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

Introdução 2 – Circuitos eletrônicos

Para usar eletricidade para realizar algo é preciso construir um circuito. Um circuito interliga os polos de uma fonte de potencial elétrico (tensão) permitindo o fluxo de corrente. Circuitos elétricos podem ser construídos de várias formas: interligando fios metálicos, usando uma placa de prototipagem, usando uma placa de circuito impresso, usando caminhos desenhados com tinta condutiva, alinhavados com linha de costura condutiva, até espremidos com massa condutiva.

Um circuito é representado graficamente através de um esquema. O esquema é um diagrama que ilustra de forma objetiva os caminhos por onde passa a corrente e os componentes que estão interligados. É como usar um mapa do metrô, que foca nas conexões e omite os detalhes desnecessários. Um mesmo esquema pode representar um circuito montado em uma placa ou costurado em uma roupa. Os componentes eletrônicos são representados por símbolos mais ou menos padronizados. Também é comum indicar do lado de cada símbolo valores ou outras informações necessárias.

Existem várias formas de desenhar esquemas. Os três diagramas abaixo representam esquemas idênticos para ligar uma lâmpada LED a uma fonte de 9 volts.

Observação: o símbolo , é o símbolo de terra, ou ground, às vezes abreviado GND. Em circuitos de alta tensão ele realmente indica um cabo ligado à terra, que funciona como referência zero de tensão. Mas esse símbolo também é usado em circuitos de baixa tensão para representar o terminal negativo (que deve ser conectado ao negativo da bateria, não à terra).

É muito importante aprender a ler esquemas eletrônicos. Para montar um circuito é preciso transcrever o esquema para o meio usado na montagem (uma base de protótipos, placa de circuito impresso, fios interligados, linha condutiva costurada em um tecido, etc.)

Condução de eletricidade

Para transmitir eletricidade para outras partes do circuito, precisamos construir um “encanamento” feito de condutores elétricos. Condutores são materiais capazes de conduzir corrente elétrica com um valor desprezível de resistência. Exemplos de condutores são fios, os cabos com garras jacaré, ou os terminais metálicos de um LED.

Igualmente importantes na construção de circuitos são os materiais isolantes. Eles impedem (ou dificultam muito) a passagem de corrente. O ar é um isolante, assim como vários materiais sólidos como plástico e borracha.

O fluxo da corrente é convencionalmente representado do positivo para o negativo da bateria. Ligar um condutor diretamente entre os dois polos da bateria provoca um curto-circuito, liberando um grande fluxo de corrente em pouco tempo (o máximo que a bateria pode fornecer), o que fará com que ela descarregue rapidamente, provavelmente esquente muito ou até mesmo exploda. Para fazer um circuito útil e consumir a bateria de uma forma sustentável, precisamos que o caminho entre o positivo e negativo ofereça alguma resistência à passagem de corrente. Por exemplo, um LED ou um motor já oferecem muito mais resistência que um fio, e limitam a corrente, convertendo parte dela em luz ou movimento, e permitindo a descarga lenta da bateria.

Os melhores condutores geralmente são metais como cobre, alumínio e prata. Em circuitos práticos é comum a preferência por fios de cobre e caminhos de cobre desenhados em placas de circuito impresso, soldados com prata ou estanho. Em circuitos artísticos, aproveitar a resistência natural dos materiais pode ser algo desejável. Podemos trocar os fios de cobre por linha de costura de aço inoxidável, fita adesiva de prata e cobre, tecidos condutivos, massa condutiva, papel laminado, cartolina laminada, tinta condutiva, cola condutiva, pó de ferro, líquido condutivo, e outros condutores que não são tão eficientes quanto os fios de cobre e prata, mas que também possibilitam a criação de circuitos eletrônicos.

As fotos abaixo ilustram linha de costura condutiva (aço inoxidável), fita de cobre condutiva, fita de tecido de prata condutiva e tecido condutivo.

Circuitos abertos e fechados

Por um circuito aberto não passa corrente. Se ele estiver ligado a uma fonte potencial de energia, o valor dela pode ser medido e irá se concentrar entre os dois pontos onde o circuito está aberto. O efeito é análogo a medição da pressão concentrada em uma torneira fechada.

