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Eletrônica I Périson Pavei Uggioni Eletrotécnica 8 Périson Pavei Uggioni Eletrônica I Criciúma Eletrotécnica 10 SATC — Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina Presidente de Honra Ruy Hülse Diretor Executivo Fernando Luiz Zancan Diretor Administrativo Financeiro Marcio Zanuz Diretor Carlos Antônio Ferreira Coordenação Geral da Faculdade Jovani Castelan Coordenação do Colégio SATC Izes Ester Machado Belolli Coordenação do Centro Tecnológico SATC Luciano Dagostin Biléssimo Secretária Acadêmica Hilda Maria Furlan Ghisi Cruz Pesquisadora Institucional Kelli Savi da Silva Coordenador EaD Jaqueline Marcos Garcia de Godoi Coordenador do Curso Gilberto Fernandes da Silva Produção do Material Didático Equipe EaD SUMÁRIO APRESENTAÇÃO .................................................................................................... 05 UNIDADE 1: A ELETRÔNICA E SUAS APLICAÇÕES ........................................... 07 TÓPICO 1: DEFINIÇÃO DE ELETRÔNICA .............................................................. 08 TÓPICO 2: HISTÓRICO E DESENVOLVIMENTO DA ELETRÔNICA ..................... 09 TÓPICO 3: CAMPOS DE APLICAÇÃO DA ELETRÔNICA ..................................... 13 EXERCÍCIOS ............................................................................................................ 16 CHECK LIST ............................................................................................................. 18 UNIDADE 2: RESISTORES ...................................................................................... 19 TÓPICO 1: DEFINIÇÃO DE RESISTOR ................................................................... 20 TÓPICO 2: TIPOS DE RESISTORES ....................................................................... 21 TÓPICO 3: ESPECIFICAÇÃO DE RESISTORES .................................................... 27 TÓPICO 4: CÓDIGOS UTILIZADOS PELOS FABRICANTES ................................. 31 EXERCÍCIOS ............................................................................................................ 34 CHECK LIST ............................................................................................................. 36 UNIDADE 3: CAPACITORES ................................................................................... 43 TÓPICO 1: DEFINIÇÃO DE CAPACITOR ................................................................ 44 TÓPICO 2: ESPECIFICAÇÃO DE CAPACITORES ................................................. 52 TÓPICO 3: TIPOS DE CAPACITORES .................................................................... 55 TÓPICO 4: CÓDIGOS UTILIZADOS PELOS FABRICANTES ................................. 59 EXERCÍCIOS ............................................................................................................ 64 CHECK LIST ............................................................................................................. 66 UNIDADE 4: DIODOS SEMICONDUTORES ............................................................ 67 TÓPICO 1: MATERIAIS SEMICONDUTORES ........................................................ 68 TÓPICO 2: DEFINIÇÃO DE DIODO ......................................................................... 73 TÓPICO 3: TIPOS DE DIODOS ................................................................................ 79 TÓPICO 4: ESPECIFICAÇÃO E TESTE DE DIODOS ............................................. 82 EXERCÍCIOS ............................................................................................................ 86 CHECK LIST ............................................................................................................. 88 12 GABARITO COMENTADO ...................................................................................... 89 REFERÊNCIAS ........................................................................................................ 96 5 APRESENTAÇÃO Bem-vindo(a) ao componente curricular Eletrônica I do curso de Eletrotécnica, na modalidade a distância, da SATC. Este material foi desenvolvido para ajudá-lo a identificar os principais componentes utilizados em Eletrônica, entender seu funcionamento e aplicação nos circuitos eletrônicos. Na Unidade 1 aprenderemos como a Eletrônica se desenvolveu, poderemos constatar o quão presente e importante é a sua utilização nos dias atuais, nas mais diversas aplicações, além de relacionarmos algumas tendências futuras. Na Unidade 2 veremos o componente eletrônico resistor, seu funcionamento, onde é aplicado e como deve ser corretamente especificado. Já na Unidade 3 temos um novo componente eletrônico, denominado capacitor. Também será analisado seu funcionamento, aplicação e especificação. E por fim, na Unidade 4, trabalharemos com os diodos, componentes de grande aplicação em eletrônica, de circuitos simples chegando a circuitos de maior complexidade. Lembro ainda que você precisará dos conceitos de eletricidade já estudados anteriormente, utilização de instrumentos e técnicas de medição elétrica, etc. Caso julgue necessário, procure rever esses conceitos. A carga horária dessa disciplina é de 50 horas/aula, mas você poderá organizar seus momentos de estudos com autonomia, conforme os horários de sua preferência. No entanto, não esqueça que há um prazo limite para a conclusão desse processo. Então fique atento as datas para realizar as avaliações presenciais, as on- line, publicadas pelos professores no Ambiente Virtual de Aprendizagem (AVA), e possíveis trabalhos solicitados pelo professor. Para o estudo dessa apostila você terá auxílio de alguns recursos pedagógicos que facilitarão o seu processo de aprendizagem. Perceba que a margem externa das páginas dos conteúdos são maiores. Elas servem tanto para você fazer anotações durante os seus estudos quanto para o professor incluir informações adicionais importantes. Esse material também dispõe de vários ícones de aprendizagem, os quais destacarão informações relevantes sobre os assuntos que você está estudando. Vejamos quais são eles e os seus respectivos significados: 6 ÍCONES DE APRENDIZAGEM Indica a proposta de aprendizagem para cada unidade da apostila. Mostra quais conteúdos serão estudados em cada unidade da apostila. Apresenta exercícios sobre cada unidade. Apresenta os conteúdos mais relevantes que você deve ter aprendido em cada unidade. Se houver alguma dúvida sobre algum deles, você deve estudar mais antes de entrar nas outras unidades. Apresenta a fonte de pesquisa das figuras e as citações presentes na apostila. Traz perguntas que auxiliam você na reflexão sobre os conteúdos e no sequenciamento dos mesmos. Apresenta curiosidades e informações complementares sobre um conteúdo. Traz endereços da internet ou indicações de livros que possam complementar o seu estudo sobre os conteúdos. Lembre-se também de diariamente verificar se há publicações de aulas no Portal. Pois é por meio delas que os professores passarão a você todas as orientações sobre a disciplina. Ainda é bom lembrar que além do auxílio do professor, você também poderá contar com o acompanhamento de nosso sistema de Tutoria. Você poderá entrar em contato sempre que sentir necessidade, seja pelo email tutoria.ead@satc.edu.br ou pelo telefone (48) 3431 – 7590/ 3431 – 7596. Desejamos um bom desempenho nesse seu novo desafio. E não esqueça: estudar a distância exige bastante organização, empenho e disciplina. Bom estudo!7 UNIDADE 1 A ELETRÔNICA E SUAS APLICAÇÕES Objetivos de Aprendizagem Ao final desta unidade você deverá: explicar o que é Eletrônica; explicar como ela surgiu e como se desenvolveu; relacionar algumas de suas aplicações atuais; identificar as perspectivas futuras desta ciência. Plano de Estudos Esta unidade está dividida em três tópicos, organizados de modo a facilitar sua compreensão dos conteúdos. TÓPICO 1: DEFINIÇÃO DE ELETRÔNICA TÓPICO 2: HISTÓRICO E DESENVOLVIMENTO DA ELETRÔNICA TÓPICO 3: CAMPOS DE APLICAÇÃO DA ELETRÔNICA 8 TÓPICO 1 DEFINIÇÃO DE ELETRÔNICA No dia a dia, falamos ou ouvimos diversas palavras. Muitas delas estão relacionadas com a palavra “eletrônica”. Vejamos alguns exemplos: secretária eletrônica, portão eletrônico, babá eletrônica, reator eletrônico, certidão eletrônica, técnico em eletrônica, balança eletrônica, etc. A palavra “eletrônica”, assim como “eletricidade”, deriva da palavra grega Elektron, “âmbar”. Como esta substância, quando esfregada, produz eletricidade estática, seu nome foi aplicado aos fenômenos elétricos por meio do latim científico Electricus, “o que lembra o âmbar”. De acordo com Ferreira (2011), Eletrônica é a parte da física dedicada ao estudo do comportamento de circuitos elétricos que contenham válvulas, semicondutores, transdutores, etc., ou a fabricação de tais circuitos. Perceba, então, que a Eletrônica faz uso de certos dispositivos e componentes eletrônicos que, associados entre si de forma adequada, formam os circuitos eletrônicos. Estes circuitos são encontrados em diversos equipamentos e aparelhos, seja em nossas residências, no local de trabalho, nos meios de transporte, nos meios de