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Introdução aos circuitos elétricos

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Sistemas Digitais
Introdução aos Circuitos Elétricos
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http://www.sandroalex.info
Laboratório de Técnicas Digitais
Introdução aos circuitos elétricos
Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações
Tocci, Ronald J.
8ª edição; São Paulo: Prentice Hall, 2003
ISBN: 85-87918-20-6
Elementos de Eletrônica Digital
Capuano, Francisco G.
40ª edição; São Paulo: Editora Érica, 2008
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Livros adotados
Introdução aos circuitos elétricos
Portas Lógicas e Álgebra Booleana
Circuitos Integrados – Família
Simplificação de Circuitos
Circuitos Combinacionais
Circuitos Sequenciais
Circuitos Programáveis
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Guia do curso
Introdução aos Circuitos Elétricos
Sistemas Digitais
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http://www.sandroalex.info
Laboratório de Técnicas Digitais
Introdução aos circuitos elétricos
Mostrar os componentes de um circuito elétrico e a conexão entre eles
Dar uma visão concreta dos componentes discretos que compõem qualquer circuito digital, explorando os princípios básicos (conceitual) de seu funcionamento
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Metas da unidade
Elementos básicos
Tensão, corrente, resistência, resistor, potência e circuito elétrico
Tipos de materiais
Condutores, isolantes, semicondutores, dopagem, elétrons, lacunas, junção, depleção e polarização
Transistor
Bipolar (BJT), unipolar (FET), tipos de canais, atuações, aplicações e 3D
Agenda
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Elementos básicos
Introdução aos Circuitos Elétricos
Sempre que há uma diferença de potencial (d.d.p.) existe uma tensão tendendo a reestabelecer o equilíbrio
Demonstração com sistema hidráulico
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Tensão Elétrica (U)
(1) Em desequilíbrio
(2) Equilibrado
válvula
válvula
Em dois corpos com cargas elétricas diferentes haverá uma d.d.p. elétrico entre eles
Um corpo fica eletrizado sempre que há modificação na estrutura dos seus átomos
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Tensão Elétrica (U) – Cont.
A unidade de medida para o valor da tensão da d.d.p. é o Volt (V)
Definição
Movimento ordenado de elétrons livres impulsionado por uma d.d.p. (cargas elétricas por unidade de tempo)
Sentido da corrente elétrica
Eletrônico  Parte da carga negativa para a positiva
Convencional  Parte da carga positiva para a negativa
Corrente elétrica (I)
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Sentido convencional
i
Tipos de corrente elétrica em função do tempo
Contínua  Não inverte o seu sentido de circulação
Alternada  Inversão periódica do sentido de circulação
Corrente elétrica (I) – Cont.
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A intensidade da corrente elétrica é medida em Ampere (A)
Alternada
Contínua
Definição
Oposição que os materiais oferecem à passagem da corrente elétrica (elétrons) quando submetidos a d.d.p.
Efeito Joule
A passagem de corrente elétrica implica na colisão dos elétrons com os átomos fazendo-os vibrar e aumentar a sua agitação, provocando um aquecimento térmico
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Resistência elétrica (R)
A unidade de resistência elétrica é o Ohm (Ω)
Elementos que consomem energia elétrica e a convertem integralmente em energia térmica (efeito Joule)
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Resistência elét. (R) – Cont.
Lâmpada incandescente
Ferro de passar
Chapinha de cabelo
Chuveiro elétrico
Formado por corpo cilíndrico de cerâmica no qual é depositada uma camada de material resistivo
Utilizado para limitar corrente elétrica e, consequentemente, reduzir ou dividir tensões
Tipos de resistores
Fixos: filme de carbono, filme metálico, de fio e resistor para montagem em superfície (SMR)
Ajustáveis: Potenciômetro, reostato (potências elevadas)
 
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Resistor
Resistência ajustável
Resistência fixa
Especificado em função da resistência(Ω) e potência(W)
Ω  grau de oposição à circulação de corrente
W  máxima dissipação de calor (efeito Joule), suportada
Simbologia adotada
 
