Princípios e conceitos básicos da eletrônica
Aqui estão comentados alguns princípios e conceitos básicos da eletrônica, importantes para qualquer profissional.
Freqüência → número de ciclos que uma onda contém em um segundo, é o inverso do período. A unidade de medida é o Hertz (Hz)
Período → tempo de duração de um ciclo de onda. É o inverso da frequência, medido em segundos
Tensão eficaz → RMS,
do inglês “root mean square”, ou média
quadrática. Para ondas senoidais pode ser calculado com
.
Este é o valor medido pelos multímetros, em Volts
alternados (Vac)
Tensão de pico → do eixo zero ao valor máximo positivo, sua unidade é Volts de pico (Vp)
Tensão de pico a pico → do valor máximo negativo ao máximo positivo, em Volts de pico a pico (Vpp)
A impedância pode ser resumidamente conhecida como a resistência interna de um equipamento.
Porém seu conceito vai mais além, é uma grandeza dinâmica, ou seja, pode sofrer alterações com as condições de funcionamento do equipamento em questão, como freqüência, temperatura, etc.
Sua unidade de medida é o ohm (Ω).
Observe os desenhos a seguir:
O quadrado laranja nos desenhos representa um equipamento qualquer e os componentes em seu interior representam a impedância interna.
O resistor Z junto com a fonte de 5V simulam um equipamento com impedância interna de 1000Ω (1KΩ).
Observe as quedas de tensão e as potências em cada exemplo.
A – o resistor de carga tem também 1000Ω. A potência transferida para este componente é de: 6,25mW (2,5V x 2,5mA)
B – a carga é de 500Ω, obtendo uma potência de 5,52mW
C – com 1500Ω, a potência é de 6mW
Note que apenas quando as impedâncias interna e externa forem iguais, a potência transferida do equipamento para a carga será máxima.
Veja ainda que quando a carga tem impedância menor que o equipamento, a corrente drenada será maior, podendo provocar danos.
É por este motivo que deve ser respeitada a impedância do alto-falante com o amplificador, a antena com o receptor, etc.
São utilizados para injetar ou retirar o sinal alternado de um circuito e isolar a tensão contínua. Veja o exemplo do amplificador:
O sinal alternado é injetado no amplificador através do capacitor C1 e retirado do coletor do transístor pelo capacitor C2.
C1 é o capacitor de entrada de sinal para o circuito amplificador, separa a tensão contínua do circuito, não deixando que ela seja enviada até o circuito ou componente conectado a entrada.
C2 é o capacitor de saída de tensão alternada, neste ponto retiramos a tensão amplificada, sem a tensão contínua de polarização.
C3 retira do emissor a corrente alternada, não deixando-a seguir pelo resistor. Sem ele, o ponto de trabalho (quiescente) do transistor é alterado pela corrente alternada, desestabilizando seu funcionamento e provocando realimentações indesejadas.
Ocorre a isolação galvânica quando uma parte do circuito eletrônico é totalmente isolado de outra, sem nenhum ponto comum, nem mesmo o terra. Ela é necessária quando os terras de diferentes partes de um circuito ou planta industrial não estão em comum, gerando tensões e correntes parasitas, as vezes muito altas. Também é utilizado quando um ponto de medição possui tensões muito elevadas e portanto perigosas.
Isso pode ser realizado com o emprego de transformador ou acoplamento óptico, sendo o transformador utilizado para os sinais alternados e os acopladores para os digitais.
Existem acopladores ópticos para sinais analógicos.
Transistores bipolares tem internamente três pastilhas de material semicondutor, formando duas junções PN, dando origem ao seu nome de bipolar.
Seu teste depende do tipo. A seguir é demonstrada a maneira de testar um transistor dos mais comuns, o NPN, cuja base deve ser polarizada positivamente para que ocorra corrente de coletor.
Utilizando um multímetro digital, coloque na escala de teste de diodos. No multímetro analógico, verifique se existe uma escala específica para teste de semicondutores. De qualquer forma, o componente deve ser retirado do circuito para seu correto teste. O círculo com um símbolo de diodo nos desenhos representa seu multímetro.
A
junção base-emissor deve se comportar como um diodo em
sentido direto de condução com esta polaridade,
apresentando de 0,5V a 0,8V aproximadamente. Valores menores são
sintomas de componente com fuga e maior pode significar um transistor
praticamente aberto.
O
mesmo ocorre com a junção base-coletor.
No
sentido reverso, seja base-emissor ou base-coletor, não pode
ocorrer nenhuma indicação de tensão (ou
movimento do ponteiro do multímetro). Qualquer indicação
é sinal de fuga.
