Apostila de Eletrônica Básica, Notas de estudo de Automação

Baixe Apostila de Eletrônica Básica e outras Notas de estudo em PDF para Automação, somente na Docsity! 1 Eletrônica Básica 2 SENAI – SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL DEPARTAMENTO REGIONAL DO RIO GRANDE DO SUL CONSELHO REGIONAL Presidente Nato Francisco Renan O. Proença – Presidente do Sistema FIERGS Conselheiros Delegados das Atividades Industriais - FIERGS Titular Suplentes Manfredo Frederico Koehler Deomedes Roque Talini Astor Milton Schmitt Arlindo Paludo Valayr Hélio Wosiack Pedro Antonio G. Leivas Leite Representantes do Ministério da Educação Titular Suplente Edelbert Krüger Aldo Antonello Rosito Representantes do Ministério do Trabalho e Emprego Titular Suplente Neusa Maria de Azevedo Elisete Ramos Diretor do Departamento Regional do SENAI-RS José Zortéa DIRETORIA REGIONAL DO SENAI-RS José Zortéa – Diretor Regional Paulo Fernando Presser - Diretor de Educação e Tecnologia Sílvio S. Andriotti - Diretor Administrativo-Financeiro 5 SUMÁRIO APRESENTAÇÃO .................................................................................................... 9 1 FATOS HISTÓRICOS ....................................................................................... 11 2 MATEMÁTICA ................................................................................................... 13 2.1 RAZÃO E PROPORÇÃO................................................................................. 13 2.2 GRANDEZAS DIRETAMENTE PROPORCIONAIS......................................... 14 2.2.1 Grandezas inversamente proporcionais .................................................. 14 2.3 POTENCIAÇÃO............................................................................................... 15 2.3.1 Potência de base 10 ................................................................................... 15 2.3.2 Adição de potências ................................................................................... 15 2.3.3 Multiplicação de potências ........................................................................ 16 3 UNIDADES DE MEDIDA .................................................................................. 17 3.1 UNIDADES FUNDAMENTAIS (S. I.) ............................................................... 17 3.2 UNIDADES DERIVADAS ................................................................................ 17 3.3 CONSTANTES FUNDAMENTAIS................................................................... 18 4 MATÉRIA E SUA CONSTITUIÇÃO . ................................................................. 19 4.1 TIPOS DE MATERIAIS (ELEMENTOS QUÍMICOS) ....................................... 20 4.1.1 Quanto ao número de elétrons na camada de valência .......................... 20 5 ELETRICIDADE ESTÁTICA ............................................................................. 21 5.1 CARGAS ELÉTRICAS:.................................................................................... 21 5.1.1 Unidade que mede a quantidade de carga ............................................... 21 5.1.2 Doação ou recebimento de cargas (é) ...................................................... 21 5.2 ELETRIZAÇÃO................................................................................................ 22 5.2.1 Tipos de eletrização ................................................................................... 23 5.3 FORÇAS ENTRE CORPOS CARREGADOS.................................................. 25 6 TENSÃO, CORRENTE E RESISTÊNCIA ELÉTRICA ....................................... 27 6.1 POTENCIAL ELÉTRICO ................................................................................. 27 6.2 TENSÃO ELÉTRICA (V).................................................................................. 27 6.2.1 Unidade de medida de tensão elétrica...................................................... 28 6.3 CORRENTE ELÉTRICA (I).............................................................................. 29 6.3.1 Unidade de corrente elétrica ..................................................................... 29 6.3.2 Sentido da corrente elétrica ...................................................................... 30 6.4 RESISTÊNCIA ELÉTRICA .............................................................................. 31 6.4.1 Unidade de medida de resistência elétrica .............................................. 31 6 7 GERADORES DE ENERGIA ............................................................................. 33 7.1 REPRESENTAÇÃO DOS GERADORES ........................................................ 33 7.1.1 Geradores de C.C. ...................................................................................... 33 7.1.2 Geradores de C.A. ....................................................................................... 34 7.1.3 Alguns conceitos sobre C. A. .................................................................... 34 7.1.4 Geradores de corrente ................................................................................ 35 8 POTÊNCIA EM CIRCUITOS ELÉTRICOS ........................................................ 37 8.1 UNIDADE DE MEDIDA DE POTÊNCIA........................................................... 37 9 RESISTORES ..................................................................................................... 39 9.1 UNIDADE DE MEDIDA .................................................................................... 39 9.2 REPRESENTAÇÃO DOS RESISTORES: ....................................................... 39 9.3 ASPECTO REAL E IDENTIFICAÇÃO DO VALOR: ......................................... 40 9.3.1 Tabela de múltiplos e submúltiplos .......................................................... 41 9.4 CONDUTÂNCIA............................................................................................... 41 9.5 RESISTÊNCIA DE UM CONDUTOR............................................................... 42 9.6 LEI DE OHM .................................................................................................... 42 9.7 POTÊNCIA DOS RESISTORES...................................................................... 