UFCD: 1303 - Eletricidade e eletrónica - circuitos
de semicondutores e transístores
Ação: Técnico/a de Refrigeração e Climatização
Formador: António Gamboa
1- Constituição da matéria
1.1- Moléculas e átomos
Se limarmos uma peça de cobre, verificamos que dela se desprendem pequenas aparas. Se as
colocarmos num microscópio, averiguamos que são constituídas por pequenas partículas com
forma irregular.
Se retalharmos mais as aparas, chegaríamos à uma partícula ainda mais pequena que ainda é
cobre.
Chamamos molécula ao mais pequeno componente que ainda integra as propriedades do
elemento. Estas moléculas são constituídas por um certo número de átomos.
1.2- Constituição do átomo
Qualquer material seja ele condutor ou não, é constituído por moléculas e estas, por sua vez, são
constituídas por átomos. Os átomos têm um núcleo, constituído por protões e neutrões, à volta
do qual giram, com grande velocidade, os electrões.
Figura retirada do sítio: http://stora97.agmra.pt/8ano/index8ano_5atomo.html
Os electrões têm carga negativa, os protões têm carga positiva e os neutrões não têm carga
eléctrica. Deste modo, o núcleo tem carga positiva e os electrões com carga negativa são atraídos
pelo núcleo. Um átomo tem tantos electrões quanto protões, pelo que a sua carga é neutra. Os
electrões que se encontram na órbita mais distante do núcleo são atraídos com menor força por
este, devido à maior distância. Assim, em determinados materiais, nomeadamente nos
condutores, estes electrões podem sair da sua órbita, por acções exteriores, fricção ou força
electromotriz, tornando-se electrões livres. Os electrões livres causam a corrente eléctrica nos
condutores.
Para que a energia contida na estrutura de um átomo sob a forma de electricidade, se manifeste,
é necessário que exista um desequilíbrio entre o número de electrões e de protões nesse átomo.
Se um corpo perde vários electrões fica carregado positivamente, se ganha vários electrões fica
carregado negativamente.
1
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Quando um corpo apresenta um excesso de electrões nos seus átomos dizemos que está
carregado negativamente ou com electricidade negativa. Um átomo nestas condições tem o
nome de ião negativo ou anião.
2
Quando há falta de electrões nos átomos, dizemos que o corpo está carregado positivamente,
uma vez que predomina o número de protões. Um átomo nestas condições tem o nome de ião
positivo ou catião.
Ião negativo - ganha um electrão
Ião positivo - perde um electrão
http://educa.fc.up.pt/ (apresentação: Substâncias iónicas)
O desequilíbrio gerado entre o número de protões e de electrões, num átomo, gera a
electricidade.
1.3-Forças de atracção e de repulsão
Se tivermos dois corpos, A e B, em presença um do outro, podem ocorrer
três interacções entre eles:
Se os corpos tiverem carga eléctrica com o mesmo sinal, surge uma força
repulsiva entre eles;
Se os corpos tiverem carga eléctrica de sinal contrário, surge uma força
atractiva entre eles;
http://www.mspc.eng.br/
elemag/eletr110.shtml
Se os corpos não tiverem carga eléctrica, não surgirá qualquer força entre
eles.
2- Corrente eléctrica
Quando ligamos, por meio de um fio condutor, dois corpos com níveis
diferentes de electrização, ou seja, com diferentes potenciais, surge uma
corrente de electrões que se dirigem do potencial mais alto, maior número de
electrões, para o mais baixo, menor número de electrões, o fio condutor com
um grande número de electrões livres permite a sua passagem, surgindo
assim, a corrente eléctrica.
Sendo a corrente eléctrica o movimento orientado dos electrões ao longo do
Figura retirada do
sítio: http://www.
geocities.ws/saladefisi
ca8/eletrodinamica/cir
cuitos.html
condutor, com o deslocamento dos electrões, no sentido real ou electrónico, do corpo com
excesso de electrões, potencial negativo, para o corpo com falta de electrões, potencial positivo.
No entanto, convencionou-se que a corrente eléctrica se dirige do potencial positivo para o
negativo. A corrente eléctrica mantém-se no fio condutor enquanto houver uma diferença de
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potencial entre os seus extremos, e é tanto mais intensa quanto maior for essa diferença de
potencial, ou seja, enquanto existir uma diferença de potencial U=V1-V2 entre os seus extremos.
O fio condutor apresenta sempre uma certa dificuldade à passagem da corrente eléctrica a que se
chama resistência eléctrica.
2.1-Classificação da corrente
Quanto à variação de sentido com que os electrões circulam no circuito, a corrente eléctrica
denomina-se em:
Corrente contínua - Corrente unidireccional constante ou sensivelmente constante, isto é, os
electrões circulam sempre no mesmo sentido e com a mesma intensidade. Ex: Pilha, Baterias.
Corrente alternada - Corrente que muda de sentido e de valor, isto é, os electrões circulam ora
num sentido ora noutro sentido. Ex: Tomada da rede eléctrica nacional.
3- O circuito elétrico
3.1- Noção de circuito elétrico
O circuito eléctrico é o conjunto constituído por um gerador eléctrico, um receptor eléctrico, um
dispositivo de comando e elementos de ligação, fios condutores, em circuito fechado.
