Apostila de eletrônica

Primeiro transistor, desenvolvido na tarde de 23 de dezembro de 1947 por Walter H. Brattain e John Bardeen na

Bell Telephon.

Rogério S. Chiacchio

2005/2006/2007

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Apostila de eletrônica .................................................................................................................. 1

Conceitos fundamentais ........................................................................................................... 3

Como interagem as cargas elétricas que constituem a matéria: positivas e negativas ............ 4

Relação entre U, I e R .............................................................................................................. 5

Circuitos com resistores .......................................................................................................... 7

Potenciômetros e trimpot .................................................................................................. 11

Sinal ....................................................................................................................................... 11

Capacitor ................................................................................................................................ 14

Indutor ou Solenóide ............................................................................................................. 16

Associação e uso de indutores, capacitores e resistores ........................................................ 18

Semicondutores ..................................................................................................................... 20

Diodo comum e zener ........................................................................................................ 21

Diodo emissor de luz — LED (Light Emited Diode) ......................................................... 23

Transistor .......................................................................................................................... 24

Considerações preliminares ................................................................................................... 26

Circuito fundamental à compreensão da eletrônica ............................................................... 27

Amplificação de sinal com transistor .................................................................................... 28

Amplificador operacional ...................................................................................................... 31

Fonte regulada de tensão ....................................................................................................... 33

Fonte de corrente constante ................................................................................................... 35

Temporizador por comparação de sinal................................................................................. 36

Amplificador sonoro de 20W rms com TDA2050 ................................................................ 37

Fotodiodos ............................................................................................................................. 38

Fotorresistores ....................................................................................................................... 38

Termistores ............................................................................................................................ 38

SCR e LDR ............................................................................................................................ 38

TRIAC ................................................................................................................................... 39

Osciladores 555 e 566 ........................................................................................................... 40

Circuitos oscilador astável ..................................................................................................... 42

Circuito transmissor de FM ................................................................................................... 43

Considerações finais .............................................................................................................. 44

3

Como todo conhecimento, a compreensão da eletrônica necessita do domínio de sua linguagem.

Em todos os momentos serão apresentadas definições que devem ser fixadas, compreendidas e

inter-relacionadas, com o intuito de gerar um conceito. Recomenda-se, fortemente, a leitura

seqüencial e desde o início deste texto.

Eletrônica ou elétrica, muitas vezes, são definidas como sendo o trabalho com componentes

pequenos ou grandes, respectivamente. Entretanto, eletrônica é a ciência que estuda o movimento

dos elétrons em circuitos semi-condutores e gases; elétrica, o comportamento de cargas elétricas

em quaisquer outros condutores. É possível perceber, desde já, que estas ciências se misturarão

no nosso estudo.

Conceitos fundamentais

Matéria: tudo que tem massa e ocupa lugar no espaço;

Massa: propriedade que gera o peso e inércia;

Peso: força gerada pela atração gravitacional entre corpos massivos;

Carga elétrica: uma outra propriedade da matéria, que, como a massa, gera atração,

entretanto, pode gerar também repulsão;

Densidade, razão entre uma quantidade e um comprimento, uma área ou um volume

A matéria que nos rodeia é constituída de átomos: “esferas” com um núcleo denso, pesado e

positivo, rodeado por partículas leves e com carga negativa, chamadas de elétrons, Figura 1. Os

elétrons, apesar de atraídos para o núcleo, não se chocam com ele devido ao rápido movimento de

translação que fazem. Num átomo neutro, o número de cargas positivas no núcleo é igual ao de

elétrons ao redor. Existem 92 elementos diferentes na Natureza, dos quais, a maioria é metal

(bons condutores de eletricidade), alguns outros formam substâncias isolantes e, uma minoria,

com condutividade intermediária (semicondutores).

++++

Figura 1. Átomo simplificado.

Metais Semimetais Não metais

condutores semicondutores isolantes

10 -6 : 10 -2 1 : 10 6 > 10 8 .cm

cobre silício vidro

Nesta apostila, algumas definições não serão expostas da maneira considerada correta, pois isto implicaria numa fuga aos termos do cotidiano de leigos no assunto, além de um domínio, por parte do iniciante, bem mais profundo de outras linguagens, como conceitos de nível de Fermi ou mesmo energia da Física e modelos atômicos da Química. Portanto, é de se esperar analogias imperfeitas e conceitos incompletos, ou destorcidos. Entretanto, considero estas “falhas” facilitadoras do entendimento desta área do conhecimento, que uma vez fundamentado, poderá ser esculpido. Além disto, é de suma importância, para iniciantes, a leitura completa e do início para o fim desta apostila.

4

O conhecimento sobre a constituição da matéria (átomo) será necessário para compreensão da

condutividade dos materiais, de um efeito denominado dopagem, em semicondutores, além de

conceitos como corrente e resistência elétrica.

Como interagem as cargas elétricas que constituem a matéria: positivas e

negativas

+ + + - --

Figura 2. Interações atrativas e repulsivas entre cargas elétricas.

Cargas iguais se repelem;

Cargas diferentes se atraem.

Esta propriedade de atração e repulsão determina, na matéria, se os elétrons ficam

fortemente presos ao núcleo dos átomos (isolantes), mediamente presos (semicondutores) ou

fracamente presos ao núcleo. Neste último caso, os elétrons podem ser deslocados por ação de

uma força pequena (elementos que formam substâncias condutoras metais).

A visualização do fenômeno de movimentação conjunta de cargas é importante: numa barra

metálica, o acúmulo de elétrons “livres” numa ponta causa repulsão mútua, ocasionando o

afastamento destes elétrons, uns dos outros, o que irá empurrar parte deles para o outro lado.

Isto redistribuirá os elétrons, equilibrando as forças de repulsão. Este movimento conjunto é

chamado de corrente elétrica.

Figura 3. Formação de corrente elétrica pela diferença na densidade de cargas entre os extremos do

condutor.

Como os elétrons possuem carga negativa, a região que estava com uma alta densidade de

elétrons, inicialmente, estava negativa com relação ao outro extremo da barra, que estava com

baixa densidade de elétrons. Portanto, com relação a Figura 3, dizemos que a região da esquerda

estava negativa e a da direita positiva (relativamente), e que os elétrons fluíram do negativo para

o positivo, como sempre tenderá ocorrer pela repulsão mútua entre eles, o que chamamos de

corrente real.

5

Relação entre U, I e R

Uma forma de facilitar nosso entendimento no estudo da eletricidade é fazer uma analogia

dos fenômenos elétricos com os hidráulicos. Assim:

Corrente elétrica = fluxo de cargas (elétrons) fluxo de água numa tubulação;

Diferença de potencial elétrico diferença de pressão pelo desnível da água entre

torneira e caixa d’água;

Resistência elétrica resistência ao fluxo da água imposta pelas paredes da tubulação,

ou estrangulamento do cano d’água, ou grande comprimento do tubo.

Deve ficar bem claro que a diferença de pressão causa o movimento da água, e a intensidade

do fluxo de água depende de duas coisas: da diferença de pressão e do tubo (diâmetro e

comprimento). Isto porque, o diâmetro e o comprimento do tubo implicam na liberdade que a água

terá para fluir. Em tubos finos existe mais parede e menos água; tubos longos também. Logo, seu

pequeno diâmetro e grande comprimento provocam um maior contato entre o tubo que está parado

e a água que está fluindo, aumentando o atrito entre ambos.

Assim, a pressão fornece energia à água, criando um fluxo. O atrito com as paredes do tubo

retira parte desta energia, transformando-a em calor, o que resta é a energia do movimento com

velocidade constante adquirida pela água.

O que geralmente causa confusão são os diversos nomes usados para designar quase a mesma

coisa. Em eletricidade:

Diferença de potencial (ddp) é muitas vezes simplesmente denominada potencial (U), ou

voltagem, ou força eletromotriz (fem), ou tensão; (são coisas diferentes!)

Corrente elétrica, que possui este nome por ser associada a uma fileira de elétrons

deslocando-se juntos e para um mesmo lado, pode ser, I, i, fluxo de elétrons ou

amperagem (vale a mesma observação);

Resistência (R), que, como o nome diz, oferece resistência ao fluxo dos elétrons, pode ser

também reatância ou impedância (também são coisas distintas).

Uma mesma diferença de potencial, U, causará um fluxo menor de elétrons, I, num fio fino, e

maior num fio grosso; menor num fio longo e maior num fio curto.

Pil h

a

+

-

Fluxo de água Fluxo de elétrons

Figura 4. Associação do modelo hidráulico ao elétrico, mostrando como atua o potencial e as resistências

sobre a surgimento e intensidade da corrente elétrica.

6

Como num circuito de Fórmula 1, onde os carros percorrem um caminho que se inicia a cada

volta (circuito circunferência movimento em um caminho fechado), em eletricidade, circuito

elétrico é um caminho, geralmente fechado, no qual fluem os elétrons. Neste circuito, os elétrons

só podem se deslocar quando o mesmo não está rompido, cortado, aberto ou bloqueado, mas podem

se dividir em ramificações, voltando a se unir depois (passada pelo Box). Os interruptores

elétricos atuam abrindo e fechando um circuito.

Resumindo: A diferença de potencial gerada pela força de repulsão causa o movimento dos

elétrons, que são freados pela resistência, gerando atrito e provocando o surgimento de calor, o

que consome energia. O atrito será maior em fios finos, muito longos ou de material pouco

condutivo, como as resistências de chuveiro.

Denomina-se a ddp como U, dada em Volt (V); a resistência como R, dada em Ohm (); e, a

corrente, como I, dada em Ampèr (A). A corrente, ou fluxo de elétrons, cresce com o aumento do

potencial, e diminui com o aumento da resistência:

R

UI logo U=RI ou R=U/I

U

R I Equação 1

Valores típicos são: 1,5 a 220 V para U; 0,001 a 10 A para I e de 1 a 1.000.000 para R.

Em eletrônica, os valores de U e I são, geralmente, muito pequenos, já os de R muito grandes.

Por isso, é comum o uso de notação científica (um número maior ou igual a 1 e menor que 10

multiplicado por potências de 10):

1000 metros é um quilômetro 1.000 m = 1x103 m = 1 km (103 k)

0,000.000.000.001 0,000.000.001 0,000.001 0,001 1 1.000 1.000.000 1.000.000.000

10-12 10-9 10-6 10-3 1 103 106 109

p (pico) n (nano) (micro) m (mili) k (quilo) M (Mega) G (Giga)

1.000 = 1 k ; 0,001 A = 1 mA ; 0,02 A = 20 mA ; 5.231 V = 5,231x103 V ou 5,231 kV

Pela relação matemática mostrada (U=RI), o fluxo de cargas que percorre uma lâmpada comum

de casa, numa rede de 110 V, e que tem “resistência” de 200 , é de:

U = R.I 110 = 200. I I = 110/200 = 0,55 A

110 V

200 0,55 A

Figura 5. Esquema para ligar uma lâmpada de 60W.

0,55 A equivale a dizer que:

3,4 x 10 18 elétrons passam por segundo

no fio da lâmpada, ou seja:

3 quintilhões e 400 quatrilhões de

elétrons por segundo a uma velocidade

de alguns cm/s (sim, centímetros).

7

No circuito usado para acender a lâmpada, Figura 5, a tomada é a fonte de energia (U), o fio o

condutor que une esta fonte à lâmpada. O filamento da lâmpada atua como resistência (R),

limitando a corrente elétrica (I). Sem esta resistência limitante, a tendência seria o fluxo de

elétrons ser enorme, provocando aquecimento no fio e risco de incêndio (conhecido como curto-

circuito).

