro linear cresce muito rapidamente à medida que o potenciômetro é girado de zero. Os dois padrões mais conhecidos e utilizado no diagrama esquematicamente em um circuito com os Potenciômetros, são representadas pelos símbolos mostrados na Figura 7 abaixo. Trimpot - Trimmer Potentiometer A nomenclatura trimpot é uma abreviação de duas palavras "Trimmer Potentiometer" (potenciômetro trimmer) é um pequeno dispositivo de três terminais que é usado para ajustes, sintonia, volume, calibração, divisor de tensão, etc., emcircuitos eletrônicos. Quando são usados como uma resistência variável, são chamados de resistores de predefinições "Preset". Os trimpots ou presets são normalmente soldados diretamente nas placas de circuito impresso e ajustados usando uma chave de fenda. 17 Profº Daniel Souza O material utilizado em sua construção como pista resistiva varia, mas o mais comum é a composição de Carbono ou Cermet. Os Trimpots são projetados para ajustes ocasionais e muitas vezes podem alcançar uma alta resolução ao usar parafusos de configuração multi-voltas, eles podem ser usados como substitutos dos potenciômetros, no entanto, deve-se tomar cuidado, pois a vida útil projetada geralmente é de apenas 200 ciclos. Existem diferentes tipos de trimpots, que utilizam diferentes métodos de construção e montagens, como; sobreposto na PCI, SMD, ou através do orifício PTH, também com orientações de ajustes verticais e horizontais, (topo, lado), e podem ser do tipo uma volta ou do tipo multi- voltas como ilustrada na Figura 8 abaixo. Tipos de Trimpots Os Dois Padrões Mais Conhecidos E Utilizado No Diagrama Esquematicamente Em Um Circuito Com Os Trimpots, São Representadas Pelos Símbolos Mostrados Na Figura 8 Abaixo. Reostato Os Reostatos são resistores variáveis com dois ou três terminais, sendo um deles o móvel deslizante, utilizado para controlar o fluxo de corrente elétrica aumentando ou diminuindo manualmente a resistência, como podemos ver na Figura abaixo. Os reostatos são projetados para lidarem em sua grande maioria de aplicação, com níveis mais altos de tensão e corrente, o que os difere dos potenciômetros e os torna ideais para aplicações em diversos tipos de equipamentos comerciais e industriais, como: Motores elétricos, dímeres, bombas, ventiladores, sopradores, equipamentos odontológicos, etc. 18 Profº Daniel Souza Para alcançar essas altas potências, em geral, os reostatos são construídos enrolando-se um fio de Nicromo em torno de um núcleo não condutor "geralmente cerâmica", e o valor final total do reostato, depende da espessura e tamanho do enrolamento feito com o fio de Nicromo enrolado no núcleo. Além de suporte para o enrolamento, o núcleo do reostato atua também como material isolante e ainda, devido ao reostato transformar a corrente que circula por ele em calor, o núcleo de cerâmico também exerce a função de dissipação de calor, e por motivos óbvios de semelhança, os reostatos também são conhecidos por resistores de fio variável. Os Dois Padrões Mais Conhecidos E Utilizado No Diagrama Esquematicamente Em Um Circuito Com Os Reostatos, São Representadas Pelos Símbolos Mostrados Na Figura 10 Abaixo. Para a classe de Resistores que dependem de condições físicas, podemos destacar os 3 tipos de resistores mais conhecidos e utilizados em diversos tipos de projetos de Eletrônica e Elétrica. Varistores - O Varistor é um dispositivo não linear, que fornece excelente supressão de tensões transientes, eles são dotados de uma resistência que varia de acordo com a tensão aplicada em seus terminais. O seu nome foi derivada de uma combinação linguística de palavras; “Variando” e “resistor”. Eles também são conhecido como VDR - "voltage dependent resistor" resistor dependente de voltagem, o tipo e suas aparência variam de fabricante para fabricante, como mostrado na Figura 11, abaixo. 19 Profº Daniel Souza Fig. 11 - Tipos de Varistores Os Varistores são projetados para proteger diversos tipos de dispositivos eletrônicos e elementos semicondutores de comutação e picos de raios induzidos. Eles contém uma massa cerâmica de grãos de óxido de zinco, em uma matriz de outros óxidos de metal (como pequenas quantidades de bismuto, cobalto, manganês) ensanduichada entre duas placas de metais "os eletrodos", e por serem feitos de materiais semicondutor, sua resistência diminui à medida que a voltagem aumenta. Existem dois propósitos principais de funcionamento dos varistores, como: Dispositivo de proteção: Quando exposto a uma tensão transiente excessiva, ele desvia essa tensão através da sua resistência que baixa a ponto de criar no circuito uma alta corrente, com isso disparando os circuitos de proteção, como os fusível, e não deixando que tensões de picos maiores passem para o resto do circuito. Elemento de controle ou equilíbrio: Quando exposto a tensão transiente mais alta, ele absorve essa energia e a dissipa como calor, fornecendo condições operacionais ideais mantendo a tensão a um nível seguro. Os Dois Padrões Mais Conhecidos E Utilizado No Diagrama Esquematicamente Em Um Circuito Com Os Varistores, São Representadas Pelos Símbolos Mostrados Na Figura 12 Abaixo. Fig. 12 - Padrões Símbolos Varistores ANSI e IEC 20 Profº Daniel Souza LDR (Light Dependent Resistor) Os LDRs "light dependent resistor" - Resistor Dependente de Luz, são dispositivos eletrônicos cuja suas resistências variam diacordo com a intensidade luminosa incidida sobre sua superfície, eles também são conhecidos como foto-resistor, fotocélula, fotocondutor. Quando um campo luminoso incide sobre a superfície do LDR, a sua resistência muda. A grande maioria dos sensores LDRs teem uma resistência que diminui com o aumento da intensidade da luz incidindo sobre o dispositivo cuja relação entre a luminosidade e a resistência é inversamente proporcional. A resistência típica de um LDR gira em aproximadamente: Com luz incidindo - "Luz do dia" - Resistência aproximadamente 