Por definição, um circuito eléctrico é sempre fechado. Na prática o circuito pode estar aberto,
neste caso não há passagem de corrente, ou fechado, neste caso há passagem de corrente. A
abertura ou fecho de um circuito é executado por um equipamento de comando, normalmente
um interruptor.
Circuito fechado. Figura retirada do sítio http://guilherme-corga-cfq-8c.blogspot.pt/2012/05/circuitos-eletricos.html
3.2- Constituição do circuito elétrico
Nas nossas casas temos diferentes circuitos eléctricos, os quais partem do Quadro Elétrico:
circuitos de tomadas; circuitos de iluminação; circuitos de máquinas de lavar; circuito de fogão;
circuitos de aquecimento; etc.
Os elementos que podem estar presentes num circuito elétrico, dependendo do circuito
estudado, são: fonte de alimentação ou gerador; condutores e isoladores elétricos; aparelhos de
proteção; aparelhos de comando e corte; aparelhos de medida e contagem; aparelhos de
regulação; recetores.
3
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3.2.1- Gerador
A função do gerador ou fonte de alimentação é a de manter constante a diferença de potencial
aos terminais do circuito, de modo a circular uma corrente permanente no circuito, e não uma
4
corrente passageira.
O gerador é um equipamento que transforma a energia elétrica noutras formas de energia,
mantendo constante o valor da diferença de potencial. Existem dois tipos de geradores, o gerador
rotativo que transforma energia mecânica em energia eléctrica e o gerador electroquímico que
transforma energia química em eléctrica.
Figuras de pilhas, bateria e geradores dos sítios: http://www.mecatronicaatual.com.br/secoes/leitura/163;
http://www.infoescola.com/elementos-quimicos/chumbo/; http://pt.wikipedia.org/wiki/Gerador_el%C3%A9trico;
http://portocity.olx.pt/dinamo-bicicleta-antigo-made-in-checoslovaquia-iid-395800657
Os geradores rotativos, ou electrodinâmicos, podem produzir corrente contínua, denominando-se
dínamos, ou produzir corrente alternada chamando-se de alternadores. O gerador
electroquímico, pilha e bateria, produz somente corrente contínua.
3.2.2- Condutores e isoladores elétricos
A função do condutor elétrico é a de permitir a condução da corrente elétrica desde o gerador até
ao recetor elétrico, transformando este a energia elétrica noutra forma de energia. Este deve ter
uma baixa resistência à passagem da corrente elétrica, escolhendo-se para o efeito materiais
como o cobre e o alumínio, que apresentam uma baixa resistividade. O cobre é o mais utilizado na
generalidade dos circuitos, no entanto, sendo o alumínio mais leve é aplicado nas linhas aéreas de
transporte de energia.
A função do material isolador é a de proteger o condutor elétrico e as pessoas contra eventuais
contactos com o condutor, e ainda a de impedir que a corrente se escoe do condutor para outras
partes metálicas não afetadas ao circuito elétrico.
O isolador é constituído por substâncias que se opõem à passagem da corrente elétrica. São
exemplos de isoladores a borracha, o plástico, a porcelana, o vidro, a mica, o papel, o óleo, etc.
Figura de um fio condutor, retirado do sítio: http://www.alunosonline.com.br/fisica/materiais-condutores-isolantes.html
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3.2.3- Recetores
Os receptores são equipamentos que transformam a energia eléctrica noutra forma de energia,
sendo por isso parte fundamental e integrante dos circuitos eléctricos, pois são eles que
absorvem a energia eléctrica disponibilizada pela rede. Podemos concluir que os circuitos
eléctricos existem com o objectivo de alimentar os receptores.
Existe uma grande variedade de receptores que transformam a energia eléctrica na forma de
energia em que os receptores operam. Como exemplos temos a iluminação, o aquecimento,
sinalização, etc.
Receptores de iluminação: temos as lâmpadas incandescentes, fluorescentes tubulares,
fluorescentes compactas, leds, de vapor de sódio, vapor de mercúrio, etc.
Figuras de lâmpadas incandescentes, fluorescentes tubulares, fluorescentes compactas, leds dos sítios:
http://www.engenhariapt.com/2011/08/19/lampadas-incandescentes-de-60-watts-vao-ser-proibidas/;
https://sites.google.com/site/maniadelampadas/lampadas-fluorescentes-tubulares-1; http://engenhocasf.blogspot.pt/2011/04/reciclagem-de-lampadas-fluorescentes.html; http://biosferams.org/2010/05/lampadas-a-melhor-opcao/
Recetores de aquecimento: tostadeiras, torradeiras, radiadores, etc., que funcionam a
temperaturas que variam entre as dezenas e as centenas de graus centígrados.
Recetores de sinalização: são equipamentos que permitem alertar para uma determinada
situação, e temos como exemplos as campainhas eléctricas, as buzinas, as lâmpadas, os quadros
de alvo, etc.
3.2.4- Aparelhos de manobra
Dispositivo que comanda a corrente no circuito. No circuito acima apresentado o interruptor é o
aparelho de manobra simples, que permite estabelecer ou cortar a corrente elétrica.
