Transistores 4: osciladores

Um oscilador é um circuito que automaticamente alterna seu estado. É possível usar transistores para construir um oscilador realimentando a sua entrada com o sinal produzido na saída. Osciladores permitem gerar sinais de corrente alternada, produzindo ondas em vários formatos, permitindo a construção de sirenes e pisca-piscas. Também são usados em circuitos transmissores e receptores de sinais de rádio e muitas outras aplicações.

Existem várias formas de construir um oscilador. Todos envolvem realimentação de sinais, e não são muito simples de entender, mas são circuitos fundamentais na eletrônica, produzem resultados interessantes e portanto vale a pena construir alguns.

Experimento 14 – Pisca-pisca alternado com LEDs

Usando capacitores e podemos acionar automaticamente a corrente na base dos transistores a partir da carga do capacitor. Combinando dois circuitos desse tipo fazemos um circuito oscilador que é chamado de gangorra, ou “multivibrador astável”. É formado por dois circuitos amplificadores simétricos. A entrada (base) de um é realimentada pela saída (coletor) do outro.

Neste experimento usaremos uma combinação de capacitores e resistores para produzir uma frequência que permite que os LEDs pisquem de forma alternada.

Material necessário:

  • Bateria de 9V, fonte de 9V (ou de 12V)
  • 2 resistores de 220 Ω (use 330 Ω, se fonte for de 12V)
  • 2 LEDs
  • 2 resistores de 330k Ω
  • 2 capacitores eletrolíticos de 3,3 µF
  • 2 transistores NPN de propósito geral (BC 549 ou equivalente)
  • Protoboard, fios e jumpers

Monte o circuito abaixo prestando atenção nas conexões:

A ilustração abaixo mostra uma montagem possível que pode ser feita no protoboard:

Você pode variar os valores dos resistores da base (não use menos que 1k Ω) e dos capacitores para obter tempos e carga e descarga diferentes.

Não se limite ao protoboard! Tente montar o circuito usando o esquema. A fotografia ao lado mostra o mesmo circuito oscilador explorado neste experimento construído usando fita de cobre sobre uma folha de papel.

O tempo que cada LED fica aceso pode ser calculado usando a fórmula

0,7 x R x C

Onde R e C são o resistor e o capacitor ligados a base do transistor. No nosso exemplo os tempos são iguais, com resistor de 330k e capacitor de 3,3uF, então cada pulso dura:

0,7 x 330000 x 0,0000033 = 0,8s

Veja também as calculadoras online para esse tipo de circuito no final da apostila.

Alteração 14.1 – Acoplador ótico

Experimente posicionar a saída de um dos LEDs diretamente na lente do fototransistor do circuito do experimento anterior, como mostrado na fotografia abaixo.

Isto vai acionar o fototransistor sempre que o LED acender, fazendo com que o LED, que é controlado pelo do circuito do fototransistor, apague e acenda no mesmo ritmo que os LEDs do oscilador astável. Os dois circuitos agora estão sincronizados. O LED e o foto-transistor funcionam nesta configuração como um acoplador ótico.

Transistores 3: fototransistor

O fototransistor é um transistor especial cuja base é ativada por luz. Se não houver luz o transistor desliga. Se houver luz diretamente aplicada na lente, ele liga e deixa passar corrente entre E e C. O fototransistor é acionável por luz visível e também por luz infravermelha. Fototransistores são frequentemente usados em controles remotos.

Experimento 13 – Fototransistor que desliga a carga ao ser ativado

Este circuito tem um comportamento similar ao circuito com LDR. É mais simples e mais sensível, mas o foto-transistor requer que a luz seja aplicada diretamente na sua lente.

Material necessário:

  • Fonte de 9V (ou 12V)
  • Fototransistor TIL 78 (tem a mesma embalagem que um LED – veja referência no final desta apostila para detalhes).
  • Resistor de 1k Ω
  • LED
  • Protoboard, fios/jumpers

A embalagem do fototransistor é transparente e igual à de um LED. A perna mais longa é o emissor (E) e a mais curta é o coletor (C). No circuito abaixo o emissor (perna mais longa) deve ser conectada ao negativo e ao catodo (perna mais curta) do LED.

Quando o transistor liga, ele faz um curto-circuito nos terminais do LED, apagando-o. Se não houver luz no fototransistor, ele se comporta como um circuito aberto, e toda a corrente irá fluir pelo LED. Para apagar o LED, aplique luz diretamente sobre a lente do fototransistor (ex: use um outro LED ou uma lanterna de celular). Teste também apontando um LED infravermelho (não foi incluído no kit) que emite luz invisível.

O LED pode ser substituído por outro circuito, que será desligado quando o fototransistor receber luz. Neste circuito, você pode também substituir o LED por uma cigarra (buzzer).

Como você alteraria este circuito para que ele tenha o comportamento inverso, e acenda o LED (ou acione a cigarra) somente quando houver luz?

Transistores 2: chaveamento eletrônico

O ganho alto do transistor significa que pequenas variações da corrente na base causam grande variação na corrente entre o coletor e emissor. Portanto, usando um divisor de tensão na base, podemos controlar a direção da corrente que irá fluir na base variando os valores dos resistores. Uma corrente negativa aplicada à base de um transistor NPN causa o seu desligamento (funciona como uma chave aberta). Já uma corrente positiva de determinado valor permite a passagem de corrente, e um pouco mais já levam o transistor à saturação, fazendo-o comportar-se como uma chave fechada, deixando passar a corrente máxima entre coletor e emissor.

O experimento abaixo mostra esse comportamento usando um resistor variável (sensível à luz) que muda a direção da corrente na base ligando e desligando o transistor com a variação da luminosidade.

Experimento 12 – Luz de emergência com transistor

Este circuito fará um LED acender quando o ambiente estiver escuro, e apagar quando estiver claro.

Material necessário:

  • Bateria ou fonte de 9V (ou fonte de 12V)
  • LED
  • Transistor NPN de propósito geral (BC549 ou equivalente)
  • Resistor de 220 Ω (ou 330 Ω, se a fonte for de 12V)
  • Resistor de 47k Ω, 100k Ω ou potenciômetro de 100k Ω + resistor de 10k Ω (valor vai depender da sensibilidade do LDR e luminosidade da sala)
  • LDR de 7mm (pode-se usar o de 5mm, mas será preciso ajustar a sensibilidade)
  • Protoboard, fios e jumpers

Pode ser necessário ajustar o resistor R1, dependendo da sensibilidade do LDR e da luz do ambiente. Com a mesma quantidade de luz, o LDR de 7mm terá uma resistência maior que o de 5mm, então se for usado o de 5mm, pode ser necessário uma resistência maior (ex: 100k Ω) para que o circuito funcione igual. No desenho do protoboard está sendo usado um resistor de 100k Ω:

Uma outra alternativa é substituir R1 por um resistor de 10k Ω em série com um potenciômetro de 100k, para permitir o ajuste fino dependendo das condições de luz do ambiente.

Transistores 1: introdução

Transistores são os componentes eletrônicos de estado sólido responsáveis pela revolução eletrônica no século 20. Eles substituíram as válvulas (tríodos) que antes eram usadas em rádios e TVs para amplificar sinais, e permitiram a miniaturização que possibilitaram as viagens espaciais e computadores.

O transistor foi inventado em 1948 por John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley, que receberam o prêmio Nobel de física em 1956 pelo invento.

Assim como os diodos e LEDs, transistores são feitos de junções de materiais semicondutores. Os primeiros transistores eram feitos de ligas de germânio (Ge). Os transistores modernos são feitos principalmente de Silício (Si), que é um dos minerais mais abundantes na natureza. Os modelos mais populares consistem de duas junções de três ligas de Silício, que tem suas propriedades físico-químicas alteradas através da adição de impurezas (outros semicondutores).