Uma vez fechado o circuito, esse ponto terá potencial quase zero, pois a corrente irá fluir sem impedimentos (convencionalmente) do positivo ao negativo da fonte de tensão. É análogo à água que flui por um encanamento sem o impedimento da torneira fechada.

(O circuito acima é ilustrativo. Na prática, todo material tem alguma resistência, o que limita a corrente e garante uma queda de tensão mínima diferente de zero.)

Circuitos complexos consistem de vários caminhos por onde a corrente se bifurca e possuem trechos que são abertos e fechados temporariamente, mudando e desviando o fluxo de corrente e a distribuição de potencial pelo circuito durante sua operação. O simples evento de abrir e fechar rapidamente um circuito gera pulsos de corrente que servem para disparar eventos em outras partes do circuito. O controle de comportamentos desse tipo é o objetivo da eletrônica.

Chaves

Um circuito pode ser aberto temporariamente através de um interruptor. Um interruptor pode ser uma chave liga-desliga simples, mas pode ser também uma chave magnética (um reed, ou um relé), uma chave eletrônica (um transistor, uma porta lógica) ou qualquer tipo de mecanismo que interrompa o fluxo de corrente que atravessa um condutor (um zíper, um botão de roupa, um encaixe metálico, um fio passando através de uma porta que rompe quando alguém passa).

Interruptores comerciais típicos têm dois terminais que são ligados ao circuito. Podem ser interruptores de pressão, normalmente abertos, que fecham um circuito apenas quando apertados, ou interruptores que estacionam em uma das duas posições (ligado ou desligado). Os símbolos abaixo são usados para representar esses interruptores em circuitos:        

Chaves que possuem três terminais podem também ser usadas como interruptores se apenas dois dos seus terminais forem usados. Se os três terminais fizerem parte do circuito elas servem para desviar o fluxo da corrente. Essas chaves sempre têm duas posições inicialmente ligadas entre si. Quando mudam de posição a configuração se inverte: abrem um trecho do circuito, mas fecham outro.

Há também chaves de dois ou mais polos, que podem chavear vários circuitos independentes de uma só vez. Abaixo estão mostradas chaves do tipo alavanca e do tipo pressão.

As chaves acima são acionadas mecanicamente. Circuitos também podem ser chaveados eletricamente com um relé (a ilustração abaixo mostra um de dois polos e duas posições) ou magneticamente usando um reed (interruptor normalmente aberto de um polo e uma posição).

Chaveamento eletrônico é feito através de transistores que funciona como uma porta lógica, ligando ou desligando a partir de correntes e tensões aplicadas a um terminal de controle, e circuitos integrados (que internamente são compostos de centenas a bilhões de portas lógicas, abrindo e fechando centenas a bilhões de circuitos por segundo).

Experimento – Um circuito usando chaves

Usando fios, fitas, linhas, garras jacaré, chaves e alguns componentes eletrônicos, faremos a corrente de uma bateria fluir por diversos caminhos ligando e desligando esses componentes.

Lista de material:

  • Multímetro
  • Cabos com garras jacaré
  • Linha de costura condutiva
  • Chave táctil de pressão
  • Chave magnética reed
  • Chave de duas posições
  • Imã pequeno (ferrite ou neodímio)
  • Um LED de qualquer cor
  • Motor de 3V
  • Cigarra
  • Bateria de 3V
  • Pegador de roupa (para servir de suporte para a bateria).

Construa o circuito abaixo. Faça as conexões usando garras jacaré, pegadores de roupa e nós. Tenha cuidado para manter os fios suficiente afastados ou isolados para que não interfiram no circuito, principalmente a linha condutiva e as garras jacaré conectadas nas chaves, que ficam muito juntas. Verifique bem as conexões para evitar maus contatos.

Confira a polaridade do LED e da cigarra, pois eles não funcionam se ligados ao contrário. A perna maior do LED é seu anodo (A) e deve ser ligada ao positivo. A cigarra tem uma indicação na embalagem indicando qual dos terminais é positivo. Os outros componentes não têm polaridade e podem ser conectados em qualquer posição.