44 9.8 ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES ................................................................... 45 9.8.1 Associação em série................................................................................... 45 9.8.2 Associação em paralelo ............................................................................. 47 9.8.3 Associação mista ........................................................................................ 48 9.9 POTÊNCIA ELÉTRICA EM RESISTORES ...................................................... 51 9.10 LEIS DE KIRCHOFF ...................................................................................... 51 9.10.1 L . T . K (Leis das tensões) . ..................................................................... 51 9.10.2 L . C . K (Lei dos nós) ................................................................................ 53 10 CAPACITORES ............................................................................................... 55 10.1 CAPACIDADE ELÉTRICA ............................................................................. 55 10.2 CAMPO ELÉTRICO ....................................................................................... 55 10.3 CAPACITOR .................................................................................................. 56 10.3.1 O componente capacitor .......................................................................... 56 10.3.2 Funcionamento do capacitor ................................................................... 56 10.3.3 Capacitância em capacitor de placas paralelas ..................................... 57 10.4 TIPOS DE CAPACITORES............................................................................ 59 10.4.1 Quanto ao dielétrico ................................................................................. 59 10.4.2 Capacitores polarizados........................................................................... 61 10.5 CAPACITORES EM C. C. ............................................................................. 61 10.5.1 Descarga do capacitor.............................................................................. 62 10.6 CAPACITORES EM C. A. ............................................................................. 63 10.7 REATÂNCIA CAPACITIVA ............................................................................ 64 10.8 ASSOCIAÇÃO PARALELO DE CAPACITORES (//)...................................... 65 10.8.1 Capacitância equivalente ......................................................................... 65 10.8.2 Relação de cargas nos capacitores de uma associação em paralelo 66 10.9 ASSOCIAÇÃO SÉRIE DE CAPACITORES ................................................... 66 10.9.1 Capacitância equivalente ......................................................................... 66 10.9.2 Tensão na associação série de capacitores .......................................... 67 10.10 PRINCIPAIS USOS E TESTE DE CAPACITORES ..................................... 67 10.11 TESTE DE CAPACITORES......................................................................... 67 10.12 TENSÃO DE TRABALHO PARA CAPACITORES....................................... 68 7 11 MAGNETISMO E ELETROMAGNETISMO .................................................... 69 11.1 IMÃS ARTIFICIAIS ....................................................................................... 70 11.2 FORÇAS MAGNÉTICAS .............................................................................. 71 11.3 ELETROMAGNETISMO ............................................................................... 71 11.3.1 Pólo de eletroimã ....................................................................................... 72 12 INDUTORES ................................................................................................... 75 12.1 TENSÃO INDUZIDA...................................................................................... 75 12.2 AUTO-INDUÇÃO........................................................................................... 76 12.3 INDUTÂNCIA................................................................................................. 77 12.3.1 Fatores que influem na indutância ......................................................... 77 12.4 INDUTORES ................................................................................................. 78 12.4.1 Unidade de medida da indutância........................................................... 78 13 TRANSFORMADORES .................................................................................. 80 13.1 TIPOS DE TRANSFORMADORES ............................................................... 82 13.2 AUTOTRANSFORMADORES....................................................................... 82 14 DIODO RETIFICADOR ................................................................................... 84 14.1 SIMBOLOGIA E ASPECTO REAL ................................................................ 85 14.2 RETIFICAÇÃO DE MEIA ONDA.................................................................... 88 14.2.1 Funcionamento ......................................................................................... 88 14.2.2 Tensão de saída........................................................................................ 90 14.2.3 Circuito conversor C.A. – C.C. utilizando R.M.O. .................................. 90 CONSIDERAÇÕES FINAIS ..................................................................................... 93 EXERCÍCIOS PARA REVISÃO ............................................................................... 