Hoje existem vários diferentes tipos de transistores. Os modelos mais antigos ainda são usados e são geralmente comercializados em embalagens plásticas ou metálicas de três terminais. Chegam a custar em torno de 10 centavos. Mas nos equipamentos eletrônicos modernos, como smartphones e computadores, transistores existem aos bilhões dentro dos chips ou circuitos integrados. Consomem pouquíssima corrente e são minúsculos (da ordem de milésimos de milímetro).

Utilizaremos nestes experimentos os transistores bipolares de junção do tipo NPN. Eles são antigos, mas são baratos, fáceis de encontrar e mais robustos que os transistores de efeito de campo (MOSFETs), mais modernos e que consomem muito pouca energia. Mas o kit também inclui MOSFETS, usados em alguns experimentos com Arduino, e transistores bipolares de junção PNP (que têm polaridade inversa).

Transistores bipolares têm três terminais que se chamam base (B), emissor (E) e coletor (C). A base de um transistor bipolar funciona como uma torneira que controla o fluxo de corrente do coletor para o emissor, que geralmente é bem maior (100 vezes ou mais) que a corrente na base. Esse fator de amplificação é chamado de ganho do transistor (também chamada de beta – β ou hFE).

Existem duas formas básicas de usar um transistor. Como amplificador ou como chave.

Como amplificador ele é configurado para operar em uma faixa que amplia a corrente na base de maneira mais ou menos linear. Se usarmos a analogia da torneira, operando como amplificador ela nunca seria totalmente fechada ou aberta, mas operaria apenas controlando a intensidade do fluxo.

Como chave, o transistor trabalha em estados extremos, totalmente ligado (em saturação) ou desligado (em corte). A torneira ou está completamente aberta (corrente na base suficiente para saturar o transistor) ou completamente fechada (nenhuma corrente ou corrente negativa na base). Em resumo, o transistor se comporta exatamente como uma chave entre seus terminais C e E, que é aberta ou fechada pela corrente aplicada no terminal B. Quando o transistor está desligado (sem corrente na base), a tensão entre C e E é máxima, e a corrente é zero. Quando ele está saturado a tensão entre C e E é zero e a corrente entre C e E é máxima.

Além do uso como amplificador e chave, transistores também podem ser usados para construir osciladores (geradores de ondas e pulsos) amplificando ciclos de carga e descarga de circuitos RC (resistor-capacitor) e realimentando-o na sua entrada.

Transistores bipolares de junção NPN

O funcionamento que descrevemos acima para o transistor refere-se a transistores bipolares de junção NPN, que é apenas um dos tipos de transistores usados, mas é o único que iremos explorar nesta seção., O símbolo desse tipo de transistor está ilustrado abaixo. É preciso identificar os terminais na embalagem plástica do componente. Veja na referência no final desta apostila. Ela varia de acordo com o modelo (há muitos) e o fabricante.

B = base (controle, baixa corrente + ou -), C = coletor (+), E = emissor (-)

Experimento 11 – Transistores: circuito básico

Para demonstrar o funcionamento básico do transistor, monte o circuito abaixo.

Material necessário:

  • 1 transistor BC 549 (ou equivalente)
  • 1 resistor de 220 Ω (ou 330 Ω, se a fonte for de 12 V)
  • 1 LED
  • Protoboard
  • Fios e jumpers
  • Fonte de 9V (ou 12V)

Esta é a pinagem do transistor BC549:

Você fará a ligação da base com o terminal positivo segurando nas duas pontas dos fios. Como a sua resistência é muito alta, a corrente que irá fluir pela base será baixíssima.

Verifique todas as conexões e ligue a fonte de 9V por último. Os terminais separados não devem tocar em hipótese alguma. Mantenha-os separados no protoboard.

Ao fechar o circuito, uma pequena corrente (da ordem de microampères) irá circular pela base, abrindo (bastante) a “torneira” do transistor e permitindo a passagem de uma grande corrente entre C e E, suficiente para acender o LED. Não seria possível acender o LED com a corrente que passa na base apenas.

Na verdade, o circuito é tão sensível que o LED poderá acender até mesmo antes que você toque nos fios. Isto é considerado um ruído ou interferência. Normalmente usamos circuitos com um divisor de tensão na base (resistor de “pull-up” ou “pull-down”), para que se tenha maior controle sobre a corrente da base evitando interferências. Quando usamos o transistor como chave, entradas e saídas são representadas como um “nível lógico”, ou seja, ligado ou desligado. Valores intermediários e indefinidos são considerados ruído.

Se houver interferência, experimente conectar um resistor de 10M ou mais ligando a base ao negativo (isto é um “pull-down”). Isto garante um nível lógico definido na entrada (ou negativo, quando o circuito estiver aberto, já que a resistência do ar é superior ao do resistor, ou positivo, se uma resistência menor estiver ligando os fios.) Com o resistor de “pull-down”, o LED acenderá quando a resistência que liga a base ao positivo for maior que a resistência que a liga ao negativo.

Introdução 8 – Piezoeletricidade

A célula piezoelétrica pode ser usada como sensor de impacto e deformação, dentro de um circuito elétrico, ou como para geração de energia elétrica.

Experimente ligar um LED entre os terminais da célula piezoelétrica e bater rapidamente no centro dela. Isto causa uma mini-deformação na cerâmica que gera energia suficiente para acender o LED com um pulso. Células piezoelétricas são usadas como sensores para construir instrumentos musicais sensíveis à velocidade e intensidade do toque. Também são usadas em sapatos para acender LEDs com o impacto, detectar quando alguém bate em uma porta, e até mesmo instalados debaixo do chão em locais de grande movimento para gerar e acumular eletricidade.

Experimento 10 – Gerador piezoelétrico

Este experimento demonstra a carga de um capacitor e o uso de uma célula piezoelétrica que gera energia através de movimento (deformação e impacto).

Material necessário:

  • Célula piezoelétrica (pode ser necessário soldar terminais na placa e sensor; ou prender os fios usando mini-pegadores de roupa – não use garras jacaré pois a célula é frágil)
  • Capacitor de 100 µF
  • 4 diodos de propósito geral (1N4148 ou equivalente)
  • Protoboard, fios e jumpers
  • Voltímetro

A célula piezoelétrica gera energia alternada: produz corrente em um sentido quando contrai e no sentido inverso quando expande. Como o LED é polarizado, ele só acende em um desses pulsos. A ponte com quatro diodos inverte os pulsos negativos permitindo aproveitar todo o ciclo (o LED acende duas vezes mais). O capacitor acumula carga, permitindo que o LED fique aceso sem pulsar, (mas no início ele vai demorar para acumular tensão suficiente para acender o LED). Esse tipo de circuito é chamado de retificador, e é usado também em fontes que são ligadas em tensão alternada para gerar tensão contínua (como a fonte de 9V usada nos experimentos).

O capacitor é opcional. Sem usar um capacitor, o LED brilha imediatamente, a cada impulso de compressão ou expansão gerado pela deformação do sensor (batendo no sensor com o dedo, por exemplo, ou apertando-o).

Usando um capacitor, é preciso primeiro acumular carga suficiente para que haja tensão suficiente para acender o LED. Pode ser necessário espremer muitas vezes o sensor para que o capacitor atinja a tensão mínima para acender o LED. Quanto maior o capacitor, mais tempo levará para acumular a carga (e para descarregar depois). Cada impulso gera um pouco de carga. Assim que o LED acumular a carga mínima ele irá acender, mas também irá descarregar o capacitor mais rapidamente.