comunicação, etc., como veremos com mais detalhes adiante. O estudo do funcionamento desses circuitos, assim como as técnicas de montagem e manutenção dos mesmos são Mas você sabe qual é a origem da palavra “eletrônica”? A origem da palavra “eletrônica” foi pesquisada no site: http://origemdapalavra. com.br/site/palavras/ele tronica/ 9 competências dos técnicos e engenheiros das áreas de eletrotécnica, eletrônica e informática. TÓPICO 2 HISTÓRICO E DESENVOLVIMENTO DA ELETRÔNICA O desenvolvimento da Eletrônica está intimamente relacionado com o desenvolvimento da eletricidade. As pessoas que contribuíram com as pesquisas durante os estágios iniciais não eram técnicos ou engenheiros como nos dias atuais. Eram matemáticos, químicos, físicos e até filósofos. Certamente que sim, você já conhece alguns deles desde o início do seu curso. Podemos citar alguns: Alessandro Volta, Charles Coulomb, André Ampère, Georg Ohm, James Watt e muitos outros. Graças ao trabalho e as pesquisas destes cientistas, no final do século XIX, um número significativo de equações, leis e ralações havia sido estabelecido, formando uma teoria fundamental para o avanço e desenvolvimento de diversas tecnologias nos campos da eletricidade e da eletrônica. O princípio exato da era da Eletrônica é uma questão em aberto. Talvez possa ser associado ao início da transmissão de ondas de rádio, em 1887, por Heinrich Hertz. O desenvolvimento do diodo em 1904 e da válvula triodo (capaz de amplificar sinais elétricos) em 1906 possibilitaram o aperfeiçoamento dos transmissores e receptores de rádio, na década de 30 dos transmissores e receptores de sinais de TV, da telefonia, dos computadores, etc. Você conhece o nome e a história de algum destes cientistas? Estudaremos o componente eletrônico diodo mais adiante em nosso componente curricular. Para conhecer um pouco mais sobre a biografia dos grandes cientistas que contribuíram para o desenvolvimento da eletricidade e da eletrônica acesse o endereço: www.dec.ufcg.edu.br/bi ografias Este tópico foi baseado no livro Análise de Circuitos Elétricos de Robert L. Boylestad. 10 veja na figura abaixo uma válvula triodo. Perceba que é possível ter uma noção da dimensão deste dispositivo eletrônico. Segundo Boylestad (2011), o primeiro computador totalmente eletrônico era conhecido como ENIAC, sendo dedicado a Universidade da Pensilvânia em 1946. Ele continha 18 mil válvulas e pesava 30 toneladas. A Era do Transistor Em 1947, os físicos William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain, dos laboratórios Bell Telephones (EUA), apresentaram um novo componente denominado transistor. Era um componente construído a partir de materiais semicondutores (silício e germânio). Exatamente, pois apresentava uma série de vantagens em relação ao seu antecessor. Vejamos algumas: A figura ao lado foi retirada do site: http://www.laercio.com. br/2003-introducao-a- organizacao-de- computadores/ A sigla ENIAC é uma abreviação das palavras inglesas Electronic Numerical Integrator and Computer, que significa Computador e Integrador Numérico Eletrônico. O transistor foi desenvolvido para substituir as válvulas? Materiais semicon- dutores apresentam condutividade elétrica intermediária situada entre os condutores e isolantes. 11 menor tamanho; não precisava de filamento; mais resistente; mais eficiente, pois dissipava menos potência; menores tensões de alimentação. veja na figura abaixo alguns transistores. Perceba que é possível ter uma noção da dimensão desse dispositivo eletrônico. Com todas essas vantagens, os transistores revolucionaram a tecnologia eletrônica, permitindo o desenvolvimento das telecomunicações, da computação, etc. Posteriormente, em 1958, foram desenvolvidos os primeiros chips eletrônicos, conhecidos também como circuitos integrados (CI). Estes componentes possibilitaram que as placas eletrônicas (onde são montados os circuitos eletrônicos) diminuíssem consideravelmente de tamanho e, consequentemente, os aparelhos e equipamentos eletrônicos também. veja na figura abaixo um circuito integrado. Perceba que é possível ter uma noção da dimensão desse dispositivo eletrônico. Na 4ª fase do curso de Eletrotécnica, na disciplina de Eletrônica II, você irá se aprofundar no estudo dos transistores. A figura ao lado foi retirada do site: http://www.laercio.com. br/2003-introducao-a- organizacao-de- computadores/ O termo Circuito Integrado refere-se a um circuito eletrônico em miniatura encapsulado em um invólucro de plástico ou metal. 12 Em 1971, foi apresentado um novo componente eletrônico denominado microprocessador. Estes dispositivos são capazes de processar um conjunto de informações conforme um programa (instruções) armazenado em uma memória. São encontrados nos mais diversos aparelhos e equipamentos eletrônicos, como computadores, notebooks, televisores, telefones celulares, tablets, etc. Atualmente, um microprocessador possui centenas de milhões de transistores internamente, encapsulados em uma pastilha de 25 mm². Como esses componentes apresentam um tamanho muito pequeno (nanômetros), resultou na terminologia nanotecnologia, que se refere à produção de circuitos integrados chamados nanochips. abaixo temos a figura do primeiro processador (a esquerda) e de um processador atual (a direita): A figura ao lado foi retirada do site: http://br.freepik.com/fot os-gratis/circuito- integrado_532462.htm O modelo INTEL 4004 foi o microprocessador pioneiro lançado em 1971, para ser utilizado em uma calculadora. Ele tinha 2300 transistores e realizava 60.000 operações por segundo. Fonte: http://www.infopedia.pt/$ microprocessador As figuras ao lado foram retiradas respectivamente dos sites: http://infomicroprocessa dores.blogspot.com.br/ 2010/11/o- microprocessador- cpu.html http://esct12l.wordpress .com/2012/01/02/modul o-9-arquitetura-de- microprocessadores/ Para conhecerum pouco mais sobre a história e o desenvolvimento da eletrônica, acesse os endereços: http://www.sitedecuriosi dades.com/curiosidade/ a-origem-da- eletronica.html e http://www.newtoncbrag a.com.br/index.php/elet ronica/61-historia-da- eletronica/3760-hist002 http://www.sitedecuriosidades.com/curiosidade/a-origem-da-eletronica.html http://www.sitedecuriosidades.com/curiosidade/a-origem-da-eletronica.html http://www.sitedecuriosidades.com/curiosidade/a-origem-da-eletronica.html http://www.sitedecuriosidades.com/curiosidade/a-origem-da-eletronica.html 13 TÓPICO 3 CAMPOS DE APLICAÇÃO DA ELETRÔNICA Olhe a sua volta! Se você estiver em sua residência provavelmente perto de você irá encontrar algum dispositivo, equipamento ou aparelho que funcione graças à eletrônica. Os receptores de TV e rádio, o computador, o forno de micro-ondas, o aparelho de CD e DVD, a impressora, a máquina de lavar roupas, etc., são alguns exemplos. Todos esses aparelhos e muitos outros que encontramos nas residências nos trouxeram conforto e diversão, facilitando nossas tarefas e comunicação. veja abaixo a figura de uma placa eletrônica de computador (placa mãe): Vejamos mais alguns exemplos: meios de transporte (automóveis, caminhões, ônibus, aviões, etc.): na injeção eletrônica de combustível, sistemas de som e alarme, Além dos aparelhos eletrônicos que temos em casa, onde mais se aplica à eletrônica? A figura ao lado foi retirada do site: http://adrenaline.uol.co m.br/forum/hardwares- em-geral/347381-dica- quando-vale-pena- trocar-placa-mae-do- computador.html Este tópico foi escrito com base em pesquisa feita no endereço: pt.wikipedia.org/wiki/Lis ta_de_tecnologias_eme rgentes 14 computadores de bordo, sistemas GPS, circuitos eletrônicos de carga de baterias, etc.; controle de tráfego: semáforos, radares, lombadas eletrônicas; meios de comunicação: telefones celulares, telefones convencionais, aparelhos receptores de sinais de satélite, etc.; medicina: equipamentos de raios X, ultra som, eletrocardiograma, tomografia, etc.; informática: computadores, centrais de banco de dados, modems, roteadores, etc.; agricultura e pecuária: dosadores, comedouros, ordenhadeiras, irrigadores, controladores de umidade e temperatura, estufas, etc.; comercial e bancário: leitores de códigos de barra, caixas eletrônicos, balanças eletrônicas, máquinas de cartão de crédito, etc.; indústria: supervisão, controle e acionamento de motores, válvulas, indicadores luminosos e sonoros nas máquinas e processos, etc. veja abaixo a figura de uma placa eletrônica (fonte CA/CC) utilizada em uma máquina industrial: A sigla GPS é uma abreviação das palavras inglesas Global Positioning System que significam Sistema de Posicionamento Global. Este sistema possibilita ao receptor identificar seu posicionamento global baseado nas informações recebidas por satélites. A figura ao lado foi retirada no endereço: http://www.nabucoeletr onica.com.br/images/ps u2.jpg 15 A Eletrônica do Século XXI Se olharmos com cuidado a história da evolução humana, veremos que nada se compara ao progresso conquistado desde o século XIX até os dias atuais. Éramos trabalhadores que cultivavam a terra, utilizando a própria força de trabalho e de alguns animais. Nas pequenas cidades os artesãos (ferreiros, carpinteiros, ceramistas, etc.) produziam alguns objetos e ferramentas. As pessoas se comunicavam de forma rudimentar e lentamente. Atualmente, encontramos linhas de produção totalmente automatizadas por robôs, podemos nos comunicar a milhares de quilômetros de distância quase que instantaneamente, etc. O século XXI será marcado pelo consumo de produtos eletrônicos compactos e inteligentes, integrados ao cotidiano das pessoas, todos conectados entre si através de redes de comunicação sem fio. Esses produtos irão possibilitar uma revolução em nossa forma de se comunicar (redes sociais, mídias digitais), estudar e trabalhar (em casa, à distância, através teleconferências), de interagir com o meio ambiente (energias sustentáveis, baixo consumo de energia), de se locomover (meios de transporte movidos a eletricidade, biocombustíveis), de se divertir (jogos interativos, imagens em 3D), que aumentem o bem estar social e segurança, etc. Qual será nossa relação com a Eletrônica nos próximos anos? Para saber um pouco mais sobre como a Eletrônica influenciará nosso cotidiano no século XXI, leia um artigo sobre o tema no endereço: http://www.tecmundo.co m.br/futuro/47100-7- previsoes-tecnologicas- para-os-proximos-100- anos.htm Para conhecer algumas novidades na área tecnológica, acesse o endereço: http://www.inovacaotec nologica.com.br 16 EXERCÍCIOS 1. Explique a que se destina a área da física denominada Eletrônica? Cite também quais profissionais estão aptos a projetar, produzir e fazer manutenção em aplicações desta área? _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ 2. Explique qual a relação existente entre as áreas de eletricidade e eletrônica. _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ 3. Preencha os espaços em branco na frase com as alternativas abaixo. transistor - rádio e TV - circuito integrado - válvula eletrônica - computador A partir do desenvolvimento de um componente conhecido como _______________ em 1906, foi possível amplificar sinais e desenvolver comercialmente aparelhos eletroeletrônicos como o _______________. Em 1947, foi apresentado um novo componente, denominado _______________, que apresentava inúmeras vantagens em relação ao seu antecessor, como menor consumo de energia e não precisava de filamento. Com o desenvolvimento do _______________, os circuitos eletrônicos diminuíram consideravelmente de tamanho, permitindo o avanço 17 da eletrônica digital, base de funcionamento do _______________. 4. Explique o que significa a expressão “nanotecnologia”. _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ 5. Procure descobrir qual a marca e o modelo do microprocessador utilizado na placa mãe do seu computador, em seguida faça uma pesquisa na internet sobre o mesmo listando algumas de suas características, como: quantidade de transistores utilizados internamente, frequência de trabalho, dimensões, etc. _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ 6. Ao realizar a manutenção em uma placa eletrônica, um técnico deve evitar “tocar” diretamente nos componentes do circuito, sendo também utilizada uma pulseira conforme foto abaixo. Faça uma pesquisa na internet para saber qual a razão desse procedimentos. A figura ao lado foi retirada no endereço: http://jutairf3.blogspot.c om.br/2011/03 18 CHECK LIST Nessa unidade você pode: aprender sobre a evolução da Eletrônica e seu desenvolvimento tecnológico, identificando também diversos campos de aplicação prática para essa área da física; saber porque é importante que um técnico em Eletrotécnica tenha conhecimento também nesta área, além de conhecer as tendências e aplicações da mesma em um período futuro. 19 UNIDADE 2 RESISTORES Objetivos de Aprendizagem Ao final desta unidade você deverá: explicar como funciona o componenteeletrônico resistor; especificar corretamente um resistor; relacionar algumas de suas aplicações; identificar sua simbologia e diferentes modelos comerciais. Plano de Estudos Esta unidade está dividida em quatro tópicos, organizados de modo a facilitar sua compreensão dos conteúdos. TÓPICO 1: DEFINIÇÃO DE RESISTOR TÓPICO 2: TIPOS DE RESISTORES TÓPICO 3: ESPECIFICAÇÃO DE RESISTORES TÓPICO 4: CÓDIGOS UTILIZADOS PELOS FABRICANTES 20 TÓPICO 1 DEFINIÇÃO DE RESISTOR Utilizamos diversos eletrodomésticos ou eletroeletrônicos com as mais diversas funções ao longo de um dia de trabalho, descanso ou lazer. Sabemos que esses equipamentos necessitam estar conectados a uma fonte de tensão (rede elétrica, bateria, pilhas) que irá fornecer corrente elétrica aos circuitos eletroeletrônicos para que estes possam funcionar perfeitamente. Esses circuitos se diferenciam pelo tipo de corrente elétrica utilizada (CA ou CC), quantidade de componentes e dispositivos utilizados, etc., porém, geralmente, apresentam um componente em comum: os resistores. Perceba que a palavra resistor lembra um termo que você já estudou no seu curso, a resistência elétrica. Já sabemos que a resistência elétrica é uma grandeza que representa a oposição ao movimento dos elétrons, ou seja, a resistência elétrica representa a dificuldade que os elétrons encontram para se movimentarem através do condutor. Quanto maior a mobilidade dos elétrons, menor a resistência elétrica do condutor. Todo corpo ou dispositivo apresenta certo valor de resistência elétrica, que depende do seu material, dimensões, etc. Já os resistores são componentes que têm a função de acrescentar um valor específico de resistência ôhmica aos circuitos eletroeletrônicos, limitando o valor da corrente elétrica no ponto onde estão instalados. Mas qual é a relação entre “resistência elétrica” e “resistor”? Este tópico foi baseado no livro Eletrônica: para autodidatas, estudantes e técnicos de Gabriel Torres. 21 Os resistores são encontrados nos mais diferentes tipos e formatos, com finalidades diferentes. Assim, nos circuitos eletrônicos são geralmente utilizados para limitar a corrente e proporcionar queda de tensão. Já em alguns eletrodomésticos, são utilizados para transformar energia elétrica em energia térmica. Isso ocorre, por exemplo, em ferros de passar roupas, chuveiros, torneiras elétricas, lâmpadas incandescentes, etc. Para que se possa representar um circuito eletroeletrônico por meio de um desenho (esquema), cada componente ou dispositivo recebe um símbolo próprio. veja na figura abaixo a simbologia utilizada para representar os resistores. TÓPICO 2 TIPOS DE RESISTORES Em eletrônica, podemos classificar os resistores em: fixos: apresentam resistência ôhmica nominal que não se altera*; variáveis: apresentam resistência ôhmica que pode ser ajustada entre um valor mínimo e máximo; especiais: apresentam resistência ôhmica que varia em função de uma grandeza física que atua sobre ele (luz, calor, etc.). * A resistência ôhmica de um resistor pode sofrer pequenas variações em função da temperatura. A figura ao lado foi elaborada pelo autor. 22 Resistores fixos Estes resistores, por apresentarem resistência elétrica que não se altera, são utilizados geralmente nos circuitos eletrônicos onde a corrente elétrica deve permanecer constante ao longo do tempo. na figura abaixo temos um resistor fixo sendo utilizado para limitar a corrente e a tensão elétrica no LED: Os resistores fixos, quanto à forma construtiva podem ser classificados em: carvão: são os mais antigos e geralmente mais baratos. Neles, os grãos de carvão são misturados com um material de preenchimento e inseridos em um envoltório tubular; filme de carbono e filme metálico: o valor da resistência elétrica é obtido mediante a formação de um sulco no filme, produzindo uma fita espiralada cuja largura e espessura define o valor da sua resistência; A sigla LED significa Light Emitting Diode ou diodo emissor de luz. Estudaremos o componente eletrônico diodo na unidade IV. A figura ao lado foi retirada no endereço: http://www.limetrace.co. uk/commonly-asked- LED-questions e adaptada pelo autor. Este tópico foi baseado em artigos de Newton C. Braga disponíveis no endereço: www.newtoncbraga.co m.br http://www.limetrace.co.uk/commonly-asked-LED-questions%20e http://www.limetrace.co.uk/commonly-asked-LED-questions%20e http://www.limetrace.co.uk/commonly-asked-LED-questions%20e 23 fio: consiste de um tubo cerâmico que serve de suporte a um fio condutor de alta resistividade enrolado (níquel-cromo) sobre esse tubo. O valor da resistência elétrica depende da secção do fio e do número de voltas ao redor do tubo cerâmico. na figura abaixo temos resistores fixos: filme de carbono, filme metálico e fio respectivamente. A figura ao lado foi retirada no endereço: http://www.eletronicadid atica.com.br/component es/resistor/resistor.htm 24 Resistores Variáveis Estes resistores possuem um eixo móvel que permite variar a resistência desde um valor mínimo até um valor máximo definido pelo fabricante. São conhecidos como potenciômetros e trimpots. Esses resistores apresentam três terminais, sendo que os dois terminais externos determinam a resistência máxima e o terminal central, que está interligado ao cursor, permite que se consiga alterar a resistência em relação a um dos terminais externos. a figura abaixo mostra alguns exemplos de potenciômetros e trimpots: Estes resistores, por apresentarem resistência elétrica variável, são utilizados geralmente nos circuitos eletrônicos onde se deseje ajustar a corrente elétrica ao longo do tempo. Onde são utilizados os potenciômetros e os trimpots? A figura ao lado foi retirada no endereço: http://construyasuvideor ockola.com/curso_03.p hp A palavra trimpot é uma abreviação de trimmer potentiometer, que significa potenciômetro de pequenas dimensões. 