500Ω ~ 5KΩ Sem Luz incidindo - "Escuro" - Resistência aproximadamente 200KΩ ~ 20MΩ As aplicações dos LDRs são muito abrangente, mas, geralmente eles são usados em circuitos onde é necessário detectar a presença de luz como os utilizados em iluminação Pública nos postes das ruas, em iluminação de Jardim nas casas, em câmeras como ajustadores automáticos do flash, etc... Na Figura 13 temos a imagem com alguns tipos de LDRs. Os dois padrões mais conhecidos e utilizado no diagrama esquematicamente em um circuito com os Resistores Dependentes de Luz, são representadas pelos símbolos mostrados na Figura 14 abaixo. Termistores - NTC e PTC Os Termistores são dispositivos passivos cuja resistência varia o seu valor de acordo com a temperatura à qual são submetidas. O seu nome foi derivado da combinação de dois termos: “térmico” e “resistor”. Eles são feito de óxidos metálicos, prensado em uma encapsulamento com formato de disco ou com formato 21 Profº Daniel Souza cilíndrico e, em seguida, encapsulado com um material impermeável, como epóxi ou vidro. Existem dois tipos de termistores: Coeficiente de Temperatura Negativo: NTC "Negative Temperature Coefficient". Para esse thermistor, quando há um aumento na temperatura, a sua resistência diminui e quando há uma diminuição na sua temperatura, a resistência aumenta. Este tipo de thermistor é o mais usado. Coeficiente de Temperatura Positivo PTC "Positive Temperature Coefficient". Para esse thermistor o seu funcionamento é um pouco diferente. Quando a temperatura aumenta, a resistência também aumenta, e quando a temperatura diminui, a resistência também diminui. Este tipo de thermistor é geralmente usado como fusível. Os Termistores também são dispostos em diversos tipos de encapsulamentos, isso depende do fabricante, alguns deles são mostrado na Figura 15 logo abaixo. Fig. 15 - Tipos de Termistores NTC e PTC Normalmente, um thermistor atinge alta precisão dentro de uma faixa de temperatura limitada de cerca de 50ºC em torno da temperatura alvo. Este intervalo depende da resistência de base. Os metais mais usado são a platina, daí as designação Pt100 e Pt1000, quando a sigla vem dotada com o número 100, é porque à temperatura em 0 °C, têm uma resistência de 100ohm, e quando a sigla vem dotada com o número 1000, significa que à temperatura em 0 °C, têm uma resistência de 1000ohm, e ainda existem outrosmateriais, como o Níquel e seguindo a mesma lógica, Ni100, é para 100ohms em 0°C e Ni1000 é para 1000ohms em 0°C. Os dois padrões mais conhecidos e utilizado no diagrama esquematicamente em um circuito com os Termistores, são representadas pelos símbolos mostrados na Figura 16 abaixo. 22 Profº Daniel Souza Fig. 16 - Padrões Símbolos Termistores ANSI e IEC Outros Tipos De Resistores Ainda existem muitos outros tipos de resistores para diversas aplicações, podemos ainda dizer que são resistores menos comum e conhecidos, mas que desempenham de forma majestosa o seu trabalho, temos como exemplos os: MDRs "Magnetic Dependent Resistor" - Resistor Dependente de Magnetismo, são resistores cuja resistência elétrica muda quando um campo magnético externo é aplicado. WDR "Water Dependent Resistor" - Resistor Dependente de água, são resistores cuja resistência elétrica muda quando inside uma certa quantidade de água em seu campo de medição. 23 Profº Daniel Souza II - Resistores – Código de Cores III - CAPACITORES Podemos definir o capacitor como um dispositivo usado nos circuitos elétricos, capaz de armazenar uma carga em virtude da presença do campo eletrostático. O capacitor na sua forma mais simples consiste de duas placas de metal condutoras separadas separadas por um meio isolante, que chamamos de dielétrico. Em um capacitor prático, as placas podem ser construídas com várias configurações (circular, retangular, etc.). O dielétrico “material não condutor” serve para manter a isolação elétrica entre as placas. Os materiais dielétricos ou isolantes são classificados segundo a sua habilidade em suportar o 24 Profº Daniel Souza fluxo elétrico em termos do valor denominado constante dielétrica. Quanto maior o valor dessa constante, melhor é o material dielétrico. Podemos citar alguns exemplos usados em capacitores: o plástico, papel, vidro, cerâmica, mica, ar e etc. Veremos mais adiante alguns tipos de capacitores. Na imagem abaixo, podemos ver dois tipos de capacitores: um com terminais polarizados (capacitor eletrolítico) e o outro não (capacitor cerâmico). Composição Armadura: São as duas placas metálicas que são responsáveis por armazenar a energia na forma de carga elétrica. Dielétrico: É o elemento que fica instalado entre as duas placas metálicas e possui a função de isolar as mesmas. Lembrando que o ar é isolante e pode também ser considerado um dielétrico. III – CAPACITORES - Aplicações Para que serve um capacitor? Os capacitores são componentes que conseguem armazenar energia na forma de campo eletrostático e também são dispositivos que conseguem se opor a alterações de tensão, ou seja, podem resistir a qualquer mudança de tensão sobre seus terminais. Onde os capacitores podem ser usados? Podem também ser utilizados como filtros, deixando passar altas frequências e bloqueando ao mesmo tempo as baixas frequências. São utilizados em vários equipamentos como divisores de tensão. Podem ser aplicados em circuitos retificadores, onde têm a função de reduzir a oscilação da tensão retificada. Em placas e fonte de alimentação eletrônicas são muito utilizados pois impedem que uma variação de tensão prejudique o funcionamento do circuito. Enfim, são muitas as funções de um capacitor. São muitos modelos de capacitores, cada um com suas características e aplicações específicas. Princípio de funcionamento de um capacitor Um capacitor é formado usando-se duas placas metálicas separadas por um isolante chamado dielétrico. Quanto menor o espaço entre essas placas metálicas, maior será o valor de capacitância que o mesmo poderá armazenar. 