Tire o LED do circuito e coloque um voltímetro entre os terminais do capacitor, na posição de 20V. A cada impulso você verá que alguns milivolts se acumularem no capacitor. Quando houver aproximadamente 2 volts, coloque um LED vermelho que ele acenderá por alguns segundos. Você também pode deixar o LED no circuito enquanto acumula carga. Enquanto não houver tensão direta suficiente para acendê-lo, o consumo de corrente será baixo, e a carga subirá mais rapidamente.

Um LED rosa acenderá quando a tensão chegar a 2,5V aproximadamente. Na foto abaixo a luz começa a aparecer com 2,38V:

Depois de aceso, o LED rapidamente consome a corrente, diminuindo a tensão no capacitor, mas não totalmente. Mais alguns toques e ela sobe de novo. Portanto, se a fonte de pulsos for contínua (ex: se os sensores estiverem instalados em um sapato e a pessoa estiver andando, saltando ou dançando), o capacitor manterá uma luz constante no LED. Você pode usar um resistor em série com o LED, que irá atrasar um pouco a descarga, mas também irá fazer com que ele demore mais a acender.

Se você usar várias células fotoelétricas retificadas em paralelo, o capacitor carregará mais rápido, e o LED brilhará mais forte. Uma possível aplicação é instalar duas ou mais células piezoelétricas em sapatos para iluminar roupas e acessórios usados para correr ou dançar. O impacto no chão gera energia, que se acumula, e pode ser usado para acender LEDs distribuídos pelas roupas.

Você também pode preferir usar o circuito sem o capacitor, que acende o LED mais rapidamente e gera pulsos curtos (mas intensos) de energia apenas na hora do impacto.

Este link contém a demonstração de um sapato gerando energia piezoelétrica para acender LEDs: https://www.youtube.com/watch?v=lDBhMCFZfv0

Introdução 7 – Capacitores

Capacitores são componentes que acumulam carga elétrica. Em circuitos onde flui corrente contínua, um capacitor age como um circuito aberto, impedindo a passagem de corrente, mas durante transições (ex: quando o circuito é ligado ou desligado) ou quando flui corrente alternada, o capacitor age como um condutor, deixando passar a corrente.

Em um esquema, um capacitor é representado por duas placas separadas. Alguns capacitores têm polaridade e precisam ser usados no circuito respeitando essa polaridade (o + ligado ao positivo e o – ligado ao negativo).

Os símbolos abaixo são usados para capacitores:

A capacidade de carga de um capacitor é medida em farads, em homenagem ao cientista inglês Michael Faraday. Em geral usamos bilionésimos ou milionésimos de farad em nossos circuitos, às vezes ainda menos que isto. Portanto os capacitores que usaremos são representados em microfarads (µF) (1/1000000), nanofarads (nF) (1/109) e picofarads (pF) (1/1012).

Os capacitores eletrolíticos são polarizados, e têm valores maiores. A identificação deles é impressa na embalagem. Já os capacitores de menor valor, cerâmicos e de poliéster, têm um código para representar o valor baseado em pF. O código é semelhante ao dos resistores, mas sem as cores. São três dígitos. Os dois primeiros representam dígitos do valor, e o terceiro o número de zeros. Por exemplo:

  • 103 = 1, 0, 000 = 10000pF = 10kpF = 10nF
  • 474 = 4, 7, 0000 = 470000pF = 470kpF = 470nF
  • 225 = 2, 2, 00000 = 2200000pF = 2200kpF = 2200nF = 2,2 µF

Um capacitor acumula carga assim que recebe um pulso de corrente elétrica. Se um capacitor está ligado diretamente a uma fonte de tensão contínua, ele recebe sua carga quase instantaneamente, assim que a bateria for ligada no capacitor. A descarga, curto-circuitando os terminais do capacitor também é praticamente imediata.

Para limitar o tempo de carga ou descarga de um capacitor, usa-se um resistor. O valor do resistor multiplicado pelo valor da capacitância corresponde ao tempo em segundos que leva para um capacitor totalmente descarregado atingir 63% de sua carga. Cinco vezes esse tempo corresponde à carga total do capacitor.

Portanto, a constante de tempo para um circuito formado por um resistor R e um capacitor C é

t = RC

E o tempo de carga é:

5 x RC

Por exemplo, para um capacitor de 100 µF (0,0001 F) em série com um resistor de 10k ohms tem uma constante de tempo de:

t = 0,001 x 10000 = 1 segundo

E o capacitor levará

5 x 1 = 5 segundos

para carregar (ou descarregar) completamente.

Experimento – Carga e descarga de capacitores

Este experimento demonstra o efeito da carga e descarga em um capacitor.

Material necessário:

  • 1 capacitor eletrolítico de 100µF
  • Capacitores eletrolíticos de 1000µF, 470µF, 47µF e 10µF
  • 2 resistores de 10k Ω (marrom – preto – laranja)
  • Resistores de 1k (marrom – preto – vermelho) e 100k Ω (marrom – preto – amarelo)
  • Voltímetro
  • Bateria ou fonte de 9V
  • Duas chaves tácteis (botões de pressão)
  • Protoboard, jumpers e fios, garras jacaré

Monte o circuito abaixo.

Antes de iniciar, meça a tensão da bateria, para saber o valor máximo de tensão que poderá ser carregado pelo capacitor. Depois prenda o multímetro nos terminais do capacitor com garras jacaré, tendo o cuidado para não deixar que encostem uma na outra.

Apertando o botão B1 o circuito é fechado e a bateria começa a carregar através do resistor R1. Segure o botão por uns 5 segundos ou até que o multímetro indique a tensão da bateria. Agora solte o botão e perceba que a carga diminui muito lentamente (ela está vazando pelo voltímetro, que tem uma resistência muito alta).

Agora aperte o botão B2, que descarrega o capacitor através do resistor R2. Como os resistores são iguais, o tempo de carga e descarga é semelhante ao da carga. Experimente trocá-los por valores diferentes. Troque também o capacitor de 100µF por capacitores maiores (470 e 1000 µF) e menores (47 e 10µF), e observe o resultado.

Para carregar ou descarregar rapidamente conecte a chave correspondente diretamente ao positivo ou negativo (sem passar pelo resistor), ou use resistores de valores baixos (100 Ω).

Alteração – Usando a carga do capacitor para acender um LED

Material adicional:

  • Um LED de qualquer cor
  • Resistor de 470 Ω (amarelo – violeta – marrom)
  • Capacitor de 2200 µF

Experimente ligar um LED em paralelo com o capacitor de 1000µF e veja como ele se comporta durante os estágios de carga e descarga (lembre-se que o LED não pode ser ligado diretamente; ele sempre precisa ter um resistor em série para limitar a corrente.)

Veja uma possível solução no circuito abaixo:

Nesta configuração, o botão B2 quando apertado descarrega o capacitor imediatamente através do fio. Mas ele também irá descarregar um pouco mais lentamente através do LED e resistor de 470 Ω. Se você usar um resistor maior para limitar a corrente do LED (1k Ω) ele brilhará menos, mas ele também permanecerá aceso por mais tempo já que a resistência maior irá retardar a descarga do capacitor.

Experimente trocar o capacitor de 1000µF por um capacitor de 2200µF e troque o resistor R1 por uma ligação direta (para que a carga do capacitor seja imediata). Experimente colocar os dois capacitores de 1000µF e 2200µF em paralelo. O que acontece?

Carregue o capacitor totalmente, depois desligue a bateria do circuito. Por quanto tempo o LED ainda permanece aceso?

Capacitores são bastante usados em circuitos eletrônicos, para acumular tensão, gerar pulsos, configurar temporizadores, retificar corrente alternada, proteger circuitos de sobretensão, isolar sinais, etc.

