Eletrônica
Professor João Luiz Cesarino Ferreira
1º Módulo
Conceitos de Eletrônica
Após esta introdução de conceitos sobre eletricidade, acessíveis a qualquer um, passaremos
a expor alguns pontos, necessários ao melhor entendimento dos fundamentos da eletricidade,
aplicáveis à eletrônica. Durante o seu curso o aluno verá muita coisa mais, com bastante
aprofundamento. O que expomos aqui bastará para entendermos como funciona os
semicondutores de uma forma geral, permitindo até pequenos projetos. É o nosso objetivo. O
que faltar aqui será complementado com informações, exemplos e exercícios em sala de aula.
Histórico : O estudo da eletricidade iniciou-se na Grécia antiga, quando um pastor
percebeu que seu cajado era atraído por uma pedra de âmbar (eléktron em grego ). O estudo
do fenômeno comprova a existência das cargas elétricas.
Eletricidade : Fenômeno natural do movimento das cargas elétricas.
Matéria : Tudo que ocupa lugar no espaço e possui massa.
O átomo
Para melhor entendimento da energia elétrica e seus fenômenos, procuremos entender
primeiro a constituição da matéria. Conforme a teoria atômica, qualquer substância (madeira,
ferro, cobre, etc.) é composta de átomos. Portanto, átomo é o elemento básico que constitui a
matéria.
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Os átomos possuem dimensões reduzidíssimas e são basicamente constituídos de
partículas, e segundo a teoria atômica são classificados de:
•
Núcleo, composto por prótons e nêutrons, é onde se concentra a massa de átomo.
•
Elétrons, partículas com carga elétrica negativa, que giram em torno do núcleo com alta
velocidade.
Os prótons possuem carga elétrica positiva, os neutrons possuem carga elétrica neutra e
os elétrons possuem carga elétrica negativa. As cargas elétricas iguais se repelem e as
cargas elétricas diferentes se atraem. Os elétrons são atraídos pelo núcleo, que tem carga
elétrica negativa, porém não chegam a se encostar nele, pois a aceleração centrípeda do
elétron cria uma força que se equilibra com a força de atração do núcleo.
Se os prótons possuem carga elétrica positiva e o núcleo é formado por prótons, é
natural questionar por que não existe uma reação mútua entre eles de forma que se
repelissem. Isso não acontece devido aos neutrons, que equilibram a massa do núcleo,
evitando tal reação.
A figura abaixo ilustra a ação ( campo elétrico ) das forças de ação e repulsão das
cargas elétricas :
Existem regiões nos átomos onde os elétrons podem se posicionar, que são chamadas
camadas.
A força de atração do núcleo em relação ao elétron varia conforme distância entre os
dois e quanto maior a energia do elétron, maior será sua distância em relação ao núcleo, por
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isso podemos concluir que as camadas representam também, a quantidade de energia do
elétron.
Quando o elétron recebe energia (quantum), se desloca para uma camada ou órbita
mais externa e quando perde energia (fótons), se desloca para uma camada mais próxima do
núcleo.
Resumindo, quanto mais afastado do núcleo estiver o elétron, menor será a força de
atração entre eles e, consequentemente, quanto mais próximo, maior a força de atração.
A camada mais externa do átomo recebe o nome de camada de valência, e o elétron
que a ocupa também recebe o nome de elétron de valência ou elétron de condução a até
elétron livre. O elétron mais próximo do núcleo recebe o nome de elétron planetário.
As cargas elétricas que se deslocam são somente as cargas negativas, sendo que as
cargas positivas são estáticas.
Seguindo essa relação entre camadas e força de atração, podemos definir os seguintes
materiais elétricos : isolantes, condutores e semi-condutores.
Condutores : os elétrons mais distantes do núcleo são atraídos muito fracamente, em
conseqüência, possuem maior facilidade em se deslocarem para uma órbita mais externa. O
elétron da última camada, quando recebe uma quantidade de energia (quantum), em forma de
luz, temperatura ou outra, se torna um elétron livre. Resumindo, os elétrons mais distantes do
núcleo, em especial os da última camada, têm maior facilidade em se desprenderem do
átomo.
Como a eletricidade é o movimento das cargas elétricas (negativas), é fácil deduzir que
os condutores são os materiais que têm facilidade para permitir o movimento de cargas
elétricas. Exemplos de materiais condutores : ouro, prata, cobre alumínio, zinco, etc.