25 Profº Daniel Souza Quando ligado a uma fonte de tensão, a tensão força os elétrons para uma das placas, fazendo a mesma ficar negativa, e retira elétrons da outra fazendo-a ficar positiva. Os elétrons não podem fluir através do dielétrico que é isolante. Como há uma quantidade definida de elétrons para carregar o capacitor, diz-se que ele tem capacidade, uma característica conhecida como capacitância. O que é capacitância? O valor de capacitância de um capacitor é medido em farads (F). O farad é uma unidade de medida que é utilizada para representar a quantidade de energia que o capacitor armazena. Essa unidade é um tributo à memória de Michael Faraday, um cientista que realizou muitas experiências eletrostáticas e magnéticas. A capacitância de um capacitor depende dos seguintes fatores: 1 Área das placas; 2 Distância entre as placas; e 3 Constante dielétrica do material entre as placas. Esses três fatores se referem à capacitância de um capacitor de duas placas e paralelas entre si. Quanto maior for o valor de capacitância, maior é a quantidade de energia armazenada. Como o farad é uma unidade muito grande, geralmente os capacitores são fabricados com valores em microfarad (μF), picofarad (pF) e nanofarad (nF). A capacitância é igual a 1 Farad quando uma tensão , variando numa razão de 1 volt por segundo, produz uma corrente de carga igual a 1 ampère.Tensão em um capacitor Quando for necessário selecionar um capacitor para um determinado circuito, seja para inclusão em um projeto ou substituição de algum danificado, alguns pontos devem ser considerados: 8 Valor de capacitância desejada; 9 Valor de tensão à qual o capacitor será submetido. Se for aplicado um valor execessivo de tensão sobre os terminais do capacitor, o dielétrico pode não suportar a pressão elétrica, vindo a ocorrer um arco entre as placas, destruindo o dielétrico. Dessa forma, o capacitor fica curto-circuitado e um possível fluxo de corrente através do mesmo poderá danificar outras partes do circuito. A tensão de trabalho do capacitor irá depender do tipo de material usado como dielétrico e da espessura do dielétrico. Deve-se lembrar que quanto maior a espessura do dielétrico, menor será o valor de capacitância. III – CAPACITORES – TIPOS E ASPÉCTOS Os capacitores são chamados de fixos quando são construídos de forma que possuam um valor fixo de capacitância que não pode ser ajustada. Eles são classificados de acordo com o tipo de material usado como dielétrico, conforme alguns exemplos abaixo: 26 Profº Daniel Souza Papel: São capacitores que utilizam o papel como dielétrico. Consistem de duas lâminas finas de metal flexíveis separadas por um material dielétrico na forma de papel revestido com cera. Cerâmica: Esse tipo de capacitor usa como dielétrico um tipo de material cerâmico. As placas consistem de uma fina camada de metal depositado sobre o cilindro de cerâmica. Possuem altos valores de capacitância. Vácuo: Os capacitores a vácuo possuem uma alta capacidade de tensão de ruptura, porém são fornecidos com valores muito baixos de capacitância. Mica: O capacitor de mica é feito de lâminas metálicas separadas por folhas de mica como dielétrico. O conjunto é coberto por plástico moldado. A mica é um excelente dielétrico e suporta maiores tensões que o papel parafinado. Eletrolítico: Os capacitores eletrolíticos são polarizados, ou seja, podem ser ligados somente em circuitos de corrente contínua e indicam em seu corpo as marcações (+) e (-) devendo essa ligação ser obedecida. É utilizado como meio dielétrico o eletrólito, podendo ser utilizado em sua forma líquida ou pasta. Consistem essencialmente de duas lâminas de metal entre as quais é colocado o eletrólito. Poliéster: Os capacitores de poliéster possuem uma ou mais camadas finas de um material plástico chamado poliéster. São muito empregados em circuitos de aparelhos eletrônicos. Óleo: Os capacitores a óleo são nada mais que capacitores de papel imersos em óleo. O pepel impregnado de óleo apresenta uma alta constante dielétrica, o que permite a produção de capacitores com alto valor capacitivo. Vidro: São obtidos empilhando-se camadas de fibra de vidro e camadas de placas de folhas de alumínio. Esse tipo de capacitor consegue armazenar seu valor de capacitância durante longos períodos de tempo. O que é um capacitor variável?Os capacitores variáveis são construídos de maneira que os seus valores de capacitância podem ser variados.Existem os capacitores do tipo rotor-estator, onde dois conjuntos de placas de metal são arranjados de maneira que o conjunto móvel do rotor se encaixa entre as placas do estator. Eles alteram o valor de capacitância conforme exista a mudança de posição das placas do rotor. Existem também os trimmers, Esses tipos de capacitores são feitos com dielétricos de ar, cerâmica, mica, poliestireno ou teflon. Seu ajuste é feito a partir de um parafuso capaz de variar a distância entre suas placas. Veja na imagem abaixo um modelo de capacitor variável. 27 Profº Daniel Souza III – CAPACITORES – Teste e Funcionamento O teste de capacitores com o Localizador de Defeitos é uma forma bastante prática de se verificar o estado destes componentes. Como o teste é feito através da comparação de desenhos (gráficos das curvas características), sua realização é bastante intuitiva. Apesar da simplicidade, a avaliação da curva característica do capacitor com o Localizador de Defeitos pode nos indicar se ele está em curto, com seu valor de capacitância alterado ou com a ESR muito alta. Ou seja, é possível fazer uma verificação bastante abrangente deste componente, com apenas uma medição, como se pode ver nos exemplos abaixo: • Curva característica típica do capacitor 28 Profº Daniel Souza • • Capacitor em curto Gráfico vermelho: capacitor bom. Gráfico verde: capacitor em teste • Capacitor com valor alterado Gráfico vermelho: capacitor bom. Gráfico