Simuladores e calculadoras

Esta animação simula a carga e descarga de capacitores. Você pode alterar os valores dos resistores e capacitores e observar o resultado na saída:

http://www.falstad.com/circuit/e-cap.html

Esta calculadora online permite estimar o tempo de carga e descarga de um capacitor:

https://www.digikey.com/en/resources/conversion-calculators/conversion-calculator-time-constant

Introdução 6 – Potenciômetros e sensores resistivos

Nesta seção apresentaremos alguns componentes que possuem resistência que varia. A variação pode ser controlada manualmente (potenciômetros) ou devido à influência externa, de luz, calor, ou outros fatores (sensores resistivos: O LDR – Light Dependent Resistor, que varia com a luz, e o termistor, que varia com a temperatura.)

Potenciômetros

Potenciômetros são resistores variáveis. Têm três terminais. A resistência entre os dois terminais mais distantes é fixa, mas o terminal do meio desliza sobre a resistência interna, permitindo obter um valor variável entre cada terminal.

Um potenciômetro pode ser usado como um divisor de tensão variável. Se apenas o terminal do meio e um dos laterais for usado, o potenciômetro se comporta como um resistor variável. Pode ser utilizado para controlar volume, fazer dimmers, etc.

Símbolo de um potenciômetro:

Potenciômetros identificados com a letra B são lineares, ou seja, variam linearmente (em um potenciômetro de 100k, 20% é 20k, 40% é 40k). Existem também potenciômetros que variam de forma exponencial, que são identificados com a letra A (em um potenciômetro de 100k, um giro de 50% corresponde a 20k).

Usaremos potenciômetros no experimento a seguir para variar a corrente que passa em um LED, alterando o seu brilho.

Experimento 8 – Variando as cores de um LED RGB

O objetivo é acender um LED RGB (são três LEDs em uma única embalagem). Este experimento também pode ser feito com três LEDs separados.

Material:

  • 1 LED RGB de anodo comum (veja detalhes na referência no final da apostila)
  • Fonte de 9 (ou 12 V)
  • 2 resistores de 330 ohms e 1 resistor de 470 Ω (para fonte de 9V), ou 2 resistores de 470 Ω, e 1 resistor de 560 Ω (para fonte de 12V)
  • Três potenciômetros de 100k Ω (no kit não há três iguais – use um de 100k para o LED vermelho, 50k para o LED verde e 20k para o LED azul)
  • Protoboard
  • Fios ou jumpers

Monte o esquema abaixo:

O resistor em série com o potenciômetro é importante, pois quando o potenciômetro estiver no valor mínimo de resistência (zero ohms), deve ainda haver uma resistência limitando a corrente no LED.

A ilustração a seguir contém uma possível montagem do circuito em um protoboard.

LDR – sensor de luz

No kit há dois LDRs. Um de 7mm e outro de 5mm. O de 7mm é um pouco mais sensível. Estes LDRs apresentam baixa resistência em ambientes iluminados (tipicamente 50 a 100 ohms em uma sala iluminada, ou menos de 50 ohms em luz do sol direta), e alta resistência em ambientes escuros (tipicamente 100-500k em uma sombra, a 1M ohm em uma sala escura).

O LDR pode ser usado como um resistor variável usando os dois terminais, ou como um divisor de tensão, escolhendo um resistor fixo para ligar no positivo ou negativo (ilustrado acima).

Além do LDR, existem outros componentes no kit que reagem a luz. O foto-transistor TIL-78 tem a mesma embalagem que um LED translúcido, e reage à luz visível ou infravermelha aplicada diretamente à sua lente. Ele não altera a resistência, mas se comporta como uma chave liga-desliga. A célula fotovoltaica de silício gera até 0,5V de tensão quando recebe luz direta do sol.

Você pode substituir os potenciômetros usados no experimento anterior por LDRs, e perceber variação nos LEDs devido à luz ambiente.

Termistor – sensor de temperatura

O termistor incluído no kit reduz sua resistência com o aumento da temperatura. Ele apresenta uma resistência de 10k ohms em temperatura ambiente (25 graus Célsius). Veja na referência no final desta apostila para uma estimativa da resistência em várias outras temperaturas.

O termistor pode ser configurado da mesma forma que o LDR, como resistor variável, ou em um circuito divisor de tensão. Ele é mais eficiente para medir temperaturas elevadas. Com 100 graus ele tem aproximadamente 500 ohms de resistência. Pode ser usado para acionar circuitos que disparam uma ação quando a temperatura atinge um certo nível (ex: controlar a fervura de água).

Além do termistor, existe um outro componente incluído no kit que mede temperatura com mais precisão: o circuito integrado LM35. Ele tem três terminais e não varia resistência com a temperatura, mas a tensão entre os terminais. Ele será usado em experimentos mais adiante.

Introdução 5 – Semicondutores: diodos e LEDs

Semicondutores são materiais que oferecem maior resistência à passagem de eletricidade que os condutores, mas têm propriedades químicas interessantes que os fazem funcionar de forma especial em determinados níveis de corrente e tensão.

Dentre os diversos materiais semicondutores existentes na natureza, o mais importante deles para a eletrônica moderna é o silício. Os principais componentes que fazem funcionar os computadores, celulares e aparelhos eletrônicos modernos em geral são feitos, na sua maior parte, de silício.

Diodos

Um diodo é um componente polarizado que só permite a passagem de corrente em um sentido. Até os anos 50, diodos eram frágeis válvulas de vidro contendo filamentos à vácuo (como as lâmpadas incandescentes). Após as invenções que deram origem à eletrônica de estado sólido, eles passaram a ser feitos com materiais semicondutores e ficaram muito menores e muito mais robustos. Diodos de silício são compostos por uma junção de dois materiais semicondutores com propriedades elétricas opostas misturados com silício.

Diodos são muito usados para proteger circuitos contra correntes em sentido contrário (acontece com motores, relés e transformadores) e para retificar corrente alternada (transformar corrente alternada em corrente contínua). A maior parte dos diodos emite apenas calor, mas alguns emitem luz.

Diodos têm uma polaridade e funcionam de forma diferente se ela for invertida. O símbolo abaixo é usado para representar um diodo:

Os polos são identificados com os mesmos termos usados para identificar terminais de uma bateria (anodo – A e catodo – K), mas com polaridade oposta.

LEDs

LED significa Light-Emmiting Diode, ou diodo emissor de luz. Um LED é um diodo construído para emitir radiação em uma faixa de frequências estreita, e mais alta, que corresponde ao espectro de luz (inclusive luz invisível como infravermelho e ultravioleta).

O símbolo abaixo é usado para representar um LED. Em geral a embalagem possui um chanfro do lado do catodo, que deve ser ligado ao negativo:

Existem LEDs de várias cores e tamanhos. As cores do espectro (vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, violeta) são puras. Branco e cores compostas (rosa, verde-água) são produzidas combinando leds diferentes. As cores dos LEDs são identificadas pelo seu comprimento de onda no espectro de cores. No kit há vários LEDs vermelhos, e outros com a embalagem transparente que produzem uma cor apenas quando são ligados.

Importante: no kit há também um fototransistor, que é um sensor de luz e não é um LED, mas a sua embalagem é idêntica. Ele tem pernas mais longas. Se você tentar acender um LED do kit, de pernas longas, transparente, e ele não acender, pode ser um fototransistor (mas pode também ser um led queimado).