Se interrompermos um só fio condutor são unipolares, se interromperem 2, 3 ou 4 fios dizem-se
bipolares, tripolares e tetrapolares, respetivamente.
Figuras de aparelhos de manobra: http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=23262;
http://www.reidosom.com.br/materialeletrico.htm; http://www.duarteneves.pt/dnl_pt/material-electrico/materialelectrico/interruptores-painel.html; http://www.mauser.pt/catalog/product_info.php?products_id=59951
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3.3.- Funcionamento do circuito - "circuito fechado" e "circuito aberto"
Circuito fechado - Quando todos os pontos dos componentes do circuito estão unidos entre si.
Desta forma se permite que os eletrões circulem por todo o circuito elétrico, logo a lâmpada está
6
acesa.
Circuito aberto - Quando qualquer ponto do circuito é interrompido, impossibilitando a circulação
da corrente elétrica. Nesta situação a lâmpada está apagada.
Um circuito elétrico pode esquematizar-se usando símbolos convencionais para cada um dos
componentes instalados.
Gerador (Pilha)
Interruptor
Receptor (Lâmpada)
Condutor
4- Potencial elétrico. Diferença de potencial (d.d.p.) ou tensão
Qualquer corpo, quando possui uma dada carga elétrica, seja ela de natureza positiva ou de
natureza negativa, possui um certo potencial elétrico. A diferença de energia elétrica,
transportada pelas cargas eléctricas, entre dois pontos diferentes do percurso, designa-se por:
diferença de potencial ou tensão.
Diferença de potencial (abreviatura d.d.p. símbolo U) é a diferença de nível elétrico ou tensão a
que se encontram dois pontos de um circuito elétrico.
O potencial dum condutor não tem significado algum se não dissermos em relação a que ponto
foi medido. Por convenção, o potencial é referido ao potencial da Terra, que se considera igual a
zero. Deste modo, o potencial dum condutor será a diferença de potencial entre o condutor e a
Terra.
Como já foi dito o desequilíbrio entre o número de protões e de
electrões dá origem a cargas eléctricas.
A máquina que desenvolve a "pressão" que movimenta os electrões
através dos metais tem o nome de gerador de corrente.
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4.1. Força eletromotriz (f.e.m.)
Chama-se força electromotriz E de um gerador eléctrico à acção por este desenvolvida para
manter a diferença de potencial aos seus terminais. A Força Electromotriz é a causa ou acção
capaz de manter uma diferença de potencial (d.d.p.) eléctrico entre dois pontos dum circuito
aberto.
A f.e.m. de um gerador tem o mesmo valor em Volt do que a d.d.p. que se pode verificar com
voltímetro de grande resistência ligado aos terminais, quando o gerador não debita corrente ao
circuito exterior.
A diferença de potencial (d.d.p.) tem, na Eletricidade, uma importância capital, visto ser
responsável pelo deslocamento da corrente elétrica entres dois pontos que se encontram a
diferentes níveis de potencial.
4.2. Unidade da diferença de potencial ou tensão
A força eletromotriz entre duas cargas desiguais é uma grandeza mensurável tendo como unidade
principal o Volt, símbolo (V).
O Volt define-se como sendo a d.d.p. (diferença de potencial) que aplicada de forma constante a
um circuito de 1 Ohm de resistência, produz uma corrente de 1 Ampère.
A diferença de potencial é também designada por tensão e mede-se por meio de aparelhos
chamados voltímetros, que, por possuírem uma elevada resistência interna, ligam-se sempre em
paralelo.
Diferença de
potencial ou
tensão
Mede-se
Com um
voltímetro
Exprime-se
Em Volt,
símbolo V
Representa-se
Pela letra U
5- Intensidade de corrente eléctrica
Ligando um fio metálico aos pólos de um gerador aparece uma corrente de eletrões nesse fio.
Essa corrente de eletrões, a corrente elétrica é o movimento orientado de eletrões numa
determinada direção e sentido e a quantidade de eletrões em movimento varia de circuito para
circuito, levando à necessidade de medir essa mesma corrente elétrica.
Define-se assim a intensidade da corrente elétrica como a quantidade de carga elétrica que
atravessa uma secção reta desse condutor, por unidade de tempo.
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=
Intensidade de corrente: Ampère
Carga eléctrica: Coulomb
Tempo: segundo
Sabendo que 1 C = 6,25 x 10 18 electrões.
8
A corrente eléctrica é uma grandeza mensurável tendo como unidade principal o Ampère,
representado pela letra A.
O aparelho que serve para medir esta grandeza é o amperímetro e devido à sua resistência
interna ser bastante baixa, liga-se sempre em série.
Intensidade
de corrente
eléctrica
Mede-se
Com um
amperímetro
Exprime-se
Em Ampère,
símbolo A
Representa-se
Pela letra I
6- Resistência elétrica
Quando um gerador eléctrico alimenta uma lâmpada, um calorífero ou qualquer outro
equipamento elétrico, estes são percorridos por uma determinada intensidade de corrente
elétrica. Mesmo sendo alimentados pela mesma fonte de alimentação, por exemplo de 230 V, a
intensidade de corrente elétrica vai variar de equipamento para equipamento.