verde: capacitor em teste • Capacitor com ESR elevada Gráfico vermelho: capacitor bom. Gráfico verde: capacitor em teste 29 Profº Daniel Souza IV – INDUTORES A indução eletromagnética é um fenômeno causado por um campo magnético e gera corrente elétrica. Uma área delimitada por um determinado condutor sofre variação no de fluxo de indução magnética é criado entre seus terminais uma força eletromotriz (fem) ou tensão. Caso seus terminais estiverem ligados a um aparelho elétrico irá gerar corrente, chamada corrente induzida. A indutância é a grandeza física relacionada aos indutores, representada pela letra L e medida em Henry (H). É um parâmetro que relaciona a tensão induzida no campo magnético e a corrente responsável pelo surgimento deste campo. A tensão nos terminais do indutor é proporcional a corrente que nele passa. IV – INDUTORES – 4.1 -Função e Teoria Básica O indutor, também chamado de solenoide ou bobina, é um dispositivo elétrico passivo, capaz de armazenar energia criada em um campo magnético formado por uma corrente (CA). Este componente é usado em circuitos elétricos, eletrônicos e digitais, para armazenar energia através de um campo magnético. Indutores são usados para impedir variações de corrente elétrica, para formar um transformador e também em filtros que excluem sinais em alta frequência, os filtros do tipo passa baixa. Ao ler estas definições, concluímos que os indutores e os tem por comum a capacidade de armazenar energia. Assim como os capacitores, os indutores se opõem a corrente alternada. Também em comparação aos capacitores, dizemos que: 13 Quanto mais rápida a variação da corrente em um espaço de tempo, mais a quantidade de tensão nos terminais do indutor; 14 Não é aceito variações bruscas de corrente; 30 Profº Daniel Souza IV – INDUTORES – 4.2 - Construção Os indutores são, geralmente, construídos como uma bobina de um material condutor, como o cobre. Um núcleo ferromagnético, que aumenta a indutância concentrando as linhas e orça do campo magnético que fluem pelo interior das espiras condutoras. Com as possibilidades de aplicação, os indutores podem ser construídos para uma situação especifica como, por exemplo, em circuitos integrados. Neste caso o material condutor geralmente é o alumínio. Pequenos indutores feitos para serem usados em frequências altas podem ser feitos com um fio passando através de um cilindro de ferrite. IV – INDUTORES - 4.3 - Tipos e Aspectos Os indutores podem se diferenciar nas características construtivas de cada modelo. Veja abaixo os principais tipos de indutores: Núcleo de ar: Nos indutores de núcleo de ar não usa-se material ferromagnético no núcleo, como citado anteriormente. Este possui perdas baixas, o que resulta em uma alta frequência. De baixa indutância e usado para altas frequências. Núcleo ferromagnético: Nestes modelos, o núcleo é feito de um material ferromagnético, o que resulta em uma indutância muito maior, porém, também ocasiona em perdas. A indutância maior é graças ao material, pois ele é capaz de concentrar melhor o campo magnético. Núcleo laminado: Usados em indutores de baixa frequência e transformadores. O núcleo é feito por laminas de material aço-silício, envolvi as por verniz isolante. Estes compostos não são escolhidos a toa. O verniz previne perdas por corrente parasita, e o silício adicionado ao aço faz com que a histerese no material seja reduzida. Núcleo de ferrite Estes indutores são feitos de um tipo de cerâmica ferromagnética, que tem um melhor desempenho em altas frequências, onde são mais empregadas. Não apresentam correntes parasitas além de baixa histerese. 31 Profº Daniel Souza Bobinas toroidais: O núcleo toroidal geralmente é feito de ferrite, e tem um formato de rosca. Graças a este formato, é criado um caminho pelo qual o campo magnético circula. Este tipo de núcleo é usado em bobinas que tem formato de bastão. Neste caso o campo magnético sofre perdas à circular de uma extremidade a outra, pelo contato com o ar. Por isso este núcleo foi projetado para fazer um caminho para este campo, evitando o número de perdas. A energia armazenada no indutor (medida em joules) é igual a quantidade de trabalho necessária para estabelecer o fluxo no indutor, ou seja, o campo magnético. • IV – INDUTORES – 4.4 - Teste de Funcionamento 32 Profº Daniel Souza 33 Profº Daniel Souza V –TRANSFORMADORES 5.1 Função e Teoria Básica Transformadores são dispositivos usados para abaixar ou aumentar a tensão e a corrente elétricas. Os transformadores consistem em dois enrolamentos de fios, primário e secundário, envolvidos em um núcleo metálico. A passagem de uma corrente elétrica alternada no enrolamento primário induz à formação de uma corrente elétrica alternada no enrolamento secundário. A proporção entre as correntes primária e secundária depende da relação entre o número de voltas em cada um dos enrolamentos. Logo, como, os transformadores são usados para abaixar ou aumentar as tensões e correntes elétricas em circuitos de consumo ou . Se um transformador abaixa uma tensão elétrica, ele automaticamente aumenta a intensidade da corrente elétrica de saída e vice-versa, mantendo sempre constante a transmitida, dada pelo produto da corrente pela tensão. P — potência elétrica U — tensão elétrica i — corrente elétrica Por questões de eficiência, a transmissão de energia elétrica em grandes distâncias sempre ocorre em alta tensão e com baixa corrente elétrica, em resposta às perdas de energia ocasionadas pelo , uma vez que a energia dissipada nos fios é proporcional à corrente elétrica. Para os circuitos de consumo de energia, como os residenciais, são utilizados baixos valores de tensão elétrica, por questões de segurança — potenciais elétricos muito elevados podem 34 Profº Daniel Souza produzir descargas elétricas. É por essa razão que encontramos grandes transformadores nos postes, cuja função é a de abaixar o potencial elétrico da corrente