95 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 101 10 11 1 FATOS HISTÓRICOS O estudo da eletricidade ao longo dos tempos deve-se a grandes nomes da ciência, como Gilbert, Dufay, Franklin, Coulomb, Galvani, Volta, Faraday e Rowland, entre outros. Faraday e Rowland reconheceram a corrente elétrica como eletricidade em movimento no século XIX. Já no século XX, pode-se afirmar que Thomson descobriu o elétron, Millikan mediu a carga do elétron e Rutherford apresentou um modelo atômico desenvolvido por Bohr e Sommerfeld. Em 1884, Edison desenvolveu a lâmpada; em 1904, Fleming desenvolveu a primeira válvula; em 1906, Forest criou o triodo e, em 1948, Bardeen e Brattain desenvolveram o transístor. Nos anos 70 surgiram os circuitos integrados que minimizaram os diversos circuitos e aparelhos existentes. O estudo atual da eletricidade caminha para um desenvolvimento acelerado, e não se pode imaginar os níveis que virá a atingir. Hoje, a microeletrônica é capaz de proporcionar equipamentos compactos, miniaturados e muito confiáveis. 12 15 Exercício: Em determinado circuito elétrico, o aumento da tensão provoca a diminuição da corrente para manter a potência constante. 100 W = 10 V.10A ou, se aumentar a tensão para 20 V, 100 W = 20 V. X A Calcule: X =................ 2.3 POTENCIAÇÃO Potenciação é a forma em que um número muito grande ou muito pequeno pode ser representado de forma compacta. 2.3.1 Potência de base 10 É a potência onde os números a serem representados são múltiplos de 10. Onde a potência indica o número de zeros após ou antes dos algarismos representativos. Exemplo: 1.000.000 = 1 x 106 0,0000001 = 1 x 10-6 2.3.2 Adição de potências Somam-se os algarismos e mantém-se a potência. Exemplo: 3 . 104 + 5 . 104 = 8 . 104 3 . 104 + 5 . 103 = 3,5 . 104 ou 35 . 103 Observação: Quando se têm potências diferentes, passam-se todos os números para a mesma potência e efetua-se a soma. 16 2.3.3 Multiplicação de potências Multiplicam-se os algarismos e somam-se as potências. Exemplos: 3 . 10-3 x 4 . 103 = 12 . 100 ⇒ 12 3 . 109 x 5 . 103 = 15 . 1012 ou 1,5 . 1013 Observação: Potência negativa é igual ao algarismo dividido pela potência positiva de mesmo valor. Exemplo: 3 . 10-9 = 000.000.1000 3 10 3 9 = 3 . 109 = 000.000.1003 10 3 9 ×=− 17 3 UNIDADES DE MEDIDA Para representar as diferentes grandezas que regem os fenômenos físicos, foram convencionadas várias unidades de medida fundamentais e derivadas e, também, algumas constantes. Neste capítulo mostram-se as principais unidades e constantes. 3.1 UNIDADES FUNDAMENTAIS (S. I.) comprimento: metro (m) massa: kilograma (kg) tempo: segundo (s) corrente elétrica: ampére (A) temperatura: Kelvin (K) ⇒ 0º C → 273K quantidade de substâncias: Mol intensidade luminosa: Candela (Cd) 3.2 UNIDADES DERIVADAS área: m2 velocidade: m/s pressão: Pa (N/m2) volume: m3 aceleração: m/s2 trabalho, energia, calor: J (N, m) freqüência: Hz força: N tensão elétrica: V Volt (w/A) potência: W Watt (J/s) carga elétrica: C Coulomb (A . s) capacitância: F Farad (V . s) fluxo magnético: Wb Weber indutância: H Henry 20 Camada de valência ⇒ É a última camada eletrônica, onde o número de elétrons nela é importante para o estudo das propriedades elétricas de cada material. Fonte: BOYLESTAD, R.; NASHELSKY, L., 1999. Figura 3 – Camadas de valência 4.1 TIPOS DE MATERIAIS (ELEMENTOS QUÍMICOS) 4.1.1 Quanto ao número de elétrons na camada de valência Gases nobres: possuem o número máximo de elétrons na última camada ⇒ (2 ou 8) Condutores ⇒ ligação metálica: possuem poucos elétrons na última camada (1 ou 2). Exemplos: ouro, prata, cobre, platina. São doadores de elétrons. Semicondutores: possuem 4 elétrons na camada de valência. Têm um nível médio de facilidade de perder elétrons. Isolantes: são elementos em que, por terem grande número de elétrons na última camada, é necessária grande quantidade de energia para arrancar elétrons de um átomo. 21 5 ELETRICIDADE ESTÁTICA Eletricidade estática pode ser definida como sendo conseqüência das cargas elétricas acumuladas em corpos eletricamente carregados, como se verá neste capítulo. 5.1 CARGAS ELÉTRICAS Há dois tipos de cargas elétricas: as cargas positivas e as cargas negativas. As cargas negativas são os elétrons, e as positivas, os prótons (como visto no capítulo anterior). – prótons – elétrons O movimento de cargas se dá pelo movimento de elétrons (é). Pode-se afirmar que a energia elétrica é ocasionada pelo movimento das cargas negativas ou dos elétrons. 5.1.1 Unidade que mede a quantidade de carga ⇒ Coulomb (C) ⇒ carga de 1 é: 1,6 x 10-19 C, ou seja: 1C = 6,25 x 1018 é 5.1.2 Doação ou recebimento de cargas (é) Quando um átomo recebe elétron diz-se que ficou carregado negativamente e se tornou um íon negativo (ânion). 22 Fonte: Ilustração do autor Figura 4 – Íon negativo ou ânion Quando um átomo perde elétron fica carregado positivamente, ou seja, torna-se um íon positivo ou cátion. Fonte: Ilustração do autor Figura 5 – Íon positivo 5.2 ELETRIZAÇÃO É o processo pelo qual são retiradas cargas elétricas de um corpo ou transferidas para ele, permitindo que um corpo neutro fique eletricamente carregado. Fonte: Ilustração do autor Figura 6 – Eletrização de um corpo 25 Fonte: Ilustração do autor Figura 11 – Gerador eletroquímico 5.3 FORÇAS ENTRE CORPOS CARREGADOS Quando um corpo está carregado eletricamente, surge ao seu redor um campo de forças elétricas. Se dois corpos que apresentam diferença de cargas elétricas entre si forem colocados próximos, surge uma força de atração ou de repulsão entre eles. Onde: – corpos com cargas de sinais opostos se atraem: Fonte: Ilustração do autor Figura 12 – Atração entre cargas de sinais diferentes – corpos com cargas de sinais iguais se repelem: Fonte: Ilustração do autor Figura 13 – Repulsão entre cargas de mesmo sinal + + + - limão zinco cobre -- 26 – Se um corpo for carregado e outro for neutro, como há diferença de cargas, há atração: Fonte: Ilustração do autor Figura 14 – Atração entre corpos carregados e neutros - + N N 27 6 TENSÃO, CORRENTE E RESISTÊNCIA ELÉTRICA Neste capítulo trata-se de três dos principais conceitos do estudo da Eletricidade e Eletrônica, que são tensão, corrente e resistência elétrica. 6.1 POTENCIAL ELÉTRICO Diz-se que um corpo está em equilíbrio elétrico quando tem o mesmo número de prótons e de elétrons. Havendo desequilíbrio entre o número de prótons e o de elétrons, o corpo está carregado eletricamente. Potencial elétrico de um corpo é o número de cargas excedentes nele. Fonte: Ilustração do autor Figura 15 – Corpos com potencial positivo e com potencial negativo 6.2 TENSÃO ELÉTRICA (V) Se existe diferença de cargas elétricas entre dois corpos, pode-se dizer que eles estão com potenciais diferentes, ou seja, existe uma diferença de potencial entre ambos. 