Circuitos Eletrônicos – Polarização do LED

Após conhecer um pouco sobre componentes eletrônicos, já estamos aptos a analisar alguns circuitos.

Muitas vezes precisamos de uma luz indicadora, como em qualquer equipamento eletrônico. Isso é possível e simples.

Poderíamos utilizar uma lâmpada incandescente, como é o caso de equipamentos valvulados mais antigos, mas se a idéia é ter baixo consumo e menor aquecimento, temos uma solução melhor, o LED.

Algumas pessoas acham que LED é uma lâmpada, mas na realidade, o que há de comum entre uma lâmpada e o LED, é que os dois emitem luz.

Para uma lâmpada acender, precisamos saber qual a sua tensão de alimentação. Se utilizarmos uma tensão inferior, ela terá uma luz de menor intensidade. Isso acontece quando ligamos uma lâmpada incandescente fabricada para funcionar na tensão 220Volts em uma rede elétrica de tensão nominal 110Volts. A lâmpada emitirá uma luz mais fraca, mas funcionará. No caso do LED, as coisas acontecem de forma diferente. O LED possui uma tensão de trabalho muito crítica. Décimos de tensão a mais, podem queimar o LED. Décimos de tensão a menos, podem ser insuficientes para que ele acenda. Então, de que forma podemos acender um LED com segurança? Devemos alimentar um LED limitando sua corrente, mesmo porque, os LEDs possuem pequenas variações nas tensões de trabalho , mesmo que sejam do mesmo tipo. Vamos ver na prática como isso funciona.

Abaixo temos um circuito onde podemos ligar o LED com segurança.

Perceba que estamos utilizando um resistor para limitar a corrente do LED. Dessa forma, mesmo que haja uma pequena variação na tensão de alimentação da bateria, essa variação será consumida pelo resistor.

Agora vamos entender como calcular esse circuito.

Para calcular o resistor, temos que nos preocupar com a tensão da bateria e os dados técnicos do LED. Supondo nesse caso, uma bateria de tensão máxima de 9Volts e o LED seja um vermelho de baixa potência (tipo piloto de equipamento).

Dessa forma temos os seguintes parâmetros:

Bateria: 9Volts

LED: 2Volts e corrente máxima 30mA.

No circuito vamos usar uma corrente de LED de 10mA, normalmente usada para se obter uma margem de segurança e melhor rendimento. Quanto mais próximo do limite de corrente, pior será seu rendimento.

Para calcular a resistência do resistor, vamos usar a lei de ohm.

Onde R é o valor de resistência em ohm, o U é a tensão em cima do resistor e I é a corrente do circuito.

Para saber a tensão em cima do resistor, devemos diminuir a tensão do LED sobre a tensão da bateria.

U = U_BAT – U_LED

U = 9V – 2V

U = 7V

Portanto a tensão em cima do resistor é de 7V. Essa tensão deve ser consumida pelo resistor.

A corrente do circuito é uma só para todo circuito. 10mA

Na lei de ohm vamos calcular todos os valores na mesma escala, ou seja, 10mA é igual a 0,01A.

Agora vamos calcular a resistência.

R = 700Ω (ohms)

Na prática esse valor pode ser mudado para fins de valor comercial de resistor.

O valor mais próximo comercial é 680Ω. Portanto teremos um pequeno aumento da corrente do circuito.

I = 0,0103 ou 10,3mA

Na prática, nenhuma diferença!

Agora vamos ao segundo cálculo que determinará a potência que o resistor deve dissipar.

Precisamos então usar outra fórmula análoga a anterior, onde P é potência em watts.

P = I x U

P = 0,01 x 7

P = 0,07 W (watts)

Como metodologia de mercado, utilizamos o valor em fracionário.

Os valores fracionários comerciais são: 1/8W, 1/4W e 1/2W.

1/8 de Watt é o mesmo que 0,125 W, que é muito superior ao necessário, garantindo que irá suportar a energia imposta pelo circuito.