que é conduzida pelos fios, levando-a para as residências com tensões de 110 V ou 220 V. Não pare agora... Tem mais depois da publicidade ;) Os transformadores comuns são construídos com dois enrolamentos de fios de cobre, chamados de primário e secundário. Esses enrolamentos sempre contam com diferentes números de voltas e encontram-seentão torcidos em volta de um núcleo de ferro, sem que haja contato entre eles. Observe a figura a seguir: Transformador com enrolamentos primário e secundário. O enrolamento primário é ligado diretamente a um alternada (transformadores não funcionam com corrente direta), ou seja, nele, forma-se uma corrente elétrica de intensidade e sentido variável, levando à geração de um campo magnético com as mesmas características. Esse campo magnético é então concentrado e amplificado pelo núcleo férreo em direção ao enrolamento secundário. O campo magnético variável induz ao surgimento de uma corrente elétrica no secundário. A relação entre os potenciais elétricos entre os enrolamentos primário e secundário é dada pela fórmula seguinte: VP — tensão no enrolamento primário VS — tensão no enrolamento secundário NP — número de espiras no enrolamento primário NS — número de espiras no enrolamento secundário Como sabemos, a tensão e a corrente elétricas são inversamente proporcionais, portanto, a relação para as correntes elétricas dos enrolamentos primário e secundário é invertida: IP — corrente elétrica no enrolamento primário IS — corrente elétrica no enrolamento secundário NP — número de espiras no enrolamento primário NS — número de espiras no enrolamento secundário 35 Profº Daniel Souza O fenômeno físico por trás do funcionamento dos transformadores é chamado de e é descrito pela lei de Faraday-Lenz. Essa lei informa que, ao produzirmos uma variação do fluxo magnético por alguma região do espaço, um campo magnético deverá surgir de modo a opor-se a essa variação. Quer saber mais sobre o assunto? Acesse o nosso texto: . V –TRANSFORMADORES 5.2 Tipos e Aspectos Os transformadores podem ser classificados de acordo com vários parâmetros, tais como finalidade, tipo, material do núcleo, quanto ao número de fases, etc. Quanto a Finalidade: Transformador de corrente: Transformador de corrente, ou TC, tem por finalidade detectar ou medir a corrente elétrica que circula em um cabo ou barra de alimentação, e transforma-la em outra corrente de valor menor, para ser transmitida a um instrumento de medição ou eletrônico. O TC é muito usado para abaixar a corrente elétrica da rede para alimentar dispositivos eletrônicos que não suportam grandes níveis de corrente. Transformadores de potêncial: O nome transformador de potêncial (ou TP) denota que está máquina muda os valore de potencia, mas na verdade ela muda os valores de tensão que entram na bobina primária. A espira primária recebe a tensão primária e conduz uma corrente primária. Por essa corrente ser alternada, ela gera uma variação no fluxo magnético no seu interior. Esse fluxo é canalizado pelo núcleo ferromagnético, e na espira secundária, induzindo uma tensão nesta espira. Se não houver um circuito fechado ligado à espira secundária, uma corrente induzida será estabelecida. Transformador de distribuição: Esse tipo de transformador é empregado principalmente pelas concessionarias distribuidoras de energia e em usinas geradoras de energia. São usados para a energia gerada até os consumidores, com valores diferentes do que o gerado, adequado a cada tipo de consumidor. Podem ser auto protegidos contra sobrecargas e curto circuitos. Transformadores de Força: 36 Profº Daniel Souza São usados para geração e distribuição de energia por concessionárias e usinas, e subestações de distribuição de energia elétrica, e subestações de grandes indústrias, incluindo aplicações especiais como fornos de indução e a arco, e retificadores. Transformador elevador e abaixador de tensão: O valor a qual a tensão será apos sair do transformador está diretamente ligado ao numero de espiras que cada bobina possui. No caso de um transformador elevador de tensão o número de espiras da segunda bobina é maior do que o número de espiras da primeira bobina. E no transformador abaixador, o número de espiras da segunda bobina é menor do que o número de espiras na primeira bobina. Quanto ao Tipo: Número de bobinas: No caso de transformadores de duas bobinas, é comum chama-las de primárias e secundárias. Quando há uma terceira bobina, ela se denomina de terciária. Existem também os transformadores com apenas uma bobina, o chamado autotransformador. • Material do núcleo: Ferro magnético: No caso de um transformador com núcleo de ferromagnético, são usadas chapas de aço laminadas, no geral chapas de aço de silício, para diminuir as perdas por correntes parasitas. Núcleo de ar: Os transformadores com núcleo de ar consistem em na localização das bobinas, que ficam em contato direto com a atmosfera. a) Número de fases: Monofásicos: Esse tipo de transformador é próprio para alimentação de circuitos de comando ou de uso industrial. O transformador usado em casas também é o monofásico, ele transforma em 220 V e 220 V em 127 V. Trifásico: Esse é o tipo de transformador que vemos nas ruas, ele recebe a tensão da subestação de distribuição e em um nível de tensão de 13800 V e transforma em 127 V ou 220 V. Polifásico: 37 Profº Daniel Souza Possui eficiência relativamente alta, estes transformadores fornecem a tensão para sistemas que necessitam de mais fases através do sistema trifásico. Esse tipo de transformador varia de 3 a 6 fases. Esses sistemas que necessitam de mais fases são especialmente para retificação de medida de onda completa devido aos seus componentes V –TRANSFORMADORES 5.3 Aplicação Os tipos de transformadores mais usados são : a) redutor b) isolador c) elevador d) Autotransformador Transformador Redutor É o transformador que recebe uma maior tensão elétrica (ACV), na bobina