Este facto deve-se a que cada equipamento oferece uma oposição diferente à passagem de
corrente elétrica, e esta oposição é maior ou menor está relacionada com o material do recetor
que é condutor, e com as suas próprias dimensões, nomeadamente a secção e o comprimento.
A resistência elétrica, designada pela letra R, é a oposição que o recetor faz à passagem de
corrente eléctrica, sendo a sua unidade o Ohm designado pela letra ómega [Ω].
Qualquer equipamento eléctrico tem uma resistência elétrica, e quanto maior for essa resistência
menor será a intensidade de corrente eléctrica que percorre a mesma.
A resistência
eléctrica
Mede-se
Com um
ohmímetro
Exprime-se
Em Ohm,
símbolo Ω
Representa-se
Pela letra R
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6.1- Resistividade
Resistência e Resistividade são grandezas distintas.
A resistência mede, em cada caso, a oposição que um determinado receptor ou resistência
oferece à passagem da corrente eléctrica.
9
A resistividade de um material é uma propriedade, já que relaciona a resistência eléctrica de um
condutor de acordo com a sua dimensão física, isto é, com o seu
comprimento e a sua área, ou secção. O símbolo da resistividade é o r (ró).
6.2- Variação da resistência com o comprimento e secção
A resistência de um condutor de cobre varia com a sua secção e o seu comprimento.
A relação entre a resistência, comprimento, área e resistividade do material é dada pela seguinte
equação:
R=r
l
[Ω]
S
Unidades utilizadas: R [Ω]; r [Ω mm2/m]; l [m]; S [mm2]
Se considerarmos a seguinte listagem de materiais condutores a 20 °C, obtemos os valores
seguintes valores para a resistividade:
Material
Resistividade
[Ω mm2/m]
Prata
0,016
Cobre
0,017
Ouro
0,024
Alumínio
0,028
Tungstênio
0,055
Platina
0,11
Ferro
0,13
Chumbo
0,21
Manganina 0,42
Exemplo 1: Um condutor em cobre, com 80 metros de comprimento, tem uma secção de 2,5
mm2. Calcule a resistência do condutor.
Sabemos que a resistividade do cobre é de 0,017 Ω mm2/m, logo
R = 0,017
80
⇔ R = 0,544 Ω
2,5
Resposta: a resistência eléctrica do condutor de cobre de 80 m é de 0,544 Ω.
Exemplo 2: Um condutor em alumínio, com 80 metros de comprimento, tem uma secção de 2,5
mm2. Calcule a resistência do condutor.
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Sabemos que a resistividade do alumínio é de 0,028 Ω mm2/m, logo
R = 0,028
80
⇔ R = 0,896 Ω
2,5
Resposta: a resistência eléctrica do condutor de cobre de 80 m é de 0,896 Ω.
10
Como conclusão dos dois exercícios anteriores, podemos afirmar que o alumínio faz uma maior
resistência à passagem da corrente eléctrica.
6.3- Variação da resistência com a temperatura
Todas as substâncias sofrem alteração da sua própria resistência elétrica, quando sujeitas a
variação de temperatura.
A sensibilidade a tais variações é, no entanto diferente para cada uma delas.
As ligas metálicas, por exemplo, são menos sensíveis em geral, que os metais. O coeficiente de
temperatura ou coeficiente de termorresistividade α (alfa do alfabeto grego) define cada uma das
substâncias sobre este ponto de vista, e pode definir-se como o acréscimo de resistência que
sofre o material por cada grau centígrado de aumento de temperatura. Exprime-se em Ω/°C (Ohm
por grau centígrado).
Este acréscimo de resistência pode ser positivo ou negativo. É positivo, por exemplo, para os
metais e suas ligas, que vêem aumentada a sua própria resistência, quando aumenta a
temperatura.
Outras substâncias, pelo contrário, vêem diminuída a sua resistência em idêntica situação. O
aumento de resistência é neste caso negativo. O carbono, os não metais (metalóides), como o
enxofre, o boro e o oxigénio, e os líquidos de uma maneira geral, comportam-se desta maneira.
Sendo a resistência e a resistividade grandezas directamente proporcionais, como se pode ver
pela fórmula:
R=r
l
S
Podemos dizer que um aumento ou diminuição da resistência implica um aumento ou diminuição
da resistividade, se os valores do comprimento e da secção se mantiverem e se substituir o
material condutor.
Podemos também reparar que os valores de resistência que constam nas tabelas referem-se
sempre a uma temperatura de base, normalmente 20° C.
A relação entre o valor de uma resistência R1 à temperatura t1 e o seu novo valor R2 à
temperatura t2 é dado pela fórmula:
=
. [1 + (
−
)]
No caso da resistividade a relação com a temperatura, segue idêntica formulação matemática.
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=
. [1 + (
−
)]
Nos metais puros e ainda nas ligas, o aumento de resistência com a temperatura, deve-se ao
incremento de energia cinética dos electrões que fluem no condutor, o que aumenta a
probabilidade de colisões com alguns dos núcleos atómicos. A probabilidade da ocorrência de tais
colisões define a resistividade de um material, e explica, consequentemente, a resistência
oferecida por qualquer condutor.