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Resistor – Cont.
Resistência ajustável
Resistência fixa
Definição
Energia elétrica consumida ou produzida na unidade de tempo
Caracterização
Um aparelho elétrico é caracterizado pela sua potência, que é função da tensão (nos bornes) e da intensidade da corrente elétrica (que por ele passa)
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Potência elétrica (W)
Produção
Consumo
Selo Procel
Potência ativa
Tem como unidade o Watt (W)
Potência reativa 
Tem como unidade o volt-ampere reativo (VAr)
Ex.: transformador, reator
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Potência elétrica (W) – Cont.
Mecânica
Térmica
Luminosa
Transformador
Reator
Caminho percorrido pela corrente elétrica
A corrente elétrica circula no sistema: parte da fonte geradora, atravessa o receptor e chega na fonte geradora
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Circuito elétrico
A lâmpada emite luz quando a corrente elétrica atravessa o seu filamento
Função de cada componente
Fonte geradora: componente que gera a energia elétrica
Receptor: utiliza corrente elétrica p/ produzir luz, força, etc
Condutor: conduz corrente elétrica da fonte ao receptor
Chave/interruptor: componente que abre e fecha o circuito
 
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Circuito elétrico – Cont.
Esquema e representação de um circuito elétrico
i
Tensão elétrica (V)
Força que impulsiona os elétrons livres
Corrente elétrica (i)
Fluxo de elétrons livres em movimento ordenado
Resistência elétrica (R)
Oposição a passagem de corrente elétrica
Potência elétrica (W)
Energia elétrica consumida ou produzida no tempo
Circuito elétrico
Caminho percorrido pela corrente elétrica
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Lembrar que...
Tipos de materiais
Introdução aos circuitos elétricos
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Descrição
Os materiais oferecem maior ou menor oposição a passagem da corrente elétrica dependendo da substância que foi feito
Elétrons livre, rodízio desordenado
Elétrons em órbitas mais afastadas sofrem pouca atração do núcleo e tem facilidade de deslocamento entre átomos
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Condutores e isolantes
Condutores
Materiais que oferecem pouca oposição a passagem de corrente elétrica
ex.: prata, cobre, ferro, ouro, etc
Isolantes
Materiais que praticamente não permitem a passagem de corrente elétrica
ex.: vidro, borracha, cerâmica, plástico, etc
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Condutores e isolantes – Cont.
Elétrons livre são numerosos nos materiais condutores e praticamente inexistente nos materiais isolantes
Definição
Um material é semicondutor se sua resistência se encontra entre a dos condutores e a dos isolantes
Possuem 4 elétrons na última camada (valência)
Permite a formação de ligações covalentes entre si
Cristais semicondutores
Uma substância é cristalina se possui uma estrutura cúbica, tendo seus átomos ocupando os vértices desse cubo
 
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Semicondutores
Silício (Si) e Germânio (Ge) são os principais semicondutores cristalinos tetravalentes
Ligações covalentes
Cada átomo de silício se une a outros quatro átomos vizinhos por meio de ligações covalentes
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Semicondutores – Cont.
Átomos de silício adjacentes compartilham dois elétrons
O silício é um mineral abundante, só perdendo para o oxigênio!
Processo utilizado para construir elementos N e P, através da mistura de quantidades reduzidas de impurezas de elementos trivalentes ou penta-valentes
N: material semicondutor com excesso de elétrons livres
P: material semicondutor com excesso de lacunas
 
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Dopagem do semicondutor
O aceitador Boro (B), trivalente, deixa lacuna
O doador Fósforo (P), penta-valente, deixa elétron livre
Semicondutor Tipo P
Semicondutor Tipo N
Trivalente: gálio, índio
Penta-valente: antimônio, arsênio
Os portadores de carga (majoritários) nos semicondutores tipo N são os elétrons e no tipo P são as lacunas
O elétron tende a deixar sua posição para ocupar a lacuna
 
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Movimento dos elétrons e lacunas
Submetido a uma d.d.p. os elétrons e as lacunas se movem em sentido contrário
Por convenção, o movimento da lacuna foi estabelecido como sentido da corrente
Junção PN ou diodo
União do material P ao material N, formando único cristal 
Depleção é diminuição/ausência de portadores majoritários (elétrons ou lacunas)
Campo elétrico entre P e N, uma d.d.p., barreira de potencial
 
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Camada de depleção
Junção PN não polarizada