Circuitos com resistores

Alguns símbolos iniciais que usaremos são:

R11k

ou

R21k

para resistores; para resistores variáveis (potenciômetro);

+ V110V

para fonte de potencial constante, e para fonte não constante.

O fio elétrico, por uma linha que une estes dispositivos.

A ddp total (energia) aplicada num circuito é perdida a cada elemento resistivo, e o circuito

deve ser analisado seguindo o caminho do fluxo das cargas. Estes elementos podem estar

dispostos de duas formas: paralelo (a corrente se divide em caminhos diferentes) e série (a

mesma quantidade de elétrons passa pelos resistores), veja:

R41k

R31k

R21k

+ V110V

R11k

A diferenciação entre paralelo e série é importante porque, em série, as resistências se

somam:

Req = R1 + R2 Equação 2,

já em paralelo dividem a corrente e, juntas, apresentam uma resistência equivalente menor:

Req = R3 . R4 / (R3 + R4) Equação 3

Tente encontrar como deduzir os Req : Ra, Rb e Rt, sabendo que Ra = Req de R1 e R2...

Rb500

+ V110V

Ra2k

Rt2,5k

+ V210V

R1 e R2 estão em série (a corrente é única)

R3 e R4 estão em paralelo (a corrente se divide)

A fonte de energia está em série com todos

Nota! Disposição paralela não implica em circuito paralelo,

ou seja, o conjunto R3/R4 não está paralelo a R1 e R2, mas sim,

em série com R1 e R2.

8

Simplificar o circuito inicial para um que seja formado por apenas uma resistência de 2,5 k e

uma fonte de 10 V nos permite calcular a corrente total que passa no circuito, que é: I = U/R I

= 10/2,5 k = 10/2500 = 4 mA

Leitura que se faz: 4 miliampéres de fluxo de elétrons são gerados pela fonte e divididos

entre os resistores 3 e 4, passando em cada, já que possuem a mesma resistência, metade, ou

seja, 2 mA, que, depois, se juntam novamente e percorrem os resistores 1 e 2 para retornarem à

fonte.

Para cada associação série ou paralela pode-se atribuir uma resistência equivalente, e quando

vários resistores estão em paralelo, basta resolver, matematicamente, agrupando-os dois a dois.

As resistências equivalentes podem ser associadas, em série e paralelo, até a obtenção de uma

única resistência equivalente geral (conforme feito no circuito anterior), com o intuito de se

calcular a corrente total do circuito.

São propriedade dos circuitos série e paralelo:

Série a corrente é a mesma e o potencial vai se subtraindo (perdendo);

Paralelo o potencial é o mesmo e a corrente se divide.

*** Em todos os pontos do circuito vale a equação U = R.I ***

Um novo elemento será adicionado, o “terra”. O terra define um ponto em que o potencial é

zero. Seu nome se deve porque, geralmente, é produzido fincando-se uma barra de cobre no solo,

e seu símbolo pode ser: ou . Ao terra atribui-se 0 V, e este atua retirando ou

adicionando elétrons do sistema, o que permite que digamos “potencial no ponto A”, pois o terra

passa a ser o ponto de referência geral e tem valor zero. Logo, se antes possuíamos uma diferença

de potencial entre dois pontos em um local não definido da escala, agora, definindo o menor como

zero, o maior terá o valor de U igual a ddp.

R520

+ V220V

R430

R320

R25

R13

+ V120V

Em outro exemplo, O circuito com uma só resistência equivalente está mostrado a direita, e

permite calcular a corrente total, sendo esta: I = U / R I = 20 / 20 = 1 ª Isto nos permitirá

obter os outros valores restantes.

Utilizando-se da mesma equação (U=RI) e das propriedades dos circuitos série e paralelo,

tem-se que:

Em R1 passa 1 A, logo a ddp = 3 V

Em R2 passa 1 A, logo a ddp = 5 V

Em R3 / R4 a ddp é a que sobra, ou seja, 20 – 8 = 12 V, assim:

9

o Em R3 a corrente é de 12 / 20 = 0,6 A

o Em R4 a corrente é de 12 / 30 = 0,4 A

Num ponto entre R1 e R2 o potencial é de 17 V para com o terra.

Estas associações são importantes, pois permitem ajustar o potencial que se quer aplicar

sobre um determinado ponto do circuito, ex:

Se dispusermos de uma bateria de carro de 12 V e quisermos usá-la para recarregar baterias

de Ni/Cd de 1,2 V, basta fazer uma montagem com dois resistores, um de 107 e outro de 13 ,

da seguinte forma (é claro que existem circuitos muito mais eficientes e rápidos para este

propósito, ver fonte de tensão na parte de Circuitos):

R1107

+ V212V

R513

Além destes conceitos de potencial, resistência e corrente, devemos incluir o conceito de

potência (energia por unidade de tempo). Isto porque a fonte fornece energia, e os elementos

posteriores a consomem. Logo, é interessante saber se o consumo por unidade de tempo de

energia pelos resistores, motores e lâmpadas não será maior que a capacidade de fornecimento

desta energia pela fonte (pilha, bateria e rede) ou suportada pela fiação que os liga. Também será

importante saber se a energia térmica dissipada por um dispositivo será eliminada sem problemas,

ou irá queimar o dispositivo. A potência pode ser calculada de três formas, como sendo:

P = U.I ou Equação 4

P = R. I2 Equação 5

P = U2/R Equação 6

Geralmente, para um resistor se conhece o valor de R e para uma fonte o valor de U, portanto

é mais comum usarmos P = UI para potência fornecida e P = RI2 para potência consumida ou

dissipada em um resistor, não que deva ser assim sempre.

Os resistores são vendidos no mercado com diversos valores de resistência e potência máxima

de funcionamento. As potências mais comuns são de 1/4W de 1W e 1/2W, já suas resistências

variam enormemente. Um código de cores é usado para exprimir a resistência no próprio

dispositivo, e deve ser lido a partir do lado que se inicia mais próximo a uma das extremidades,

ver Figura 6.

1,3 V

Como o Req = 120 I = 12/120 = 0,1 A, o que

gera sobre R5 um potencial de 1,3 V (pouco acima

da ddp da pilha).

Para facilitar, tente sempre calcular a corrente

total, a partir do Req, e ir calculando a ddp sobre

cada resistor.

10

Figura 6. Resistores de 1/8 W.

Preto 0

Marrom 1

Vermelho 2

Laranja 3

Amarelo 4

Verde 5

Azul 6

Violeta 7

Cinza 8

Branco 9

O código de cor mais comum para exprimir a tolerância de precisão nos valores de resistência

dados pelas cores da tabela anterior é:

Dourado 5%

Prateado 10%

Sem cor 20%

Além disto, existem resistores com 3, 4 e 5 faixas de cor. Nos de 4 e 5 faixas a última faixa

não dourada ou prateada indica o expoente de uma potência de 10. Nos de 3 faixas, se não

houverem faixas douradas ou prateadas, a terceira indica o expoente. Assim, alguns exemplos são:

Resistor de 3 faixas: amarelo, violeta e amarelo 47x104 = 470.000 ou 470 k

com 20% de tolerância (sem cor).

Resistor de 3 faixas: marrom, dourado, dourado 1 com 5% de tolerância.

Resistor de 3 faixas: amarelo, violeta e dourado 47 com 5% de tolerância.

Resistor de 5 faixas: marrom, verde, vermelho, vermelho e marrom 152x102 com

1% de tolerância, ou 15.200 , ou 15, 2 k, ou, na linguagem usada de maneira errada

pelos vendedores, 15k2. Este resistor é considerado de precisão, por ter uma faixa a

mais de cor.

Resistor de 4 faixas: marrom, preto, vermelho e dourado 10x102 , ou 1000 , ou 1

k com 5% de tolerância.

Resistor de 4 faixas: marrom, preto, marrom e dourado 10x101 , ou 100 com 5%

de tolerância.

Resistor de 4 faixas: marrom, preto, dourado, dourado 1x100 , ou 1 com 5% de

tolerância.

11

O tamanho dos resistores varia com sua potência, mas já é possível encontrar resistores de 1

W tão pequenos quanto os de 1/8 de Watt antigos.

Potenciômetros e trimpot

Um potenciômetro e um trimpot são resistores cuja resistência do terminal central é

variáveis. O potenciômetro é maior, já o trimpot é pequeno e de uso interno no circuito.

Potenciômetros são usados para ajuste de volume em aparelhos de som. A resistência total

especificada neste dispositivo de três terminais é a que existe entre seus extremos. O terminal

central varre estes valores, ver Figura 7. Existem potenciômetros circulares e retangulares,

todos com variação interna de resistência para com o terminal central de forma linear ou

exponencial, o que será especificado pelo vendedor.

Figura 7. Potenciômetros e trimpots.

Sinal

Antes de exemplificar sinais elétricos, conceituarei freqüência. A freqüência é o número de

repetições de qualquer coisa em um intervalo de tempo definido (f = n/t). Assim, um galo que

canta só uma vez toda manhã, canta com freqüência: f = 1 vez/dia, ou f = 7 vezes/semana, ou f =

365,25 vezes/ano, ou ainda, 0,04167 vezes/h. Quando usamos o Sistema Internacional de

medidas, a freqüência é dada em hertz (Hz), que significa repetições por segundo (Hz =

repetições/s).

Considera-se como sinal, qualquer polarização de um fio condutor, podendo ser esta de valor

constante ou cujo valor varia com o tempo. A variação pode ser qualquer: gradual, intensa,

periódica, aleatória, de amplitude máxima única ou não. Se for totalmente aleatória, em

freqüência e amplitude, é chamada de ruído. Veja Figura 8.

Estas ddp variáveis com o tempo acabam por gerar também correntes variáveis com o tempo.

As tomadas de nossas casas possuem dois furos, um ligado ao terra e o outro ligado a um fio

polarizado com um sinal senoidal. Este sinal varia com picos positivos e negativos de +/- 110 V, que

se alternam 60 vezes por segundo (60 Hz). Por isso, somente um dos furos dá choque — o outro

furo é o terra.

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Ruído

Tempo

U (V)

Tempo

U (V)

Constante ou contínuo Crescente

U (V) U (V)

Senoidal (onda inteira) Triangular

U (V) U (V)

Meia onda Onda quadrada

Figura 8. Formatos de sinal diversos

No caso de uma tomada de 220 V, os dois furos apresentam um sinal de +/- 110 V, entretanto,

opostos. No instante em que um furo está apresentando + 110 V, o outro apresentará –110 V, ou

seja, entre eles teremos uma diferença de potencial de 220 V, o que é capaz de nos dar um forte

choque. Nestes casos, no Brasil, não existe furo com fio terra, como nas tomadas de três pinos

de, principalmente, computadores que seguem modelos importados.

13

Neste ponto do entendimento, precisamos lembrar que nosso olhar deve objetivar a corrente,

e os efeitos desta sobre qualquer sistema. Assim, a sensação de choque com um fio de 12 V

encostado na língua pode ser tão intensa, ou até mais, que a causada por um de 110 V encostado no

dedo, pois a língua, por estar úmida, é muito condutora, e a quantidade de elétrons e íons que

podem fluir entre a língua e a bateria de 12 V podem ser maiores que a causada pelos 110 V no

dedo.

Agora, podemos entender o porquê da denominação AC (alternated current) na polarização da

tomada, pois, o potencial alternado irá causar a formação de uma corrente que se alterna, hora

indo para um lado, hora para o outro.

Um exemplo de sinal que será muito usado é o que se origina de um som ao microfone.