30 6.3.2 Sentido da corrente elétrica O sentido da corrente elétrica é sempre contrário ao sentido do movimento dos elétrons, ou seja, do ponto mais positivo para o ponto mais negativo (sentido convencionado). Sentido real do movimento de cargas: os elétrons são as cargas que se movimentam. Fonte: MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B., 1998. Figura 18 – Sentido real do movimento de cargas Sentido da corrente elétrica: sentido convencionado do movimento de cargas, ou seja, do pólo positivo para o negativo. Fonte: MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B., 1998. Figura 19 – Sentido da corrente elétrica O instrumento utilizado para medir a intensidade de corrente é o amperímetro. 31 6.4 RESISTÊNCIA ELÉTRICA Resistência elétrica é a propriedade de um corpo de fazer oposição à passagem de corrente elétrica. A resistência elétrica de um material depende da facilidade ou dificuldade com que apresenta a passagem de corrente. Continuando a analogia com o sistema hidráulico, o efeito de um resistor em um circuito elétrico pode ser comparado ao efeito de se colocar um pedaço de cano de 1” no meio de um cano de 10”. Sabe-se que a água terá dificuldade de passar, e que a quantidade que sairá na extremidade do cano de 10” será menor do que se o cano fosse todo de 10”. 6.4.1 Unidade de medida de resistência elétrica A resistência elétrica é medida em Ohm (Ω), que significa um Volt dividido por 1um Ampére. O ohmímetro é o instrumento de medição de resistência. No capítulo 9 apresentam- se mais detalhes. 32 35 Freqüência (f) Hz: é o número de ciclos completos por segundo. F = T 1 é quantas oscilações há por segundo. 7.1.4 Geradores de corrente Nos geradores de tensão, esta se mantém fixa e a corrente varia conforme a carga. Já nos geradores de corrente, a corrente é fixa e a tensão varia conforme a carga. C.C. C.A. Fonte: Ilustração do autor Figura 22 – Simbologia de geradores C.A. e C.C. ~ 36 37 8 POTÊNCIA EM CIRCUITOS ELÉTRICOS Potência elétrica é o trabalho (J) realizado por unidade de tempo (s), por um gerador ou um receptor. Veja capítulo 3 (J e S). Pode-se definir potência como a quantidade de energia fornecida ou consumida durante um tempo pré-definido (1 segundo ou 1 hora, por exemplo). Exemplo: Um aquecedor de 2500 W ligado por 5 minutos realiza um trabalho de 750000 J, ou seja, fornece 750000 J de energia térmica ao ambiente. A potência elétrica, expressa em função da corrente e da tensão elétrica, é dada pela equação abaixo. P = V x I Exemplo: Uma lâmpada ligada em 12 V consome uma corrente de 5A. Qual é sua potência? P = V x I = 12 x 5 = 60 W 8.1 UNIDADE DE MEDIDA DE POTÊNCIA W = Watt é a unidade de medida de potência. 1 Watt significa um Joule durante um segundo, mas também pode ser um Ampére onde exista uma ddp de um Volt. 1 W = 1 V x 1 A Exercícios: 1 Uma lâmpada de 40 W ligada em 220 V. Qual é a corrente que circula no circuito? 40 9.3 ASPECTO REAL E IDENTIFICAÇÃO DO VALOR Fonte: Ilustração do autor Figura 25 – Aspecto real e identificação do valor de um resistor Existe um código de cores para a leitura do valor de um resistor. Está representado na tabela abaixo, onde a primeira faixa corresponde ao primeiro algarismo, a 2ª faixa ao segundo, a 3ª faixa ao número de zeros que segue os algarismos e a 4ª faixa à tolerância percentual máxima para o valor indicado no componente. Tabela 3 – Código de identificação de resistores Cor 1ª faixa 2ª faixa 3ª faixa 4ª faixa preto – 0 X1 – marrom 1 1 X10 1% vermelho 2 2 X100 2% laranja 3 3 X1000 3% amarelo 4 4 X10000 4% verde 5 5 X100000 – azul 6 6 X1000000 – violeta 7 7 – – cinza 8 8 – – branco 9 9 – – ouro – – 0,1 5% prata – – 0,01 10% – Para ler um resistor com 5 faixas: 1ª faixa: algarismo significativo 2ª faixa: algarismo significativo 3ª faixa: algarismo significativo 4ª faixa: número de zeros 5ª faixa: tolerância 41 – Para ler um resistor com 6 faixas: 1ª faixa: algarismo significativo 2ª faixa: algarismo significativo 3ª faixa: algarismo significativo 4ª faixa: número de zeros 5ª faixa: tolerância 6ª faixa: temperatura Exemplo: Um resistor com as cores abaixo: 1º marrom – 1 2º preto – 0 3º amarelo – 4 ⇒ 10 x 104 (ou quatro zeros) 4º ouro – 5% R = 100 KΩ ou R = 100000 Ω 9.3.1 Tabela de múltiplos e submúltiplos K = 1000 = 103 (Kilo) M = 1000000 = 106 (mega) G = 1000000000 = 109 T = 1000000000000 (1012) m = 10-3 (mili) µ = 10-6 (micro) n = 10-9 (nano) p = 10-12 (pico) 9.4 CONDUTÂNCIA É a propriedade dos materiais de conduzir eletricidade, ou seja, é o inverso da resistência. Quanto mais resistivo for um material, menos condutivo será. G ⇒ condutância R G 1= Unidade siemens “S” 42 9.5 RESISTÊNCIA DE UM CONDUTOR A resistência de um condutor de comprimento l pode ser calculada pela equação abaixo. R = ρ . A l Onde: ρ = resistência do material l = comprimento do condutor A = área da seção transversal 9.6 LEI DE OHM A lei de OHM expressa a variação da tensão em relação à corrente e à resistência. A variação é linear, ou seja, a variação de uma das grandezas citadas implica a variação de pelo menos uma das outras. Fonte: INSTITUTO UNIVERSAL BRASILEIRO. Figura 26 – Gráfico representativo da lei de OHM A lei de Ohm resulta na equação: V = R . I Da equação, pode-se afirmar que, mantendo a resistência constante, ao aumentar a tensão, a corrente também aumenta, e mantendo a tensão constante, quanto maior a resistência, menor a corrente. 45 9.8 ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES 9.8.1 Associação em série A associação em série de quaisquer dispositivos de dois terminais é feita unindo-se um terminal de um deles com um terminal do outro. Não há nó em um circuito série. Observação: Nó é a união de três ou mais terminais ou ramos de um circuito. Fonte: Ilustração do autor Figura 27 – Associação em série de alguns dispositivos A resistência equivalente (Req) é a soma de todas as resistências em série. Fonte: Ilustração do autor Figura 28 – Dois resistores em série Para um número finito de resistores associados em série, a resistência equivalente é obtida pela equação abaixo, onde “n” é o número de resistores e “Req” a resistência equivalente. Req = R1 + R2 + R3 + ........... + Rn Exemplo: A resistência equivalente no circuito acima é: Req = 1Ω + 10 Ω Req = 11Ω 46 Exercícios 1 Calcule as associações de resistores abaixo. Fonte: Ilustração do autor Figura 29 – Referente ao exemplo 1 47 9.8.2 Associação em paralelo Quando se fala em associação em paralelo, significa que os terminais de todos os elementos da associação estão interligados, como na figura abaixo. Fonte: Ilustração do autor Figura 30 – Associação em paralelo RnRRq 1........... 