Material
Coeficiente de
temperatura α
[Ω /˚C]
Prata
0,0045
Cobre
0,0040
Alumínio
0,0040
Constantan
0,00001
Cromo-Níquel 0,00005
Ferro-Níquel
0,00090
Tungstênio
0,00460
7- Lei de Ohm
A Lei de Ohm é uma das leis básicas mais importantes da teoria da electricidade. Descreve a
relação entre a tensão, intensidade de corrente e resistência no circuito eléctrico.
Os receptores num circuito não reagem todos da mesma forma à passagem da corrente eléctrica,
ou seja, a oposição que fazem à sua passagem depende das características de cada um dos
receptores que se encontram no circuito.
A lei de Ohm aplica-se aos receptores denominados resistivos e lineares. Como resistivos, e já foi
falado anteriormente, temos os radiadores, torradeiras, etc. O facto de o recetor ser linear
significa que apresenta as mesmas características em toda a sua extensão, independentemente
da corrente que o percorre e da tensão aplicada.
Representação gráfica de uma resistência eléctrica, retirado do sítio: http://cfq9.wikispaces.com/Verificação+da+Lei+de+Ohm
Definição da lei de Ohm: “É constante o quociente entre a tensão a que é submetido um recetor e
a intensidade de corrente que o percorre, desde que a sua temperatura se mantenha estável”.
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Tem como expressão:
R=
com:
12
U
I
R- resistência eléctrica, cuja unidade é o Ohm [Ω]
U- tensão aplicada, cuja unidade é o Volt [V]
I- intensidade de corrente, cuja unidade é o Ampère [A].
Esta equação mostra que a corrente, num circuito eléctrico é directamente proporcional à tensão
e inversamente proporcional à resistência do circuito.
Estas relações podem ser esquematizadas num triângulo (triângulo original):
Exemplo 3: Utilizando a lei de Ohm, U = R x I. Qual o valor de R = ?, sabendo que o valor de U = 5V
e o de I = 0,02A. Aplicando o triângulo representado em ( C ), temos:
=
=
5
= 250Ω
0,02
Exemplo 4: Qual o valor da tensão, sabendo que o valor da R = 300Ω e o de I = 0,05A. Aplicando o
triângulo representado em ( B ), temos:
=
× = 300 × 0,05 = 15
8- Associação de receptores (resistências)
Vamos dividir os receptores em dois grandes grupos: os receptores puramente resistivos e os
receptores com força contra-electromotriz. Como exemplo de receptores com força contraelectromotriz temos os acumuladores, quando se encontram a carregar, e os motores eléctricos.
Como exemplo de receptores puramente resistivos, e são sobre estes o nosso estudo, temos as
lâmpadas, radiadores, tostadeiras, ferros elétricos de engomar e de forma geral todos os
recetores que transformam energia eléctrica em calorífica. O seu nome, recetores resistivos,
advém do seu comportamento elétrico, pois comportam-se como resistências elétricas.
Consoante a sua posição relativa, distinguem-se dois tipos fundamentais de associação,
associação em série e associação em paralelo ou em derivação, e um resultante da interligação
destes dois tipos de associação que é a associação série/paralelo ou mista.
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8.1- Associação em série
Os receptores estão ligados em série, quando são ligados desta forma a corrente que os percorre
é sempre a mesma. Nesta associação a tensão aplicada a cada recetor é inferior à tensão total
aplicada ao circuito, permitindo utilizar lâmpadas com tensões nominais inferiores à tensão da
rede.
Neste tipo de associação se um recetor avariar os outros deixarão de funcionar, pois o circuito
elétrico ficará interrompido no elemento avariado.
Circuito série com duas lâmpadas, retirado do sítio: http://compendio.prof2000.pt/jguimaraes/misto.htm
8.1.1- Resistência equivalente de receptores em série
O efeito no circuito com três resistências, por exemplo, é equivalente ao de uma só resistência
entre as extremidades da associação das resistências. Chama-se por esse facto, resistência
equivalente, Req.
O seu valor é igual à soma das resistências, cujo valor é:
=
+
+
+ …+
Podemos generalizar, afirmando que a resistência equivalente de uma associação de resistências
em série é igual à soma das resistências associadas.
8.1.2- Quanto à intensidade de corrente
Como as resistências estão associadas em série, as três resistências serão percorridas por uma só
e a mesma intensidade de corrente. Então para melhor compreensão poderemos escrever que a
intensidade de corrente total será:
=
=
=
8.1.3- Quanto ao valor das quedas de tensão
Quando aplicamos uma tensão aos pontos A e D do agrupamento a tensão irá repartir-se
proporcionalmente pelas três resistências, consoante o seu valor resistivo. Isto quer dizer que
sobre a resistência de maior valor, irá produzir uma queda de tensão mais elevada, e
consequentemente a resistência de menor valor, irá provocar uma queda de tensão mais baixa.
13
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Baseando na Lei de Ohm, iremos ter:
=
+
+
Generalizando podemos afirmar que a tensão aplicada aos extremos de um circuito em série é
14
igual à soma das quedas de tensão provocadas pelas resistências associadas.