A linha condutiva não é um fio elétrico comum. Ela não é isolada e é preciso ter cuidado para que ela não toque em outras partes do circuito, pois pode causar um curto-circuito e descarregar a bateria. Você pode trocá-la por um jumper ou pedaço de fio se quiser. Ela serve para costurar caminhos condutivos em tecido. Você pode testar a condutividade dela com um LED:

À medida em que for conectando cada componente, risque a conexão no desenho do circuito acima para que fique mais fácil lembrar o que já foi feito. Tenha cuidado ao manusear o reed pois sua embalagem de vidro é muito frágil.

Às vezes é mais fácil montar o circuito usando um esquema, que foca no essencial que são as conexões. A ilustração abaixo é um esquema deste circuito. Tente prever o que vai acontecer quando as chaves mudarem de posição:

Aperte o botão e veja o que acontece. Depois mude as posições das chaves e aperte o botão novamente. Aproxime um imã do reed. Experimente com diferentes imãs. O de neodímio consegue fechar a chave a uma distância muito maior que o imã de ferrite

Experimente fazer alterações no circuito. Coloque um LED em série com o motor. O que acontece? Troque o interruptor de pressão por outra chave de 2 posições, para selecionar entre o circuito do motor ou o circuito da cigarra e LED.

Introdução 1 – Fontes de energia elétrica

Uma bateria é uma fonte química de potencial elétrico. Ela possui um valor nominal de potencial elétrico (indicado em volts) e permite o fluxo de uma quantidade máxima de corrente por unidade de tempo (sua capacidade geralmente é indicada em mAh – miliamperes por hora). Para limitar a corrente elétrica é preciso que o circuito atravesse componentes que forneçam resistência à corrente. Esses componentes diminuem o fluxo de corrente transformando-a em outro tipo de energia (ex: luz, movimento, calor). Potencial elétrico é tensão, fluxo de carga elétrica é corrente. Essas duas propriedades, mais a resistência ao fluxo de elétrons do material por onde flui a corrente, serão os valores mais importantes que precisamos aprender a observar, calcular e medir ao projetar circuitos eletrônicos.

Tensão

1 volt (indicado pelo símbolo V) é a unidade padrão de potencial elétrico, que também é chamado de tensão, ou voltagem. O nome é uma homenagem ao cientista italiano Alessandro Volta, o inventor da pilha elétrica. Baterias geram potencial elétrico (tensão) através de uma reação química.

Outra forma comum de gerar eletricidade envolve magnetismo. A eletricidade fornecida pela fonte de 9 volts distribuída no kit é obtida da rede elétrica que obtém sua energia de geradores que transformam energia mecânica em elétrica. A fonte retifica essa energia (converte energia alternada em contínua), e reduz a tensão de 120V para 9V, para que possa ser usada no lugar da bateria.

O funcionamento de uma bateria ou fonte de tensão contínua pode ser comparado (quanto ao seu potencial elétrico) ao potencial energético um tanque cheio de água. A pressão da água pode ser considerada análoga à tensão. Enquanto a saída da água estiver fechada, não haverá fluxo, mas a pressão (potencial energético) existe. Um encanamento com a torneira fechada, que não deixa fluir água, é análogo a um circuito aberto, por onde não flui corrente elétrica.

Pressão e tensão são medidas relativas, e devem ser medidas em relação a um valor de referência (pressão do ar, potencial da terra, potencial do polo negativo, etc). Em uma bateria, usamos convencionalmente como referência o polo negativo. A tensão é a diferença de potencial entre polos. Portanto, se medimos a tensão no polo negativo, o valor é zero, mas se medirmos a tensão no polo positivo (ou seja, entre o polo positivo e o negativo), o valor é o da capacidade da bateria. Esta analogia também pode ser representada pela caixa d’água acima.

Não existe uma bateria 100% eficiente. Qualquer bateria que permanecer armazenada por muito tempo sem uso, também irá descarregar, pois pequenas quantidades de corrente vazam entre os polos da bateria. Na analogia acima, representamos o vazamento interno por uma passagem estreita, por onde a água vaza lentamente.

Corrente

Corrente elétrica é a quantidade de elétrons que flui por um condutor a cada segundo. É a corrente que efetivamente faz o circuito funcionar. 1 ampere (indicada pelo símbolo A) é a unidade padrão de corrente elétrica. O nome é uma homenagem ao cientista francês Jean-Marie Ampère.