O som se propaga no ar, como ondas, similares às ondas na superfície de uma lagoa, quando

provocadas pela queda de uma pedra. Assim, estas ondas possuem uma intensidade, que está

relacionada com a amplitude (altura), e freqüência, que está relacionada à distância entre as ondas

e sua velocidade de propagação (tente imaginar com que freqüência ocorre a colisão destas ondas

com uma das bordas da lagoa).

As ondas sonoras, ao chegarem num microfone, são convertidas por este em valores de

potencial elétrico. Assim, uma frente de onda mais intensa pode produzir um pico de maior tensão,

uma onda média um pico de média tensão e uma baixa um pico de baixa tensão. O que temos é:

Tempo

ddp

Figura 9. Simulação de transformação de onda mecânica sonora em onda elétrica.

Note que o pico mais alto de tensão é o último a se formar no sinal elétrico, pois alcança o

microfone depois. Um exemplo da vogal “o” pela voz humana masculina próxima do Dó é

representada pelas ondas maiores da figura a seguir (notar o timbre, ou defeitos na onda que

permitem identificar quem a fez):

14

Esta onda sonora, por estar agora na forma de pulsos de variação de potencial pelo tempo,

pode passar por equipamentos eletrônicos e sofrer: amplificação (aumento de amplitude),

filtragem de tom (grave ou agudo), transformação e transmissão à longa distância etc.

Neste ponto passa a ser importante salientar que trabalharemos com dois tipos de sinais: o

contínuo e o variado.

O sinal contínuo possui ddp constante com o tempo e, por isso, é chamado de retilíneo ou DC

(direct current); o sinal variado possui ddp variada com o tempo, podendo gerar uma corrente

igualmente variada com o tempo, dita AC. O sinal DC pode ser conseguido por pilhas, baterias ou

transformadores retificados. Um sinal alternado vem da rede doméstica (60 Hz),

transformadores não retificados, som transformado em pulsos elétricos e outros. Veja Figura 8.

Capacitor

Capacitor ou condensador é um dispositivo constituído por placas condutivas paralelas e bem

próximas. Seu símbolo, então, é:

C11uF

quando não exige polarização (capacitor cerâmico); capacitor variável (trimmer);

+

C21uF

ou + ou

+

quando exige polarização (capacitor eletrolítico).

Os capacitores possuem a característica de armazenar cargas elétricas quando são

polarizados com pólos opostos, + e -. O acúmulo de cargas nas superfícies das placas paralelas se

dá pela atração mútua entre estas cargas, o que as estabiliza.

++

++

----

Figura 10. Capacitor de placas paralelas carregado.

A quantidade de carga armazenada nas placas de um capacitor será maior quanto maior for a

ddp usada para carrega-lo, maior o tamanho destas placas e menor a distância entre elas, já que a

menor distância aumenta a força de atração entre as cargas. Esta capacidade de armazenamento

de cargas é denominada capacitância e é dada em Faraday (F). Como a unidade Faraday é muito

15

grande, os valores típicos dos capacitores do mercado são de F, nF e até pF. Quanto maior for a

área das placas paralelas, maior será a capacidade de armazenamento de cargas elétricas,

portanto maior será a capacitância.

O capacitor possui a propriedade de carregar e descarregar rapidamente. Quando

descarregado, não existe diferença de potencial entre suas placas, mas, quando é polarizado por

uma fonte de tensão, vai adquirindo cargas e ficando com uma ddp de mesmo sinal e valor à que

está sendo aplicada pela fonte. Como, no estado totalmente carregado, a diferença de potencial

tem o mesmo sinal e valor da fonte, o capacitor acaba parando os elétrons, pois os empurra no

sentido oposto ao da fonte:

No estado totalmente carregado é como se houvessem duas fontes

de mesmo valor, ligadas em sentidos opostos e em série. Como veremos,

além do capacitor apresentar uma certa impedância para sinais variados,

ele impede a passagem de sinais contínuos, pois adquire uma ddp que

pára a corrente. Assim, para sinais contínuos, um capacitor funciona

como um interruptor aberto (chave desligada).

O gráfico de carga ou descarga de um capacitor é então:

Tempo

I (A)

Figura 11. Curva de carga ou descarga de um capacitor.

Note que a corrente inicial é alta, mas que, com o passar do tempo, diminui até se estabilizar

no valor nulo, zero ampéres.

Se o sentido do potencial da fonte for invertido antes da carga total do capacitor, a corrente

inverte-se, podendo ocorrer sua descarga e carga no sentido oposto. Isto fará com que o

capacitor não impeça em momento algum a passagem de corrente, mas limite esta, principalmente

se pensarmos em valor médio. Este efeito é observado quando ao capacitor é aplicado um sinal que

oscila entre + e – mais rapidamente que sua velocidade de carga e descarga. Se este sinal oscilar

lentamente, o capacitor opor-se-á mais intensamente ao sinal, mas se ele oscilar rapidamente, o

capacitor irá se opor pouco, pois o potencial acumulado não será tão oposto ao da fonte. Este

fenômeno de oposição à passagem de corrente pelo capacitor é denominado reatância capacitiva, e

representada por Xc:

Xc = 1 / (2f.C) Equação 7

C11uF

+ V212V

+

12 V

-

16

Ou seja, a reatância capacitiva diminui com o aumento da freqüência (f) do sinal oscilante e

aumento da capacitância (C). Portanto:

Para um sinal oscilante rápido, o capacitor apresenta baixa reatância;

Para um sinal oscilante lento, o capacitor apresenta alta reatância; e,

Para um sinal de freqüência zero, o capacitor é, após um curto tempo, um circuito aberto

(não passa corrente);

Para capacitores grandes, a reatância é menor.

Como exemplo de seu uso temos os filtros usados em montagens de alto-falantes, nos quais um

capacitor adequado é soldado em série com um twiter para barrar as freqüências baixas, e deixar

passar as altas.

A capacitância de um capacitor de placas paralelas pode ser calculada como: C = eoA/d, onde

eo é a constante de permissividade do vácuo = 8,85x10-12 F/m ou C2 /N.m2 ; A é a área das placas

paralelas e d a distância entre elas. Pode-se fazer um capacitor com duas folhas de alumínio

separadas por uma lamínula de vidro, entretanto seu valor de capacitância será baixo. Uma

lamínula é quadrada e tem 1 cm por 1 cm com 0,2 mm de espessura. Logo:

C = 8,85x10-12 . 1x10-2.1x10-2 /0,2x10-3 C = 4,4x10-12 F ou 4,4 pF (pico Faraday)

A associação de capacitores obedece a leis de forma contrária à dos resistores:

Em circuitos paralelos as capacitâncias são somadas.

Em circuitos série o capacitor equivalente é:

21

2.1

CC

CCCeq

Equação 8

Indutor ou Solenóide

Indutor ou solenóide é um fio enrolado na forma de uma bobina, ou seja, formando uma

espiral, uma mola. Por isso, seu símbolo é

L11uH

ou

L21uH

.

Para compreendermos seu comportamento e nome, devemos saber que: todo movimento de

cargas elétricas num fio gera um campo magnético, que por sua vez, quando varia em

intensidade, causa a movimentação de cargas elétricas. Assim, o indutor é capaz de induzir a

formação de corrente elétrica em fios ou bobinas próximas, como também sobre si mesmo.

Entretanto, este fenômeno ocorre, por exemplo, da seguinte forma: se houver um aumento da

corrente, haverá um aumento do campo magnético, que causará sobre a bobina o surgimento de

corrente no sentido oposto àquela inicial que havia gerado o campo magnético. Ou seja, o aumento

da corrente elétrica num indutor causa o surgimento de uma força contra si mesmo. Chamamos

este fenômeno de reatância indutiva, representada por XL, e dada por:

17

XL = 2f.L Equação 9

Onde L é a indutância do solenóide, e depende de sua geometria, como número de espiras,

diâmetro destas, comprimento da mola, formato e núcleo de apoio.

Nota-se, pela fórmula, que, ao contrário do capacitor, o aumento da freqüência aumenta a

reatância em um solenóide. Portanto, para sinais DC o indutor não apresenta impedância, sendo um

circuito fechado (sem resistência) — ao contrário de um capacitor.

A unidade que caracteriza um indutor é o Henry (H), e é uma relação entre a densidade do

fluxo do campo magnético no seu interior e a corrente que o gerou. Para cálculo da indutância em

um indutor feito com fio enrolado em um bastão não metálico, podemos usar a fórmula: L =

o.n2.A.l, onde o é constante de permeabilidade do vácuo = 4x10-7 T.m/A ou H/m, n o número de

espiras por unidade de comprimento, A a área da secção transversal e l o comprimento.

Num bastão de 3 cm, com área de secção transversal dada por ter um raio de 0,5 cm e

enrolado por 90 voltas de fio muito fino, teremos 90/3x10-2 como valor de n, assim:

L = 4x10-7. (30x102)2.(0,5x10-2)2.3x10-2 L = 2,6x10-6 H ou 30 H (micro Henry)

A capacidade de induzir campos magnéticos de um solenóide nos ajuda a entender o

funcionamento de um transformador, de um motor, de um alto-falante e até de alguns microfones.

Um transformador é formado por duas ou mais bobinas, uma dita primária (entrada de sinal) e

outra secundária (saída de sinal). O potencial variável aplicado na bobina primária gera na

secundária outro potencial. Já que o número de voltas de uma bobina implica na intensidade do

campo magnético que será gerado, a razão entre os potenciais do primário e secundário de um

transformador pode ser dada pela razão entre os respectivos números de voltas de suas bobinas.

Ex: Um transformador com 1000 voltas no primário e 100 voltas no secundário permite

transformar 110 V em 11 V, ou 12 V em 1,2 V.

É muito importante percebermos que a corrente induzida só ira ocorrer se a corrente

geradora for variante no tempo. Assim, em transformadores comuns, seu funcionamento só irá

ocorrer para sinais de rede ou sonoros acima de 20 Hz (por isso a rede é de 60 Hz).

Como o campo magnético pode ser direcionado por uma placa metálica, os transformadores são

construídos com miolo de lâminas metálicas, e seu símbolo pode ser

T1

, com saída

O campo magnético, B, que é dado em Tesla (T), gerado por este indutor é dado pela fórmula:

B = o.i.n

Entretanto, é bastante complexa a forma de prever a força de atração que provocará este

campo sobre um objeto, pois esta depende também de um “dipolo magnético” da substância.

Para cargas elétricas pontuais (mono-pólo), a força depende da velocidade de deslocamento

desta carga, sendo a famosa força regida pela regra da mão direita dada por: F = q.v.B

Para se ter uma idéia do campo e prever sua ação, basta comparar os valores abaixo:

Campo magnético na superfície de uma estrela de nêutrons 108 T

de um pequeno imã 10-2 T

da superfície da Terra 10-4 T

18

para terra (central) e duas outras contrárias entre si; só contrárias

T2

, e

T310TO1

.

Uma bobina de carro é construída de tal forma que o secundário é uma continuação do

primário e possua 1000 vezes mais voltas. Isto faz surgir de 12 a 15 kV entre seus extremos, o

suficiente para romper a resistência do Ar e provocar o surgimento de uma faísca.

Um motor elétrico também funciona pela formação de um campo magnético através de uma

bobina. Neste caso, a bobina pode ficar preza a um eixo, e o campo magnético gerado deve estar

transverso a um campo externo, o que faz este eixo girar. Entretanto, quando o eixo gira, o

sentido da corrente na bobina do eixo é invertida, invertendo-se o campo magnético e

recomeçando o processo de repulsão e atração que torna a girar o eixo.