Exemplo 5: Dados os valores das resistências R1=25Ω, R2=10Ω e R3=15Ω e da intensidade de
corrente I=2A.
Calcular:
a) A resistência equivalente do circuito:
=
+
+
= 25 + 10 + 15 = 50Ω
b) O valor da tensão aos terminais de cada resistência:
=
=
× = 25 × 2 = 50
=
× = 10 × 2 = 20
=
× = 15 × 2 = 30
+
+
= 50 + 20 + 30 = 100
Ou utilizando o valor da resistência equivalente
=
× = 50 × 2 = 100
Exemplo 6: Dados os valores das resistências R1=210Ω, R2=100Ω e R3=175Ω. Calcular:
a) A resistência equivalente do circuito:
=
+
+
= 210 + 100 + 175 = 485Ω
8.2- Associação em paralelo
Os recetores encontram-se ligados em paralelo quando os seus terminais se encontram
submetidos à mesma tensão. A intensidade de corrente elétrica que cada recetor necessita é que
pode variar consoante a potência do mesmo.
Este tipo de ligação é o mais utilizado pois os recetores são independentes uns dos outros, e
mesmo que um dos recetores avarie ou mesmo se desligarmos um desses recetores, todos os
outros continuam a funcionar, esta situação é oposta ao dos receptores ligados em série.
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Circuito paralelo com duas lâmpadas, retirado do sítio: http://compendio.prof2000.pt/jguimaraes/misto.htm
8.2.1- Resistência equivalente de recetores em paralelo
O valor dessa resistência, representada por REQ é calculado a partir da seguinte expressão, válida
para qualquer número de resistências:
1
=
15
1
1
+
1
+
+⋯+
1
No caso em que estão representadas apenas duas resistências a fórmula que acabamos de
demonstrar conduz-nos a outra de grande interesse prático:
=
×
+
Nota:
1. No caso particular de duas resistências iguais agrupadas em paralelo, o valor da resistência
equivalente é igual à metade do valor de uma delas.
2. Caso as resistências agrupadas em paralelo não sejam iguais, o valor da resistência equivalente
terá que ser menor que a menor das resistências que formam o paralelo.
8.2.2- Quanto às intensidades de corrente
Nesta associação de resistências há que considerar dois nós A e B.
A intensidade de corrente I depois de sair da fonte de alimentação atinge o primeiro nó,
repartindo-se em I1 e I2. Os valores das correntes são inversamente proporcionais aos valores das
resistências que irão percorrer, ou seja, quanto maior for o valor da resistência menor será o valor
da corrente que a atravessa e vice-versa.
Assim podemos escrever:
=
+
8.2.3- Quanto às quedas de tensão
Como podemos verificar neste agrupamento, as quedas de tensão provocadas por cada
resistência, são iguais à tensão de alimentação, independentemente do valor das resistências.
Assim teremos: U1 = R1 x I1; U2 = R2 x I2 e U = R1 x I1 = R2 x I2 ou U = Req x I
=
=
Exemplo 7: Dados os valores das resistências R1=20Ω e R3=50Ω.
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de semicondutores e transístores
Ação: Técnico/a de Refrigeração e Climatização
Formador: António Gamboa
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Calcular:
a) A resistência equivalente do circuito:
1
=
1
+
1
=
1
1
1
+
= 0,05 + 0,02 = 0,07 ⇔
= 0,07 ⇔
20 50
=
1
= 14,3Ω
0,07
Exemplo 8: Dados os valores das resistências R1=35Ω, R2=20Ω, R3=60Ω e Ut=U1=U2=U3=230V.
Calcular:
a) A resistência equivalente do circuito:
1
1
=
=
1
+
1
+
1
1
1
1
+
+
= 0,03 + 0,05 + 0,02 = 0,01 ⇔
35 20 60
=
1
= 10Ω
0,1
b) O valor das correntes no circuito:
=
+
=
=
230
= 6,57
35
=
=
230
= 11,5
20
=
=
230
= 3,83
60
+
= 6,57 + 11,5 + 3,83 = 21,9
ou
=
=
230
= 6,57
35
8.3- Associação mista
Tal como o nome indica, significa que alguns recetores estão ligados em série e outros em
paralelo no mesmo circuito elétrico.
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Circuito misto com três lâmpadas, retirado do sítio: http://compendio.prof2000.pt/jguimaraes/misto.htm
9- Condutância
Chama-se condutância ao inverso da resistência, cuja expressão é:
=
1
G- Condutância, em Siemens (S) ou Ω-1designado por Mho e lê-se Mó; R – Resistência em Ω.
10- Condutividade elétrica ou condutância específica
Inversamente à resistividade a condutividade elétrica ou condutância específica.
Representa-se pela letra  (lê-se gama) e a sua unidade prática é: m/Ω.mm2.