O resistor foi finalmente definido como: 680Ω 1/8W (1/8 de Watt).

A energia do resistor é considerada pura perda de energia em calor.

A energia aproveitada para o LED é:

P = I x U_LED

P = 0,01 x 2

P = 0,02 W

Portanto, a energia total de consumo do circuito é:

P = I x U_BAT

P = 0,01 x 9

P = 0,09 W

Claro que o consumo total do circuito é a soma da potência dissipada pelo resistor e a potência de consumo do LED.

Vejam que mesmo com uma enorme perda com o resistor, temos um baixo consumo no circuito. Se utilizássemos uma lâmpada convencional, teríamos um consumo de energia pelo menos 10 vezes superior.

O LED também pode acender com correntes inferiores a 10mA, que é o caso dos LEDs de alto brilho, em que basta apenas 1mA para se obter luz.

Componentes Eletrônicos – Circuito Integrado

Circuito Integrado ou também conhecido por suas iniciais, CI.

O Circuito Integrado, como o próprio nome diz é um componente composto por outros componentes, sejam transistores, capacitores, resistores, etc.

O primeiro circuito integrado, foi criado em 1958 por Jack Kilby, mas apenas a partir do final dos anos 60 que sua comercialização se popularizou.

Qualquer pessoa pode montar seu próprio Circuito Integrado, bastando para isso, confeccionar uma placa de circuito impresso com componentes discretos e adicionar terminais para a conexão em uma outra placa de circuito. A esse tipo de Circuito Integrado denominamos, Circuito Hibrido.

Muitos fabricantes utilizam os Circuitos Híbridos por várias razões.

-Utilização específica, na qual se faça necessário manter estoque abaixo da escala industrial.

-Manter segredo de funcionamento do equipamento, selando o circuito com resina epóxi.

-Circuitos críticos, em que se deseje um isolamento maior contra energias eletromagnéticas ou estáticas, introduzindo invólucro metálico.

Os primeiros Circuitos Integrados, eram muito vulneráveis à queima e variações comportamentais devido à mudança de temperatura e energia aplicada. Com o passar do tempo foram solucionados esses problemas com adição de componentes de proteção e compensação.

Os Circuitos Integrados foram criados na intenção de miniaturizar o equipamento e de tornar sua montagem mais simples. Era visto que ao invés de montar milhares de placas idênticas e complexas, podiam montar os circuitos repetitivos em um único componente, economizando muito dinheiro.

Hoje temos uma variedade muito grande de Circuitos Integrados e isso promove ao engenheiro ou técnico o abandono parcial da teoria da eletrônica. Por outro lado, temos a facilidade de montar circuitos complexos, apenas com a informação do fabricante dos Circuitos Integrados. Normalmente, é indicado no datasheet (folha de dados) do fabricante do Circuito Integrado, a melhor forma para ser utilizado.

É possível montarmos um amplificador de áudio, com problemas de polarização e estabilidade térmica resolvidos, portando um Circuito Integrado e alguns componentes adjacentes indicados pelo fabricante do mesmo. É claro que dessa forma, estamos condicionados a aceitar a opção de circuito imposta pelo fabricante do CI.

Um dos Circuitos Integrados mais usados é o amplificador operacional.

O amplificador operacional tem uma vasta gama de utilidades e é alvo de atenção por entusiastas musicais determinando uns melhores e outros piores, mas o fato é que cada tipo possui vantagens e desvantagens para aplicações diversas, portanto devemos entender o funcionamento e a característica de cada modelo antes de afirmar o melhor. Muitos amplificadores operacionais são intercambiáveis tendo seus pinos com as mesmas funções, porém nem sempre suportam a mesma alimentação.

A diferença entre os amplificadores operacionais é proporcionada pelo conjunto hibrido de componentes idealizado em sua confecção. Antes de se fabricar um amplificador operacional, sua montagem é estudada em um circuito hibrido que normalmente é mostrada no datasheet do fabricante.