2 1 1 1 Re 1 +++= A equação acima mostra como calcular a associação em paralelo de resistores. Exemplo: Calcular a resistência equivalente da associação em série e paralela. Req = 1000 + 560 + 330 + 1200 Req = 3.090 Ω Fonte: Ilustração do autor Figura 31 – Circuito de exemplo 4 1 3 1 2 1 1 1 Re 1 RRRRq +++= . B 50 9.9 POTÊNCIA ELÉTRICA EM RESISTORES A potência é o trabalho realizado por unidade de tempo, como já visto. É o produto da tensão pela corrente: P = V . I Unidade = Watt (W). Em resistores: a tensão nos terminais de resistor é proporcional à corrente que passa por ele. A equação abaixo demonstra isso, onde V é a tensão, R é resistência e I a corrente: V = R I Manipulando a equação de potência elétrica, chega-se às seguintes equações: P= R . I2 ou R = P I2 Exercícios 1 Calcule a potência e a resistência do filamento de uma lâmpada ligada em 220 V que consome 0,5 A. P = V.i P = 220 . 0,5 P = 110 W P = R . i2 110 = R . (0,5)2 250 110 , = R R = 440 Ω 2 Qual é a potência de uma lâmpada de R = 564 Ω ligada em 110 V? 51 9.9 LEIS DE KIRCHOFF As leis de Kirchoff podem ser utilizadas para a análise matemática de qualquer circuito. 9.9.1 L . T . K (Leis das tensões) O somatório das tensões em um percurso fechado é zero. Percurso fechado é um caminho do circuito onde não há derivação. Fonte: Ilustração do autor Figura 34 – Percursos fechados Percursos fechados são 1 e 2, mas 3 não é percurso fechado. O percurso fechado é também chamado de malha. Exercícios 1 Escreva a equação de malha do circuito abaixo. Fonte: Ilustração do autor Figura 35 – Malha ou percurso fechado Observação: Em cada malha obtém-se uma corrente do circuito, chamada corrente de malha. 52 Resolução do exercício 1: 12 V – I1 . 1000 Ω = 0 I1 = 1000 12 = 0,012 A 2 Escreva as equações de malha do circuito abaixo: Fonte: Ilustração do autor Figura 36 – Figura do exemplo Malha 1 = Malha 2 = 9.9.2 L . C . K ou Lei dos nós Nó é uma interseção de três ou mais ramos de um circuito. Fonte: Ilustração do autor Figura 37 – Exemplo de um nó L . C . K o somatório das correntes que chegam (+) e das que saem (–) é zero. Ou seja: se em um nó todas as correntes entram ou todas saem, pelo menos uma delas está com seu sentido invertido. 55 10 CAPACITORES Capacitores são os componentes onde a característica elétrica predominante é a capacidade de armazenar cargas elétricas. 10.1 CAPACIDADE ELÉTRICA É definida como a quantia máxima de cargas elétricas que um corpo pode receber ou perder. Quanto maior for o corpo e quanto mais fácil eletrizá-lo, maior será sua capacidade elétrica. Fonte: Ilustração do autor Figura 39 – Corpo carregado com um potencial positivo Em dois corpos de materiais iguais e tamanhos diferentes, o corpo maior possui maior capacidade. 10.2 CAMPO ELÉTRICO É a região de atuação das forças elétricas em corpos carregados eletricamente. A intensidade do campo elétrico é medida pelo número de linhas de campo por unidade de área. Nas cargas positivas, as linhas de campo saem do interior para o exterior da carga, e nas negativas as linhas de campo entram na carga. 56 Fonte: Ilustração do autor Figura 40 – Campo elétrico em cargas positivas e negativas Diz-se, por este motivo, que as cargas positivas são as de maior potencial. 10.3 CAPACITOR É o dispositivo que armazena energia no seu campo elétrico. A unidade de capacitância é o Farad (F). (V x s) 10.3.1 O componente capacitor Um capacitor é constituído de duas placas condutoras paralelas e isoladas por um dielétrico e terminais de conexão para cada placa. Fonte: Ilustração do autor Figura 41 – Capacitor de placas paralelas 10.3.2 Funcionamento do capacitor Ao submeter o capacitor a uma d.d.p., suas placas, que inicialmente estavam em equilíbrio eletrostático, adquirem cargas elétricas de sinais opostos, conforme a Figura 41. 57 Ao ligar a fonte de tensão nos terminais do capacitor, as placas, inicialmente neutras, começam a carregar-se. Há um movimento dos é da placa onde é ligado o terminal positivo (+) da fonte para a placa onde está ligado o negativo (–) da fonte. Desta forma, uma placa ficará com cargas positivas e a outra com cargas negativas. Se a fonte for retirada, o capacitor continuará carregado, pois não há caminho para os é retornarem. Fonte: Ilustração do autor Figura 42 – Capacitor de placas paralelas Esse processo é chamado de carga de capacitor. O capacitor nessas condições está com o mesmo potencial da fonte que o carregou. 10.3.3 Capacitância em capacitor de placas paralelas A mais simples construção de um capacitor é feita com duas placas paralelas, como o da Figura 42. A capacitância de um capacitor deste tipo é dada pela equação abaixo: K d AC .= Onde: A = área das placas D = distância K = é a constante dielétrica que é definida como o número de vezes que aumenta a capacitância de um capacitor sem dielétrico (vácuo ou ar). Adiciona-se um dielétrico (outro isolante). K – Ar = 1 K – vácuo = 1 60 Fonte: Foto de componente real, feita pelo autor. Figura 45 – Capacitor a óleo Capacitor eletrolítico: com dielétrico de papel embebido em solução dielétrica isolante (evolução do capacitor a óleo), são capacitores polarizados, ou seja, não podem ser ligados de forma invertida. Sempre há uma indicação da polaridade em seu corpo. Fonte: Foto de componente real, feita pelo autor. Figura 46 – Capacitor eletrolítico Capacitor a ar: capacitor de sintonia de rádios antigos, são placas rígidas e móveis presas a um eixo, que se encaixam em outras fixas sem tocá-las, como na figura a seguir. Fonte: Foto de componente real, feita pelo autor. Figura 47 – Capacitor de placas paralelas móveis (ajustável tipo AM - FM) 61 10.4.2 Capacitores polarizados Os capacitores eletrolíticos são polarizados, ou seja, não se pode aplicar potencial de sinal oposto ao indicado em cada terminal. Fonte: MARTINS, J., 1996. Figura 48 – Capacitor polarizado ou eletrolítico 10.5 CAPACITORES EM C.C. Após o período de carga do capacitor, ele se comporta como um circuito aberto para C.C. Fonte: MARTINS, J., 1996. Figura 49 – Processo de carga de um capacitor Como descrito no processo de carga, há circulação de corrente no capacitor inicialmente, durante a carga e quando descarregando, como se mostra nos gráficos a seguir. 