LEDs não tem uma relação linear entre corrente e tensão, como os resistores. Os LEDs só acendem quando alcançam uma tensão específica (sua tensão direta) que permanece praticamente constante enquanto a corrente sobe rapidamente. Portanto, LEDs geralmente não podem ser ligados diretamente em uma bateria, pois queimarão em pouco tempo. É necessário conectar um resistor para limitar a corrente em série com o LED. Para calcular o resistor, é preciso saber qual a tensão direta do LED usado. Ela depende principalmente de sua cor. Valores típicos aproximados, na corrente máxima sustentável de operação (20 mA) são:

  • Infravermelho:~1,6V
  • Vermelho:~2V
  • Amarelo/Laranja:~2,2V
  • Verde:~2,2V
  • Azul:~2,6V
  • Ultravioleta: ~3,2V

Os LEDs acima são de cores puras (com comprimento de onda/frequência definida). Cores compostas dependem das cores individuais usadas na construção do LED. LEDs de cor rosa ou branca são criados combinando LEDs de cor pura:

  • Branco (composto):~3V
  • Rosa (composto):~3V

O gráfico abaixo ilustra a relação entre tensão e corrente em LEDs:

(Fonte: lednique.com)

Observe o gráfico que relaciona a corrente direta (If) e tensão direta (Vf) de vários LEDs. Eles começam a emitir alguma luz com cerca de 5mA. Em 20-25mA LEDs típicos atingem o brilho máximo sustentável. É possível fornecer mais corrente, e fazê-lo brilhar mais intensamente, mas por períodos curtos de tempo. Um pulso de corrente de 100mA ou mais geralmente queima o LED imediatamente. Valores menores queimam em alguns segundos a minutos. Fornecer uma tensão inversa ao LED nem sempre vai queimá-lo, a menos que ela exceda seu valor máximo suportável, que para os LEDs do kit é de aproximadamente 5 volts.

Para calcular o resistor ideal para um LED, é preciso subtrair a tensão no LED da tensão fornecida ao circuito (ou trecho do circuito), e dividir pela corrente nominal (ex: 20mA), de acordo com a Lei de Ohm. Por exemplo, para usar um LED vermelho (queda de 2V), na capacidade máxima (20mA) com uma bateria de 9V, o resistor deve ser de:

R = V/I = (9 V – 2 V) / 0,02 A = 350Ω

Como não existem comercialmente resistores de 350Ω, podemos usar um de 390Ω, que é maior e garante uma corrente de um pouco menos que 20mA, ou mesmo de 470Ω, que deixará passar uma corrente de:

I = V/R = 7 V / 470Ω = 0,0149 ~ 15mA

Não é o brilho máximo, mas é um valor seguro que permitirá que o LED tenha uma vida longa. Se o LED vai ficar aceso por períodos curtos, também é possível passar um pouco de 20mA e usar um resistor de 330 Ω.

O cálculo do resistor limitador do LED é simples, mas se você quiser pode usar sites que fazem cálculos para LEDs. Veja alguns links no final desta apostila.

Veja também no final da apostila maiores detalhes sobre os diferentes LEDs incluídos no kit. A identificação dos LEDs depende da embalagem. LEDs RGB possuem 4 a 6 terminais, e contém três LEDs na mesma embalagem. Cada um deles representando uma cor. Para ligar cada cor, é preciso observar o esquema e saber quem é cada terminal. Se você queimar um LED RGB, é provável que algumas cores ainda funcionem.

Experimento 7 – Acendendo LEDs com 9 e 12v

Neste experimento calcularemos resistores para limitar a corrente dos LEDs e permitir que operem em brilho máximo sem correr o risco de queimar.

Material necessário:

  • LEDs diversos
  • Resistores de 330 Ω, 470 Ω, 560 Ω, 680 Ω e 1k Ω.
  • Protoboard, fios e jumpers
  • Fonte de 9V ou 12V, ou bateria de 9V

Construa um circuito ligando um LED em série com um resistor e uma bateria ou fonte de acordo com o esquema e ilustração abaixo:

Calcule o resistor ideal para acender o LED de forma que ele funcione com brilho máximo sem risco de queimar. Leve em conta os dados a seguir:

  1. A corrente máxima de um LED comum é 20mA.
  2. A tensão que um LED utiliza é fixa (não é linear, como no resistor). Pode ser de 2V (LEDs vermelhos, amarelos) a 3V (azuis e brancos). Veja o gráfico e tabela de queda de tensões de diferentes LEDs mostradas acima.
  3. Descubra a tensão no resistor subtraindo a tensão do LED: tensão da fonte – tensão do LED = tensão do resistor.
  4. Divida a tensão do resistor por 20mA, para descobrir sua resistência. Use um resistor de valor igual ou maior.

Experimente usar resistores de valor maior, e veja se o brilho do LED diminui muito.

Experimente também ligar mais LEDs em paralelo (catodo com catodo, anodo com anodo), mas em série com o mesmo resistor (ligado no anodo ou catodo). O que acontece?

Experimente ligar mais LEDs em série (bateria+, resistor, LED1, LED2). Qual o máximo de LEDs que podem ser colocados em série?

Introdução 4 – Lei de Ohm

Nesta seção exploraremos um princípio fundamental da eletrônica que é a relação entre corrente, tensão e resistência. Iniciaremos com a Lei de Ohm que é uma relação matemática simples (apenas multiplicação e divisão) que permite descobrir um desses valores, tendo-se os outros dois. Depois veremos como medir e estimar corrente e tensão em circuitos básicos.

A Lei de Ohm é uma relação linear entre corrente, tensão e resistência. É uma equação fundamental para analisar e projetar circuitos e saber como limitar valores de tensão e corrente. A lei de Ohm é expressa através da fórmula:

V = R * I

Onde V é a tensão em volts, R a resistência em ohms, e I é a corrente em amperes.

Ao fazer os cálculos é importante levar em conta as unidades. Por exemplo, se a corrente estiver em mA (miliamperes), multiplique o valor por 1000, para que ela fique em A (amperes), e possa ser usada na fórmula. Ou se a resistência estiver em (megaohms), divida antes por 1000000 para converter o valor para Ω (ohms).

A Lei de Ohm pode ser usada para calcular o valor de resistência necessária para limitar a corrente de um componente, quando se conhece a tensão e corrente sobre ele, usando:

R = V / I

Por exemplo, suponha um circuito formado por um resistor alimentado por 9V. Para garantir que uma corrente 10mA esteja passando por ele, ele deve ter uma resistência de:

R = 9 / 0,01 = 900 ohms

Finalmente, para calcular a corrente conhecendo-se os valores da tensão e resistência, use:

I = V / R

Circuitos em série e em paralelo

Um circuito é como um encanamento. Existem canos abertos, outros fechados. Uns estreitos ou entupidos que limitam a vazão retendo a pressão da água, outros largos onde a água flui livre. De maneira análoga, em um circuito as correntes se bifurcam por diversos caminhos. Há caminhos de alta resistência que provocam queda de tensão e a corrente é muito baixa, e outros onde a corrente flui livremente. Componentes que oferecem mais resistência, retém mais tensão, diminuindo a corrente que flui pelo trecho. Os que oferecem pouca ou nenhuma resistência, deixam passar toda a corrente que recebem, e praticamente não retém tensão.

Portanto, a tensão varia ao longo do caminho seguido pela corrente, iniciando com o valor da bateria, e terminando em zero, mas toda a corrente que entra no circuito pelo terminal positivo da bateria, retorna ao negativo, portanto a corrente que entra é sempre a mesma que sai.

Considere o circuito abaixo onde uma lâmpada é alimentada por uma bateria de 9V.

A corrente I que entra no circuito é igual à corrente que sai. Considerando que os fios que ligam a bateria à lâmpada sejam ótimos condutores, toda a queda de tensão da bateria estará sobre a lâmpada, que oferece uma resistência à passagem de corrente. É a passagem de corrente pelo filamento que faz com que ele fique incandescente gerando a luz.