Os autofalantes constituem-se, basicamente, de uma bobina sob um forte campo magnético

(imã permanente) e, nesta bobina, é preso um cone de papelão. Quando uma corrente passa pela

bobina, esta faz dela um eletroímã, que pode ser atraído ou repelido pelo imã permanente,

movimentando o cone de papelão que, por sua vez, movimenta o ar a sua frente, e causa o

surgimento de frentes de onda sonora. Assim, um altofalante transforma pulsos de ddp (que gera

pulsos de corrente) em movimento do ar em intensidades correspondentes as dos pulsos de ddp.

Alguns microfones funcionam pelo princípio inverso ao do alto-falante. Na natureza, quase

tudo é recíproco. Dar um soco em alguém causa o mesmo dano que bater com a cabeça deste

alguém no punho. Assim, se uma variação da corrente gera o movimento do eletroímã sob o campo

magnético no altofalante, então, o movimento do eletroímã irá gerar corrente elétrica. Pois bem,

este também é o princípio usado para geração de energia em usinas elétricas.

Microfones de eletreto funcionam por variação de sua resistência interna via compactação de

uma camada de partículas condutoras. Esta compactação provocada pelas ondas sonoras diminui a

resistência interna do dispositivo conforme a intensidade da onda, o que pode gerar variações na

tensão central de um divisor de tensão do circuito onde está acoplado o microfone. Veremos

sobre divisores de tensão em na página 27.

Associação e uso de indutores, capacitores e resistores

A associação entre indutores, capacitores e resistores, RLC, pode ser paralela ou série.

Se desprezarmos a resistência dos materiais condutores que formam uma bobina e um

capacitor, e ligarmos um ao outro num circuito fechado, como mostrado no circuito a seguir,

Figura 12, teremos um circuito oscilante.

Figura 12. Circuito oscilador LC.

19

Imaginemos um momento inicial em que o capacitor está totalmente carregado e acaba de ser

conectado ao circuito. A partir deste instante, suas cargas tendem a se distribuírem pelo circuito,

indo do seu pólo negativo para o positivo e passando pela bobina. Como sua carga é máxima, a

corrente tende a ser também máxima, mas a bobina que responde contrariamente à passagem de

corrente acaba por oferecer reatância máxima a esta corrente. Assim, a corrente inicial acaba

sendo pequena. Com o passar do tempo o capacitor vai se descarregando (a ddp em seus terminais

diminui), e a corrente tende a ter uma elevação de valor mais lenta. Deste modo, a bobina acaba

por oferecer menos reatância e a corrente flui mais facilmente. Quando o capacitor está quase

que totalmente descarregado, a bobina quase que não apresenta reatância, pois quase não há

variação da corrente, e esta então passa a ser quase máxima.

No momento em que o capacitor se descarrega, a corrente é máxima, portanto tende a

diminuir, mas como a bobina atua de forma contrária a esta variação, acaba por induzir a corrente

a continuar fluindo. Entretanto, o capacitor passa a se carregar com pólos opostos aos do início, e

isto freia a corrente. A diminuição da corrente passa a ser menos acentuada, e isto diminui

também o efeito indutivo da bobina, que impulsiona menos corrente. Este processo continua até

que a corrente seja nula sobre o indutor e o capacitor esteja totalmente carregado com cargas

opostas às iniciais. Daí então, tudo recomeça no sentido contrário e o sistema fica oscilando

indefinidamente.

No entanto, sabemos que não existe circuito perfeito, e as resistências internas dos materiais

irão dissipar a energia do circuito na forma de calor, logo este oscilará cada vez com menor

amplitude de corrente máxima até parar. Este é o chamado oscilador harmônico atenuado, cuja

corrente pode ser expressa pela curva a seguir:

corrente

tempo

Figura 13. Curva senoidal de uma oscilação harmônica atenuada.

A freqüência de oscilação de um circuito LC é dada por:

CLf

.2

1

Equação 10

Num circuito LC em que um potencial oscilante é aplicado, como em filtros LC para sons ou

para rádio freqüência, a força de oposição à passagem da corrente elétrica se deverá à

resistência dos condutores ou resistores, da reatância indutiva e também da capacitiva. Esta

oposição somada de todos os dispositivos é conhecida como impedância (Z), um fator que atua

similarmente a resistência, mas tem maior abrangência por ser diferente desta em circuitos com

corrente variada.

O circuito LC série possui impedância que pode ser calculada pela equação:

22 )( CL XXRZ

Equação 11

20

Como o capacitor irá barrar as freqüências baixas e a bobina as freqüências altas, o circuito

LC série só deixará passar uma estreita faixa de freqüências, correspondente a freqüência de

oscilação.

Já um circuito LC paralelo, irá barrar a faixa central, e deixar passar as freqüências baixas e

altas. Apresentando, portanto, alta impedância para a freqüência calculada pela Equação 10.

Nos casos série e paralelo, a resistência atua aumentando a faixa central de freqüências

passante ou barrada, respectivamente.

Circuitos envolvendo capacitores e indutores serão mostrados na parte de Circuito

fundamental à compreensão da eletrônica.

Semicondutores

Semicondutores são, a grosso modo, materiais que apresentam seus elétrons mediamente

presos aos núcleos. São exemplos de materiais semicondutores o silício, o germânio, o arseneto de

gálio e o óxido de titânio.

Com os semicondutores são construídos dispositivos como transistores, diodos, LED,

capacitores variáveis, termo-resistores, circuitos integrados (CI), memórias eletrônicas,

processadores e dispositivos que veremos mais adiante, como SCR, LDR, DIAC e TRIAC.

Para entender o funcionamento, e melhor usar, os dispositivos semicondutores, devemos ter

em mente sua constituição, observando o silício como exemplo.

Um material de silício puro possui seus átomos ligados por quatro ligações covalentes

simbolizadas por traços, sendo, portanto, neutro. Cada traço envolve 2 elétrons. Quando um

átomo de silício, que possui 4 elétrons na última camada, é substituído por um de fósforo, que

possui 5 elétrons na última camada, o material fica com um elétrons livre, e mesmo não tendo uma

carga elétrica total negativa, convencionou-se chamá-lo negativo, ou tipo N. Já, quando um átomo

de silício é substituído por um de boro, que possui 3 elétrons na última camada, o material fica

com falta de elétrons, e dizemos positivo ou P. Tanto a sobra como a falta de elétrons aumentam

bastante a condutividade dos semicontutores, e este estado “carregado” é dito dopado. Assim, um

semicondutor pode estar dopado tipo N ou tipo P, o que o torna condutor, mas se estiver neutro é

isolante. As cargas da dopagem são denominadas condutores primários, já defeitos no material

que produzam cargas opostas são chamados de condutores secundários.

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

P

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

B

Si

Si

Si

Si

Si

Neutro Tipo N Tipo P

o

o

Figura 14. Fragmento de semicondutor de silício, silício dopado tipo N e silício dopado tipo P.

21

Diodo comum e zener

Um diodo é um dispositivo obtido pela junção de um material tipo N e outro P, formando uma

junção semicondutora. No instante em que ocorre a junção, elétrons livres do material N fluem

para o material P, neutralizando-se, ambos. Isto forma uma camada isolante próxima à junção PN.

Ver Figura 15.

Como conseqüência deste efeito de fluxo de cargas e formação de uma camada isolante

(camada de depleção), um diodo é um dispositivo que permite a passagem de corrente elétrica em

uma só direção, ou seja, quando está polarizado diretamente, e impede em outra, quando está

polarizado inversamente. Exemplificando a polarização inversa, se ligarmos uma fonte com pólo +

em N e – em P, iremos retirar eletros de N e adicionar em P, aumentando a camada isolante na

junção. O contrário, polarização direta, irá regenerar os materiais P e N, afinando a camada

isolante até tornar o dispositivo condutor.

P NP

N P

N+

-

+

-

Figura 15. Junção PN; junção PN polarizada diretamente; e, junção PN polarizada inversamente.

A simbologia usada para um diodo comum é

+ -

p n e sua identificação no dispositivo é

dada por uma faixa prateada de um de seus lados, ou sinais de + e -. Um circuito com polarização

direta, e outro com polarização inversa estão mostrados na Figura 16.

Corrente convenc ional

Corrente real

Conduz Não conduz

+ - + -

Figura 16. Circuitos com diodos sob polarização direta (esquerda) e inversa (direita).

Polarização Direta

Polarização Inversa

22

Passaremos, desde agora, a utilizar a simbologia

+ -

para simbolizar fonte de tensão

constante, como pilhas e baterias. Note que o lado negativo fica do lado em que as barras

verticais são menores, e o positivo do lado em que estas são maiores.

Também é importante sabermos que nos primórdios dos estudos da eletricidade, acreditava-

se que a corrente elétrica fluísse do positivo para o negativo. Assim, os símbolos em eletrônica

são construídos com base em uma dita corrente convencional, que flui no sentido aposto ao dos

elétrons (corrente real), e que a maioria das pessoas prefere imaginar como sendo a de buracos

formados pela desocupação dos elétrons. Um elétron que for para a esquerda deixará um buraco à

direita.

Um diodo não possui resistência interna fixa, já que sua camada de depleção diminui com o

aumento da polarização direta. Assim, sua curva de condutividade comporta-se como mostrado na

Figura 17.

I

V diretoV inverso

Figura 17. Curva de corrente versus potencial aplicado a um diodo.

Um diodo de uso comum é o diodo zener, cujo símbolo é . Este tipo de diodo é feito

para funcionar quando polarizado inversamente, e apresenta uma característica muito importante,

que é a de ter sua resistência interna abruptamente reduzida quando polarizado acima de certo

valor especificado. O fabricante é quem especifica em que valor de tensão o zener ira atuar, ou

seja, ira ter sua ruptura de resistência, permitindo passar quase que livremente a corrente

elétrica. Um gráfico para diodo zener está mostrado na Figura 18:

V (direta)V (inversa)

tensão de ruptura

corrente

Figura 18. Curva de corrente versus potencial aplicado em um diodo zener.

Notar que, para polarização inversa, a

corrente se mantém nula (em zero), já para

polarização direta, é pequena no início e

cresce rapidamente após certo potencial.

Para diodos de silício, este potencial, no

qual ela cresce rápida, é de 0,7 V, para

diodos de germânio é de 0,3 V.

23

A tensão de ruptura de um diodo zener varia de 2 V a vários volts. Um circuito bem simples,

que não tem utilidade prática direta, mas exemplifica bem a utilização e montagem de circuitos

envolvendo o uso de zener é:

Neste circuito, a análise é feita considerando-se que, dos 12 V totais da bateria, 3,2 V

“morrem” no zener, sobrando 8,8 V para o resistor. Esta seqüência de análise é importante para

não queimarmos o zener, já que o mesmo costuma ter uma potência baixa (lembrar que P = V.I).

Um bom funcionamento é aquele em que a corrente de trabalho é da ordem de 5 mA, e o que

limitará isto vai ser o resistor. Assim, se entre os terminais do resistor existir uma ddp de 8,8 V,

seu valor deverá ser de 1760 (U = R.I 8,8 = R.5x10-3 R = 8,8/0,005 = 1760). É importante

percebermos que o zener não limita a corrente, mas sim a ddp sobre si mesmo, que será sempre

igual, mesmo que o resistor varie (causando a variação da corrente).