Pode-se usar a analogia do fluxo de água também para entender o fluxo de corrente elétrica. Não é uma analogia perfeita, mas ajuda a entender o mecanismo básico da corrente elétrica.

Considere a ilustração abaixo. Na hora que a passagem da caixa d´água é aberta, a água sai pelo cano “+” e passa por um caminho que retorna pelo cano “–“ (fazendo analogia aos polos da bateria.) Se nada impedir a passagem da água, a pressão cairá drasticamente, e em pouco tempo a caixa d’água estará vazia. Na realidade, o cano irá oferecer alguma resistência, já que é uma passagem estreita com atrito e veremos a pressão diminuir pressão lentamente ao longo do caminho. Mas vamos supor um cano ideal, quase sem atrito. Se medirmos a pressão entre dois pontos próximos do cano, teremos um valor tão baixo que será percebido pelo medidor como zero:

A vazão da água pode ser comparada à corrente em um circuito. Fazendo uma analogia com o desenho acima, isto seria um curto-circuito – onde o positivo da bateria é ligado diretamente no negativo. O curto-circuito é um fenômeno destrutivo: um valor máximo de corrente flui entre os polos, fazendo a tensão cair drasticamente e a bateria esquentar muito. Em pouco tempo toda a carga da bateria é esgotada (se ela não explodir ou se o fio não derreter e se romper antes).

Circuitos elétricos projetados para serem úteis buscam controlar o fluxo de corrente através de cargas resistivas. Uma carga pode ser uma lâmpada, um motor, ou qualquer dispositivo que consuma corrente transformando-a em algum outro tipo de energia (movimento, luz, calor). Uma carga pode também ser um circuito complexo, com vários caminhos por onde a corrente se divide.

Na analogia da caixa d’água, a corrente pode ser comparada à medida da quantidade de água que flui pelo cano em um determinado intervalo de tempo, considerando que os canos estão sempre cheios de água e que não haja vazamentos no encanamento. Essa medida será igual em qualquer ponto, mesmo que haja algum tipo de mecanismo retardando o fluxo da água. Se o fluxo diminuir de velocidade, ele diminuirá tanto no início, onde há mais pressão, quanto no final, onde há menos. Esse mecanismo é análogo a uma carga resistiva em um circuito elétrico. Esse tipo de carga terá, no ponto em que for ligada ao encanamento, uma pressão próxima à pressão da caixa d´água, mas no final, quando encontrar novamente o encanamento, uma pressão próxima de zero, pois nada mais impede a passagem da água até o polo negativo, apenas a resistência do próprio cano. Se medirmos a pressão no meio da carga, ela deve estar perto da metade da pressão fornecida.

Um circuito elétrico funciona de forma similar. Se apenas uma carga estiver conectada a uma bateria, a tensão medida (diferença de potencial) entre os terminais da carga será igual à tensão da bateria. Se a carga estiver dividida em duas partes iguais (ex: duas lâmpadas ligadas em série), e pudermos medir a tensão no meio dela, encontraremos aproximadamente metade da tensão nesse ponto. Por fim, a tensão medida entre o terminal que está ligado ao negativo e o polo negativo da bateria, deverá ser (praticamente) zero. Já a corrente será igual em todo o circuito.

Portanto, embora relacionadas, as propriedades tensão e corrente podem aumentar e diminuir de forma independente, já que dependem da resistência. Em circuitos alimentados por baterias com a mesma carga resistiva, mais tensão garante mais corrente, mas se a resistência diminuir, mesmo a tensão permanecendo constante, a corrente irá aumentar. A tensão será (normalmente) limitada pela capacidade de fornecimento da bateria. Já a corrente será geralmente limitada pela resistência da carga. Mesmo com uma tensão baixa você pode ter correntes muito altas, que podem destruir um circuito.

Vamos explorar essas propriedades com alguns experimentos.

Experimento 1 – Medição de tensão de uma bateria

O objetivo deste primeiro experimento é aprender a usar o multímetro e tentar medir o potencial elétrico (a tensão) de várias e diferentes fontes de energia elétrica: duas ou três baterias e uma fonte chaveada de 9V ligada na rede elétrica.