γ=
1
ρ
- Condutância específica, no Sistema Internacional de unidades (SI), exprime-se em
Siemens/metro (S/m); ρ – Resistividade
11- Principais grandezas elétricas
11.1- Unidades do Sistema Internacional (S.I.) das grandezas eléctricas
Unidades do Sistema Internacional
Grandeza e símbolo
Corrente elétrica, I
Nome
Ampère
Símbolo
A
Diferença de potencial
Volt
V
Resistência elétrica, R
Ohm
Ω
Potência, P
Watt
W
watt-hora
Wh
Energia elétrica, E
11.2- Múltiplos e submúltiplos
Fator pelo qual a unidade é multiplicado
Prefixo
Símbolo
1 000 000 000 = 10
9
giga
G
1 000 000 = 10
6
mega
M
1 000 = 10
3
kilo
k
0,001 = 10-3
mili
m
0,000 001 = 10
-6
micro
μ
0,000 000 001 = 10
-9
nano
n
-12
pico
p
0,000 000 000 001 = 10
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12- Condutibilidade
A condutibilidade é a maior ou menor facilidade com que uma substância se deixa atravessar pela
corrente eléctrica.
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É uma propriedade comum a todas as substâncias e tem um valor específico para cada uma delas.
Em função desse comportamento, é usual classificá-las em dois grandes grupos:
Bons condutores ou simplesmente condutores;
Maus condutores ou isoladores.
Numa análise mais exaustiva, poderíamos falar ainda em:
Semicondutores;
Supercondutores.
A condutibilidade é uma propriedade fundamentalmente determinada pelo tipo de estrutura
molecular. É influenciada por factores externos, como a temperatura, e o processo da condução
difere, conforme o meio em presença.
12.1- Bons condutores ou condutores
Estado sólido: Os metais puros são por excelência os melhores condutores de electricidade. A
prata (Ag), o cobre (Cu), o alumínio (Al), o ouro (Au), o ferro (Fe), o estanho (Sn), são apenas
alguns exemplos e justamente dentro dos metais, os melhores condutores. São, por conseguinte
muito utilizados no domínio da eletricidade e da eletrónica. A prata é um excelente condutor (o
melhor), mas o seu emprego é muito limitado, dado o seu elevado custo.
A excelente condutibilidade dos metais deve-se ao grande número de electrões livres produzidos.
A produção de tais electrões, que são sempre os mais periféricos das órbitas atómicas, tem
origem térmica e estão relacionados com a força que os prende electrostaticamente ao núcleo. Se
essa força é significativa, poucos deles abandonarão o átomo. Se, pelo contrário, é ténue, libertarse-ão facilmente, basta receberem um pouco de energia do exterior.
A temperatura ambiente é suficiente para que nos metais exista elevada concentração de
electrões em constante movimento por toda a superfície.
Sob uma d.d.p., os eletrões livres na última camada deslocam-se ordenadamente no condutor,
sendo sempre de esperar, um considerável número de colisões, que modificam transitoriamente
a sua trajectória e cuja probabilidade define o material em termos de condutibilidade.
Estado líquido: Designam-se por eletrólitos as substâncias, que no estado líquido, conduzem a
corrente eléctrica: ácidos, bases ou sais em solução aquosa.
Além dos electrólitos, podemos ainda acrescentar os metais quando fundidos e o mercúrio, que
existe naturalmente no estado líquido.
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Estado gasoso: A corrente eléctrica estabelece-se sempre que por uma diferença de potencial se
ioniza uma dada massa de gás (Ex: lâmpadas de descarga de alta e de baixa pressão).
A corrente deve-se, neste caso, aos iões positivos e electrões resultantes da ionização.
12.2- Maus condutores ou isoladores
Não há substâncias verdadeiramente isoladoras, como não as há totalmente condutoras. Se,
mesmo assim, designamos estas substâncias de isoladoras, é porque nas aplicações correntes
satisfazem bons níveis de isolamento. Também são conhecidos como dieléctricos.
Os eletrões não têm possibilidade de se deslocarem no interior do material, dado na sua estrutura
não existirem eletrões livres.
São isoladores o vidro, a ebonite, a baquelite, o óleo, o papel, a porcelana, a madeira seca, a
borracha e de um modo geral, todos os materiais cerâmicos e plásticos.
12.3- Supercondutor
A supercondutividade é sinónima de ausência praticamente total de resistência que caracteriza
sempre cada condutor no seu estado natural.
A descoberta do fenómeno data de 1911 e deve-se ao físico alemão Heihe Karmelingh Onness, e
consiste numa notável alteração de comportamento de alguns metais e suas ligas, que ao serem
arrefecidos a temperaturas extremamente baixas, já vizinhas do zero absoluto (0˚ Kelvin), perdem
praticamente toda a sua resistência, tornando-se supercondutores.
A resistência desaparece, os electrões deslocam-se em avalancha e emparelhados de forma que
qualquer colisão não os desviará da respectiva trajectória. Não existem, portanto perdas de
energia.
12.4- Semicondutores
Os semicondutores são substâncias cuja condutibilidade se situa entre os bons e maus condutores
de electricidade. São semicondutores, de uso corrente em electrónica, o germânio (Ge) e o silício
(Si). Comportam-se como isoladores perfeitos à temperatura do zero absoluto Kelvin (ou seja,
273,15˚ negativos na escala Centígrada), mas manifestam alguma condutibilidade à temperatura
ambiente.