Diodo emissor de luz — LED (Light Emited Diode)

Um LED é um diodo emissor de luz, que por ter seu comportamento baseado nas transições

eletrônicas de semicondutores, acaba por ser monocromático: vermelho, verde e amarelo além de

emitir luz sem a necessidade de aquecimento. Por este último motivo, um LED é bastante eficiente

e seu consumo acaba sendo bem pequeno, da ordem de 5 a 10 mA. Como o mesmo só acende com

uma ddp maior que 1,7 V, é necessário em sua utilização, fazer o mesmo cálculo de resistência

limitante da corrente que foi feito para o zener. Se lembrarmos que P=U.I, a potência de um LED

é da ordem de 10 a 20 mW; a mesma que de um típico zener.

Hoje em dia existem LED de varias outras cores, inclusive que emitem no infra-vermelho

(controle remoto de TV...), no ultra-violeta, azul, roxo e LED de alta potência, nestas cores e

também na incrível cor branca. Entretanto, deve-se tomar cuidado, já há relatos de pessoas que

enfeitaram o aquário com LED roxos e deixaram cegos seus peixes, devido a luz ultra-violeta

emitida em conjunto da luz visível.

Para diodos de alta potência, a corrente indicada é de 20 mA.

A polarização correta para um LED é com o lado chanfrado no negativo, como também, com o

terminal maior no positivo, ver Figura 19.

24

-+

Figura 19. Foto de dois LED verdes, um vermelho e um branco de alta potência, neste último já foi soldado

um resistor limitador de corrente de 490 para um circuito de 12 V.

Transistor

Transistor, que vem de trans resistor (resistor de transferência) é um dispositivo de três

terminais, dos quais, o central pode ser usado para variar a transferência de energia entre os

terminais laterais.

Existem, fundamentalmente, dois tipos de transistores, o TJB e o FET. O TJB (transistor de

Junção Bipolar) é acionado pelo fluxo de cargas no terminal central, e o FET (Field Effect Transistor) é acionado pelo potencial.

A grosso modo, um transistor funciona como uma resistência variável (entre EC), controlada

pelo terminal central (B), ver Figura 20. No caso dos TJB, um parâmetro importante é o . Este

parâmetro é especificado pelo fabricante, e gira em torno de 40 a 200, com valor comum de 100.

Por ser um dispositivo controlado à corrente, um valor = 100 significa que a corrente que

transita entre seus terminais extremos é 100 vezes maior que a que controla ela, ou seja, do que a

corrente que passa pela base (=Ic/Ib). O valor de é muitas vezes medido como hfe em

multímetros. Os TJB podem ser de dois tipos: npn e pnp, cada um possuindo duas junções pn, a EB e a BC. O

npn conduz sob potencial positivo, e o pnp sob potencial negativo, sempre relativo ao emissor.

Os terminais e símbolos usados para dispositivos semicondutores são baseados na corrente

convencional, ou de buracos.

25

N P NEmissor

Base

Coletor

EB

C

P N PEmissor

Base

Coletor

EB

C

Figura 20. Junção NPN e PNP de transistores de junção bipolar e seus símbolos.

Falando mais tecnicamente, a polarização apropriada de um transistor é com a junção

pn/emissor-base polarizada diretamente, e a junção pn/base-coletor polarizada inversamente.

Isto faz com que surja uma fina zona de depleção entre EB e uma mais grossa entre BC,

impedindo a passagem de corrente entre EC.

EB

C

N P N

- +-

-- +

--

E

B

C

+ +- -

N P N

- +-

-- +

--

E

B

C

+-

++

Figura 21. Um transistor NPN TJB com EB não polarizada e com EB polarizada, mostrando a diminuição

da camada de depleção, mais o esquema elétrico desta montagem.

Quando um fluxo de elétrons é forçado pela polarização BE, ocorre a diminuição da região de

depleção BC pela injeção de buracos na base p, aumentando a corrente EC. Assim, em um

transistor NPN, quanto mais positiva estiver a base P, mais condução ocorrerá entre EC.

26

Figura 22. Esquema elétrico e as curvas de corrente de coletor em função da ddp entre coletor e emissor

para várias correntes de base, mais uma curva de corrente de base em função da ddp entre base e emissor

para três ddp entre coletor e emissor.

Para um transistor pnp a análise é inversa, devendo a base ser polarizada mais negativamente

(menos positiva) para que ocorra a condução entre EC.

Além disto, existem três disposições básicas para um transistor num circuito: base comum,

emissor comum e coletor comum, BC, EC e CC, respectivamente. A configuração que iremos usar e

analisar é a EC, em que o emissor está comum a entrada e a saída de sinal, geralmente ligado ao

terra (costuma-se chamar o terra de fio comum).

Na Figura 22, polarização EC, a região ativa do transistor é tida como a região central da

curva Ic x Vce, na qual o dispositivo pode ser usado como amplificador, reproduzindo o sinal de

saída com fidelidade ao de entrada. Adotando Vce como 10 V, pode-se construir a seguinte tabela:

Vbe (V) Ib (A) Reb (k) Ic (mA) Rec (k)

0,65 10 65 2,4 4,0

0,70 30 23 3,4 2,9

0,75 50 15 5,0 2,0

Note que uma pequena variação dos valores de Vbe provoca uma grande variação de Rec, e isto

pode ser usado para amplificar um sinal, como será visto na parte sobre Amplificação de sinal

com transistor.

Considerações preliminares

Uma análise minuciosa de circuitos pode ser bastante complicada, principalmente quando estão

envolvidos sinais oscilantes de alta freqüência. Não é minha intenção, e nem tenho competência

para fazer isto. O que considero fundamental é que pessoas sem curso específico na área

consigam pensar e construir seus próprios circuitos. Para isto, é suficiente que estas saibam a

função básica de cada dispositivo, e conheçam algumas montagens, para então fazerem a união

entre estas montagens e obterem aquilo que desejam. Assim:

Uma fonte de potencial gera corrente.

Um resistor consome potencial e limita a corrente.

Um capacitor armazena cargas e potencial, liberando estas por um tempo controlado por

uma resistência ligada em série com ele, além de oferecer menor impedância para alta

freqüência, e vice-verso.

27

Uma bobina gera um eletroímã, além de oferecer maior impedância para sinais de alta

freqüência.

Um transistor atua como um resistor variável controlado por um sinal aplicado na sua base.

Um amp-op é um “super transistor”, além de um importante comparador de tensão.

Circuito fundamental à compreensão da eletrônica

O circuito, considerado por mim, como fundamental à compreensão da eletrônica é o divisor de

tensão, já parcialmente demonstrado na parte sobre “Circuitos com resistores”.

De maneira geral, um divisor de tensão é um circuito que permite obter um sinal de valor

intermediário entre outros dois. Por isto mesmo ele é bastante simples, e geralmente compõe-se

de dois dispositivos.

Um circuito já discutido é o composto por dois resistores, e para entende-lo basta lembrar

que o potencial total será todo consumido nas etapas resistivas.

No circuito da Figura 23, o resistor de cima é 5 vezes mais resistivo que o abaixo, logo

derrubará 5 vezes mais a energia, conforme pode ser visto. Dos 12 V, o de baixo consome 2 V e o

de cima os outros 10 V. Variando as razões entre os valores dos resistores pode-se conseguir

qualquer potencial desejado entre valores muito próximos do máximo e do mínimo do circuito —

neste caso 12 V e 0 V.

Figura 23. Circuito divisor de tensão com resistores de 1 e 5 k. Um multímetro digital indica a diferença

de potencial entre o ponto acima do resistor de 1 k e o terra.

Analisando apenas o que aconteceria com o potencial medido no esquema da Figura 23, se

aumentássemos o valor do resistor de cima, acabaríamos por diminuir o potencial na divisão. Por

exemplo: se em vez de 5 k fosse 11 k, o potencial medido seria de 1 V.

A maneira mais fácil de fazer o cálculo do potencial no divisor é pelo método já descrito, no

qual se calcula a resistência equivalente, para se obter a corrente total e então ir calculando a

queda de tensão em cada ponto do circuito, tudo usando uma mesma fórmula: U = R.I.

Assim, no circuito da Figura 23 teríamos 12 V ligados ao resistor equivalente de 6 k, o que

daria uma corrente total de 2 mA (12 = 6x103.I I = 2x10-3). A partir desta corrente, calcula-

se a ddp entre cada elemento resistivo. No resistor de 1 k tem-se que U = 1x103 .2x10-3 = 2, logo

2 V. Como o extremo inferior dele está ligado ao terra, sua parte de cima só pode estar 2 V acima

de zero. Os outros 10 V são consumidos no resistor de 5 k, veja: U = R.I U = 5x103 . 2x10-3 =

10, logo 10 V.

28

Circuitos divisores de tensão são usados para polarizar corretamente a base de transistores,

de circuitos integrados e para gerar sinais de comparação, ou até mesmo fazer uma amostragem

para medida de um sinal muito alto.

Na construção de um bom sistema de som, circuitos divisores de tensão são usados para

filtrar freqüências. Uma caixa acústica deve ter três componentes, um woofer, um alto-falante

médio e um twiter. No woofer deve chegar apenas sinais de baixa freqüência, no alto-falante

médio os sinais de média freqüência e no twiter os de alta freqüência.

Sabendo que um sinal de baixa freqüência é barrado por capacitores, um sinal de alta

freqüência barrado por bobinas, e sinais médios são os únicos não barrados por uma associação LC

série, pode-se construir uma caixa seguindo o esquema da Figura 24.

Neste esquema mostrado, percebe-se que dos 10 V aplicados, a 1 kHz, o woofer e o twiter

recebem apenas 5 V, já o aulto-falante médio recebe 7 V (~1,5 mais). Se fizermos os cálculos da

reatância do indutor em série com o woofer para um sinal de 5 kHz, chegaremos a um valor de

aproximadamente 30 , que por ser quase 4 vezes maior que os 8 do woofer, fará chegar a ele

apenas cerca de 2,0 V. Nestas mesmas condições, a reatância capacitiva do capacitor de 22 F em

série com o twiter será de aproximadamente 1,5 , o que faz sobrar sobre o twiter cerca de

8,5 V. Se fizermos uma análise do circuito sob um sinal de 100 Hz obteremos uma resposta

oposta, portanto este circuito permite que cada alto-falante receba, majoritariamente, o sinal

para o qual foi projetado.

Figura 24. Circuito simulando uma caixa acústica. Os resistores de 8 representam os alto-falantes e os

medidores de potencial indicam a energia que chega em cada alto-falante. Da esquerda para a direita, tem-

se um woofer, um alto-falante médio e um twiter. O sinal aplicado possui 10 V pico-a-pico e 1 kHz.

Amplificação de sinal com transistor

Um transistor pode ser usado em um circuito como resistor inferior do divisor de tensão, ver

Figura 25, de modo a variar o sinal obtido no divisor, amplificando, reduzindo ou mantendo a

amplitude deste sinal. Entretanto, esta montagem inverte o sinal, já que, por exemplo, num

29

transistor NPN a parte positiva do sinal irá fazê-lo conduzir, trazendo a saída para próximo do

terra. E, um sinal negativo o torna resistivo, elevando o sinal até próximo da fonte.

Figura 25. Transistor NPN numa configuração EC (emissor comum) atuando num divisor de tensão. O

ponto E indica a entrada de sinal que sai invertido na saída S.

Se estivermos diante de uma montagem na qual o problema é alimentar uma lâmpada de

lanterna com 20 de resistência interna e que precise de 100 mA para ser acionada, já

saberemos que a corrente de base do transistor deverá ser de 1 mA ( = 100) e que 2 V irão ser

consumidos somente pela lâmpada. Alimentando o sistema com 4,5 V e sabendo que 0,7 V morrem

entre os terminais BE do transistor, sobram 3,8 V entre B e a fonte, que deverão gerar 1 mA, logo

por U = RI temos que R deve ser de 3,8 k. Em vista de um brilho mais intenso para ocasiões

especiais e de curta duração, usaremos 3 k. Falta descobrirmos o valor do potenciômetro.