Material necessário:

  • Multímetro (na função voltímetro)
  • Baterias diversas
  • Fonte de 9V ou 12V com saída em plugue P4 macho
  • Plugue/tomada P4 fêmea
  • Fios/jumpers

Um multímetro é um medidor multi-função. Pode-se usar qualquer um. Um modelo muito barato que custa entre 15 e 40 reais é o 830B, vendido por diversos fabricantes. Ele possui um display numérico e um seletor de função dividido em várias partes, além de funções para medir tensão (voltímetro), corrente (amperímetro) e resistência (ohmímetro). Inclui também funções para testar continuidade e ganho de transistores.

Neste experimento usaremos apenas a função voltímetro, que mede tensão. O voltímetro possui uma resistência interna muito alta. Quando conectado a uma fonte de tensão, ele deixa passar uma quantidade mínima de corrente (apenas o suficiente para permitir a medição da tensão da fonte ou bateria). Na analogia da caixa d’água, é como se o voltímetro fizesse um pequeno furo na caixa, só para deixar passar uma pequena quantidade de água suficiente para medir a pressão.

Este experimento assume que o multímetro usado é um 830B. Nesse modelo, para medir tensão, o cabo preto deverá ser colocado na tomada preta (a de baixo, marcada COM), e o cabo vermelho na tomada vermelha do meio.

Gire o seletor para a seção de 5 posições marcada como “V=”, que serve para medir tensão contínua, que é o tipo de tensão produzida por baterias. (As duas posições marcadas “V~” servem para medir tensão alternada, como a produzida pela rede elétrica.)


(Fonte: jbriant.eu)

Cada posição do seletor é identificada pelo valor máximo que pode ser medido. A posição 2000 mV mede qualquer valor até 2V (2 mil milivolts é a mesma coisa que 2 volts). Se o valor for maior, o multímetro indicará no display um “1___” à esquerda do visor. Se o voltímetro estiver na posição 200V, medirá até 200 volts (de tensão contínua), mas não terá precisão suficiente para medir valores pequenos de tensão. Escolha a posição mais adequada girando o seletor dentro da faixa “V=”. O ideal é iniciar com um valor maior que a tensão a ser medida, e ir baixando até obter uma leitura que tenha uma precisão razoável.

Meça as tensões das baterias e fonte. Para medir, encoste as pontas de prova nos terminais das baterias.

Você pode tocar os terminais e segurar com a mão se necessário. Não existe risco de choque, já que as tensões e correntes usadas na fonte e baterias são muito baixas. (Mas não faça isto quando for medir tensões altas com o multímetro.)

O kit contém uma mini-bateria CR2032 de 3V, duas pilhas AAA de 1,5V e uma fonte de 9V, que deve ser ligada na tomada. Experimente medir a tensão das pilhas AAA separadamente, e também em série, posicionando duas delas enfileiradas (positivo com negativo).

Para medir a tensão da fonte, use um pino P4-fêmea (foto ao lado, à esquerda) que encaixa no pino P4-macho da fonte, e encoste as pontas de prova nos terminais do lado oposto.

Experimento 2 – Ligando LEDs, cigarras e motores com 1,5 e 3V

Neste segundo experimento usaremos uma mini bateria de 3V para acender vários LEDs, ligar um motor e uma cigarra.

Material necessário:

  • 1 bateria CR2032 de 3V
  • 1 pilha AAA de 1,5V
  • 1 motor de 3V
  • LEDs diversos
  • Cigarra de 5V

Escolha alguns LEDs e tente acendê-los na bateria CR2032 de 3V, segurando um terminal de cada lado da bateria. Se eles não acenderem em uma posição, inverta os terminais.

LEDs não são lâmpadas comuns. São componentes eletroluminescentes polarizados que emitem luz em um espectro que inclui infravermelho, luz visível e ultravioleta. São muito sensíveis e não podem receber grandes tensões diretamente. A maior parte dos LEDs são alimentados por tensões entre 1,8 e 3,5V, e baixas correntes (no máximo 0,02 A). Nenhum LED do kit acende com menos de 1,8V. Alguns requerem até 3V para começar a emitir qualquer luz.