Agora vamos conectar um dos terminais da lâmpada a outra lâmpada idêntica, e os terminais restantes nos pontos A e C do circuito acima. Teremos um circuito com duas lâmpadas em série. Como as lâmpadas são idênticas, elas têm uma resistência interna igual, e como duas resistências em série se somam, a resistência do circuito agora é o dobro do que era antes, fazendo com que a corrente caia pela metade (e que o brilho das lâmpadas também diminua).

Outra maneira de entender porque as lâmpadas emitem menos luz, é que a diferença de potencial em cada uma delas é menor. Embora a corrente seja a mesma em todos os pontos, a tensão se divide entre as cargas. Em cada componente há uma “queda de tensão” que é proporcional à sua resistência. Um princípio importante é que a soma das quedas de tensão em um circuito equivale ao total de tensão fornecido pelo circuito, ou seja, à tensão da bateria.

Se medirmos a queda de tensão em cada uma, veremos que há apenas 4,5V em cada lâmpada. É como se cada uma delas estivesse sendo alimentada individualmente por uma bateria com metade da carga. Menos tensão gera menos corrente, e consequentemente menos brilho.

Outra maneira de conectar as lâmpadas na bateria é ligá-las em paralelo. Neste caso, oferecemos dois caminhos para a corrente, e a tensão sobre cada lâmpada é a mesma. A tensão oferecida pela bateria corresponde a uma diferença de potencial elétrico fixo. Mas a corrente é a quantidade de elétrons circulando durante um intervalo de tempo. Se a bateria for capaz de fornecer mais elétrons (assim descarregando mais rapidamente), cada lâmpada poderá ter a mesma corrente que no circuito com uma única lâmpada. Mas para isto, o circuito irá demandar da bateria o dobro da corrente.

Nas instalações elétricas residenciais, lâmpadas são instaladas em paralelo. Desta forma, novas lâmpadas não interferem no brilho das outras, já que a tensão sobre elas é a mesma, mas aumentam a demanda de corrente (e o consumo residencial).

Se for acrescentada uma terceira lâmpada em paralelo, ela demandará a mesma corrente, e a bateria precisará ter capacidade de fornecer três vezes a corrente para o circuito.

Nem sempre uma bateria é capaz de fornecer a corrente necessária, e isto irá fazer com que a sua tensão caia (é o que acontece com a batata quando tentamos alimentar um LED que demanda mais corrente que uma única batata consegue fornecer).

Medição de tensão

Podemos medir a tensão entre dois pontos de um circuito usando o multímetro na função Voltímetro, posicionando-o em paralelo com o componente (ou seja, encostando as pontas de prova nos terminais do componente, enquanto ele está ligado no circuito). A conexão do multímetro em paralelo garante que a mesma tensão que estiver na carga, também estará no multímetro (como a resistência interna do multímetro é muito alta, apenas uma minúscula corrente irá circular dentro dele, insuficiente para interferir na medição).

A ilustração abaixo mostra a medição da queda de tensão sobre um resistor. Durante a medição, uma minúscula corrente flui pelo multímetro, mas isto na prática não afeta o resultado.

Se um circuito contém apenas uma bateria e uma carga, toda a tensão estará sendo aplicada à carga. Mas se ele contiver duas cargas interligadas em série (de forma que haja apenas um caminho para a corrente), a queda de tensão será dividida entre os dois, proporcionalmente às suas resistências.

No experimento a seguir mediremos as quedas de tensão sobre duas cargas ligadas em série. As cargas são resistores.

Experimento 6 – Introdução ao protoboard e divisor de tensão

Material necessário:

  • Protoboard (também chamado de breadboard)
  • Multímetro
  • 2 resistores de 1k e resistores de 100 ohms, 10k, 100k e 1M (1 de cada)
  • Fios e jumpers

A) Introdução ao protoboard

A partir deste experimento usaremos o protoboard como uma alternativa para montar circuitos. O protoboard (também chamado de breadboard), é uma base de furos interligados usados para construir protótipos. Ele permite que componentes sejam inseridos e removidos de um circuito com facilidade. Podemos continuar a fazer circuitos simples com garras jacaré, mas à medida em que tivermos que realizar mais conexões isto ficará inviável. O protoboard é ideal para experimentar e testar diferentes configurações. Quando você terminar de testar o seu circuito, e ele estiver de acordo com o que você deseja, você poderá montá-lo em algum lugar definitivo.

O protoboard ilustrado abaixo possui 400 furos onde são inseridos terminais dos componentes e fios. Para construir circuitos com ele é preciso conhecer como estão interligados esses furos internamente. Na ilustração abaixo, os retângulos representam condutores que interligam os furos. Isto significa que se você inserir o terminal de um componente no furo a3, e o terminal de outro no furo e3, eles estarão conectados.

Nas laterais, as colunas marcadas + e consistem de duas conexões de 15 furos cada. Em protoboards de 60 linhas, é comum que as linhas laterais se estendam de uma ponta a outra, mas em alguns protoboards, há uma interrupção no meio (às vezes até mais de uma). Na dúvida, retire o adesivo no fundo (ou meça a continuidade com o multímetro) para saber como é a configuração do seu protoboard.

Veja mais detalhes sobre o protoboard incluído no kit, na referência no final desta apostila.

B) Medição de tensão

Monte o circuito representado pelo esquema abaixo. A ilustração à direita mostra uma maneira de montar o circuito usando o protoboard:

Para fazer as medições, escolha uma posição do voltímetro que seja superior à tensão da bateria ou fonte (no nosso caso, escolha a posição 20V).

Meça primeiro a tensão entre os terminais da bateria. Depois meça as tensões nos terminais de cada resistor. Anote os resultados. Como os dois resistores têm o mesmo valor nominal, a tensão sobre eles deve ser bem próxima.

Agora substitua um dos resistores por outro da lista abaixo, e veja como mudam as tensões em cada resistor e sobre a bateria.

Se os resistores forem diferentes, a tensão sobre eles será diferente. Compare os resultados.

Divisor de tensão

O experimento anterior foi uma demonstração prática do divisor de tensão, um circuito e conceito muito importante na eletrônica. É preciso saber calcular ou medir a queda de tensão sobre um componente para que você possa saber como controlar a corrente que passa por ele, através do cálculo de resistores.

Em vez de medir as tensões, você pode usar as fórmulas abaixo para calcular a queda de tensão em cada resistor acima. A queda de tensão em R1:

VAB = 9 x 3k / (7 + 3)k = 27/10 = 2,7 V

E a tensão em R2:

VBC = 9 x 7k / (7 + 3)k = 63/10 = 6,3 V

Vimos que as resistências em série se somam, portanto os dois circuitos abaixo são equivalentes:

Agora deve ser fácil entender que a tensão da bateria se divide igualmente em cada resistor.

Podemos usar a Lei de Ohm para calcular a corrente, que é a mesma nos dois circuitos. Para isto usamos como valor de tensão V o valor da queda de tensão sobre o componente. Por exemplo, para calcular o valor da corrente podemos usar um dos resistores:

I = VAB / R = 4,5 / 1000 = 0,0045 A = 4,5mA

Ou a soma deles. Tanto faz, já que a corrente é uma só:

I = VAC / R = 9 / (1000 + 1000) = 9 / 2000 = 4,5mA

Como exercício, calcule a corrente que flui no circuito mostrado no início desta seção (que tem resistores de 3k e 7k em série).