O cobre, por exemplo, possui 29 elétrons. Fazendo sua distribuição eletrônica
poderemos perceber que na última camada restará apenas 1 elétron, que estará mais distante
do núcleo.
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Os bons condutores são materiais que têm facilidade em doar elétrons, permitem com
facilidade o movimento de cargas elétricas.
Isolantes : são materiais que possuem elétrons mais próximos do núcleo. Esses materiais
têm dificuldade em permitir o movimento de cargas elétricas. Quando fazemos a distribuição
eletrônica de uma material isolante perceberemos que sua camada de valência conterá entre
5 e 8 elétrons.
Exemplos de materiais isolantes : borracha, mica, plástico, porcelana, etc.
Os isolantes ou mau condutores, são materiais que não permitem o movimento de
cargas elétricas, ou permitem com dificuldade.
Semi-condutores : são materiais que podem ser isolantes ou condutores dependendo da
forma como se interligam. Possuem 4 elétrons na camada de valência. Têm enorme aplicação
na eletrônica. Exemplos de semi-condutores : silício, germânio, arsênio, etc.
O esquema à seguir resume a relação entre esses materiais elétricos e a quantidade de
elétrons em suas camadas de valência.
Material
N.º de elétrons na camada de valência
Condutores
1a3
Semi-Condutores
4
Isolantes
5a8
Íons
Os átomos são encontrados na natureza eletricamente equilibrados, ou seja possuem a
mesma quantidade de protons e elétrons, esses átomos são chamados átomos neutros. Os
átomos que possuem números diferentes de cargas positivas e negativas são chamados íons
ou átomos desequilibrados.
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Quando um átomo perde um elétron, ele se torna carregado positivamente, sendo
denominado íon positivo ou ânion. Quando ganha um elétron, ele se torna carregado
negativamente, sendo denominado íons negativo ou cátion.
Grandezas Elétricas
Tensão e Corrente elétrica
Vamos considerar o material equilibrado da figura abaixo. Ao observarmos, notaremos que
sua quantidade de elétrons é igual a quantidade de prótons.
Causaremos um desequilíbrio elétrico nesse material, por exemplo nos átomos das
extremidades. Retiraremos 1 elétron da extremidade da direita e acrescentarmos outro elétron
no átomo da extremidade esquerda.
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Notemos agora que existirá uma diferença entre os potenciais elétricos do material. A
extremidade esquerda estará com uma carga negativa de 1 elétron e a extremidade direita
estará com uma carga positiva de 1 elétron. Essa diferença é chamada de d.d.p. – diferença
de potencial.
Como existe agora a diferença de potencial, e as cargas diferentes se atraem, existirá,
então uma força de atração que tenderá a manter o equilíbrio elétrico no material. Essa força
é chamada f.e.m. – força eletromotriz.
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O elétron se deslocará, então, até a extremidade que falta um elétron, para manter o
equilíbrio elétrico.
A diferença de potencial (d.d.p.) e a força eletromotriz (f.e.m.), apesar de serem
fenômenos distintos, podem ser considerados como a mesma grandeza : tensão elétrica.
Tensão elétrica é a força que impulsiona ou movimenta os elétrons.
Ao movimento do elétron em busca de equilíbrio elétrico no material chamamos de
corrente elétrica.
Corrente elétrica é o movimento ordenado dos elétrons em uma unidade de
tempo.
A tensão elétrica pode ser comparada a diferença de nível entre a água do dique e a do
vale ( diferença de pressão), como mostra a figura abaixo:
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A corrente a elétrica pode ser comparada com a água que escoa do dique para o vale.
Somente haverá fluxo de água se houver um desnível de pressão. Da mesma forma, somente
haverá corrente elétrica se houver d.d.p. – tensão elétrica.
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MÚLTIPLOS E SUBMÚLTIPLOS
Muitas vezes as unidades de medida das grandezas elétricas são valores grandes ou
pequenos demais de forma que se torna necessário a utilização de dos múltiplos ou de
submúltiplos da unidade de medida. Os principais múltiplos e submúltiplos que iremos utilizar
são identificados a seguir:
µ - micro.
Ex.: 1µV = 0,000.001V
m – mili.
Ex: 1mA = 0,001A
K – quilo.
Ex.: 1KΩ = 1000Ω
M – mega.