62 Fonte: Ilustração do autor Figura 50 – Tensão e corrente X tempo durante a carga de um capacitor 10.5.1 Descarga do capacitor Ao ligar uma resistência aos terminais de um capacitor carregado, há circulação de corrente elétrica pelo mesmo até que o capacitor se descarregue completamente. Fonte: Ilustração do autor Figura 51 – Tensão e corrente x tempo durante a descarga de um capacitor Fonte: Ilustração do autor Figura 52 – Descarga de capacitores 65 10.8 ASSOCIAÇÃO EM PARALELO DE CAPACITORES (//) A associação em paralelo de capacitores quanto a ligações elétricas segue as mesmas regras da associação de resistores. Veja-se a figura abaixo. Fonte: Ilustração do autor Figura 55 – Associação em paralelo de capacitores 10.8.1 Capacitância equivalente A capacitância equivalente é igual à soma das capacitâncias de todos os capacitores em paralelo, pois, neste caso, as áreas das placas dos capacitores se somam. Ceq = C1 + C2 Fonte: Ilustração do autor Figura 56 – Ceq equivale à soma das placas Exercício Calcule a capacitância equivalente nas associações abaixo e desenhe os circuitos. 10 uF + 22 uF 100 nF // 470 nF 66 10.8.2 Relação de cargas nos capacitores de uma associação em paralelo Relação tensão-carga na associação paralelo de capacitores. Q = C . V Como: V1 = V2 Q1 = C1 . V1 Q2 = C2 . V2 Qn = Cn . V Qt = ∑ Qn (n = número do capacitor) A carga total da associação é a soma das cargas de cada capacitor. QC1 = 10 µF x 12 QC1 = 120 µC QC2 = 240 . 10-6C Qt = 120 + 240 Qt = 360 µC 10.9 ASSOCIAÇÃO SÉRIE DE CAPACITORES 10.9.1 Capacitância equivalente Na associação série de capacitores, Ceq é sempre menor que o menor dos capacitores da associação. .......... CCCeq ++= 2 1 1 11 ou 21 2.1 CC CCCeq + = A diminuição se dá pois, quando se associam capacitores em série, há um aumento da distância que separa as placas positivas das negativas. Como: d AC .0ε= ε0 = constante permissividade elétrica no vácuo e “d” sendo maior, Ceq será menor. 67 Fonte: Ilustração do autor Figura 57 – Associação série de capacitores 10.9.2 Tensão na associação série de capacitores O cálculo da tensão em cada capacitor de uma associação em série é efetuado da seguinte forma: Como: Q = C . V A carga em cada capacitor é a mesma na associação série. 1 1 C QV = 2 2 C QV = Q = Vfonte . Ceq 10.10 PRINCIPAIS USOS E TESTE DE CAPACITORES Filtro de C.C.: um capacitor ligado em paralelo com uma fonte de tensão não-perfeita minimiza as oscilações dela. Ou seja, carrega-se quando a tensão sobe e fornece esta carga ao circuito que a fonte está alimentando. Desacoplagem da componente de C.C. de um sinal elétrico: como para C.C. o capacitor é um circuito aberto, passa somente o sinal C.A. 10.11 TESTE DE CAPACITORES Descrevem-se os procedimentos para o teste de capacitores com dois tipos de multímetro, analógico e digital. Com o multímetro analógico: seguem-se alguns passos: 70 Fonte: MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B., 1998. Figura 59 – Campo magnético em torno de um ímã permanente, formado por várias linhas de força. 11.1 IMÃS ARTIFICIAIS Um material não magnetizado possui seus imãs elementares desordenados. Certos materiais, ao serem submetidos a forças magnéticas, alinham seus imãs elementares e, após a força externa ser retirada, os imãs elementares não retornam às posições iniciais e permanecem orientados. Fonte: Ilustração do autor Figura 60 – Material com imãs elementares ordenados, imantados e desorientados não- imantados Ao partir um imã em vários pedaços, sempre surgirão novos imãs com pólo N e S. Isso acontece até que se atinja o tamanho de um imã elementar. 71 Fonte: Ilustração do autor Figura 61 – Dois imãs resultantes da divisão de um imã maior 11.2 FORÇAS MAGNÉTICAS Pólos de sinal idêntico repelem-se, e pólos de sinal opostos atraem-se. Fonte: Ilustração do autor Figura 62 – Força entre imãs 11.3 ELETROMAGNETISMO A passagem de corrente elétrica por um condutor faz nele um campo magnético. O sentido do campo é dado pela regra da mão direita. Fonte: MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B., 1998. Figura 63 – Regra da mão direita Com o polegar na direção da corrente, o movimento dos dedos para pegar os fios indica o sentido do campo. SN N NS S N S N S N S NS 72 “.” ➙ indica corrente ou campo saindo do plano “x” ➙ indica corrente ou campo entrando no plano. campo campo Fonte: Ilustração do autor Figura 64 – Sentido do campo H, com corrente saindo do plano da folha, na da direita e na da esquerda entrando no plano. Se o condutor for reto, o campo é giratório como na figura acima.; se estiver enrolado em uma bobina, o campo tem direção única, como na figura abaixo. Fonte: MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B., 1998. Figura 65 – Campo magnético em um bobinado A intensidade do campo magnético ao redor de um condutor é diretamente proporcional à corrente que circula por ele. Ou seja: quanto maior for a corrente, maior será o campo gerado, até que se atinja o número máximo de linhas de campo que o núcleo suporte. 11.3.1 Pólos do eletroimã Ao enrolar um condutor em forma de espiras constitui-se uma bobina, onde o campo magnético resultante é a soma do campo em cada condutor (desenho anterior). Portanto, a intensidade campo magnética em uma bobina depende diretamente da corrente e do número de espiras. X i•i 75 12 INDUTORES Indutância é a propriedade de armazenar energia pelo campo magnético. Apresentam-se, neste capítulo, as principais características, leis e propriedades dos indutores. 