Componentes Eletrônicos - Indutor

O indutor ou mais conhecido como bobina, é um componente capaz de armazenar energia, assim como o capacitor, porém de forma diferente. Enquanto o capacitor consegue manter uma energia estável por um longo período, o indutor funciona como uma mola e retorna uma energia armazenada de forma instantânea e às vezes, dependendo de sua construção, até superior, em função do curto espaço de tempo de descarga. Essa energia é armazenada em forma de campo magnético. Ou seja, quando conectamos um indutor a uma fonte de energia constante, temos em seu corpo a formação de um campo magnético polarizado. Logo que desligamos a energia que alimenta o indutor, o mesmo transforma o campo magnético em energia elétrica novamente em uma breve descarga.

A essa capacidade de armazenamento do indutor em energia magnética é dado o nome de indutância. Símbolo L. Unidade Henry (H).

A construção de um indutor é muito simples. Basta enrolar um pedaço de fio condutor isolado em algum material e já teremos um indutor. Normalmente utilizamos como material de fio condutor, o cobre.

Um fator muito importante, é o núcleo no qual usamos para enrolar o fio. Pois esse núcleo pode ser de material magnetizante ou inerte. No caso de materiais inertes ao magnetismo, dizemos que o indutor possui núcleo de ar e dessa forma simplesmente ignoramos o material ao calcularmos o indutor. No caso de materiais magnetizantes, o núcleo passa a interferir no valor final da indutância, aumentando significativamente seu valor.

Outros fatores também influenciam na indutância. O diâmetro do indutor e a distância entre as espiras.

Na eletrônica, o indutor é comumente utilizado em filtros de frequência. Seja em divisores de frequência em caixas acústicas ou sintonizadores de radio frequência.

Em alguns casos, o indutor é apreciado apenas em seu momento de armazenamento, em que ele se torna um eletroímã. Um exemplo desse caso, é o alto falante.

O alto falante prioriza essa habilidade para que o indutor possa se movimentar dentro de um campo magnético formado por um imã permanente. Dessa forma, temos impulsos elétricos transformados em impulsos sonoros.

O transformador é outro exemplo em que se utiliza a energia magnética.

O transformador possui pelo menos dois indutores, chamados de, primário e secundário. Esses indutores são eletricamente isolados, porém acoplados magneticamente. Ao passo que a energia elétrica é transformada em magnética pelo primário, essa energia magnética é transformada em elétrica pelo secundário. A razão de transferência é dada pela diferença de indutância entre os dois indutores. Simplificando, podemos dizer que a razão entre a energia de entrada e a energia de saída é fornecida pela diferença do número de voltas em cada indutor. Por exemplo, se temos 100 voltas no primário e 200 voltas no secundário, a tensão de saída será o dobro da tensão de entrada, desconsiderando perdas.

A transferência de energia em um transformador só é possível em corrente alternada. É necessário que os campos magnéticos se alternem, caso contrário, o campo se estabiliza anulando a descarga elétrica. Dessa forma o transformador se torna um simples eletroímã apenas consumindo energia elétrica e transformando em magnética.

Componentes Eletrônicos – Transistor

Transistor, é um componente que poderia se chamar triodo, pois assim como a válvula triodo, sua função é a de passagem de energia em um único sentido com um elemento controlador.

Assim como o diodo ele é feito de junções de material semicondutor. O diodo, como dito anteriormente, possui uma única junção composta de dois materiais semicondutores. O transistor, por outro lado, possui duas junções compostas por três materiais semicondutores.

Como pode ser visto abaixo, o transistor possui três pinos. Coletor, Base e Emissor.

A energia passa entre o coletor e o emissor, dependendo da variação de energia na base. A base serve como controlador de condução.

O transistor é com certeza uma das maiores invenções da eletrônica, pois além de substituir a válvula, na grande maioria dos casos, também proporciona a criação dos circuitos integrados, que em geral são conhecidos como processadores de computador, amplificadores operacionais, entre outros. Dentro desses circuitos pode haver dezenas ou até, milhares de transistores.