25 Os potenciômetros são usados geralmente nos eletroeletrônicos onde o usuário do equipamento tenha acesso. Desta forma, quando você controla a velocidade de um ventilador, regula a temperatura de um chuveiro eletrônico, ajusta o volume de um rádio a pilha, está manuseando um potenciômetro que, por sua vez, esta alterando a resistência elétrica de uma etapa do circuito. Já em circuitos eletrônicos internos aos equipamentos, por exemplo, nas placas eletrônicas de um televisor, de um aparelho de som, de uma central de alarme, utilizam-se os trimpots que possuem tamanho menor e são mais precisos que os potenciômetros. Dessa forma, somente um técnico especializado poderá alterar o valor da resistência elétrica pré-ajustada pelo fabricante do equipamento. Resistores Especiais São resistores que possuem aplicações especiais, como controle de temperatura, acionamento de luzes, proteção de circuitos e equipamentos, etc. Podemos destacar: LDR (Light Dependent Resistor ou resistor dependente da luz): são também conhecidos como fotoresistores e o valor da sua resistência ôhmica altera em função da intensidade de luz que incide sobre ele. Esses resistores diminuem a resistência com o aumento da quantidade de luz sobre os mesmos. Encontramos hoje no mercado LDRs sensíveis à luz visível, luz infravermelha e ultravioleta. São utilizados como sensores de luminosidade em fotocélulas, sistemas de alarme, etc.; Os LDRs são fabricados à base de sulfeto de cádmio, um material semicondutor que o torna extremamente sensível às radiações luminosas. Para saber um pouco mais sobre os resistores variáveis leia um artigo sobre o tema no endereço: http://www.newtoncbrag a.com.br/index.php/como-funciona/3379-art472 26 a figura abaixo mostra um resistor LDR e exemplo de aplicação prática para o mesmo (fotocélula): Varistor (resistor dependente da tensão): este tipo de resistor varia a resistência em função da tensão aplicada sobre seus terminais. A resistência diminui com o aumento da tensão, o que permite que ele seja utilizado em circuitos de proteção das fontes eletrônicas, eliminando sobretensões que possam danificar os equipamentos eletroeletrônicos; a figura abaixo mostra um exemplo de varistor e sua utilização em uma fonte eletrônica: Termistores: são resistores que alteram a resistência em função da temperatura. Segundo CRUZ (2008), o termistor NTC aumenta a resistência quando a temperatura diminui. Já o termistor PTC As figuras ao lado foram retiradas no endereço: http://go- radio.ru/varistor.html A sigla NTC é uma abreviação de Negative Temperature Coefficient e significa coeficiente de temperatura positivo. A sigla PTC é uma abreviação de Positive Temperature Coefficient e significa coeficiente de temperatura positivo. As figuras ao lado foram retiradas nos endereços: http://www.evelta.com/in dustrial- control/sensors/ldr-5mm http://www.ferragemigor. com.br/rele-fotoeletrico- trifacil-127v-prod- 5652.html http://www.evelta.com/industrial-control/sensors/ldr-5mm http://www.evelta.com/industrial-control/sensors/ldr-5mm http://www.evelta.com/industrial-control/sensors/ldr-5mm 27 aumenta sua resistência quando a temperatura aumenta. São utilizados como sensores para controle de temperatura em diversas aplicações (automóveis, equipamentos industriais, motores elétricos, etc.). a figura abaixo mostra exemplos de termistores PTC e NTC e sua aplicação no estator (bobina) de um motor elétrico: TÓPICO 3 ESPECIFICAÇÃO DE RESISTORES Para a correta escolha de um resistor que será utilizado em um circuito eletrônico devemos especificar três características técnicas utilizadas pelos fabricantes de componentes eletrônicos, que são: resistência ôhmica, tolerância do valor nominal e potencia de dissipação máxima. Resistência Ôhmica É a característica que determina o valor da resistência nominal do componente, é representado pela letra R e tem como unidade o OHM (). Os resistores são fabricados com valores A figura ao lado foi retirada nos endereços: http://www.mixtronica.c om/326-electronica- componentes- electronicos- resistencias http://www.ebah.com.br /content/ABAAAfmRoA K/motores-eletricos- guia-especificacao- weg?part=11 Faça uma pesquisa e tente descobrir qual a simbologia utilizada para representar em um esquema eletro/eletrônico os resistores especiais. Este tópico foi baseado no livro Circuitos Elétricos de Otávio Markus. 28 nominais normalizados entre 1 e 10, conforme mostra a tabela abaixo: Série E24 1.0 1.1 1.2 1.3 1.5 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.7 3.0 3.3 3.6 3.9 4.3 4.7 5.1 5.6 6.2 6.8 7.5 8.2 9.1 Assim, para encontrar um valor comercial para um determinado resistor, basta multiplicar qualquer valor da tabela por submultiplos ou multiplos de 10. comercialmente, encontramos o resistor de 100 ? Sim, porque na tabela temos 1.0 que multiplicado por 100 (múltiplo de 10) é igual a 100 . comercialmente, encontramos o resistor de 560 k? Sim, porque na tabela temos 5.6 que multiplicado por 100000 (múltiplo de 10) é igual a 560000 ou 560 k. comercialmente, encontramos o resistor de 0,36 ? Sim, porque na tabela temos 3.6 que multiplicado por 0,1 (submúltiplo de 10) é igual a 0,36 . Tolerância do Valor Nominal Nos resistores podemos encontrar diferença entre o valor nominal e o valor real de resistência elétrica. Assim, a 29 tolerância é o limite, em percentual, que pode variar (para cima ou para baixo) o valor da resistência real de um resistor em relação à resistência nominal. Os valores de tolerância comerciais podem variar entre ± 0,05% a ± 20%. um técnico utiliza um ohmímetro para medir um resistor de valor nominal 470 Ω ± 5%, conforme figura abaixo. Qual valor deverá indicar o instrumento para que esse resistor seja considerado bom para uso? 5% de 470 Ω equivale a uma tolerância de ± 23,5 Ω. Logo, o resistor estará bom se o resultado indicado apresentar qualquer valor compreendido entre 446,5 a 493,5 Ω. Potência de Dissipação Máxima Na escolha de um resistor é necessário levar em consideração a máxima potência que ele pode dissipar em forma de calor, pois é desta característica que depende a integridade física do mesmo. Podemos encontrar resistores com potência que pode variar de fração de watt até centenas de watt. Esta característica é definida pelo tamanho físico do resistor. A figura ao lado foi retirada no endereço: http://www.profelectro.i nfo/curso-basico-de- electronica-pratica- capitulo-4-multimetro/ 30 Encontramos valores comerciais de 1/16 - 1/8 - 1/4 - 1/2 - 1 - 2 W e assim sucessivamente. em uma máquina industrial deseja-se utilizar LEDs para indicar o estado (acionado/desacionado) dos motores elétricos, conforme placa abaixo. Dimensionar os resistores, considerando tensão de saída 12 V, tensão LED 2 V e corrente desejada de 10 mA. Concluímos, então, que os resistores devem apresentar resistência nominal de 1 kΩ, tolerância de ± 5% e potência nominal de 1/8 W. A figura ao lado foi retirada no endereço: http://eletronicaanalogic a1.blogspot.com.br/201 3/02/aula-011-resistor- de-carbono.html A figura ao lado foi retirada no endereço: http://pt.dreamstime.co m/fotos-de-stock- royalty-free-resistores- e-diodo-emissor-de-luz- image10707818 Cálculo dos resistores: mWWIUP A R I UU I U R LED LEDFONTE 1001,001,010 1000 01,0 212 31 TÓPICO 4 CÓDIGOS UTILIZADOS PELOS FABRICANTES Analisando os resistores de carvão, filme de carbono e filme metálico, percebemos em seu corpo a impressão por parte do fabricante de alguns anéis coloridos. na figura abaixo vemos resistores de filme de carbono e seus anéis em uma placa eletrônica: É sim, um código internacional que faz uso de anéis coloridos e tem por finalidade informar duas características importantes: resistência ôhmica e tolerância. qual o valor da resistência ôhmica e tolerância dos resistores da figura abaixo? Para que servem estes anéis coloridos? É algum tipo de código? A figura ao lado foi retirada no endereço: http://miraimages.photo shelter.com/image/I000 0ktdcACB8G_E Este tópico foi baseado no livro Análise de Circuitos de Robert L. Boylestad. 32 Resistor 1 (quatro faixas, aplicação geral): resistência ôhmica, 3 primeiros anéis: verde (5), azul (6) 56 x 10 kΩ (amarelo) = 560 kΩ; tolerância, último anel: prata (±10%). 560 kΩ ±10% Resistor 2 (cinco faixas, maior precisão): resistência ôhmica, 4 primeiros anéis: vermelho (2), vermelho (2), violeta (7) 227 x 1 Ω (preto) = 227 Ω; tolerância, último anel: ouro (±5%). 