chamada de (primária), já na sua bobina chamada de secundária, existirá uma menor tensão elétrica (ACV), em relação a tensão que foi aplicada na bobina primária.Ex.: Os transformadores de força dos equipamentos de som. Conclusão: Em um trafo redutor vamos encontrar: Transformador Isolador O transformador é chamado “trafo isolador”, quando o enrolamento da bobina do primário, é totalmente “separado” (isolado), da bobina do secundário. Ex.: O transformador usado no interior do módulo isolador. Transformador elevador 38 Profº Daniel Souza Quando a tensão obtida no enrolamento da bobina do secundário, for superior ao valor da tensão (ACV) que foi aplicada no enrolamento da bobina do primário. Um trafo elevador: Coclusão: Em um trafo elevador, vamos encontrar: Autotransformador É fabricado de maneira especial: um único enrolamento trabalha como primário e secundário. Sendo assim, existe um valor de resistência ôhmica, entre a bobina do primário, com o enrolamento do secundário. Obs.: O autotransformador pode ser do tipo redutor ou elevador. Ex.: O transformador usado no estabilizador de tensão, do tipo auto transformado (redutor), isso se deve principalmente por ser mais econômica a sua fabricação. VI –SEMICONDUTORES A oposição que os materiais têm à passagem da corrente elétrica. Essa resistência tem a ver com as características atômicas de cada material. Tanto os materiais com grande oposição à passagem de corrente elétrica quanto os materiais que facilitam essa passagem tem grande emprego nos circuitos elétricos. Além destas duas condições citadas, existem materiais que são um meio termo, estes são os semicondutores! Os materiais semicondutores são sensíveis às condições ambientais, eles possuem uma resistência elétrica que varia de acordo com a temperatura e com um processo chamado dopagem. Em condições químicas normais, os materiais semicondutores não são capazes de conduzir energia elétrica. A constituição atômica dos semicondutores é tetravalente, o que significa que possuem apenas quatro camadas de valência, tornando-os elementos não estáveis. Para tornarem-se condutores, os semicondutores precisam ter seusátomos agrupados, para ganharem estabilidade. Esse agrupamento ocorre quando existem ligações químicas covalentes, onde os átomos passam a ter oito elétrons, tornando-se condutores de eletricidade. 39 Profº Daniel Souza Os semicondutores tornam-se condutores graças à chamada banda proibida intermediária. Essa camada fica localizada entre a camada de valência e a camada de condução do átomo, região que, ao receber um campo elétrico, forma uma corrente elétrica. Desta maneira ocorre a transição do estado isolante para o estado condutor, pois ao receber certa camada de energia, os elétrons tornam-se livres e vão da camada de valência para a camada de condução. Os principais elementos semicondutores são o silício e o germânio, que possuem quatro elétrons na camada de valência em condições químicas normais. O silício e o germânio são utilizados para a fabricação de componentes eletrônicos como por exemplo, os transistores, , microprocessadores, chips, nano circuitos, LEDs, entre outros produtos tecnológicos presentes em praticamente todos os eletroeletrônicos que utilizamos hoje. Componentes feitos de materiais semicondutores. VI –SEMICONDUTORES - 6.1 – Dopagem 40 Profº Daniel Souza Como dito anteriormente, o semicondutor torna-se um condutor quando os seus elétrons se deslocam das camadas. Variar o estado do semicondutor, tornando possível este deslocamento dos elétrons, é possível de duas formas: variando a temperatura e pelo processo de dopagem. Variação da temperatura: o silício tem as suas camadas de bandas de valência preenchidas nas temperaturas mais baixas. Elevando-se a temperatura, estes elétrons libertam-se da última camada, tornando-se elétrons livres capazes de conduzir a energia elétrica. Processo de dopagem: a dopagem acontece quando é adicionada alguma impureza, ou seja, outro material, ao silício. Com esse processo é possível controlar os portadores de carga e modificar as propriedades condutoras do material. 6.2 – Cristais N e P Essa dopagem ainda pode ser dividida em dois tipos, o tipo N (negativo) e o tipo P (positivo). Dopagem tipo N: A impureza adicionada ao silício pode ser o fósforo ou o arsênio. Esses elementos possuem cinco elétrons na camada de valência. Os quatro elétrons do silício não estabelecem ligações com todos os elementos da camada do elemento acrescentado, desta maneira, sobra um elétron que se caracteriza por possuir carga negativa, denominando a dopagem como tipo N. Dopagem tipo P: A impureza adicionada ao silício pode ser o bóhrio ou o gálio. Esses elementos possuem apenas três elétrons na camada de valência. Os elementos do silício fazem as ligações com esses três elétrons, mas sobra um espaço. Esse espaço se caracteriza por possuir carga positiva, denominando a dopagem como tipo P. Conforme dito anteriormente, o silício e o germânio são exemplos de materiais semicondutores. Esses materiais são muito usados para construir o diodo semicondutor, elemento fundamental para os mais diversos circuitos eletrônicos. VII –DIODO SEMICONDUTOR- 7.1 - INTRODUÇÃO 41 Profº Daniel Souza Um diodo é o mais simples , encontrando uma miríade de aplicações nos mais variados campos da eletrônica, desde áudio e vídeo até eletrônica de potência e aplicações militares. Quando falamos sobre diodos, na verdade estamos nos referindo a dispositivos semicondutores conhecidos como Diodos de Junção PN, que são dispositivos compostos por uma junção de duas camadas, uma de semicondutor tipo N e uma tipo P, geralmente encapsulados em plástico ou em vidro. Antigamente, o termo diodo designava um tipo de válvula eletrônica, que ainda existe, mas é raramente utilizada, encontrando algumas aplicações nos campos de transmissores de RF de alta potência e equipamentos de áudio profissionais, como amplificadores