No caso da substituição da válvula, o transistor trouxe vantagens.

- Construção de equipamentos menores.

- Menor aquecimento dos circuitos.

- Menor consumo de energia.

- Alimentação de circuitos de baixa tensão.

- Facilidade de manuseio.

- Baixo custo do circuito.

Com a criação do transistor, tivemos os primeiros rádios a pilha e hoje temos os computadores pessoais como prova dessas vantagens.

O transistor comum pode ser testado por um instrumento medidor de resistência, assim como o diodo. No instrumento iremos notar que, testando com as pontas de prova nos terminais base e coletor e nos terminais base e emissor, o transistor deve conduzir em um único sentido. Medindo entre o coletor e emissor, a medição deverá ser de resistência infinita ou aberto.

A escolha de um transistor do tipo comum é mais complexa do que a de outros componentes. Existem os fatores principais como, tensão de trabalho(V), corrente de trabalho(I), potência de trabalho(W), ganho(hfe) e tipo de condução(npn ou pnp).

Por ter uma diversidade muito elevada de tipos e encapsulamentos, é necessária a utilização da literatura fornecida pelo fabricante para se definir a ordem de ligação para cada transistor. Essa literatura é tecnicamente descrita como datasheet.

O datasheet fornece também todas as informações do transistor.

Componentes Eletrônicos – Válvula Termoiônica

A válvula termoiônica ou válvula eletrônica é o componente que precedeu o diodo e o transistor, com funções similares.

 

O princípio básico da válvula termoiônica é a emissão da corrente elétrica favorecida pelo calor em um ambiente de ausência do ar (vácuo). A válvula só conseguirá emitir após alcançar uma temperatura mínima, evoluindo até o equilíbrio térmico.

Assim como o diodo, a válvula termoiônica também tem sua emissão em um único sentido.

Curiosamente todos ainda possuem pelo menos um aparelho valvulado. Pode ser o velho televisor, que possui o tubo de imagem ou tubo de raios catódicos e também o forno de micro-ondas com o magnetron.

 

Lado esquerdo um tubo de imagens.
Lado direito um magnetron utilizado no forno de micro-ondas

Os tipos mais comuns de válvulas são:

Válvulas Diodo

Essas válvulas possuem 2 elementos.

Catodo Filamento - emissor

Placa ou anodo - polarizador de tensão positiva.

É comum encontrar válvulas em que o catodo é separado fisicamente do filamento.

Exemplo de Válvula Diodo.

CV559 – duplo diodo ou retificador de onda completa

Válvulas Triodo

Essas válvulas possuem 3 elementos.

Catodo Filamento – emissor

Grade de controle – controle da emissão

Placa ou anodo – polarizador de tensão positiva

Esse tipo de válvula possui o elemento de controle responsável por diminuir ou aumentar o fluxo de corrente entre o catodo e a placa.

Exemplo de Válvula Triodo.

ECC83 ou 12AX7 – duplo triodo.

Válvulas Pentodo

Essas válvulas possuem 5 elementos.

Catodo Filamento – emissor

Grade de controle – controle da emissão

Grade de blindagem – evita a realimentação em altas freqüências

Grade supressora – recurso para deixar a emissão mais linear

Placa ou anodo – polarizador de tensão positiva

Esse tipo de válvula é muito usada no estágio de saída de amplificação.

Exemplo de Válvula Pentodo.

6L6 - pentodo

Componentes Eletrônicos – Diodo

Diodo, é um componente que direciona a energia no circuito.

Ele funciona como se fosse o bico de um pneu de carro. Quando colocamos uma pressão de ar maior do que a interna, o ar entra no pneu e o bico impede que o ar volte. Da mesma forma o diodo impede que a energia tome a direção contrária à sua orientação.

Essa orientação da energia pode ser usada de diversas formas, e a mais comum, é quando precisamos transformar energia alternada em contínua. Nesse caso, o diodo só deixará passar por exemplo, os pulsos positivos e bloqueia os negativos.