Medição de corrente

Medir corrente não é tão simples quanto medir tensão. A corrente é medida incluindo o multímetro em série com o trecho do circuito por onde flui a corrente a ser medida. É preciso abrir o circuito e fazer a corrente fluir por dentro do multímetro. É preciso ter cuidado pois a capacidade de corrente mesmo de uma bateria irá superar o limite máximo suportado pelo multímetro se o circuito não houver nenhuma carga ou se ela não oferecer resistência suficiente.

O multímetro distribuído no kit possui dois amperímetros (medidores de corrente). Um deles mede correntes até 200mA. O segundo mede correntes até 10 A. Para selecioná-los, não basta girar o seletor. É preciso plugar uma das pontas de prova em local diferente.

Sempre comece configurando o multímetro na posição de máxima corrente (10A), com a ponta de prova vermelha plugada no primeiro soquete (indicado 10 A). Apenas se o valor medido for inferior a 0,1 A, insira o cabo no segundo soquete (mA) com o seletor na posição 200mA, e gradualmente gire para valores menores até obter um valor que possa ser medido. Mesmo com essa precaução, motores e transformadores podem produzir pulsos curtíssimos de corrente muito intensos quando ligados e desligados, que podem queimar o fusível do multímetro.

Nesta introdução não faremos medição de corrente, embora ela seja uma medida importante para estimar o consumo de bateria de um circuito. Mas, conhecendo as tensões e resistências, podemos calcular a corrente que flui em um circuito.

Divisor de corrente

A corrente que entra em um circuito é sempre a mesma que sai, mas quando o caminho em um circuito se bifurca, a corrente se divide. A ilustração abaixo mostra um circuito com dois resistores em paralelo. A corrente que é medida pelo primeiro amperímetro será o dobro da que é medida pelo segundo, já que a corrente que passa pela bateria contém a soma das correntes que fluem por cada um dos resistores. A tensão em cada resistor é a mesma. Veja que os pontos A e C de cada resistor são o mesmo ponto.

A quantidade de corrente que passará em cada trecho depende de sua resistência. Se os resistores forem diferentes, correntes diferentes passarão por cada trecho, mas a corrente que passa na bateria, que é a soma das correntes que passam em cada resistor, será a mesma.

Outra forma de analisar o divisor de corrente é considerar o efeito causado por resistores em paralelo. Nos dois circuitos abaixo, a corrente que passa pela bateria de 9V é a mesma.

Potência máxima de um componente

Resistores, diodos e outros componentes têm uma indicação máxima de potência. Esse valor, quando atribuído a um componente, refere-se à sua capacidade de dissipar calor. É muito importante observar esse valor para não sobrecarregar os limites de dissipação de potência de um componente. A potencia é calculada multiplicando a queda de tensão e a corrente sobre um componente:

P = V x I

A potencia P é medida em Watts (W) em homenagem ao cientista escocês James Watt (1736-1819). 1 Watt é 1 Volt vezes 1 Ampere. Também se usa miliwatts para valores menores e quilowatts e megawatts para grandes valores de potencia.

Por exemplo, se uma bateria de 9V é ligada a um resistor de 10 ohms, sua corrente, pela Lei de Ohm é:

I = V / R = 9 / 10 = 0,9 A = 900 mA

E a potencia dissipada será:

P = 0,9 x 9 = 8,1W

O resistor usado deve ser capaz de suportar essa potência, caso contrário irá esquentar e queimar. Os resistores que temos no kit são quase todos de ¼ de Watt (0,25 W) e não seriam suficientes. Para este cenário, teríamos que usar um resistor de 10W.

Introdução 3 – Resistência elétrica

A condutividade elétrica de um material é uma medida da sua capacidade de conduzir corrente elétrica. O valor inverso da condutividade é a sua resistência, que mede quanto o material limita a passagem de corrente. A resistência elétrica é medida em ohms (Ω) em homenagem ao cientista alemão Georg Simon Ohm (1789-1854). Metais como cobre e prata, usados em fios e circuitos impressos, possuem uma resistência muito baixa (da ordem de bilionésimos de ohm).

Resistores

Resistores são componentes de dois terminais que possuem uma resistência nominal e definida. Podem ser usados para controlar o fluxo de corrente e para dividir tensão com precisão. Variam em tamanho, tipo de material usado na construção, precisão, e capacidade de dissipar calor (sua potência).

Resistores típicos que usamos em circuitos eletrônicos são de carbono, têm precisão de 95% (tolerância de 5%) e potência máxima de 0,25 watts ou menos. Geralmente têm corpo de cor bege e o mesmo tamanho. Também são comuns resistores de metal com precisão de 99% (tolerância de 1%). Geralmente eles têm corpo de cor azulada.

A tolerância significa que, se um resistor tem valor nominal de 1000Ω, ele pode na verdade ter entre 990 e 1010 Ω, se a tolerância for de 1%, ou 950 a 1050 se a tolerância for de 5%.

Resistores são expressos usando os prefixos padrão k (x 1000) e M (x 1000000). Portanto 1000Ω é o mesmo que 1k Ω e 1000000Ω é o mesmo que 1000kΩ ou 1MΩ. Em resistores comerciais é também comum representar valores fracionados com k ou M no lugar da vírgula, e omitir o símbolo de ohm. Por exemplo, 2M2 e 3k3 significam 2,2MΩ e 3,3kΩ. Também se usa R no lugar do símbolo Ω.

Em esquemas, resistores são representados pelos símbolos abaixo (tanto faz usar um ou outro):

A resistência dos resistores pode ser medida no multímetro, movendo o seletor para a seção “Ω”. O multímetro permite medir resistências desde alguns ohms até no máximo 2 mega ohms (2 milhões de ohms). As 5 posições do seletor são suficientes para medir com uma precisão razoável a maior parte dos resistores mais comuns. Este multímetro não tem precisão suficiente para medir valores de resistência muito pequenas.

Identificação de resistores

Resistores comerciais são identificados na sua embalagem por um código de cores. A maioria dos fabricantes utiliza um código de 4 faixas pintadas no corpo do resistor. Resistores de alta precisão usam um código de 5 faixas. Eles são semelhantes. No código de 4 faixas, as duas primeiras representam dígitos, e o terceiro representa um multiplicador. No código de 5 faixas (maior precisão), são três dígitos e um multiplicador. A ultima faixa representa a tolerância (margem de erro) do resistor.

Por exemplo, um resistor com quatro faixas nas cores Vermelho, Amarelo, Verde, Dourado é de 2,4MΩ. Vermelho e amarelo são os dígitos 2 e 4, respectivamente. Verde representa 5, mas aqui é um multiplicador, ou seja 105 = 100000. Pode-se também simplesmente adicionar cinco zeros. Logo, o valor do resistor é 2400000 ou 2,4M. Dourado é a tolerância, que de acordo com a tabela é de 5%, ou seja, o valor real do resistor é 2,4 +/- 120kΩ. A resistência deve estar entre 2,28MΩ e 2,52MΩ.

O diagrama abaixo ilustra o uso dos códigos de cores em resistores.  Na dúvida meça a resistência usando o multímetro.

(Fonte: Wikimedia)

Resistores SMD (Surface-Mounted Device) são resistores minúsculos de 2mm ou menos usados em circuitos modernos. Eles não são identificados por cores mas por três dígitos que representam os números do código. Por exemplo, um resistor com marcação 104 significa dígitos “1”, “0” e multiplicador “4” (+4 zeros), ou seja, 100kΩ.

Experimento 5 – Teste de condutividade e medição de resistência

Material necessário:

  • Multímetro
  • Resistores diversos
  • Condutores diversos: fios, jumpers, cabos com garras jacaré, um prego, linha de costura condutiva, fitas condutivas (cobre e tecido de prata), papel laminado, lápis grafite
  • Chaves diversas (reed, táctil de pressão, duas posições)
  • Fita condutiva
  • Linha de costura condutiva
  • Traço de grafite
  • Resistores diversos
  • Potenciômetros
  • LDRs
  • Termistor

Para usar a função ohmímetro do multímetro 830B, a ponta de prova preta deverá estar na posição COM, e a vermelha na posição VΩmA (mesma posição que usamos para medir tensão).