valvulados para instrumentos musicais, por exemplo. Um diodo semicondutor é um dispositivo de dois terminais que permite a passagem de corrente elétrica apenas em um sentido (chamado de sentido direto), bloqueando-a na direção contrária. Isso ocorre quando o anodo do diodo possui um potencial aplicado mais positivo do que seu catodo. Nesta condição, dizemos que o diodo está diretamente polarizado. Se a polaridade da tensão aplicada for invertida, o diodo estará no estado de polarização reversa, e a corrente elétrica não fluirá entre seus terminais – até que um determinado limite seja alcançado. VII –DIODO SEMICONDUTOR- 7.2 Tipos Existem diversos tipos de diodos (Figura 1), para os mais diversos tipos de aplicações, como: o genérico (), o zener (regulador de tensão), o LED (emissor de luz) e o foto-diodo (receptor de luz). VII –DIODO SEMICONDUTOR- 42 Profº Daniel Souza 7.3 Aplicações : Os diodos encontram inúmeras aplicações em circuitos eletrônicos, tais como: Retificação: Um dos usos mais comuns, consiste na conversão de corrente alternada em corrente contínua em fontes de alimentação Supressão de picos de tensão: Dispositivos como bobinas, motores e outros indutores podem gerar um pico de tensão elevado quando ligados ou desligados. Esse pico é chamado de Força Contra-Eletromotriz, e pode danificar outros componentes presentes no circuito. Neste caso, um diodo pode ser empregado como shunt (caminho paralelo para a corrente), protegendo o circuito. Seleção de Tensão: Circuitos que permitem selecionar um nível de tensão de saída especificado, utilizando diodos especiais. Grampeamento de Tensão (Clamp):Circuito que eleva ou abaixa o nível de uma tensão elétrica, mantendo-a em um nível distinto em relação a um valor de referência. Multiplicador de Tensão: Os diodos podem ser utilizados para criar circuitos multiplicadores de tensão, que permitem obter valores de tensão AC duas, três ou mais vezes maiores do que os níveis em sua entrada. São úteis em dispositivos que necessitem de fontes de alta tensão, como copiadoras, impressoras, armas de eletrochoque (tasers), entre outras. Portas Lógicas: são dispositivos que implementam funções lógicas digitais (booleanas) e tomam decisões baseadas em diferentes combinações de níveis lógicos digitais (0 e 1) aplicados às suas entradas. Regulação de Tensão: Diodos são comumente empregados em circuitos reguladores de tensão, onde uma tensão variável aplicada à sua entrada (até certo ponto) é regulada em um valor fixo na saída, para alimentar circuitos que necessitem de um valor de tensão com determinada precisão. Sinalização Luminosa: Diodos especiais encontram inúmeras aplicações em sinalização luminosa, como painéis mostradores, sinalização liga/desliga, dispositivos de alerta, entre outros. VII –DIODO SEMICONDUTOR- 43 Profº Daniel Souza 7.4 Configuração : A Figura abaixo mostra uma relação entre a estrutra do diodo com a do , onde é observada a organização dos seus materiais semicondutores NP. Em uma análise preliminar da figura pode-se concluir que nunca haverá condução entre o coletor e o emissor. No entanto, uma pequena corrente na base do transistor faz com que a corrente possa fluir entre o coletor e o emissor. O transistor tem dois usos básicos, atuando como amplificador (corrente e tensão) ou como chave eletrônica (com funcionamento detalhado mais adiante). No atual mundo dos computadores a funcionalidade de chave eletrônica é muito importante. Para ilustrar esta importância lembramos que o computador, em seu núcleo, só reconhece dois estados, 0 e 1, materializados eletricamente por ausência ou presença de corrente. Se a chave já faz o trabalho, qual o motivo da existência dos transístores? Em um rápido apanhado histórico destacam-se quatro elementos a chave comum acionada por uma pessoa não apresenta um tempo de comutação constante (importante para o funcionamento correto do computador), por isso nos primórdios da computação as chaves comuns acionavam relés (chaves eletromecânicas) e estes implementavamo binário 0 e 1; ii) como os relés tinham comutação ainda muito lenta, foram substituídos pelas válvulas (transistores rudimentares), que eram muito grandes e aqueciam em demasia, danificando (daí o termo queimando) muito rápido; iii) no final da década de 1940 foi inventado o transístor, que era muito menor e fazia o mesmo serviço com 44 Profº Daniel Souza um aquecimento bem menor, assim diminuindo o tamanho dos computadores e aumentando o seu tempo de uso sem apresentar problemas; iv) atualmente os circuitos integrados são compostos de dezenas a centenas de milhares de transistores montados em pastilhas de silício menores que uma unha do dedo mindinho. VII –DIODO SEMICONDUTOR- 7.5 Junção PN : Uma junção P-N é produzida quando dois do e do são ligados de forma que se mantenha a continuidade do reticulado . Ou seja, não basta apenas colocar em contato íntimo os tipos de semicondutores, pois além da presença de impurezas e defeitos nas superfícies, existem também de que cobrem essas superfícies, mudando totalmente a interface dos semicondutores O de junção é um elemento básico para quase todos os dispositivos semicondutores que usam uma junção P-N. A maioria dos dispositivos semicondutores usados em modernos utiliza junções P-N como sua estrutura fundamental. História 45 Profº Daniel Souza Algumas décadas depois da criação do diodo de (1849 - 1945), o Engenheiro (1898 - 1987), compreendeu que as diferenças causadas nos detectores de deviam-se a impurezas presentes no , a partir disso ele utilizou um forno adequado para purificar mais o , seus resultados mostraram semelhanças em testes de retificação. Entretanto, alguns obtiveram resultados opostos, que foram classificados em . Diante dessa descoberta, Ohl foi capaz de fabricar bastões com bordas de de diferentes tipos para fabricar o primeiro diodo de junção, e também foi capaz de criar o diodo fotodetector, após perceber que o aparelho era sensível à luz.