Supondo que esta lâmpada irá começar a acender com 25% de sua corrente de trabalho, ou seja,

25 mA, na base do transistor deverá então passar 0,25 mA. A resistência que limitaria esta

corrente sob 3,8 V deverá ser de 15 k (por U = RI). Não podemos esquecer que já existe uma

resistência de 3 k acima, logo basta que o potenciômetro seja de 12 k, mas por disponibilidade

de mercado, usaremos um de 10 k. Assim, se construirmos um circuito com apenas três

componentes, ver Figura 26, para alimentar a base de um transistor NPN com uma resistência de

3 kW e um potenciômetro de 10kW, poderemos ajustar o brilho da lâmpada de uma lanterna entre

um valor mínimo e outro um pouco acima do normal, permitindo seu uso por muito mais tempo e em

ocasiões diversas.

Figura 26. Circuito transistorizado para ajuste da luminosidade de uma lâmpada de 3 V (duas pilhas) de

lanterna usando 3 pilhas.

em E em S

+- -

+

30

Para um sinal oscilante, deve-se considerar o fato de que o sinal que entra em E sai invertido

em S, na Figura 25. Outra coisa, é que o ganho de corrente de, geralmente, 100 vezes, que é o

especificado pelo fabricante, varia com a temperatura. Um circuito bem mais simples de ser

analisado e que não possui o inconveniente de depender de , é o que usa a base do transistor

polarizada por um divisor de tensão, Figura 27. Para este circuito, a relação de amplitude entre o

sinal de saída e o de entrada depende de R1 e R2 e da polarização da base do transistor. Para

sinais variáveis de amplitude pequena e valores de R1 5 k, pode-se considerar que o ganho de

tensão do circuito é Av = -R1/R2 (O sinal negativo indica a inversão do sinal de entrada). Neste

caso, o ganho de corrente continua sendo .

Figura 27. Circuito EC com base polarizada em 3 V e R1 5 k, o que permite um ganho dado por -

R1/R2 (-2000/500 = -4), ou seja, com ganho de –4 vezes os 50 mV aplicados na base do transistor. Sinal

medido de 50 mV no canal A e de 200 mV no canal B pelo osciloscópio ligado a B e C do TJB NPN.

A configuração EC mostrada permite uma amplificação da tensão, mas tem corrente muito

baixa, logo não é indicada para ser usada como saída de potência (som). Por isso existe diferença

entre amplificador sonoro e o módulo de potência utilizado nos sons dos carros.

Um módulo de potência de 20 W rms pode ser conseguido pelo esquema push-pull

complementar com transistores Darlington, Figura 28, mas é interessante saber que existem no

mercado circuitos integrados de uso simples e que permitem boa amplificação com alta potência,

ver Amplificador sonoro de 20W rms com TDA2050.

31

A configuração em que dois transistores são acoplados em série é chamada Darlington.

Existem no mercado transistores já encapsulados com esta montagem. A configuração Darlington

possui a vantagem de multiplicar o ganho de corrente de um transistor por milhares de vezes, já

que o de um transistor Darlington é a multiplicação dos betas de cada transistor que o forma.

Figura 28. Amplificador push-pull quase-complementar com transistor em configuração Darlington.

Potencia de saída entre 10 e 20 W rms.

Amplificador operacional

Amplificadores operacionais, ou amp-op, são dispositivos encapsulados do tipo Circuito

Integrado (CI) que permitem a obtenção de um ganho muito alto sobre um sinal de entrada, com

as vantagens de apresentar uma grande impedância de entrada e uma baixa impedância de saída.

Com isto, este CI trabalha sem interferir no sinal de entrada e alimentando bem cargas que

exigem correntes não muito altas.

Basicamente, um amp-op possui duas entradas (uma + e outra -) e uma saída: .

Na saída, um sinal positivo será encontrado sempre que o sinal na entrada positiva for maior que o

da entrada negativa, e um sinal negativo se esta for menor. Isto faz do amp-op também um

comparador de tensão.

São inúmeras as utilizações possíveis para um amp-op. Mostrarei aqui quatro montagens que

considero importantes para iniciantes, ver Figura 29.

32

+

-

+

-

R1

R2

+

-

+

-

R1

Rf

R2

R3

V1

V2

V3

Vs

Figura 29. De cima para baixo, para um amp-op: formação de onda quadrada invertida pela resposta a

uma onda senoidal; amplificação de uma onda senoidal dada por R2/R1; seguidor unitário (desacoplador);

somador de potencial.

Por ter uma resposta com ganho de tensão da ordem de 20 mil, um amp-op pode ser usado

para gerar uma onda quadrada a partir de uma senoidal, já que bastam alguns milivolts na entrada

para gerar na saída o potencial máximo aplicado no circuito. Deste modo, um amp-op também pode

ser usado para comparar tensões, dando uma resposta extremamente positiva ou negativa, para

qualquer valor acima ou abaixo de um potencial padrão aplicado na entrada negativa. Para criação

deste potencial padrão basta um divisor de tensão.

Entretanto, se usarmos duas resistências divisoras de tensão, R1 e R2, e sabendo que um amp-

op possui resistência de entrada infinita, o valor de tensão no ponto entre elas será o próprio

valor aplicado na primeira, pois não há passagem de corrente pela resistência R1, logo não há

queda de tensão. Mas, a divisão da tensão continua valendo. Assim, o valor de tensão no outro

extremo do divisor deverá ser R2/R1 maior que a tensão no centro do divisor, logo R2/R1 da

tensão aplicada.

O circuito conhecido como seguidor unitário não gera ganho nem perda de tensão, mas é

importante por aproveitar as características principais de um amp-op, que é sua grande

impedância de entrada e baixa impedância de saída. Assim, a utilização de um amp-op desta forma

desvincula o sinal de entrada do sinal de saída, ou seja, um sinal produzido por uma fonte que pode

sofrer alteração ao ser coletado, poderá ser usado sem causar problemas ou distorções no

mesmo.

33

Por fim, a utilização de um somador de tensões pode ser útil em etapas comparadoras, dando

inclusive um poder de influência diferenciado para cada sinal de entrada. O sinal de saída é a soma

de cada sinal de entrada, multiplicado pela relação Rf/R de cada entrada:

3.3

2.2

1.1

R

RfV

R

RfV

R

RfVVf . . . Equação 12

Um amp-op bastante comum é o 741. Este dispositivo possui 8 terminais e suporta até +/-18 V

no caso do uA741M e +/-22 V para o uA741C. A corrente máxima de saída é de 40 mA e a pinagem

está mostrada na Figura 30.

2

3

6

7

4

+

-

1 2 3 4

8 7 6 4

Figura 30. Foto e esquema com pinagem visto de cima e símbolo eletrônico para um amp-op.

O pino 2 é a entrada negativa, o 3 a entrada positiva, o 6 a saída, o 4 a alimentação negativa

ou neutra e o 7 a alimentação positiva. Os pinos 1, 5 e 8 não são comumente usadas.

Caso não se disponha de uma fonte com terra e saídas positiva e negativa, pode-se ligar a

alimentação negativa do amp-op no terra, o que fará surgir potenciais de saída entre o terra e o

máximo. Na prática, esta configuração não produz na saída um sinal tenaz de baixa tensão, ou

seja, se a carga alimentada for exigente em corrente, o amp-op não suportará mantê-la.

Fonte regulada de tensão

Figura 31. Fonte regulada de tensão para valores estáveis entre +12 V e –12 V medidos em função do terra.

3

2

34

No esquema da fonte da Figura 31, após o transformador de 120 V para 12 V, encontra-se

uma ponte de diodos. O sinal que chega à ponte é variável, oscilando entre +12 e –12 V a 60 Hz.

Analisando os caminhos da corrente, percebe-se que ao chegar um sinal positivo na ponte de

diodos, não importa se este chega por cima ou por baixo, ele será direcionado para a direita, e

alimentará a parte de cima do circuito. Já se este sinal que chega à ponte for negativo, ele será

direcionado para a esquerda, que alimenta a parte de baixo do circuito. Somente as meias ondas

positivas são direcionadas para a parte de cima, e as meia ondas negativas para a parte de baixo,

Figura 32.

Os capacitores de 1000 F (um valor muito alto) absorvem parte destes picos e emitem as

cargas absorvidas nos momentos de ausência de picos de alimentação, o que mantém a tensão num

nível muito estável. Um sinal mantido com valor constante é chamado retificado, e tem valor 2 .

12 V, ou seja, quase 17 V positivos retificados na parte de cima e –17 V negativos retificados na

parte de baixo, Figura 32.

+-

+ + +

-- -

efeito do transformador efeito dos diodos

+

-

efeito dos capacitores

Figura 32. Quanto ao sinal elétrico num circuito num circuito de três etapas que geram: formas de ondas

resultantes dos efeitos do transformador, dos diodos e dos capacitores.

Analisando a metade de cima do circuito, o divisor de tensão com zener mantém 2,4 V fixo

polarizando a entrada positiva do amp-op. Logo, se o sinal na entrada negativa for menor, a saída

polarizará a base do transistor NPN positivamente, o que fará com que este conduza, trazendo o

coletor para mais próximo dos 17 V. Isto aumentará a tensão no pino central do potenciômetro

(um divisor de tensão), e subirá a tensão na entrada negativa do amp-op até que esta tensão se

iguale aos 2,4 V de sua entrada positiva. Qualquer consumo que abaixe a tensão de saída fará com

que este processo se intensifique, forçando o sinal de saída a se manter fixo.

Uma complementação bastante interessante para esta fonte é a de uma etapa limitadora de

corrente. Esta etapa é composta por um resistor de baixo valor e um transistor NPN comum, que

joga um sinal negativo na base P do transistor regulador quando uma corrente excessiva passa

pelo circuito. O circuito da Figura 33 mostra o esquema de um regulador deste tipo. O resistor

usado para limitar a corrente é o de 1 , assim, quando uma corrente de 0,7 A passa por ele, a ddp

em seus extremos passa a ser 0,7 V, fazendo o transistor conduzir, o que torna o sinal na base do

transistor de alta potência 2N2955 menos positiva. O LED usado na alto, juntamente com o

resistor de 2 tem a função de indicar o momento em que se atinge esta corrente limite, pois a

mesma produzira uma ddp nos 3 associados de 2,1 V, e um LED costuma acender com um

potencial acima de 1,7 V. O amperímetro, o voltímetro e a resistência de 10 W não fazem parte da

montagem, só foram aí colocados para demonstrar o funcionamento do circuito.

35

Figura 33. Circuito regulador tipo série com limitador de corrente.

Existem no mercado CI fornecedores de tensão constante e até reguladores ajustáveis de

tensão. A série 7805, 7806 até 7824 fornece tensões constantes positivas de 5 a 24 V. A série

79.. fornece tensões constantes negativas. Estes CI podem fornecer 0,35 A em curto circuito, ou

até 2,2 A por intervalos pequenos de tempo. Sua dissipação contínua de potencia é de 2 W e o

potencial de alimentação deve ser preferencialmente 3 V acima do de saída. Seus terminais com

indicação da forma de liga-lo ao circuito estão mostrados a seguir:

SaídaComumEntrada

O CI LM317 é um regulador ajustável de tensão. A tensão de saída do 317 pode ser ajustada

entre 1,2 V até 37 V, conforme potencial fornecido ao seu terminal central via um divisor de

tensão em sua saída. A forma geométrica, bem com a entrada e a saída deste dispositivo é a

mesma da série 78xx e 79xx

Fonte de corrente constante

Uma fonte de corrente pode ser usada para produzir um potencial sobre uma resistência ou

promover reações eletroquímicas. Uma fonte de corrente bastante simples é mostrada na Figura

34.