12.1 TENSÃO INDUZIDA Assim como um condutor, um conjunto de condutores percorridos por uma corrente elétrica variável produz um campo magnético também variável. Quando um condutor é submetido a um campo magnético variável, ele é percorrido por uma corrente elétrica, que surge no condutor para neutralizar a variação do fluxo magnético ao seu redor (Lei de Lenz). Fonte: MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B., 1998. Figura 67 – Resultante da lei de Lenz A corrente elétrica citada produz uma tensão proporcional a ela, chamada tensão induzida. A intensidade da tensão induzida depende da intensidade do campo magnético e da sua variação. 76 12.2 AUTO-INDUÇÃO Sabe-se que um condutor percorrido por corrente elétrica variável produz em sua volta um campo magnético que é também variável. Por outro lado, viu-se que qualquer condutor colocado em campo magnético variável será percorrido por uma corrente elétrica induzida se o circuito for fechado, ou terá em suas extremidades uma força eletromotriz induzida se o circuito estiver aberto. Em conseqüência disso, o condutor percorrido por uma corrente variável fica sob ação do campo variável que ele cria e terá induzido em si mesmo uma corrente de indução. Esse fenômeno é o que se chama de auto-indução, ou self-indução. Portanto, diz-se que auto-indução é o fenômeno pelo qual um condutor produz corrente de indução em si mesmo, quando percorrido por uma corrente variável. O fenômeno da auto-indução é observado com muito mais intensidade nas bobinas, porque, sendo grande o número de espiras, a tensão induzida também o será. Em um enrolamento (bobina), cada espira induz nas espiras vizinhas uma tensão elétrica, ou seja: a aplicação de uma tensão elétrica em uma bobina provoca o aparecimento de um campo magnético variável que gera na própria bobina uma tensão induzida (auto-indução). F.E.M. – força eletromotriz: é a tensão que aparece em um condutor quando submetido a um campo magnético variável. F.C.E.M. – força contraeletromotriz: é a tensão contrainduzida. Fonte: MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B., 1998. Figura 68 – Tensão induzida 77 12.3 INDUTÂNCIA Conforme já visto, o que caracteriza um corpo quanto a sua propriedade de ser atravessado pela corrente elétrica é a resistência. Agora, diz-se que um condutor ou um enrolamento, quanto à sua auto-indução, é caracterizado por uma grandeza a que se chama de coeficiente de auto-indução, ou, simplesmente, indutância. De fato, a torça eletromotriz de indução que aparece em cada enrolamento não é a mesma para todos, pois viu-se que a torça eletromotriz depende do número de espiras. Além disso, depende de outros fatores, como será indicado mais abaixo. Sendo assim, há que existir um meio de descobrir, entre enrolamentos, aquele que provoca em si mesmo a maior força eletromotriz de indução. Este meio é exatamente a indutância. 12.3.1 Fatores que influem na indutância O número de espiras do enrolamento: realmente, quanto maior for o número de espiras da bobina, maior será a força eletromotriz induzida nela mesma e, portanto, maior sua indutância. A forma do enrolamento: de fato, as linhas de força de uma espira podem atingir ou não a outra espira, dependendo, naturalmente, da forma do enrolamento. O diâmetro das espiras: a influência do diâmetro das espiras é mostrada na Figura 69, a seguir. Imaginando-se que a corrente entra pela esquerda, ela provoca um campo magnético cujas linhas de força têm o sentido que se indicou pela ponta de seta. No ramo da direita, ou seja, por onde a corrente sai, o campo tem o sentido contrário ao da entrada; conseqüentemente, se o diâmetro for pequeno, os campos se subtrairão e a força eletromotriz induzida será menor, o que equivale a dizer que a indutância será menor. Assim, a indutância depende do diâmetro da bobina e, quanto maior for o diâmetro, maior será a indutância. 80 81 13 TRANSFORMADORES Transformadores são dispositivos elétricos utilizados para elevar, rebaixar a tensão da rede elétrica ou isolar um equipamento dela. São geralmente formados por duas bobinas isoladas chamadas de primário e secundário. O princípio de funcionamento de um transformador é o acoplamento indutivo. Acoplamento indutivo: ao aplicar-se uma tensão alternada na bobina de primário, a qual provocará o surgimento de campo magnético ao redor da bobina, como visto anteriormente, ao mesmo tempo as linhas de campo atravessam a bobina de secundário e aparecerá nela outra tensão, a de secundário. Fonte: Ilustração do autor Figura 70 – Acoplamento indutivo Núcleo: utiliza-se núcleo magnético para aumentar o fluxo magnético e, portanto, diminuir o tamanho físico da peça. Relação de transformação(a): é a relação entre o número de espiras do secundário pelo número de espiras do primário. 1 2 N Na = 82 Relação de tensão entre 1º e 2º. 1 2 V Va = Relação de corrente entre 1º e 2º. 2 1 I Ia = Relação de potência entre 1º e 2º. 21 PP = 13.1 TIPOS DE TRANSFORMADORES Transformador isolador: possui tensão do 2º igual à tensão do 1º )( 21 VV = . Serve para isolar equipamentos da rede elétrica. Transformador rebaixador: tem a tensão do 2º menor que a do 1º )( 12 VV < . Usado para alimentar, através da rede elétrica, aparelhos que trabalham com tensões baixas. Transformador elevador: possui a tensão do 2º maior que a do 1º )( 12 VV > . É utilizado, principalmente, em televisores e aparelhos que necessitam de tensão elevada (M. A. T.) 13.2 AUTOTRANSFORMADORES Possuem a vantagem de apresentar maior potência (duas vezes) e a desvantagem de não ter a saída isolada da entrada. A saída é retirada de uma derivação do enrolamento, se o transformador for rebaixador, ou tem-se a saída no enrolamento inteiro e a entrada em uma derivação, se for elevador. Muito utilizado em estabilizadores de tensão, por serem mais compactos e baratos. 85 14 DIODO RETIFICADOR O diodo semicondutor é um componente que apresenta a característica de se comportar como condutor ou isolante elétrico, dependendo da forma como a tensão é aplicada a seus terminais. Uma das aplicações do diodo é na transformação de corrente alternada em corrente contínua utilizada, por exemplo, nos eliminadores de pilhas. 