Não tente ligar LEDs diretamente em baterias de 9V ou na tensão da fonte. Eles irão queimar rapidamente. Mas você pode alimentar LEDs por alguns minutos (ou mais, dependendo do LED) usando a mini bateria de 3V. LEDs possuem uma polaridade, portanto só irão acender se o terminal menor, o catodo (K), estiver ligado ao negativo da bateria, e o terminal maior, o anodo (A), ao positivo. Outra forma de identificar o catodo é procurar o lado que tem um chanfro na base circular do LED. Se o LED for transparente e você conseguir ver o interior dele, o catodo é o terminal que está ligado ao componente maior.

Ligar um LED ao contrário com 3V não irá queimá-los, mas ele não vai acender. LEDs queimam com tensões reversas maiores que 5V.

O motor indicado tem um valor nominal de operação de 3V, mas funciona com tensões entre 1 e 6V, portanto você vai conseguir fazê-lo girar ligando à bateria de 3V, ou até mesmo com a bateria de 1,5V. Não ligue o motor diretamente na bateria de 9V. Ele irá rodar mais rápido, mas não vai durar muito tempo. Diferente do LED, o motor funciona com qualquer polaridade. A única diferença é que ele gira na direção oposta se a polaridade for trocada.

A cigarra também tem uma polaridade. Ligue o terminal maior no positivo da bateria e o outro no negativo e você ouvirá um apito agudo. Ela também deve ter um “+” impresso na sua embalagem indicando o terminal positivo. A cigarra também deve funcionar com 1,5V.

Experimento 3

Material necessário:

  • 1 batata (ou banana ou limão)
  • 1 pedaço de cobre (ex: fio de cobre sólido) com 3 a 5 cm de comprimento
  • 1 pedaço de zinco (ex: prego galvanizado) com 3 a 5 cm de comprimento
  • Cabos com garras jacaré
  • Multímetro, na função Voltímetro
  • LED

A reação química entre os materiais zinco e cobre permite produzir, em condições ideais, baterias com até 1,1 volts de potencial elétrico. A bateria é produzida preenchendo o espaço entre os terminais de zinco e cobre com um ácido. Este ácido pode ser um purê de batatas, um suco de limão, ou mesmo uma batata, limão, kiwi, ou outra fruta ácida.

Para os terminais da bateria, use um pedaço de zinco (pode ser um prego ou parafuso de zinco galvanizado, desde que não plastificado), e um pedaço de cobre (pode ser um fio rígido grosso). Cada terminal deve ter aproximadamente 5cm. Insira na batata até onde for possível, mas sem permitir que os terminais toquem um no outro dentro da batata.

Depois, use o voltímetro para medir a tensão produzida (coloque na posição 2000 mV). O valor medido deve ser de pouco menos de 1 volt. Observe a polaridade. Se o valor medido for negativo, ela está invertida (o cabo vermelho indica a o positivo). A polaridade será importante para ligar o LED. O terminal positivo da batata é o catodo de cobre. O terminal negativo é o anodo de zinco.

Para acender um LED é necessário produzir pelo menos 2 a 3V (e uma corrente de pelo menos 5mA – 0,005 A). Como uma única batata fornece corrente insuficiente (2 mili amperes – 2mA – no máximo), será necessário obter mais baterias. Junte sua batata com a de seus colegas usando garras jacaré e ligando-as em série (cobre com zinco, zinco com cobre) e veja quantas batatas são necessárias para acender um LED. Mais batatas em série aumentam a tensão produzida, e também a capacidade de fornecer corrente.

Baterias de batata não são muito práticas, mas conseguem fornecer energia por um tempo razoável. Quando ela começar a perder carga, você pode limpar a oxidação dos terminais e reinseri-los. A bateria na verdade não é de batata, mas de zinco-cobre. O eletrólito pode ser outro, como por exemplo, suco de limão, laranja, banana, etc. A combinação zinco-cobre sempre produz em torno de 1V por bateria. A foto abaixo ilustra uma bateria similar feita com limão.

As baterias que usamos hoje contém eletrólitos secos de material ácido ou alcalino. As mais comuns fornecem entre 1,2 a 1,6V. Baterias de valores maiores (ex: 4,5V, 9V, 12V) são obtidas conectando várias células em série.