Figura 34. Fontes de corrente constante, de 6 mA e 3 mA.

36

Para cálculo da corrente produzida faz-se: Ic = (Vz-0,7)/R1. Nos exemplos mostrados, o

transistor irá jogar 6 mA na carga (RL) do circuito da esquerda e 3 mA no da direita.

Temporizador por comparação de sinal

Um temporizador pode ser feito de diversas formas, citarei duas. Um com capacitor e amp-

op, e outro com um CI 555.

Um capacitor tem a capacidade de se carregar e descarregar, entretanto um resistor pode

ser usado para limitar a corrente de carga e descarga deste capacitor, fazendo aumentar o tempo

total gasto nestes processos. O tempo necessário para se obter 63% da carga total de um

capacitor é chamado de teta (), e dado pelo produto dos valores da resistência e da capacitância:

CR. Equação 13

A ddp na carga de um capacitor pode ser calculada em função do tempo pela equação:

)1( / RCteUVc Equação 14

Se usarmos um capacitor eletrolítico de 1000 F e um potenciômetro de 1 M alimentados por

uma fonte de 12 V, uma ddp de 10 V seria obtida para um tempo de quase 1800 s, ou seja, 30 min.

O circuito completo com um potenciômetro de 20 k, que nos dá até 40 s, fica então como visto

na Figura 35.

Figura 35. Circuito temporizador baseado na carga de capacitor e comparação de sinais por um amp-op

mais relé para alimentação de cargas de alta potência.

Neste circuito, Uma chave de três pontos é usada para descarga rápida do capacitor pelo

resistor de 100 e carga lenta via potenciômetro de 20 k. Durante a carga, a ddp na entrada

positiva do amp-op inicia-se em zero e sobe lentamente. Como sua entrada negativa possui um sinal

de 10 V gerado pelo divisor de tensão, o sinal de saída é negativo. Quando sobre o capacitor

existir 10 ou mais volts, o amp-op envia um sinal positivo que polariza a base P do transistor,

fazendo-o conduzir. A corrente do transistor aciona o relé que liga a carga.

Nesta montagem, o diodo e o resistor de 10 k entre o amp-op e o transistor é só para

garantir a estabilidade do sistema, e a escolha de acionamento do relé pela carga e não pela

descarga do capacitor é porque o circuito a ser alimentado costuma derrubar o potencial

fornecido pela fonte, diminuindo a tensão no divisor de tensão que alimenta a entrada do amp-op.

37

Como esta deveria então ser a entrada positiva, isto faria com que o amp-op cortasse a

alimentação novamente do transistor, recomeçando um ciclo que iria ligar e desligar o rele várias

vezes até estabilização do sistema, o que não é nada interessante.

Como é possível encontrar capacitores facilmente de até 10.000 F, é também possível

construir um temporizador com ajuste para quase 5 h.

Amplificador sonoro de 20W rms com TDA2050

Um bom circuito amplificador sonoro é o sonho de todo apaixonado pela eletrônica. O circuito

push-pull apresentado na Figura 28 é um bom circuito, mas provoca uma pequena distorção por

crossover na base das ondas — cerca de 3% —, que pode ser minimizada pelo ajuste do resistor

entre as bases dos transistores. Entretanto, existem no mercado circuitos com excelente

performance e fidelidade sonora. Alguns destes circuitos são: TDA 2002 para até 10 W, TDA

2050 para até 32 W e do STK 3042 ao STK 3152 que podem fornecer desde 40 até 150 W, todos

rms. Para se ter uma idéia, o valor pmpo usado erradamente no mercado para estes valores rms

ditos seria 10 x maior, ou seja, de 100 W a 1500 W pmpo. Entretanto, como disse, este é um uso

errado do termo, já que o valor pmpo deveria ser no máximo 1,4 vezes maior. A falta de normas

em testes de laboratório permite o uso de picos de tensão diminutos no tempo, o que acaba por

gerar uma resposta de potência também diminuta no tempo, mas de alto valor.

Um circuito com um TDA 2050, de baixo custo, pode ser visto na Figura 36. Neste circuito

montado com fonte simples de 2 terminais, um positivo e outro terra, o TDA2050 entra no lugar

de um amp-op, com a vantagem de permitir aí correntes superiores a 1 A. Entretanto, este tipo de

CI é específico para sinais sonoros, e não permite a amplificação de sinais DC.

A série TDA é mono, portanto, se necessitarmos de um amplificador estéreo é necessário

fazer a montagem de dois amplificadores iguais, um para cada canal sonoro. Já, a série STK é

toda estérea. Dados e circuitos sobre estes e outros dispositivos de mercado podem ser

conseguidos na internet. Um bom exemplo é: www.datasheetcatalog.com

Figura 36. Circuito amplificador com TDA2050 de 20 W rms.

38

Fotodiodos

Um diodo normal apresenta uma corrente da ordem de microampéres quando ligado com

polarização inversa. Alguns diodos especiais, chamados fotodiodos, têm em seu encapsulamento

lentes e aberturas que permitem a incidência de luz diretamente no material semicondutor. A luz

carrega energia que excita os elétrons do material semicondutor, promovendo o surgimento de

cargas. Estas cargas, quando criadas na região de depleção, atuam aumentando a condutividade

desta região, o que diminui a resistência do diodo sob polarização inversa. A corrente que passa

por um diodo polarizado inversamente, quando não iluminado, é da ordem de 50 A, e é

denominada corrente de escuro. Entretanto, a corrente reversa pode aumentar em até 20 vezes

quando este é iluminado, sendo seu crescimento proporcional ao nível de iluminação.

Materiais diferentes respondem de forma diferente a faixas do espectro das ondas

eletromagnéticas. O selênio vai do ultra-violeta ao vermelho; o silício do violeta até infra-

vermelho próximo (12.000 ângstrons) e o germânio do ultra-violeta ao infra-vermelho distante.

Fotorresistores

Estes dispositivos de dois terminais apresentam em sua constituição materiais

semicondutores como sulfeto de cádmio ou seleneto de cádmio, que têm suas resistências

variadas conforme a incidência de luz.

A resistência destes dispositivos costuma variar entre 200 e 100 k, conforme intensidade

luminosa.

Termistores

Como o próprio nome diz, são dispositivos que possuem sua resistência interna variada

conforme a temperatura. Não é um dispositivo de junção, e é composto por Si, Ge, ou misturas de

óxidos de cobalto, níquel, estrôncio ou manganês. O material que o compõe determina se terá um

comportamento de resistência crescente ou decrescente com o aumento da temperatura.

Um termistor representativo e com coeficiente de temperatura negativo tem sua resistência

a 20o C de 5.000 diminuída para 100 a 100o C, e pode ser encontrado no sistema de controle

térmico de carros mais antigos. Em lojas de eletrônica costumam ter preço alto.

Para com este dispositivo, deve-se ter a atenção no fato de que a temperatura do mesmo pode

ser alterada pela própria corrente que o percorre, devendo ser esta então bem baixa.

SCR e LDR

São dispositivos com quatro camadas semicondutoras, pnpn. O SCR (retificador controlado de

silício) é um dispositivo que funciona como se dois transistores estivessem interligados conforme

mostrado na Figura 37. Com a disposição mostrada nesta figura, um sinal positivo aciona o

transistor NPN que alimenta negativamente a base do PNP, que, por sua vez, joga o sinal positivo

do sistema na base do transistor NPN, realimentando o sistema. Uma vez iniciado o processo, os

transistores se auto-alimentam e atuam como uma chave fechada, ou seja, o SCR atua como uma

chave que é ligada por um sinal injetado no seu eletrodo dito porta. Para fazer com que esta

chave abra novamente, deve-se cortar a corrente que passa pelo SCR.

39

PortaÂnodoCatodo

ac

p

Figura 37. Associação de transistores que simulam um SCR, construção do invólucro e simbologia deste

SCR.

Além do SCR normal, existe aquele que é disparado por luz, o LASCR.

Uma desvantagem do SCR e do LASCR é que os mesmos atuam como um diodo, permitindo a

passagem de corrente em apenas um sentido. Um dispositivo que pode ser usado no chaveamento

de correntes alternadas é o DIAC e o TRIAC.

Os SCR são vendidos com o nome de TIC. Alguns comuns são o TIC106A para 5 A e 100 V até

106E para 5A e 500 V. Os TIC116 para 8 A, e os 126 para 12 A.

TRIAC

Um TRIAC é um dispositivo com 5 camadas, capaz de atuar como uma chave controlada por um

eletrodo porta que permite a passagem de corrente no sentido alternado. Sua simbologia e um

circuito exemplo para seu uso estão na Figura 38, e seu encapsulamento é equivalente ao do SCR.

Note que este dispositivo é acionado a cada momento por um sinal no porta vindo do divisor de

tensão.

Figura 38. Controlador de potência simplificado, sobre uma carga de 5 , equivalente a um chuveiro

elétrico ligado no verão.

40

No circuito mostrado, a potência fornecida a uma carga de 5 é controlada pelo ajuste do

potenciômetro. Para diferentes cargas deve-se fazer a substituição dos capacitores por valores

que dêem melhor resultado. Este circuito pode se mostrar não linear e levemente instável.

O circuito a seguir fornece uma regulagem mais linear, mas pode não ser tão fácil encontrar

um DIAC para sua construção.

Figura 39. Circuito regulador de potência com TRIAC e DIAC.

Os TRIAC também são vendidos como TIC. Alguns disponíveis no mercado são o TIC216A de 6

A e 100 V até o TIC216D de 6 A e 400 V, TIC226 para 8 A, o 236 para 12 A, o 246 para 16 A, o

253 para 20 A e o 263 para 25 A, além do BTA26 de 40 A.

Osciladores 555 e 566

Um dispositivo eletrônico bastante usado como temporizador e oscilador é o CI 555, que

possui o mesmo formato e pinagem do amp-op 741, ver Figura 30.

Montado com um 555, um circuito disparador denominado monoestável (temporizador) pode

ser visto na Figura 40. Neste circuito, o resistor e o capacitor da esquerda determinam o tempo

de duração do pulso negativo na saída do 555, que é de 1,1.R.C segundos. O disparo é feito por um

pulso negativo na entrada 2.

41

disparo

saída

+Vcc

7

6

2 1 5

3

48

Figura 40. Temporizado com circuito 555 em operação monoestável.

Para entendermos como esse circuito e outros com este CI funciona temos que saber que o

555 é um comparador de tensão, acionado quando no terminal 6 uma tensão superior a 2/3 de Vcc

é aplica, o que produz uma saída de nível baixo no pino 3 e aciona um circuito interno de descarga

pelo pino 7. Se este circuito de descarga fizer a tensão do pino 2 ficar abaixo de 1/3 de Vcc, o

circuito interno é desacionado e aumenta o nível de tensão do pino 3, desligando o circuito de

descarga no pino 7. Assim, temos uma carga ligada num transistor PNP após o pino 3 e que será

acionada por um tempo determinado por 1,1RC.

Este processo também pode ser usado para construção de um circuito oscilador astável. Para

isto, adiciona-se um resistor entre os terminais 6 e 7 e liga-se a entrada de disparo no 6 (terminal

2 no 6). A carga do capacitor pelos resistores Ra e Rb, ver Figura 41, aciona o circuito após 2/3

de Vcc, que descarrega o capacitor por Rb, acionando o circuito em 1/3 de Vcc. Este processo se

repete indefinidamente com uma freqüência dada pela equação a seguir.