Ex.: 1MV = 1000.000V
CONVERSÃO ENTRE OS MÚLTIPLOS E OS SUBMÚLTIPLOS
Tabela do Sistema Internacional de Unidades
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A conversão entre as unidades de medida pode ser feita através de regra de três simples, ou
através da regra prática ilustrada a seguir:
÷1000
µ
M
unidade
K
M
x1000
Na regra acima a cada mudança de unidade multiplicamos ou dividimos por mil
conforme a transformação que estamos utilizando. Ex.: para transformamos 5.600mV para KV
devemos dividir 5.600 por mil e teremos 5,6V, dividimos novamente por mil e temos então
0,056.
Obs.: Existem ainda outros múltiplos e submúltiplos que não iremos utilizar nesse curso, são
eles:
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Nano (n).
Ex.: 1nA = 0,000.000.001A
Pico (p).
Ex.: 1pV = 0,000.000.000.001V
Giga (G).
Ex.: 1GΩ = 1.000.000.000Ω
Tera (T).
Ex.: 1TΩ = 1.000.000.000.000Ω
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1a LEI DE OHM
“A intensidade da corrente elétrica em um circuito é diretamente proporcional à tensão
elétrica e inversamente proporcional à resistência elétrica..”
Fórmula decorrente da Lei:
I=E/R
Equações decorrentes:
E=R.I
R=E/I
2ª LEI DE OHM
“A resistência elétrica de um condutor é diretamente proporcional à sua resistividade e
ao seu comprimento, e inversamente proporcional à sua área de seção transversal.”
A resistividade é a resistência especifica de cada material, e a área de seção
transversal é a área do condutor (bitola dada pelo fabricante).
Área de seção transversal
Resistividade de alguns materiais a temperatura ambiente (20oC):
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Cobre =
0,017
Alumínio =
0,018
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Tungstênio = 0,056;
Prata =
0,015;
Estanho =
0,02
Obs.: A temperatura também é um fator que interfere na resistividade elétrica dos materiais e
a sua variação é dada por:
r = ro.(1+ ∀.(T1 - To))
r - resistividade em Ω.m, a temperatura de T1
ro - resistividade em Ω.m, a temperatura de T0
∀ - coeficiente de temperatura do material, em [oC-1]
Coeficiente de temperatura de alguns materiais:
Cobre =
0,004
Alumínio =
0,0039
Tungstênio = 0,0048;
Prata =
0,0038;
FÓRMULA DECORRENTE DA SEGUNDA LEI DE OHM:
R = r. L /A
Onde:
A = r. L / R
R - Resistência elétrica em W
r - Resistividade elétrica
L - Comprimento do condutor em metros
A - Área de seção transversal em mm2
POTÊNCIA ELÉTRICA (P)
A Potência elétrica (P) é a quantidade de energia consumida em um intervalo de
tempo. A potência elétrica é medida em Watts (W) que corresponde a quantidade de energia
por segundo (J/seg.), e possui os mesmos múltiplos e submúltiplos que as outras grandezas
elétricas. Além das unidades convencionais existem ainda o cavalo vapor (CV) e o horse
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power (HP) que serão de grande utilidade no nosso curso, observe as relações entre eles e o
Watt:
1 CV = 736 W
1 HP = 746 W
FORMULÁRIO:
P=E.I
P = E2 / R
P = I2 . R
E=I.R
E=P/I
E=
R.P
I=E/R
I=P/E
I=
P/R
R=E/I
R = E2 / P
R = P / I2
Cálculo técnico da Energia elétrica
Na prática o consumo de energia elétrica é calculado com base no KWh, ou seja
calcula-se a potência em KW e multiplica-se pelo tempo em horas. O preço de cada KWh é
determinado pela concessionária de energia elétrica. Geralmente a quantidade de consumo
influencia no valor.
t = P. t
INSTRUMENTOS DE MEDIDAS
VOLTÍMETRO
Destinado a medir a tensão elétrica. Deve ser conectado em paralelo com o elemento
que se deseja saber a tensão.
V
AMPERÍMETRO
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Destinado a medir a corrente elétrica. Deve ser conectado em série com o elemento
que se deseja saber a tensão.
A
Voltímetros e Amperímetros
Os amperímetros devem ter resistência muito pequena, de modo que podem ser
substituídos por um curto-circuito, e devem ser colocados em série no circuito.
Os voltímetros, por sua vez, têm, idealmente, resistências altas, podendo ser
substituídos por um circuito aberto, e devem ser colocados em paralelo no circuito.