14.1 SIMBOLOGIA E ASPECTO REAL O diodo semicondutor é representado nos esquemas pelo símbolo apresentado na Figura 71. O terminal da seta representa o material “P”, denominado de ANODO do diodo, enquanto o terminal da barra representa o material “N”, denominado de CATODO do diodo. Fonte: Ilustração do autor Figura 71 – Simbologia do diodo A identificação dos terminais (anodo e catodo) no componente real pode aparecer de duas formas: – símbolo impresso sobre o corpo do componente; – uma barra impressa sobre o corpo do componente, que indica o catodo. 86 Observa-se que o comportamento de qualquer componente eletrônico fabricado com materiais semicondutores depende diretamente da sua temperatura de trabalho. Esta dependência é denominada de dependência térmica, constituindo-se em fator importante que deve ser considerado quando se projetam ou montam circuitos com estes componentes. A Figura 72 apresenta alguns tipos construtivos de diodos utilizados em circuitos eletrônicos. Fonte: Ilustração do autor Figura 72 – Aspecto real A tensão pode ser aplicada ao diodo de duas formas diferentes, denominadas tecnicamente de: Polarização direta: a polarização do diodo é denominada polarização direta quando a tensão positiva é aplicada ao material “P” e a tensão negativa ao material “N”. O pólo positivo da fonte repele as lacunas do material “P” em direção ao pólo negativo, enquanto os elétrons livres são repelidos pelo pólo negativo em direção ao pólo positivo. Se a tensão da bateria externa for maior que a tensão da barreira de potencial, as forças de atração e repulsão provocadas pela bateria externa permitirão aos portadores adquirir velocidade suficiente para atravessar a região onde há ausência de portadores. 87 Fonte: BOYLESTAD, R. L.; NASHELSKY, L., 1999. Figura 73 – Polarização direta Observa-se que, nesta condição, existe um fluxo de portadores livres dentro do diodo, através da junção. A polarização direta faz com que o diodo permita a circulação de corrente elétrica no circuito, através do movimento dos portadores livres. Fonte: SENAI-RS, 1996. Figura 74 – Polarização direta acende a lâmpada Quando o diodo está polarizado diretamente, conduzindo corrente elétrica, diz-se que está em condução. É importante observar que a seta do símbolo do diodo indica o sentido de circulação convencional da corrente. Polarização inversa: a polarização inversa de um diodo consiste na aplicação de tensão positiva no material “N” e negativa no material “P” (Fig. 75). Nesta situação, os portadores livres de cada cristal são atraídos pelos potenciais da bateria para os extremos do diodo. 90 14.2.2 Tensão de saída A tensão de saída de uma retificação é contínua, embora seja pulsante. Para medi- la, utiliza-se um voltímetro de C.C. ou multímetro. Ao conectar um voltímetro de C.C. na saída de uma retificação, a tensão indicada pelo instrumento será a média entre os períodos de existência e inexistência de tensão. Na retificação de meia onda alternam-se os períodos de existência e inexistência de tensão sobre a carga (Fig. 78). Conseqüentemente, o valor de tensão C.C. média sobre a carga (medido com voltímetro C.C. na saída da retificação) está muito abaixo do valor efetivo C.A. aplicado à entrada do circuito. Fonte: Ilustração do autor Figura 78 – Tensão de saída de um retificador de meia onda A tensão média na saída é dada pela equação: VCC = (Vp – VD) onde π VCC = tensão contínua sobre a carga Vp = tensão de pico da C.A. aplicado ao circuito (Vp = Vpp ) 2 VD = queda de tensão típica do diodo (0,2 V ou 0,7 V). 14.2.3 Circuito conversor C.A. – C.C. utilizando R.M.O. A maioria dos circuitos não funciona com tensão pulsante. Portanto, é necessária uma linearização da tensão de saída dos retificadores para que este circuito possa alimentar, por exemplo, um televisor ou um rádio. Isto é conseguido adicionando-se um capacitor em paralelo com a carga. O capacitor faz o papel de um filtro, minimizando a variação no valor da tensão de saída. 91 O circuito abaixo mostra como o capacitor deve ser ligado. Fonte: Ilustração do autor Figura 79 – Conversor C.A. – C.C. A tensão de saída dos retificadores com capacitor de filtro é igual à tensão de pico de saída do retificador sem capacitor. ),Vca(Vcc 702 −⋅= Onde: Vcc = Tensão média de saída Vca = Tensão C.A. do secundário do transformados Com o aumento da corrente de carga, a tensão média de saída tende a baixar, pois esta corrente força o capacitor a descarregar-se mais rapidamente, uma vez que o funcionamento deste circuito se baseia no carregamento do capacitor quando o diodo está conduzindo, e seu descarregamento no período em que o diodo está polarizado reversamente. Exercícios 1 Com um transformador de 6 V tem-se uma saída de : 2706 ⋅−= ,Vcc Vcc = 7,49 V 2 Calcule a tensão de saída de um retificador de meia onda com filtro que use um transformador com as características abaixo: relação de transformação = 1/15 tensão de primário = 220 V 92 95 EXERCÍCIOS PARA REVISÃO 1. Quais são os principais tipos de eletrização? 2. Diga o que é: • Tensão • Corrente • Resistência 3. Qual é a relação entre corrente e tensão em um resistor? 4. Calcule a resistência equivalente nos circuitos abaixo: 5. Calcule as correntes antes e depois de ligar a chave nos circuito abaixo (V = RI). 6. Diferencie corrente contínua de corrente alternada. 7. Qual é a tensão que alimenta uma lâmpada de 150 W que está consumindo uma corrente de 1,18A? Qual é sua resistência? 8. Um cliente chega a sua oficina dizendo ter adquirido um sistema de iluminação com controle de intensidade luminosa por controle remoto, mas alega que, ao ligar, as lâmpadas ficam avermelhadas. Ele comprou lâmpadas de 220 V e sua rede é de 110 V. Sabendo-se que as lâmpadas eram de 100 W, qual é a potência consumida por uma dessas lâmpadas em 110 V? (V = RI; P = VI) 96 9. Qual é o significado da lei de OHM (mostre com ajuda do gráfico)? 10. Diga as cores dos resistores abaixo (se houver). • 10 KΩ • 33 Ω • 390 Ω • 18 Ω • 47 Ω • 220 KΩ • 820 Ω • 20 Ω 11. Desenhe o circuito e calcule as associações abaixo: • 10 KΩ + 22 KΩ + 18 KΩ • 100 Ω // 100 Ω // 220 Ω // 470 Ω • 1,2 KΩ // 1,5 KΩ // 5,6 KΩ • (150 Ω + 270 Ω) // 470 Ω • (100 Ω // 180 Ω) + 330 Ω 12. Expresse o significado das leis de Kirchhoff. • das malhas: • dos nós: 13. Qual é a corrente elétrica que circula por motor de elétrico 7,5 KW alimentado com uma tensão de 380 V? 14. Calcule as associações de resistores abaixo: 470 0 . “ke 270 40 97