CRbRaf

)2(

44,1

Equação 15

saída

+Vcc

7

6

2 1 5

3

48

Ra

Rb

C

Figura 41. Oscilador astável com 555.

42

O oscilador 566 (VCO : oscilador controlado por tensão), é um CI que fornece dois sinais de

saída, um triangular e outro quadrado, cujas freqüências são controladas por uma tensão DC, ver

Figura 42. +12 V

7

3

4

8

R21,5k

R310k

R110k

65

2

C1: 820 pF

Figura 42. Conexão de uma unidade VCO 566.

A freqüência do sinal de saída é fixada pelos valores de R1 e C 1 e Vd, onde Vd é o potencial no

divisor de tensão R2/R3.Vcc. O valor de Vd pode ser alterado por um sinal variado inserido no

divisor, o que resultará em um sinal de saída do tipo freqüência modulada (FM). Entretanto,

algumas limitações são inerentes a este CI, como uma freqüência máxima de saída de 1 MHz.

Outras limitações e a equação da freqüência em função dos parâmetros do circuito são:

2 k < R1 < 20 k

¾ Vcc < Vd < Vcc

f < 1 MHz

10 V < Vcc < 24 V

Vcc

VdVcc

CRf

1.1

2

Circuitos oscilador astável

Um circuito bastante interessante de ser montado para quem está iniciando na eletrônica é o

mostrado na Figura 43. Este circuito funciona pela carga e descarga dos capacitores de 10 F via

resistores de 5 k, mas sua freqüência de operação não é tão simples de ser calculada, pois sua

carga e descarga é parcial.

43

Figura 43. Circuito oscilador astável.

Nesse circuito, considerando inicialmente que o capacitor da direita está carregado e o 1o

transistor está cortado, o capacitor da esquerda inicia seu carregamento via polarização direta do

2o transistor e o resistor de 1 k da esquerda. Assim, na base do 2o transistor, a corrente é alta

e este se encontra condutivo, tornando a tensão de seu coletor negativa. Isto faz descarregar

este capacitor, tornando seu terminal esquerdo menos negativo (mais positivo). Neste meio tempo,

o capacitor da esquerda carregou-se, impedindo o fluxo de corrente, o que torna não condutivo o

2o transistor. Entretanto, a descarga do capacitor da direita, torna a tensão do seu terminal

esquerdo positiva o suficiente para sugar corrente pela base do 1o transistor, fazendo-o conduzir.

Isto reinicia o processo no sentido oposto ao analisado. Em cada momento, um LED irá estar aceso

e o outro apagado, alternadamente. Se um osciloscópio for ligado no coletor de um destes

transistores, irá detectar uma onda quase quadrada.

Os capacitores a serem usados no circuito devem ser do tipo eletrolítico e terem seus

terminais negativos voltados para o centro, conforme polarização indicada no capacitor da direita

do circuito.

Muitos são os circuitos osciladores, com uma ou mais etapas transistorisadas. Estes circuitos

geralmente funcionam pela realimentação do sinal que entra pelo seu antecessor atrasado em

360o. É como empurrar alguém no balanço, existe o momento certo de se fazer a força para

intensificar o movimento.

Entretanto, se o desejo for conseguir um circuito oscilador bastante estável, deve-se

recorrer a um cristal de quartzo.

Circuito transmissor de FM

Um transmissor FM é a base para montagens que envolvam espionagem ou controle remoto

sem fio. Um transmissor FM bastante simples é exemplificado na figura Figura 44. Neste

circuito, um pequeno alto-falante comum pode ser usado como microfone, o que exige, para bom

funcionamento, o acoplamento de sua impedância com a do circuito via transformador de RF

- +

44

(pequenos transformadores de 1 a 2 cm encontrados em equipamentos velhos). Se a qualidade

sonora desejada não é importante, pode-se eliminar o transformador que faz o casamento de

impedância, ligando o alto-falante diretamente entre o capacitor e o terra. Caso contrário, um

microfone de eletreto pode ser usado. Para isto, basta tirar toda a etapa de geração e pré-

amplificação do sinal, que inclui o alto-falante, juntamente com o transformador, o capacitor de

0,1 F, o resistor de 1 M e o transistor, colocando o microfone ligado o ponto em que se

encontra a base do transistor (este microfone possui polaridade correta).

Figura 44. Transmissor de FM com microfone de alto-falante normal.

Note, neste circuito, que o circuito LC é paralelo, portanto, na freqüência de ressonância, sua

impedância é máxima, fazendo com que o ganho dado pelo transistor seja também máximo (Av =

Rc/Re).

A variação da tensão na base do transistor altera a ddp do circuito LC, que altera a velocidade

de carga e descarga do capacitor, resultando na alteração da freqüência de ressonância do

circuito. Assim, um sinal sonoro com altos e baixos produzirá aumentos e diminuições na

freqüência de oscilação. Isto causa a modulação da freqüência de acordo com a amplitude do sinal

sonoro, ou seja, criando o sinal FM (Freqüência Modulada).

Considerações finais

Esta apostila possui informações simplificadas sobre os componentes eletrônicos mais usados.

O conhecimento de suas propriedades e comportamentos possibilita o arranjo dos mesmos de

forma a obter um circuito que atenda um novo desejo. Só para lembrar, abaixo se encontra um

resumo dos componentes e suas propriedades.

45

Resistor: limita a corrente e estabelece uma tensão num divisor;

Diodo: permite a passagem unidirecional da corrente;

LED: luz de baixo consumo;

Zener: estabelece um potencial fixo quando ligado inversamente;

Capacitor: possui baixa impedância para freqüências altas, e atua como circuito aberto para

DC. Armazena e descarrega cargas elétricas numa quantidade que depende de seu valor e numa

velocidade que depende de uma resistência ligada em série;

Solenóide: possui alta impedância para freqüências altas;

Transistor TJB: controla a passagem de corrente entre EC pela corrente de base. Um NPN

conduz sob sinal positivo, já um PNP sob sinal negativo;

Transistor FET: controla a passagem de corrente entre FD pelo potencial no porta. Um FET

de porta P conduz sob potencial positivo, um de porta N conduz sob potencial negativo;

Amp-op: atua como amplificador, comparador e seguidor de sinal. Compara as tensões nos

terminais 3(+) e 2(-), afim de dar uma resposta no terminal 6 que será + se V3>V2 e – se V3<V2;

CI 555: gera um sinal no terminal 3 conforme potencial no 2. Pode ser usado como

temporizador ou oscilador;

CI 566: gera sinais quadrados e triangulares com freqüência controlada por potencial;

SCR: atua como chave liga e desliga para circuitos DC;

TRIAC: atua como chave liga e desliga, controlando inclusive a potência que o transpassa para

sinal AC;

Fotodiodos, fotorresistores e LASCR controlam a corrente via ação da luz;

Termistores: possuem sua resistência variada com a temperatura (pode ser usado um diodo

comum para isto, pois o mesmo possui sua resistência interna alterada pela temperatura).

Alguns exemplos de como estas informações podem ser usadas.

Construção de um sistema que possui pequenas lâmpadas que acendem conforme a música:

Na saída do som, puxam-se dois fios que são ligados ao circuito mostrado a seguir, que acendem os

LED conforme a intensidade sonora. Como a corrente só passa por um LED se o potencial for

maior que 1,7 V e por um diodo comum se for maior que 0,7 V, o primeiro LED acende ao se ouvir

uma “batida” leve, e o segundo LED exige uma “batida” mais forte.

Você deseja que uma lâmpada se acenda, ou um motor rode etc, a partir do momento em

que um som agudo for emitido pelo rádio: Ligue o circuito a seguir nos dois fios da saída do alto-

falante.

É claro que o circuito mostrado consome

potência do som, mas dependendo do

aparelho, isto será desprezível.

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O circuito acima possui a desvantagem de acionar a carga (lâmpada, motor etc.) e não

desacioná-la quando o sinal sonoro parar. Um circuito acionado via relé resolveria isto, e seria

ligado somente quando o som agudo estivesse presente.

Para entender o funcionamento deste circuito, basta lembrarmos que sua parte inicial é

formada por divisores RC, Figura 24, e que os capacitores possuem baixa impedância a sinais de

alta freqüência. Assim, as duas associações RC iniciais atuam deixando passar somente sinais de

alta freqüência, e jogando ao terra os sinais de baixa freqüência. Estes sinais alternados são

polarizados pelo diodo e retificados pelo capacitor. Assim que uma alta tensão estiver presente na

base do transistor NPN ele irá conduzir, elevando a porta do SCR para mais próximo dos 12 V e

acionando-o definitivamente.

Para ajuste do circuito, deve-se ajustar o volume do som sob alta freqüência, 8 kHz (usando

por exemplo uma guitarra), até acionar a lâmpada.

Controle remoto sem fio de 4 canais (se for para direcionamento: frente, trás, direita e

esquerda). No esquema a seguir, é mostrado um circuito com oscilador 555 capaz de gerar ondas

quadradas com freqüência entre 100 e 10.000 Hz. Se este sinal for captado por um rádio comum,

o som da saída pode ser usado para acionar um relê, ou melhor, 4 relês distintos que seriam

acionados conforme filtro com capacitores e solenóides já mostrado.

Dobrador e multiplicador de tensão: Estes circuitos retificadores não só retificam, mas

dobram, triplicam... a tensão de saída. São muito úteis quando se possui um sinal muito pequeno e

se deseja ter um alto potencial, por exemplo, para que pequenos sinais sonoros atuem sobre SCR

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ou quando se usa pequenos dínamos geradores de energia para carregar baterias de 12 V, mesmo

que estes dínamos sejam acionados sob baixa rotação, como por roda d’água ou cata-vento. Um

dobrador e um multiplicador de tensão estão mostrados na Figura 45. É interessante notar que 6

V alternados se tornam 7,8 V contínuos. Isto porque na transformação de AC para DC devemos

multiplicar por raiz de 2, ou 1,4, o que daria 8,48 V, mas se subtrairmos a ddp entre o diodo

retificador (0,7 V, temos por fim a tensão final de 7,8 V.

Estas relações de capacidade de realizar trabalho entre AC e DC são importantes, pois se

tentarmos acionar um motor de 120 V AC com 120 V DC poderemos queima-lo. O correto é aciona-

lo com 84 V DC, obtendo com isso a mesma eficiência. Desta forma, só precisaríamos de 7

baterias de 12 V.

De qualquer forma, é bom lembrar que os capacitores eletrolíticos usados devem suportar 4

vezes o valor a ser multiplicado, e o último capacitor pode ter um valor de capacitância maior.

Outra coisa é que, como visto, para obtenção de 15 V são necessárias duas meias ondas; já, de

31,5 V de 4 meias ondas, logo um retificador que multiplique a tensão por 4, irá também derrubar

a potência da fonte em 4 vezes.

Figura 45. Retificador multiplicador e dobrador de tensão de meia onda.

Alguns circuitos também são muito importantes na montagem de outros, como

transmissores de FM, osciladores, temporizadores e amplificadores, e estes já foram mostrados

durante o texto em diversas partes. De qualquer forma, muitos circuitos podem ser obtidos da

internet, e o que mais vale é a capacidade de construir uma complexa estrutura a partir de

simples tijolos, ou seja, um circuito desejado e complexo a partir dos circuitos e conceitos simples

aqui mostrados. Bom trabalho e mãos à obra.