[3] O diodo de junção representou um grande avanço para eletrônica, a junção P-N, e foi fundamental não apenas para o diodo como também para o desenvolvimento de diversos dispositivos eletrônicos.[4] Foto de John Ambrose Fleming Processos de produção da junção P-N Existem vários processos que garantem a continuidade cristalina entre os lados P e N de uma junção. Os principais são: I. Processo de liga: neste método um como o é colocado sobre uma pastilha de semicondutor () do tipo N e aquecido até 600 °C. Nesta temperatura o índio e dissolve-se no germânio. Quando um resfriamento lento é feito, o germânio contendo impurezas de índio começa a se , cristalizando-se na mesma orientação do cristal do substrato. Porém, diferentemente do substrato (que era do tipo N), a nova região formada é do tipo P (em função do índio). Na interface entre o substrato não dissolvido e a região recentemente cristalizada surge uma junção P-N muito bem definida ou abrupta. II. Processo de difusão: neste método a junção é formada pela de uma impureza (por exemplo aceitadora) na forma ou para dentro de um substrato semicondutor (por exemplo doador do tipo N). Quando os da impureza aceitadora penetram o interior do semicondutor, forma-se primeiramente uma região chamada de intrínseca (onde há uma compensação das impurezas doadoras do substrato). À medida que as impurezas vão se acumulando, esta parte do semicondutor vai se tornando do tipo P. A profundidade desta região depende do e da na qual ocorre a difusão. A interface entre a parte do semicondutor tornada P e a parte N do substrato que permaneceu não contaminada forma a junção P-N, que é do tipo gradual. Barreira interna de potencial Junção P-N onde nota-se a formação da barreira de potencial após a difusão das cargas. Quando a junção é formada, ocorre uma difusão de do cristal tipo N ao P e dos (ou lacunas) do cristal tipo P ao N. Portanto, o material do tipo N que era inicialmente neutro, começa a ficar com uma deficiência de elétrons e consequentemente com positiva. O mesmo raciocínio vale para o 46 Profº Daniel Souza https://pt.wikipedia.org/wiki/Dopagem_eletr%C3%B4nica#Aceitadoras_e_doadoras https://pt.wikipedia.org/wiki/Dopagem_eletr%C3%B4nica#Aceitadoras_e_doadoras https://pt.wikipedia.org/wiki/Jun%C3%A7%C3%A3o_PN#cite_note-4 https://pt.wikipedia.org/wiki/Jun%C3%A7%C3%A3o_PN#cite_note-3 lado P da junção, que começa a ficar com carga negativa. À medida que progride o processo de difusão, a zona de carga espacial vai aumentando sua largura aprofundando-se nos cristais em ambos os lados da junção. A acumulação de positivos na zona N e de íons negativos na zona P cria um (E) que atuará sobre os elétrons livres da zona N e sobre os buracos da zona P com uma determinada que se oporá à de difusão até que um equilíbrio seja atingido. A região que contém esse átomos ionizados e, portanto, desprovida de cargas livres é chamada de. A associada a esse campo é chamada de barreira de potencial.[1] Essa diferença de potencial está em torno de 0,6 no caso do e 0,3 V se os cristais são de germânio.[5] VII –DIODO SEMICONDUTOR- 7.6 Polarização Para que um diodo esteja polarizado diretamente, é necessário conectar o polo positivo de uma ao (zona P) do diodo e o polo negativo ao (zona N).[6] Nestas condições podemos observar que: I. O polo negativo da bateria repele os elétrons livres do cristal N, de maneira que estes elétrons se dirigem à junção P-N. II. O polo positivo da bateria atrai os elétrons de valência do cristal P, isto é equivalente a dizer que empurra as lacunas para a junção P-N. III. Quando a diferença de potencial entre os bornes da bateria é maior que a diferença de potencial na zona de carga espacial P, os elétron livres do cristal N, adquirem a energia suficiente para saltar até as lacunas do cristal P, as quais previamente foram deslocadas para a junção P-N. IV. Uma vez que um elétron livre da zona N salta à zona P atravessando a zona de carga espacial, cai em uma das muitas lacunas da zona P convertendo-se em elétron de valência. Uma vez que isto ocorre o elétron é atraído pelo polo positivo da bateria e se desloca de átomo em átomo até chegar ao final do cristal P, através do qual introduz-se no fio condutor e chega à bateria. Neste caso, a bateria diminui a barreira de potencial da zona de carga espacial (cedendo elétrons livres à zona N e atraindo elétrons de valência da zona P), permitindo a passagem da corrente de elétrons através da junção; isto é, o diodo polarizado diretamente conduz a eletricidade. 47 Profº Daniel Souza https://pt.wikipedia.org/wiki/Jun%C3%A7%C3%A3o_PN#cite_note-Kittel-6 https://pt.wikipedia.org/wiki/Jun%C3%A7%C3%A3o_PN#cite_note-Cipelli-5 https://pt.wikipedia.org/wiki/Jun%C3%A7%C3%A3o_PN#cite_note-Pierce-1 Polarização inversa da junção P-N Na polarização inversa, o polo negativo da bateria é conectado à zona P e o polo positivo à zona N, o que faz aumentar a zona de carga espacial, e a tensão nesta zona até que se alcance o valor da tensão da bateria.[6] a) O polo positivo da bateria atrai os elétrons livres da zona N, os quais saem do cristal N e se introduzem no condutor no qual se deslocam até chegar à bateria. A medida que os elétrons livres abandonam a zona N, os átomos que antes eram neutros, ao verem-se desprendidos de seus elétrons no orbital de condução, adquirem estabilidade (8 elétrons na camada de valência, ver e átomo) e uma carga elétrica líquida de +1, o que os faz converterem-se em positivos. b) O polo negativo da bateria cede elétrons livres aos átomos da zona P. Recordemos que estes átomos só têm três elétrons de valência, e uma vez que tenham formado as ligações covalentes com os átomos de silício, têm somente 7 elétrons de valência, sendo o elétrons que falta denominado lacuna Acontece que quando estes elétrons livres cedidos pela bateria entram na
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