A condução deve-se aos electrões e lacunas (ausência de electrões) criados por adição de
impurezas como o arsénio (As), o índio (In) e o boro (B).
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13- Díodo
O díodo é um componente constituído por um par de cristais de silício dopados. Essa dopagem faz
um dos cristais apresentar excesso de eletrões (por isso chamado de tipo N) e o outro apresentar
20
falta de eletrões, ou excesso de lacunas (chamado tipo P).
Ao par unido, chama-se junção PN, que tem a particularidade de apresentar baixa resistência
(estado de condução) quando polarizado diretamente e altíssima resistência (estado de corte ou
bloqueio) quando inversamente polarizado.
Dá-se o nome de polarização direta àquela em que o cristal tipo P fica com potencial positivo em
relação ao tipo N e chama-se de polarização inversa a que polariza o cristal tipo P com potencial
negativo em relação ao cristal tipo N.
As características do díodo fazem com que, em muitas situações, possa ser considerado com uma
chave (lembre-se que, em eletrónica, quando se fala em chave refere-se a um interruptor)
fechada quando o díodo está em condução, e aberta quando o díodo está em corte. Mas isso é
uma aproximação de seu real funcionamento, já que quando diretamente polarizado o díodo só
entra em estado de condução a partir de uma tensão de 0,6V a 0,7V aos seus terminais (uma
chave fechada apresenta queda de tensão V= 0 já que R= 0V) e quando inversamente polarizado
há uma pequena corrente, muitas vezes desprezível (uma chave aberta não conduz corrente
alguma).
No gráfico VI de um díodo, observa-se que a corrente direta (If, 1º quadrante) relaciona-se com a
tensão direta (Vf), também chamada tensão de barreira, ou de joelho por causa do gráfico, que
cresce de forma não linear com a corrente, pois para um aumento muito grande de corrente temse um pequeno aumento da tensão nos terminais do díodo, podendo esta variar de 0,5 a 1,5V na
prática. A corrente aquece o díodo, por isso não se deve ultrapassar o valor de corrente máxima
direta de um díodo devido ao risco de destruí-lo pelo calor produzido.
Quando inversamente polarizado o díodo conduz uma corrente menor que 0,01 A (esta corrente
duplica a cada aumento de 10˚C), até que o valor de tensão aplicado ultrapassa o valor de tensão
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de rutura também chamado tensão ZENER, a partir daí o díodo volta a conduzir podendo se
destruir de acordo com o caso, por isso o valor máximo de tensão inversa, não deve ser
ultrapassado exceto em casos específicos.
21
Os díodos apresentam vários parâmetros de tensão e corrente, entre os quais destacam-se:
If- corrente direta máxima que o díodo pode conduzir
Vr- tensão inversa máxima que o díodo pode suportar sem conduzir
VF a IF- queda de tensão (VF) quando o díodo está a conduzir determinado valor de corrente (IF)
13.1- Aplicações típicas
Pela sua característica de comutação e queda de tensão praticamente fixa, o díodo é utilizado em
diversas aplicações onde um só sentido de corrente ou uma queda de tensão fixa são requeridos.
13.1.1- Retificações
Recebe o nome de retificação o processo conversor da tensão alternada em tensão de polaridade
única ou contínua.
Nestes circuitos os díodos são ligados em série com a carga (circuito alimentado), de forma que
esta só receba alimentação caso aqueles estejam diretamente polarizados. A ligação em série
provoca a perda de 0,6 a 0,7 V em cada díodo envolvido, embora neste caso esta queda seja
inconveniente.
RETIFICAÇÃO DE MEIA ONDA
Quando diretamente polarizado o díodo permite que a carga receba alimentação, mantendo-a
desligada caso a tensão aplicada tenha polaridade indesejável.
Quando alimentado por tensão alternada, este circuito só permite que a carga seja alimentada na
metade da onda em que a polaridade é conveniente, por isso se denomina de “retificador de
meia onda”.
O diagrama abaixo mostra este tipo de retificação e, o gráfico Vt de entrada e saída, com tensão a
sinusoidal.
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Já que na metade do período a carga fica sem alimentação, a tensão média de saída é apenas 45%
da tensão eficaz de entrada. A queda do díodo é que produz a necessidade do valor 0,22 da
fórmula:
= , 45
− 0,22
A tensão de saída deste tipo de retificação tem a mesma frequência da entrada, a corrente pelo
díodo é a mesma da carga.
RECTIFICAÇÃO DE ONDA COMPLETA
O díodo pode ainda ser ligado em ponte, de modo a que a carga receba tensão com polaridade
conveniente, seja qual for a polaridade da tensão aplicada à entrada.
Assim, quando a tensão de entrada é alternada a retificação chama-se “de onda completa” já que
nos dois semiciclos a carga é alimentada.
Na retificação de onda completa a tensão de saída é o dobro daquela conseguida com a
retificação de meia onda (desprezando a queda de tensão em cada díodo) já que não há período
onde a carga fique sem alimentação.
A seguir, o diagrama esquemático da retificação de onda completa com gráficos Vt de entrada e
saída com tensão sinusoidal.
A frequência da tensão de saída é o dobro da de entrada e a corrente média por cada díodo é a
metade da corrente da carga.