227 Ω ±5% A figura ao lado foi retirada no endereço: http://www.arduinoecia. com.br/2013/08/codigo- de-cores-de- resistores.html e adaptada pelo autor. http://www.arduinoecia.com.br/2013/08/codigo-de-cores-de-resistores.html http://www.arduinoecia.com.br/2013/08/codigo-de-cores-de-resistores.html http://www.arduinoecia.com.br/2013/08/codigo-de-cores-de-resistores.html http://www.arduinoecia.com.br/2013/08/codigo-de-cores-de-resistores.html 33 Lembre-se que a potencia é determinada pelo tamanho físico (corpo) do resistor. Identificação de Resistores sem Código de Cores Geralmente, os resistores fixos (de fio) não possuem anéis coloridos. Desta forma, o valorda resistência nominal, a potência e a tolerância são impressas no próprio corpo. a figura abaixo mostra um resistor de fio de resistência nominal 10 Ω (10R), ±5% de tolerância e potência de dissipação máxima 5 W: Os resistores de fio têm capacidade para trabalhar com maiores valores de corrente (potência), produzindo normalmente uma grande quantidade de calor quando em funcionamento. São utilizados em estufas, aquecedores, interior de quadros elétricos (repelir umidade), circuitos eletrônicos de potência, etc. a figura abaixo mostra alguns resistores de fio e sua aplicação em uma placa eletrônica: As figuras ao lado foram retiradas nos endereços: http://www.ohmtecresisto res.com.br/tabelas/ANC_ ANCNI.html http://produto.mercadolivr e.com.br/MLB- 632455117-placa- eletronica-brastemp- consul-cwc10-bwb08- bwb11-bwl11-_JM A figura ao lado foi retirada no endereço: http://www.icos.com.br/ Acessorios/RESISTOR 10R5W/ http://www.ohmtecresistores.com.br/tabelas/ANC_ANCNI.html http://www.ohmtecresistores.com.br/tabelas/ANC_ANCNI.html http://www.ohmtecresistores.com.br/tabelas/ANC_ANCNI.html 34 EXERCÍCIOS 1. Explique a diferença entre os termos “resistor” e “resistência elétrica”. _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ 2. Cite as três funções de um resistor quando da sua utilização em um circuito elétrico ou eletrônico. _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ 3. Assim como nas instalações elétricas, nos circuitos eletrônicos cada componente possui um símbolo que o identifique. Assinale abaixo quais símbolos representam um resistor fixo. 4. Quais parâmetros técnicos devem ser considerados para uma correta especificação dos resistores. _____________________________________________________ _____________________________________________________ 5. “Os resistores são componentes eletrônicos cujos terminais apresentam polaridade, logo podem ser utilizados somente em 35 circuitos CC.” A afirmação anterior está tecnicamente correta? Justifique sua resposta. _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ 6. Cite exemplos de aplicação prática para o resistor variável conhecido por potenciômetro. _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ 7. Para os resistores com anéis nas cores abaixo, determine sua resistência nominal e tolerância: a.vermelho, violeta, amarelo, ouro. b. marrom, preto, verde, marrom. c. verde, azul, marrom, vermelho. d. laranja, laranja, preto, ouro. e. laranja, azul, verde, vermelho, marrom. 8. Determine as especificações técnicas do resistor de fio abaixo. 9. Especifique o resistor R1 a ser utilizado na aplicação abaixo. 36 CHECK LIST Nesta unidade você pode: identificar o componente eletrônico resistor e sua função nos circuitos elétricos ou eletrônicos, diferenciar os diversos tipos de resistores e algumas de suas aplicações práticas; aprender os códigos utilizados pelos fabricantes e seu significado e quais parâmetros técnicos são necessários para uma correta especificação. 43 UNIDADE 3 CAPACITORES Objetivos de Aprendizagem Ao final desta unidade você deverá: explicar como funciona o componente eletrônico capacitor; especificar corretamente um capacitor; relacionar algumas de suas aplicações; identificar sua simbologia e diferentes modelos comerciais. Plano de Estudos Esta unidade está dividida em quatro tópicos, organizados de modo a facilitar sua compreensão dos conteúdos. TÓPICO 1: DEFINIÇÃO DE CAPACITOR TÓPICO 2: ESPECIFICAÇÃO DE CAPACITORES TÓPICO 3: TIPOS DE CAPACITORES TÓPICO 4: CÓDIGOS UTILIZADOS PELOS FABRICANTES 44 TÓPICO 1 DEFINIÇÃO DE CAPACITOR Nesta unidade vamos conhecer um componente de grande aplicação no campo da eletricidade e eletrônica: o capacitor. Perceba que a palavra capacitor pode ser associada à palavra capacidade (no sentido de quantidade). Dessa forma, o capacitor é um componente que apresenta uma propriedade interessante: a capacidade de armazenar certa quantidade de cargas elétricas (elétrons). Construtivamente, em sua forma mais simples, um capacitor é constituído de duas placas condutoras paralelas, denominadas armaduras, separadas por um material isolante denominado dielétrico. veja na figura abaixo a forma construtiva de um capacitor. Como posso construir um capacitor para armazenar essas cargas elétricas? A figura ao lado foi retirada no endereço: www.colegioweb.com.b r/trabalhos- escolares/fisica/capacit ores/capacitores-e- condensadores.html Este tópico foi baseado no livro Circuitos Elétricos de Eduardo César Alves Cruz. 45 A propriedade do capacitor de armazenar cargas elétricas denominamos capacitância elétrica, abreviada pela letra C e cuja unidade de medida é o Farad (F). A capacitância de um capacitor de placas paralelas é determinada por suas características físicas: área (A) das placas em m²; distância (d) entre as placas em m; material dielétrico, que é caracterizado por sua permissividade absoluta, representada pela letra grega ε (épsilon), cuja unidade de medida é farad/metro (F/m). Matematicamente, temos: d A C No vácuo, 120 10.9,8 F/m. Para os demais materiais, essa característica pode ser dada em relação à permissividade do vácuo, conforme tabela abaixo. Dielétrico Permissividade - (F/m) Ar 0 Polietileno 2,3 0 Papel 3,5 0 Baquelita 4,8 0 Mica 6 0 Porcelana 6,5 0 determinar a capacitância de um capacitor de placas paralelas com dielétrico de baquelite com as seguintes especificações: 46 área das placas de 242 10.2525 mcm ; distância entre placas de mmm 310.4,04,0 ; permissividade do baquelite 08,4 . pFF d A C 26710.267 10.4,0 10.25 10.9,88,4 12 3 4 12 Perceba que o capacitor do exemplo anterior apresentou uma capacitância de 267 pF (pico-farad). Quando trabalhamos com capacitores, a fim de reduzir seu tamanho físico, utilizamos os submúltiplos: ).10(),10(),10(),10( 12963 FpicoFnanoFmicroFmili A carga elétrica q (unidade Coulomb) que um capacitor pode armazenar depende: da sua capacitância nominal (C) em farad; da tensão elétrica (U) aplicada em seus terminais, em volt. Matematicamente temos: UCq qual o valor da carga elétrica que o capacitor de 267 pF do exemplo anterior pode armazenar se aplicada uma tensão de 12 V aos seus terminais? nCCVCq 2,310.2,31210.267 912 47 O capacitor tem inúmeras aplicações na área eletrônica, como: conversores CA/CC (fontes eletrônicas), amplificadores de áudio, filtros de sinais, circuitos osciladores, etc. Também é utilizado na área da eletrotécnica, para: correção do fator de potência nas instalações elétricas, em motores monofásicos, temporizadores, etc. Para que se possa representar um circuito eletroeletrônico por meio de um desenho (esquema), cada componente ou dispositivo recebe um símbolo próprio. veja na figura abaixo a simbologia utilizada para representar os capacitores: Comportamento do Capacitor em Circuitos CC Já sabemos que o capacitor é um componente capaz de armazenar certa quantidade de cargaselétricas. Para que possamos melhor entender esse processo, vamos analisar o funcionamento do circuito eletrônico abaixo: A figura ao lado foi elaborada pelo autor. A figura ao lado foi elaborada pelo autor. 48 Etapa 1: considerar inicialmente que o capacitor em teste está totalmente descarregado e CH.1 e CH.2 estejam abertas. Podemos concluir que a tensão e a corrente elétrica no capacitor é nula. Etapa 2: considerar que a chave 1 seja fechada. Neste momento, cargas elétricas negativas (elétrons) saem do polo negativo da fonte em direção ao capacitor, depositando na placa inferior. Para cada elétron depositado na placa inferior, um elétron deixa a placa superior (princípio da repulsão), sendo atraído pelo polo positivo da fonte. O amperímetro indica corrente elétrica no circuito (embora elétron algum tenha cruzado o dielétrico do capacitor) e o voltímetro indica que a tensão no capacitor aumenta a cada instante, conforme indicado pelo gráfico abaixo: 0 2 4 6 8 10 12 V_CAPACITOR (V) 1.55 3.1 4.65 6.2 7.75 Time (s) 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 I_CIRCUITO (A) Podemos concluir que quando o capacitor estiver totalmente carregado, a tensão em seus terminais será a mesma 49 tensão da fonte e a corrente no circuito será nula (devido à diferença de potencial entre a fonte o capacitor ser nula). O tempo necessário para o capacitor se carregar totalmente pode ser calculado pela expressão: CAPACITORCARGACARGA CRsT 5)( qual o tempo de carga total do capacitor do circuito de teste anterior? sCRsT CAPACITORCARGACARGA 75,7000330,0470055)( A tensão instantânea do capacitor e a corrente no circuito em determinado momento do processo de carga pode ser calculado pela expressão: )1()( RC t FONTEt eVV e )()( RC t t eII qual o valor da tensão no capacitor, da tensão no resistor e da corrente no circuito no