O diodo é feito de uma junção de dois elementos quimicamente dopados chamada de semicondutor, justamente pelo fato de seguir apenas uma orientação.

O diodo pode ser testado por um instrumento medidor de resistência, assim como os componentes anteriores. No instrumento iremos notar que, testando com as pontas de prova nos terminais do diodo, teremos um nível de resistência e invertendo as pontas, o instrumento deve acusar infinito de escala ou aberto. Se caso o diodo apresentar nível de resistência nos dois sentidos, esse diodo pode estar danificado ou em curto. Se caso o teste apresentar infinito nos dois sentidos, o diodo pode estar aberto. Essa medição é válida para os tipos mais conhecidos de diodo.

O diodo deve ser escolhido pela corrente(I) que deve suportar e pela tensão(V) de trabalho.

Normalmente, os diodos possuem um anel em seu corpo definindo sua direção de trabalho. Esse anel é denominado tecnicamente de Catodo.

Um tipo de diodo muito conhecido é o LED, Light Emitting Diode ou Diodo Emissor de Luz.

O LED, como qualquer outro diodo, pode operar em apenas um sentido da energia.

Na figura abaixo, vemos dois identificadores da polaridade do LED. Um chanfro no anel da base do LED indicando o negativo e o terminal mais comprido do LED indicando o positivo.

Componentes Eletrônicos – Capacitor

Capacitor ou condensador, como era comumente chamado antigamente, é um componente que armazena energia.

Para termos um paralelo de comparação, podemos dizer que se assemelha a uma pilha recarregável, porém o capacitor pode ser carregado e descarregado infinitas vezes.

Essa propriedade de manter a energia nos capacitores se denomina capacitância. Quanto maior a capacitância, maior será a energia para carregar e descarregar. E portanto, maior energia armazenada.

O capacitor pode ser feito a partir de duas chapas de material condutor separadas por um material isolante. Quanto maior a área das chapas e mais próximas, maior será a capacitância.

Um capacitor em bom estado, é aquele que apresenta resistência mínima no início do teste e infinita após carregado. O teste pode ser executado com um multímetro em escala de ohms. Nesse teste dê preferência ao multímetro analógico, pois verá com mais facilidade a rampa de carga. Em capacitâncias muito baixas, esse teste será muito rápido. Em capacitâncias elevadas o tempo de carregamento será maior.

Essa característica do capacitor, é utilizada para estabilizar picos de energia, regenerar circuitos de tempo ou osciladores, filtros em geral, entre outras finalidades. Ou seja, também indispensável a qualquer circuito eletrônico.

Capacitância

Simbolo – C

Unidade de medida – Farad

Assim como no caso da resistência, a capacitância também possui multiplicadores por mil, só que comumente, são utilizados os divisores por mil.

Os mais comuns são: Pico(p) / 1x10¹², Nano(n) / 1x10⁹ e Micro(µ) / 1x10⁶.

Existem vários tipos de capacitor no mercado.

Na figura abaixo temos:

Os capacitores variáveis, no qual se pode mudar a capacitância desejada por um ajuste de aproximação ou paralelismo das placas.

Os capacitores de poliéster em que lemos o valor da mesma forma que os resistores, só que devemos considerar a leitura a partir da primeira unidade multiplicadora Pico(p).

Os capacitores eletrolíticos, que tem sua unidade de medida a partir de Micro(µ).

Os capacitores de disco de cerâmica com sua unidade a partir de Pico(p), salvo quando anunciado outra unidade no corpo.

Devemos considerar cada tipo de capacitor para cada caso e nível de capacitância.

Existe outro fator muito importante a se considerar nos capacitores. A tensão de isolação. Quando compramos um capacitor de um determinado valor, devemos verificar também o limite de tensão que ele suporta.

Na hora de instalar esse capacitor, devemos distinguir a sua polaridade, pois a isolação em alguns tipos de capacitor é garantida apenas em um sentido. Nesses tipos de capacitor existe uma marcação em seu corpo, definindo a polaridade.