OHMÍMETRO
Destinado a medir a resistência elétrica. Deve ser conectado em circuitos que estejam
sem tensão elétrica.
Ω
OBS.: O voltímetro e o amperímetro podem ser de corrente contínua ou de corrente alternada,
por isso deve-se também observar que corrente elétrica estamos utilizando para ligarmos os
instrumentos.
MULTÍMETRO
Instrumento composto por vários instrumentos de medidas elétricas, basicamente o
ohmímetro, o amperímetro e o voltímetro, onde a seleção entre as diversas funções pode ser
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feita por meio de chave seletora ou por uso adequado de bornes de conexão. Vide um
exemplo abaixo.
Corrente Alternada
Provavelmente você sabe que mais de 90% de todas as linhas de transmissão de
eletricidade conduzem corrente alternada. Usa-se muito pouco a corrente contínua nos temas
de luz e força. Entretanto, a C. C. é importante nos circuitos eletrônicos.
Existem duas razões muito boas para esta preferência. Inicialmente, a C.A. pode fazer
quase tudo que é feito pela C.C. A transmissão elétrica é mais fácil e mais econômica com a
C.A. do que com a C.C. A tensão alternada pode ser aumentada ou reduzida facilmente e
sem perda apreciável com o emprego de transformadores. Nas estações geradoras, a tensão
alternada é elevada por transformadores a valores muito altos e enviada às linhas de
transmissão; no outro extremo das linhas, transformadores reduzem a tensão a valores que
podem ser usados para iluminação e força. Diferentes equipamentos elétricos requerem
tensões diferentes para que funcionem normalmente, obtidas facilmente com o uso de um
transformador e da rede alimentação de C.A.
Quanto maior a tensão em uma linha de transmissão, maior a sua eficiência. Atualmente,
a elevação e a redução de tensões contínuas são processos difíceis e ineficientes de modo
que é muito limitado o uso da transmissão de energia por C. C. Contudo, há algumas
vantagens na transmissão de energia por C.C., e se fazem esforços para torná-la mais
pratica.
As diferenças entre a corrente alternada e a corrente contínua não estão apenas nas
formas de ondas e no movimento dos elétrons, mas também na maneira com que ela age nos
circuitos elétricos.
1.
CORRENTE ALTERNADA — Corrente que muda constantemente de valor
(amplitude) e inverte seu sentido a intervalos regulares, que podem atingir valores
de milisegundos ou microsegundos e até valores menores.
2.
FORMA DE ONDA — Gráfico das variações da tensão ou da corrente durante um
certo tempo.
3.
ONDA SENOIDAL - Uma curva contínua que representa todos os valores
instantâneos de uma tensão ou corrente alternada senoidal.
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4.
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CICLO: Um conjunto completo de valores positivos e negativos de uma onda de
tensão ou corrente alternada.
5.
FREQUÊNCIA:
O número de ciclos por segundo. E expressa em hertz (Hz).
1 Hz = 1 ciclo/segundo.
6.
FASE: Diferença de tempo relativa entre os mesmos pontos de duas formas de
onda.
7.
VALOR MÁXIMO: valor máximo que a tensão atinge em um ciclo regular.
8.
EFICAZ: é o valor de expressão da corrente alternada que corresponde ao
mesmo efeito, em termos de potência, da corrente contínua. Para a Corrente
Alternada senoidal este corresponde a 0,707 do valor MÀXIMO.
9.
VALOR MÉDIO de uma onda senoidal: é a razão entre o valor máximo e o valor
mínimo. É a razão de tensão que produz efeito equivalente.
10.
PERÍODO (T): É o tempo que uma onda gasta para completar um ciclo.
11.
F=1/T , ou seja, a freqüência é o inverso do período.
E
tempo
ciclo
CIRCUITO MONOFÁSICO
Constituído de uma fase e um neutro a ddp é sempre entre 0V e a variação da onda da
fase.
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E
tempo
neutro
fase R
CIRCUITO BIFÁSICO
Constituído de duas fases, a ddp. é sempre entre a variação de uma fase e a variação
da onda da outra fase.
E
tempo
Fase S
Fase R
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CIRCUITO TRIFÁSICO
Constituído de três fases (R,S,T) a ddp é sempre entre a variação das três fases R, S,
T.
E
tempo
Fase R
Fase S
Fase T
Circuitos
Simbologia de elementos usados em eletricidade e eletrônica:
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