instante que a chave 1 é fechada (t = 0 s) e no instante t = 1,55 s? mA R V I VVV VV st CARGA FONTE FONTERESISTOR CAPACITOR 5,2 4700 12 12 0 0 50 mAmAeII VVVV VeVV st RC t t CAPACITORFONTERESISTOR RC t FONTEt 92,0)71,2(5,2)( 44,456,712 56,7)63,0(12)71,21(12)1( 55,1 )000330,04700 55,1 )( 000330,04700 55,1 )( Etapa 3: considerar o capacitor totalmente carregado, CH. 1 aberto e CH. 2 fechado. As cargas elétricas (energia elétrica) armazenadas no capacitor serão descarregadas no circuito de descarga, formado pelo resistor de descarga e pelo LED. O amperímetro indica corrente elétrica no circuito (com sentido contrário ao anterior) e o voltímetro indica que a tensão no capacitor diminui a cada instante, conforme indicado pelo gráfico abaixo: 0 2 4 6 8 10 12 V_CAPACITOR (V) 0 0.33 0.66 0.99 1.32 1.65 Time (s) 0 -0.002 -0.004 -0.006 -0.008 -0.01 -0.012 I_CIRCUITO (A) 51 Podemos concluir que quando o capacitor estiver totalmente descarregado, a tensão em seus terminais será nula e a corrente no circuito também será nula. O tempo necessário para o capacitor se descarregar totalmente pode ser calculado pela expressão: CAPACITORDESCARGADESCARGA CRsT 5)( qual o tempo de descarga total do capacitor do circuito de teste anterior? sCRsT CAPACITORDESCARGADESCARGA 65.1000330,0100055)( A tensão instantânea do capacitor e a corrente no circuito em determinado momento do processo de descarga carga pode ser calculado pela expressão: )()( RC t FONTEt eVV e )()( RC t t eII qual o valor da tensão no capacitor, da tensão no resistor e corrente no circuito no instante que a chave 2 é fechada (t = 0 s) e no instante t = 0,33 s? mA R V I VVV VV st CARGA CAPACITOR CAPACITORRESISTOR CAPACITOR 12 1000 12 12 12 0 52 mAmAeII VVV VeVV st RC t t CAPACITORRESISTOR RC t FONTEt 44,4)71,2(12)( 44,4 44,4)37,0(12)71,2(12)( 33,0 )000330,01000 33,0 )( 000330,01000 33,0 )( TÓPICO 2 ESPECIFICAÇÃO DE CAPACITORES Para a correta escolha de um capacitor que será utilizado em um circuito eletrônico devemos especificar três características técnicas utilizadas pelos fabricantes de componentes eletrônicos, que são: capacitância nominal, tolerância do valor nominal e tensão máxima de trabalho. Capacitância Nominal Como já estudamos, este parâmetro está relacionado com as características físicas do componente, é representado pela letra C e tem como unidade o Farad (F). Dizemos que um capacitor tem 1 F de capacitância, quando em seus terminais temos uma diferença de potencial de 1 V e a carga elétrica armazenada é de 1 C. Os capacitores são fabricados com valores nominais normalizados entre 1 e 10, conforme mostra a tabela abaixo: Série E24 1.0 1.1 1.2 1.3 1.5 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.7 3.0 3.3 3.6 3.9 4.3 4.7 5.1 5.6 6.2 6.8 7.5 8.2 9.1 Assim, para encontrar um valor comercial para um determinado capacitor, basta multiplicar qualquer valor da tabela Este tópico foi baseado no livro Eletrônica Aplicada de José da Silva Maia e Jair Urbanetz Junior. 53 por submultiplos de 10, abrangendo ampla faixa de capacitâncias, desde alguns picofarads (pF) até alguns milifarads (mF). comercialmente, encontramos o capacitor de 10 uF? Sim, porque na tabela temos 1.0 que multiplicado por 610 (submúltiplo de 10) é igual a 0,000010 F ou 10 uF. comercialmente, encontramos o capacitor de 220 nF? Sim, porque na tabela temos 2.2 que multiplicado por 710 (submúltiplo de 10) é igual a 0,00000022 F ou 220 nF. comercialmente, encontramos o capacitor de 0,47 mF? Sim, porque na tabela temos 4.7 que multiplicado por 410 (submúltiplo de 10) é igual a 0,00047 F ou 0,47 mF ou 4700uF. Tolerância do Valor Nominal A tolerância é o limite, em percentual, que pode variar (para cima ou para baixo) o valor da capacitância real de um capacitor em relação à capacitância nominal. É influenciada pela tecnologia de fabricação e pelo material dielétrico empregado. Os valores de tolerância comerciais podem variar entre ± 1% a ± 20%. 54 um técnico utiliza um capacímetro para medir um capacitor de valor nominal 33 uF ± 5%, conforme figura abaixo. Qual valor deverá indicar o instrumento para que esse capacitor seja considerado bom para uso? 5% de 33 uF equivale a uma tolerância de ± 1.65 uF. Logo, o capacitor estará bom se o resultado indicado apresentar qualquer valor compreendido entre 31,35 a 34,65 uF. Tensão de Isolação Na escolha de um capacitor é necessário levar em consideração a máxima tensão que pode ser aplicada aos terminais do mesmo. Essa característica está relacionada ao tipo de dielétrico utilizado na fabricação do capacitor e pode variar de algumas dezenas de volts até alguns quilovolts. Uma tensão acima da nominal pode romper o dielétrico, abrindo um caminho de baixa resistência para a corrente elétrica. uma máquina industrial apresentou defeito em sua placa eletrônica de controle. Um técnico de manutenção após A figura ao lado foi retirada no endereço: http://articulo.mercadoli bre.com.ar/MLA- 551463182- capacimetro-digital- cm9601a-probador-de- capacitores-_JM 55 análise constatou que determinado capacitor (do tipo eletrolítico) precisa ser substituído, conforme figura abaixo: Ele dispõe no estoque de um de um capacitor eletrolítico de 1000 uF/25 V. É possível fazer a substituição? Sim, pois são do mesmo tipo (eletrolítico), apresentam a mesma capacitância nominal (1000 uF) e a tensão do novo capacitor deve ser maior ou igual a tensão do capacitor com defeito (25 V maior que 10 V). TÓPICO 3 TIPOSDE CAPACITORES Em eletrônica, podemos classificar os capacitores em: fixos: apresentam capacitância que não se altera; variáveis: apresentam capacitância que pode ser ajustada entre um valor mínimo e máximo. Capacitores Fixos Estes capacitores, por apresentarem capacitância elétrica que não se altera, são amplamente utilizados nos mais A figura ao lado foi retirada no endereço: http://fahinformatica.blo gspot.com.br/ Este tópico foi baseado em artigos de Newton C. Braga disponíveis no endereço: www.newtoncbraga.co m.br 56 diversos circuitos eletrônicos. Podemos citar como exemplo de aplicação dos capacitores fixos: circuitos eletrônicos temporizadores (limpador do para-brisa em um automóvel, interruptor automático de presença para iluminação, etc.), circuitos eletrônicos de controle de potência (dimmers, chuveiros eletrônicos), fontes eletrônicas, filtros de sinais, amplificadores de áudio, circuitos osciladores (luzes de direção de um automóvel, indicador luminoso de duas lâmpadas na saída de estacionamentos e garagens), entre outros. na figura abaixo temos uma placa eletrônica de um circuito temporizador de aplicação universal: Os capacitores fixos, quanto à forma construtiva podem ser classificados em: cerâmico: geralmente são constituídos de um suporte tubular de cerâmica, em cujas superfícies internas e externas são depositadas finas camadas de prata aos quais são ligados os terminais através de um cabo soldado sobre o tubo. O emprego desse A figura ao lado foi retirada no endereço: controlport.com.br/inde x.php?_route_=tempori zador-acp e adaptada pelo autor. Trimpot para ajuste de tempo. Capacitor fixo tipo cerâmico. Capacitor fixo tipo eletrolítico. 57 tipo de componente varia dos circuitos de alta frequência aos de baixa frequência, como capacitores de acoplamento e de filtro. Apresentam valores de capacitância na ordem de pF a alguns nF. Tensões nominais geralmente até 50 V, não apresentando polaridade; poliéster metalizado: por apresentar variações de sua capacitância com a frequência, não são recomendados para aplicação em dispositivos que operem com frequências superiores a faixa de MHz. Apresentam valores de capacitância na ordem de nF a alguns uF. Tensões nominais de algumas dezenas a centenas de volts, não apresentando polaridade; eletrolítico: são aqueles que, com as mesmas dimensões, atingem maiores capacitâncias. É constituído por uma folha de alumínio, separada por um material poroso, impregnado de uma solução eletrolítica. Todo esse conjunto é enrolado e colocado dentro de um invólucro metálico, onde são conectados terminais de forma radial ou axial. Feito isso, o capacitor eletrolítico não tem ainda a capacitância desejada, sendo necessária a aplicação de uma tensão em seus terminais, tendo polaridade definida. Quando essa tensão é aplicada, haverá internamente uma reação química onde será formada uma fina camada de óxido depositada na folha de alumínio, sendo que esta camada irá constituir o dielétrico. nas figuras abaixo temos capacitores fixos: cerâmico, poliéster metalizado e eletrolítico respectivamente: 58 Capacitores Variáveis Estes capacitores possuem um parafuso de ajuste ou cursor que permite variar a distância entre as placas, alterando então a capacitância entre um valor mínimo e máximo, na ordem de pF. São conhecidos como trimmers. a figura abaixo mostra alguns exemplos de trimmers: Em eletrônica a palavra trimmer é usada para designar capacitores ajustáveis de pequenas dimensões. A figura ao lado foi retirada no endereço http://electronics.stacke xchange.com/questions /135335/why-do-they- crimp-capacitor-leads A figura ao lado foi retirada no endereço: http://www.handmades. com.br/forum/index.php ?action=printpage;topic =5415.0 A figura ao lado foi retirada no endereço: http://www.eletronicadid atica.com.br/component es/capacitor/capacitor.h tm 59 São utilizados na sintonia de circuitos de alta frequência (rádios, transmissores, etc.). Dessa forma, quando você “está selecionando” a frequência de uma emissora nos rádios analógicos está na verdade variando a capacitância de um trimmer no circuito eletrônico. TÓPICO 4 CÓDIGOS UTILIZADOS PELOS FABRICANTES Analisando alguns modelos de capacitores, percebemos que os fabricantes informam sobre o corpo do componente os valores nominais de capacitância, tolerância e tensão máxima. Porém, essas informações nem sempre são diretas, sendo utilizados também códigos na forma de números e letras ou anéis coloridos. qual o valor da capacitância nominal dos capacitores cerâmicos mostrados na figura abaixo? Onde são utilizados os “trimmers”? A figura ao lado foi retirada no endereço: www.surplussales.com/ Variables/AirVariables/ AirVar1.html Para saber um pouco mais sobre os capacitores leia um artigo sobre o tema no endereço: http://www.newtoncbrag a.com.br/index.php/com ponent/content/article/1 10- mecatronica/robotica/80 19-conhecendo-os- capacitores-mec121 Este tópico foi baseado no site www.burgoseletronica.n et 60 Capacitor 1: temos a informação 104, sendo que os dois primeiros algarismos são o valor base e o terceiro algarismo indica o número de zeros que devemos acrescentar ao valor base: 10 + 0000 = 100 000 pF = 100 nF Capacitor 2: temos a informação 10n, sendo os dois primeiros algarismos o valor base e “n” o submúltiplo: 10n = 10nF Capacitor 3: temos a informação 1n2, sendo os dois algarismos o valor base e “n” com dupla função: submúltiplo e ponto decimal: 1n2 = 1,2 nF veja o significado das informações de cada capacitor de poliéster mostrados na figura abaixo: A figura ao lado foi retirada no endereço: http://eletricamentefalan do.blogspot.com.br/201 2/03/codigo-de- capacitores.html A figura ao lado foi retirada no endereço http://veiculos.mercadol ivre.com.br/acessorios/ capacitor-poliester- epcos Para saber um pouco mais sobre os códigos de capacitores cerâmicos visite a página no endereço: http://eletricamentefalan do.blogspot.com.br/201 2/03/codigo-de- capacitores.html 61 Capacitor 1: 104 informa a capacitância nominal do componente, J a tolerância (± 5%) e 100 V é a máxima tensão, logo: 10 + 0000 pF = 100 000 pF = 100 nF ±5% 100 V Capacitor 2: 47nF é o valor da capacitância, K a tolerância ( ± 10%) e 250 é a máxima tensão, logo: 47nF ± 10% 250 V Capacitor 3: 2M2 é o valor da capacitância, M a tolerância ( ± 20%) e tensão máxima 250 V. 2,2 pF ± 20% 250 V como podemos interpretar estes anéis coloridos em alguns capacitores de poliéster? Não, mas com algumas semelhanças. Veja na figura a seguir: Este código de cores utilizado é o mesmo dos resistores? A figura ao lado foi retirada no endereço: www.youtube.com/watc h?v=ZlzCcA19mjI 62 Cores 1ª Faixa 2ª Faixa 3ª Multiplicador 4ª Tolerância 5ª Tensão Nominal PRETO 0 0 - ± 20% - MARROM 1 1 x 10 - - VERMELHO 2 2 x 100 - 250V LARANJA 3 3 x 1000 - - AMARELO 4 4 x 10000 - 400V VERDE 5 5 x 100000 - - AZUL 6 6 - - 630V VIOLETA 7 7 - - - CINZA 8 8 - - - BRANCO 9 9 - ± 10% - Capacitor 1: capacitância nominal, 3 primeiros anéis: marrom (1), verde (5) 15 x 10 000 (amarelo) = 150 000 pF = 150 nF; tolerância, 4° anel: branco (± 10%); tensão máxima: azul (630 V). 150 nF ±10% 630 V Capacitor 2: capacitância nominal, 3 primeiros anéis: laranja (3), laranja (3) 33 x 10 000 (amarelo) = 330 000 pF = 330 nF; tolerância, 4° anel: branco (± 10%); tensão máxima: A tabela ao lado foi retirada no endereço: http://eletricamentefalan do.blogspot.com.br/2012/03/codigo-de- capacitores.html Para saber um pouco mais sobre os códigos de capacitores de poliéster visite a página no endereço: http://www.burgoseletro nica.net/capacitores_lei turapoliester.html 63 Vermelho (250 V). 330 nF ± 10% 250 V quais informações podemos obter dos capacitores eletrolíticos da figura abaixo? Além da capacitância e tensão nominal, uma faixa indica o terminal negativo do capacitor (lembre-se que os terminais dos capacitores eletrolíticos tem polaridade). Quanto à posição dos terminais podem ser tipo radial (1° e 3°) ou axial (2°). Estes capacitores apresentam tolerância que pode variar entre -10% a +50%. Também apresentam uma faixa de temperatura de trabalho ente -40°C a 850°C. A figura ao lado foi retirada no endereço: http://tronyx.com.br/pro duto/Capacitor- Eletrol%EDtico-Radial- 100uf- 63v*8%7B47%7D11,5 mm*85%B0c-.html Qual a tolerância dos capacitores eletrolíticos? 64 EXERCÍCIOS 1. Explique a diferença entre os termos “capacitor” e “capacitância elétrica”. _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ 2. Cite três características físicas que têm influência direta na capacitância nominal dos capacitores. _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ 3. Assim como nas instalações elétricas, nos circuitos eletrônicos cada componente possui um símbolo que o identifica. Assinale abaixo quais símbolos representam um capacitor fixo. 4. Quais parâmetros técnicos devem ser considerados para uma correta especificação dos capacitores? _____________________________________________________ _____________________________________________________ 65 5. “Os capacitores são componentes eletrônicos cujos terminais não apresentam polaridade, logo podem ser utilizados em circuitos CC e CA.” A afirmação anterior está tecnicamente correta? Justifique sua resposta. _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ 6. Determine as especificações técnicas dos capacitores abaixo. 7. Analise o circuito eletrônico abaixo. Em seguida: a) Calcule o tempo de carga do capacitor, considerando CH1 fechado, CH2 aberto, R1 = 10 kΩ e C = 100 uF. b) Calcule o valor de R2 para que no início da descarga do capacitor a corrente no LED seja de 15 mA (considerar a queda de tensão no LED de ZV). 66 CHECK LIST Nesta unidade você pôde: identificar o componente eletrônico capacitor e sua função nos circuitos elétricos ou eletrônicos, diferenciar diversos tipos de capacitores e algumas de suas aplicações práticas; aprender os parâmetros técnicos necessários para uma correta especificação e também compreender os códigos utilizados pelos fabricantes e seu significado. 67 UNIDADE 4 DIODOS SEMICONDUTORES Objetivos de Aprendizagem Ao final desta unidade você deverá: explicar o que são materiais semicondutores e como são utilizados na fabricação dos diodos; explicar como funciona o componente eletrônico diodo; especificar corretamente um diodo; identificar sua simbologia e diferentes modelos comerciais. Plano de Estudos Esta unidade está dividida em quatro tópicos, organizados de modo a facilitar sua compreensão dos conteúdos. TÓPICO 1: MATERIAIS SEMICONDUTORES TÓPICO 2: DEFINIÇÃO DE DIODO TÓPICO 3: TIPOS DE DIODOS TÓPICO 4: ESPECIFICAÇÃO E TESTE DE DIODOS 68 TÓPICO 1 MATERIAIS SEMICONDUTORES Os materiais semicondutores provocaram uma verdadeira revolução na eletrônica e, consequentemente, na tecnologia atual. Nenhum aparelho eletrônico, desde um simples relógio digital ao mais avançado dos computadores, seria possível sem os mesmos. Para uma correta compreensão do funcionamento de alguns componentes baseados em semicondutores, em especial os diodos, são necessários alguns fundamentos simplificados da teoria atômica. Estrutura dos Átomos Os materiais encontrados na natureza são constituídos por átomos, os quais apresentam partes distintas: o núcleo e as camadas de eletrosfera. No núcleo encontram-se partículas denominadas prótons e nêutrons, enquanto que na eletrosfera encontram-se os elétrons, distribuídos em até sete camadas ou níveis. abaixo temos a representação de um átomo de cobre, com um elétron na camada de valência: Os prótons apresentam carga elétrica positiva de C19106,1 . Já os elétrons apresentam carga elétrica de C19106,1 . Os nêutrons tem carga elétrica nula. A figura ao lado foi retirada no endereço: http://www.trabalhosfeit os.com/ensaios/Reynol d/52174730.html Elétron de valência Este tópico foi baseado no livro Sistemas Eletrônicos de Gilvan Antônio Garcia e José Luiz Antunes de Almeida. 69 Em cada átomo, a camada mais externa é chamada de valência e geralmente é ela que participa das reações químicas. Todos os materiais são formados por diferentes tipos de átomos, diferenciados entre si pelo número de prótons, elétrons e nêutrons. Materiais Condutores de Eletricidade Os materiais que apresentam baixa resistência à passagem da corrente elétrica são denominados condutores de eletricidade. O que caracteriza o material como bom condutor é o fato dos elétrons de valência estarem fracamente ligados ao núcleo do átomo, encontrando grande facilidade para abandonar a eletrosfera e se movimentarem livremente no interior dos materiais. O cobre, por exemplo, com somente um elétron na camada de valência tem facilidade de cedê-lo para ganhar estabilidade. O elétron cedido pode tornar-se um elétron livre. Materiais Isolantes Os materiais que apresentam alta resistência à passagem da corrente elétrica são denominados isolantes de eletricidade. Os elétrons de valência estão fortemente ligados ao núcleo do átomo, sendo que poucos elétrons conseguem desprender-se da última camada de eletrosfera para se tornarem elétrons livres. Material Semicondutor Os materiais semicondutores apresentam uma resistência elétrica situada entre a dos materiais condutores e isolantes. Metais como ouro, prata, alumínio e cobre são exemplos de bons condutores de eletricidade. Materiais como borracha, mica, porcelana, baquelite, PVC, são considerados materiais isolantes de eletricidade. Obs: lembre-se que não existem isolantes perfeitos e, a partir de determinado valor de tensão elétrica, um material isolante pode se tornar condutor. 