Gire o seletor do multímetro para uma das 5 posições da função ohmímetro (símbolo Ω).

Antes de iniciar, encoste uma ponta na outra. Esta é a resistência do fio, que é muito baixa, praticamente zero (muito menos do que o ohmímetro seria capaz de medir). Seria necessário 50 metros de fio de cobre com 1mm de diâmetro para chegar a 1Ω. Com as pontas encostadas o multímetro deve mostrar “000”, mas nas mais baixas pode aparecer um valor pequeno, que não é a resistência do fio mas um erro devido à baixa precisão do ohmímetro.

Quando as pontas estão separadas, o valor exibido é sempre “1___” que indica uma resistência maior do que aquela escala é capaz de medir. O ohmímetro mede resistência até 2000k (2MΩ).

A) Teste de condutividade

Para verificar se um material conduz eletricidade ou não, você pode fazer um circuito mínimo conectando uma bateria de 3V e um LED usando o material como caminho para fechar o circuito. É um teste rápido e pode ser feito segurando a bateria, o LED e o material com os dedos. Nas fotos abaixo acendemos um LED passando corrente por cartolina laminada, papel crepom metalizado e fita adesiva de cobre:

Outra forma de medir condutividade é usando o multímetro. Gire o seletor para a posição 200k da função “Ω”. Se as pontas de prova forem encostadas em duas posições de um material condutor, o visor deve mostrar o valor “000” (ou valor próximo). Se for um material isolante, aparecerá um número “1____” alinhado à esquerda, indicando a passagem de pouquíssima ou nenhuma corrente.

(Fonte: jbriant.eu)

  1. Experimente com um fio. Use o multímetro na posição 2000k coloque uma ponta de prova de cada lado do fio. O valor deve ser zero ou quase zero, indicando que o fio não oferece nenhuma ou pouquíssima resistência à corrente.
  2. Teste a condutividade de diversos materiais: sua roupa, sua pele, sua língua, um prego, linha de costura condutiva, fita de cobre, fita de prata, lápis grafite, uma linha desenhada em grafite numa folha de papel. Os metais geralmente conduzem melhor. A linha de costura incluída no kit é de aço inoxidável, e as fitas adesivas são condutivas.
  3. Teste as chaves que você usou no experimento anterior. Prenda, usando garras jacaré, as pontas de prova do multímetro aos terminais de uma chave táctil de pressão. O multímetro deve indicar que não há condutividade, mas quando você apertar o botão, o visor deve indicar que o circuito está conduzindo. Teste a chave de duas posições e descubra qual dos lados está inicialmente fechado, e qual está inicialmente aberto usando o multímetro. Quando você mover a alavanca da chave, as posições devem se inverter. Teste a chave magnética reed. Prenda com garras jacaré os dois terminais a pontas de prova do multímetro, que deve indicar um circuito aberto. Aproxime (com cuidado) um imã de neodímio do reed e veja que a chave se fecha, fazendo o circuito conduzir.

B) Medição de resistência 

Escolha 5 a 10 resistores e meça sua resistência encostando as pontas de prova nos terminais. Se ao medir a resistência o multímetro exibir um “1___” à esquerda, e a faixa selecionada não for 2000k, gire o seletor para uma faixa maior até que apareça um valor. Se ainda assim o “1___” for exibido, a resistor tem mais que 2MΩ. Tente identifica-lo pelo código de cores.

Se o valor for muito pequeno, quase zero (ex: 001, 002) melhore a precisão da leitura girando o seletor para uma faixa menor. Lembre-se que resistências muito pequenas não são medidas com precisão.

Compare os valores medidos com os valores impressos (através de código de cores) em cada resistor. O valor provavelmente não será exato. As variações se devem à imprecisão do ohmímetro (principalmente nos valores mais baixos), e à tolerância do resistor (principalmente nos valores mais altos).

Como vimos, não é possível medir valores baixos demais de resistência devido à baixa precisão do ohmímetro que temos no kit, mas o multímetro é suficiente para medir valores práticos (acima de 10 ohms) que podem afetar o funcionamento de um circuito. Use o multímetro para medir a resistência dos seguintes materiais:

  • 1 metro de linha condutiva (disponível no kit)
  • 1 metro de fita de cobre (disponível do kit – tente morder com o jacaré as duas extremidades, sem tirar da embalagem)
  • 0,5 metro de fita de tecido de prata (há duas disponíveis no kit)

Se tiver um lápis grafite, meça a resistência entre uma ponta e outra.

Você também pode medir a resistência de um desenho. Em uma folha de papel, desenhe uma linha grossa perto da borda da página com uns 5cm de comprimento e 0,5cm de largura. Morda as extremidades do desenho com garras jacaré, e conecte as outras pontas do jacaré nas pontas de prova. Ajuste o ohmímetro até aparecer a resistência. No desenho abaixo, temos 223kΩ de grafite.

Aumente a largura do desenho com o lápis grafite e a resistência deve diminuir, já que a corrente encontrará um caminho mais largo por onde passar. Se você usar um lápis grafite mais mole (ex: 6B ou 9B) poderá desenhar caminhos de poucas centenas de ohms, suficiente para acender um LED.

Meça a resistência de uma folha de cartolina laminada. Comece com uma distância pequena e aumente gradualmente deslizando a ponta de prova sobre a folha.

C) Resistores em série e paralelo

Você viu que a resistência de um caminho de grafite desenhado no papel com 1cm de largura tem aproximadamente metade da resistência de um caminho com apenas 0,5cm de largura. Isto é porque a corrente tem mais espaço por onde fluir. É análogo a um encanamento conectado em um sistema hidráulico de alta pressão. Se você adicionar mais canos, a resistência à pressão vai diminuir. Se os canos tiverem diâmetro maior, também. Por outro lado vimos vários materiais cuja resistência aumenta com o comprimento. Por exemplo, meio metro de linha condutiva tem metade da resistência de um metro de linha condutiva.

Usando resistores podemos representar valores de resistência com precisão, e obter valores diferentes de resistência conectando-os em série (somando suas resistências) ou em paralelo (dividindo a resistência proporcionalmente).

Escolha três resistores de mesmo valor (ex: 100Ω ou 1kΩ). Meça seus valores individualmente e depois e conecte-os como mostrado abaixo.

O valor deve ser aproximadamente o triplo. Tente outras combinações de resistores e veja que seus valores se somam.

Agora ponha os resistores em paralelo e veja que o valor de resistência resultante é sempre menor que o valor do menor resistor.

Você pode calcular esses valores. A fórmula para resistores em série é simplesmente a soma de suas resistências:

R = R1 + R2 + R3 + ...

Por exemplo, se R1 for 100Ω, R2 for 470Ω e R3 for 1kΩ, o valor de R será:

R = 100 + 470 + 1000 = 1,57kΩ

A resistência de resistores em paralelo é o seu valor médio. Se forem dois resistores iguais, a resistência será metade. Se forem três iguais, a resistência será 1/3. Se forem diferentes, use a fórmula:

1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ...

Se houver apenas dois resistores, você pode usar uma equação mais simples:

R = (R1 x R2) / (R1 + R2)

Por exemplo, o valor paralelo de 100Ω, 470Ω e 1kΩ será:

1/R = 1/100 + 1/470 + 1/1000 = 0,01 + 0,00213 + 0,001 = 0,01313

R = 76,16 Ω