A relação abaixo descreve algumas das baterias mais comuns usadas atualmente:

  • Zinco-Carbono (ZnC) – baterias comuns com eletrólito ácido, que produzem 1,5V Baterias de 9V de ZnC contém 6 células de 1,5V.
  • Zinco-Óxido de Manganês (ZnMnO2) – baterias alcalinas modernas não-recarregáveis. Tem alta capacidade de fornecimento de corrente desde que descarreguem lentamente. Fornecem 1,5V.
  • Níquel-Cádmio (NiCd) – baterias recarregáveis com eletrólito alcalino, produzindo 1,25V.
  • Níquel-Hidreto metálico (NiMH) – baterias recarregáveis populares. Geralmente fornecem entre 1,25V por bateria.
  • Lítio-polímero (Lipo) e Lítio-íon (Li-ion) – mais eficientes – usadas em mini e microbaterias, baterias de celular, etc. Produzem 1,2V e geralmente são distribuídas em pacotes de 3, fornecendo 3,7V. Estas baterias tem alta capacidade de fornecimento de corrente. Um curto-circuito em uma delas pode causar incêndios e explosões.

A capacidade de fornecimento de corrente é medida em mAh (miliampere por hora) e varia dependendo da bateria e da velocidade da descarga. Sabendo-se o valor de mAh de uma bateria e o nível de consumo de corrente de um circuito, pode-se estimar o tempo que um circuito funcionará antes que a bateria não possa mais alimentá-lo. Isto é importante para avaliar o custo de um circuito.

A lista abaixo contém valores típicos de capacidade em mAh para baterias populares, considerando o uso da bateria em condições ideais para a sua estrutura química, e baixo consumo de corrente:

  • Bateria de 9V. Alcalina: 565, ZnC: 400, Li-ion: 1200, NiMH: 175-300, NiCd: 120, Li-po: 500
  • Pilhas botão de lítio: CR2032: 225. SR41: 25. SR44: 110
  • AAA. Alcalina: 1200, ZnC: 540, NiMH: 800-1000, NiZn: 500
  • AA. Alcalina: 2700, ZnC: 1100, Li-FeS2: 3000, NiMH: 1700-2700, NiCd: 600-1000, NiZn: 1500

Números maiores nem sempre significam baterias melhores. O comportamento de uma bateria varia bastante dependendo da sua composição química. Baterias de NiMH e lítio são muito mais eficientes em situações de consumo elevado. Já alcalinas e baterias de zinco-carbono perdem a carga rapidamente quando a demanda de corrente é alta (mas podem funcionar por muito tempo se a demanda for baixa.) Os valores nominais das baterias (informado na embalagem) também variam conforme o tipo. Alcalinas geralmente informam a tensão máxima fornecida, enquanto que baterias de lítio e recarregáveis informam uma tensão média, que é menor que a tensão medida quando a bateria está com carga máxima. Portanto, calcular o consumo usando mAh é mais preciso em circuitos que usam baterias recarregáveis ou de lítio.

Calculadoras e simuladores

O link abaixo pode ser usado para estimar a duração de uma bateria (funciona melhor para baterias de lítio):

https://www.digikey.com/en/resources/conversion-calculators/conversion-calculator-battery-life

A arte da eletrônica

ָA eletrônica é a arte e ciência de controlar a eletricidade usando eletricidade: um dos conhecimentos mais importantes da humanidade e que teve influência incontestável na cultura do século 20, sem a qual não existiria o rádio, a TV, as viagens espaciais, os computadores, a Internet.

O objetivo deste site é explorar a eletrônica como arte. O foco não é a eficiência, mas a investigação de aplicações criativas dos seus princípios (o que não exclui a importância de buscar também eficiência, baixo custo, segurança, etc.) Para isto precisaremos conhecer algumas leis, princípios, regras, saber fazer medições, estimativas, cálculos simples (mesmo que o objetivo seja posteriormente quebrar as regras.)

Os artigos irão abordar temas que são explorados na oficina presencial Introdução a Eletrônica para Artistas, mas não estão limitados a esses assuntos.