70 Os principais materiais semicondutores utilizados em eletrônica são o Germânio (Ge) e o Silício (Si), sendo este último o mais utilizado. abaixo temos duas pedras, uma de Silício e outra de Germânio, respectivamente: Os átomos de germânio e silício apresentam uma camada de valência com quatro elétrons. Quando os átomos de Germânio (ou Silício) agrupam-se entre si, formam uma estrutura cristalina, ou seja, são substâncias cujos átomos se posicionam no espaço, formando uma estrutura ordenada. Nessa estrutura, cada átomo une-se a quatro outros átomos vizinhos por meio de ligações covalentes. na figura abaixo temos ligações covalentes em uma estrutura cristalina de Silício: As figuras ao lado foram retiradas no endereço: www.infoescola.com A figura ao lado foi retirada no endereço: sites.google.com/site/th alestecnologia/eletronic a-basica/semicondutor- intrinseco--- semicondutor- extrinseco 71 Perceba que cada umdos quatro elétrons de valência de um átomo é compartilhado com um átomo vizinho, de modo que dois átomos adjacentes compartilhem dois elétrons, formando na última camada oito elétrons, o que configura uma situação estável. Vale destacar também que nas condições mostradas acima, o Silício se comporta como isolante, pois não apresenta carga elétrica livre. No entanto, com o aumento da temperatura algumas ligações covalentes recebem energia suficiente para se romperem, fazendo com que os elétrons das ligações rompidas passem a se movimentar livremente no interior do cristal, tornando-se elétrons livres. Com a quebra das ligações covalentes, no local onde havia um elétron de valência, passa a existir uma região com carga positiva, uma vez que o átomo era neutro e um elétron o abandonou. Essa região positiva recebe o nome de lacuna. As lacunas não têm existência real, pois são apenas espaços vazios provocados por elétrons que abandonam as ligações covalentes rompidas. estrutura do Silício com uma temperatura acima de 0 K (- 273 °C): Quando o cristal de silício ou germânio é submetido a uma diferença de potencial, os elétrons livres se movem no sentido do maior potencial elétrico e as lacunas, por A figura ao lado foi retirada no endereço: sites.google.com/site/th alestecnologia/eletronic a-basica/semicondutor- intrinseco--- semicondutor- extrinseco 72 consequência, se movem no sentido contrário ao movimento dos elétrons. Dopagem de Materiais Semicondutores Devido à tendência de transformar-se em uma estrutura simétrica, um material semicondutor quase não possui elétrons livres. Para se utilizar efetivamente os materiais semicondutores, são introduzidos elementos adicionais nas estruturas cristalinas, denominadas impurezas. Estas impurezas são elementos cujos átomos possuem três ou cinco elétrons na camada de valência. Elas são introduzidas dentro do material semicondutor em pequenas quantidades e esse processo é conhecido por dopagem. Formação do Material Tipo P Ao realizar a dopagem do material semicondutor (Silício ou Germânio) através da introdução de impurezas com três elétrons na camada de valência, como o alumínio, o índio, o boro ou o gálio temos a formação de ligação covalente entre o material semicondutor e a impureza. dopagem do Silício com átomo de Boro (impureza trivalente): A figura ao lado foi retirada no endereço: sites.google.com/site/th alestecnologia/eletronic a-basica/semicondutor- intrinseco--- semicondutor- extrinseco 73 Ao introduzirmos uma impureza com apenas três elétrons (trivalente), estes serão compartilhados com átomos vizinhos de Silício. Porém, uma ligação não se completará, deixando um “espaço vazio” denominado lacuna. Temos, então, a formação de um material tipo P. Formação de Material Tipo N Se no processo de dopagem for associado um elemento com cinco elétrons na última camada (pentavalente), como o antimônio, o fósforo ou o arsênio, os mesmos irão formar ligações covalentes com os átomos do material semicondutor. Porém, haverá um elétron que poderá mover-se pela estrutura já que não formou ligação e está fracamente ligado ao núcleo do átomo. Temos, então, a formação de um material tipo N. dopagem do Silício com átomo de Fósforo (impureza pentavalente): TÓPICO 2 DEFINIÇÃO DE DIODO O diodo é o componente eletrônico mais simples fabricado a partir dos materiais semicondutores tipo P e N. A figura ao lado foi retirada no endereço: sites.google.com/site/tha lestecnologia/eletronica- basica/semicondutor- intrinseco--- semicondutor-extrinseco Para saber um pouco mais sobre os materiais semicondutores e sua utilização na indústria eletrônica assista o vídeo no endereço: www.youtube.com/watc h?v=HmvppRT9nm4 74 Construtivamente, o diodo é formado pela união (junção) de um semicondutor do tipo P com um semicondutor do tipo N. Devido a essa junção PN, os diodos são chamados também de “diodos semicondutores de junção”. veja na figura abaixo a forma construtiva de um diodo e a denominação dada aos seus terminais do lado P e N: Os diodos são amplamente utilizados nas áreas de eletrônica e eletrotécnica, podendo ser encontrados em diversas aplicações, como: fontes eletrônicas e circuitos de aparelhos eletroeletrônicos em geral, motores elétricos monofásicos, iluminação e sinalização (LEDs), circuitos retificadores e reguladores de tensão, etc. veja na figura abaixo a simbologia utilizada para representar os diodos: Este tópico foi baseado na apostila técnica de Eletrônica Analógica de Luiz Fernando Teixeira Pinto. De que forma posso combinar esses materiais para construir um diodo? A figura ao lado foi elaborada pelo autor. A figura ao lado foi retirada no endereço: sites.google.com/site/th alestecnologia/eletronic a-basica/semicondutor- intrinseco--- semicondutor- extrinseco 75 Polarização dos Diodos A diferença de concentração de elétrons livres e lacunas entre as duas regiões da junção PN possibilita a ocorrência de um fenômeno chamado de difusão: deslocamento (corrente elétrica) de lacunas do lado P para o lado N e de elétrons livres do lado N para o lado P. Tal processo não é contínuo e, atingindo o equilíbrio, forma uma barreira de potencial na região da junção que impede o deslocamento de mais elétrons livres. Essa região é denominada camada de depleção. camada de depleção de um diodo. Se nos terminais do diodo for aplicada uma tensão elétrica, ou seja, terminal anodo conectado ao terminal negativo da fonte e terminal catodo conectado ao terminal positivo da fonte (polarização reversa), a camada de depleção tende a aumentar. camada de depleção com diodo na polarização reversa: A figura ao lado foi retirada no endereço: sites.google.com/site/th alestecnologia/eletronic a-basica/semicondutor- intrinseco--- semicondutor- extrinseco 76 representação de um circuito real com diodo polarizado reversamente: Para o circuito representado na figura anterior, o diodo apresenta resistência elevada (comparação a uma chave aberta) e a corrente elétrica apresenta intensidade na ordem de nA (para diodo de Silício) e uA (para diodos de Germânio). Essa corrente é conhecida por corrente de fuga reversa. O voltímetro indica nos terminais do diodo a mesma tensão da fonte. Se nos terminais do diodo for aplicada uma tensão elétrica, ou seja, terminal anodo conectado ao terminal positivo da fonte e terminal catodo conectado ao terminal negativo da fonte (polarização direta), a camada de depleção tende a diminuir. camada de depleção com diodo na polarização direta: A figura ao lado foi retirada no endereço: sites.google.com/site/th alestecnologia/eletronic a-basica/semicondutor- intrinseco--- semicondutor- extrinseco I A figura ao lado foi elaborada pelo autor. 77 Para o circuito representado na figura anterior, o diodo apresenta baixa resistência ôhmica (comparação a uma chave fechada) e a corrente elétrica apresenta intensidade que irá depender da tensão da fonte e valor ôhmico do resistor. Essa corrente é conhecida por corrente direta. representação de um circuito real com diodo polarizado diretamente: mAA R UU R U I RESISTOR DIODOFONTE RESISTOR RESISTOR CIRCUITO 4,20024,0 4700 7,012 I Como podemos calcular o valor da corrente elétrica desse circuito? A figura ao lado foi retirada no endereço :sites.google.com/site/thal estecnologia/eletronica- basica/semicondutor- intrinseco---semicondutor- extrinseco A figura ao lado foi elaborada pelo autor. 78 Podemos concluir, então, que os diodos só conduzem corrente elétrica quando polarizados diretamente, ou
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