Finalmente,
a condição coletor-emissor deve ser verificada. Já
presenciei alguns casos em que as junções base-emissor
e base-coletor estavam em bom estado, porém o componente
apresentava fuga coletor-emissor.
Observe as mesmas orientações para o transistor NPN, tomando o cuidado de inverter a polaridade das pontas de prova. O transistor PNP é o complemento do NPN, funciona exatamente igual a ele, porém com as polaridades invertidas.
Antes de falar da força contra-eletromotriz, vejamos alguns fenômenos do indutor:
Todo indutor percorrido por corrente elétrica gera um campo magnético proporcional a essa corrente (seja ela contínua ou alternada)
Todo indutor sob a influência de um campo magnético variável gera corrente elétrica proporcional a esse campo
Quando uma corrente variável é posta em um indutor, gera campo magnético variável e este gera de volta uma corrente no próprio indutor
Lei de Faraday: a tensão induzida é diretamente proporcional ao número de espiras e a velocidade de variação do campo magnético
Lei de Lenz: toda corrente induzida gera um campo magnético que se opõe à variação do campo magnético indutor (ou gerador). Se o campo está aumentando no sentido norte, a corrente gera um campo norte também, se o campo diminui no sentido norte, a corrente gera um campo no sentido sul, provocando sempre a ação de frenagem. Veja a figura:
Como o próprio nome sugere, força contra-eletromotriz é uma energia que age contra. No caso da eletrônica, é gerada pela bobina contra a corrente que a alimenta.
Sem filosofar muito, toda bobina (indutor, reator) trabalha com o princípio da ação e reação, ou seja, quando é colocada uma corrente elétrica nela, esta gera um campo magnético. O campo gera de volta na mesma bobina uma corrente induzida de polaridade inversa. A corrente da fonte encontra a corrente induzida e elas se subtraem.
Como consequência, a corrente da fonte vai demorar algum tempo para atingir seu valor máximo, até que o campo magnético se estabilize, ou seja, deixe de variar e a força contra-eletromotriz deixe de existir.
Quando o circuito já está ligado a algum tempo, o campo magnético está estável, não gerando nenhuma corrente e consequentemente não há força contra-eletromotriz. A corrente da fonte é limitada somente pela resistência ôhmica do fio da bobina.
Nesta etapa, a corrente da fonte deixa de existir e o campo magnético se desfaz. Porém, de acordo com a Lei de Lenz, uma corrente será gerada. A polaridade da tensão será oposta à fonte.
Ainda, como o campo magnético “some” muito rapidamente, a tensão gerada neste momento é muito grande (Lei de Faraday).
É aqui que se mostra a necessidade da utilização de um diodo em ante-paralelo com a bobina de um relé para consumir essa energia e evitar que o dispositivo de manobra, geralmente um transistor bipolar, seja destruído com a alta tensão.
Quando um indutor é alimentado com corrente alternada, a corrente varia seu valor constantemente, o campo magnético gerado acompanha essa variação e a força contra-eletromotriz está presente a todo tempo, agindo contra a corrente da fonte.
Neste caso, além da resistência do fio da bobina, há a resistência dinâmica, conhecida como reatância indutiva (XL), que se somam.
Relé, contator, motor, eletroímã, transformador são exemplos de dispositivos feitos com indutores.
Todos eles geram alta tensão quando desligados. Assim, alguns cuidados devem ser tomados.
Em corrente contínua:
Na eletrônica é comum a utilização de um diodo em ante-paralelo para proteger os componentes eletrônicos
No comando elétrico é usada a bobina de sopro para eliminar o arco gerado na abertura dos contatos
Em corrente alternada:
No comando elétrico e outros dispositivos de manobra, como chaves seccionadoras com carga e disjuntores, deve existir um dispositivo extintor de arco
É relativamente nova esta tecnologia, mas como tudo na eletrônica e informática anda muito rápido, muitos dispositivos vem equipados com conversores DC/DC, que são fontes capazes de fornecer uma tensão contínua a partir de outro valor contínuo sem o uso de transformadores.
Elas aproveitam a força contra-eletromotriz gerada no desligamento de uma bobina para gerar praticamente qualquer valor de tensão.
Dessa forma, é possível facilmente reduzir ou elevar uma tensão. Há projetos mais audaciosos inclusive que permitem ter por exemplo saída de 12V a partir de uma entrada de 3 a 24V! A fonte eleva ou reduz a tensão de acordo com a necessidade.
Em eterna construção