Esquemas Eletrônicos

No que diz respeito à sua capacidade de conduzir corrente elétrica iodos os materiais podem ser classificados como isolantes, semicondutores ou condutores. Isolantes como borracha e vidro não deixam facilmente passar uma corrente elétrica. Os condutores como o cobre e o-alumínio deixam passar uma corrente sem quase nenhuma oposição. Os semicondutores deixarão passar uma corrente elétrica, porém com alguma oposição. Um resistor é um exemplo de um componente semicondutor.

Toda vez que uma corrente flui através de um resistor ocorrem dois efeitos:

• Sempre há produção de calor.
• Sempre ocorre uma queda de tensão.

Existem três aplicações principais para resistores. Você deve sempre lembrar- se disto ao estudar circuitos eletrônicos.

• Os resistores são usados para limitar corrente.
• Os resistores são usados para introduzir uma queda de tensão.
• Os resistores são usados para gerar calor.

Quais São os Componentes de Dois Terminais em Circuitos Eletrônicos ?

Na Figura a cima a velocidade do motor de corrente contínua é controlada mudando a intensidade da corrente que passa através do mesmo. Quando a chave está na posição “Desliga” não há nenhum fluxo de corrente e o motor pára. Quando a chave é girada para a posição “ALTA VELOCIDADE”, não há resistência no circuito e a corrente máxima flui através do motor. Nestas condições, a velocidade do motor é máxima.

Quando a chave está ligada para a posição “BAIXA VELOCIDADE”, a corrente do motor deve fluir através do resistor R. O efeito do resistor é reduzir a corrente através do motor e isto reduz a velocidade do motor. O resistor R é usado para limitar o fluxo de corrente.

A Figura b mostra como um resistor pode ser usado como divisor de tensão.

Uma lâmpada de 3 volts deve ser ligada a uma fonte de 12 volts. Se você ligar a lâmpada diretamente à bateria ela irá queimar-se. Ligando-a em série com o resistor R, conforme indicado na ilustração, a lâmpada não irá queimar-se. A queda de tensão sobre o resistor é de 9 volts e os 3 volts restantes sofrem queda sobre a lâmpada. Observe que a soma das quedas de tensão deve ser igual à tensão aplicada que é de 12 volts neste caso. Isto é sempre certo.

A Figura a mostra como um resistor pode ser usado para gerar calor. O invólucro tracejado é uma estufa para cristal. Um cristal é um componente vibratório que produz uma freqüência alternada muito exata, porém somente se sua temperatura for mantida a um valor constante. Um cristal, um resistor e um sensor são alojados na estufa para cristal. A corrente através do resistor produz calor. O sensor determina quando a corrente do resistor precisa ser ligada ou desligada, de modo que a temperatura na estufa não seja nem alta nem baixa demais.

Uma boa maneira para iniciar o estudo de circuitos eletrônicos é conhecer seus componentes básicos. Neste capítulo, você irá estudar os componentes de dois terminais. Estes possuem apenas duas conexões elétricas para fluxo de sinais ou fluxo decorrente ou para ligação a unia fonte de tensão. Resistores, capacitores, indutores e diodos são exemplos de componentes de dois terminais usados extensivamente em circuitos eletrônicos.

A Figura mostra alguns símbolos esquemáticos para os componentes discutidos neste livro. Dois ou três símbolos diferentes podem ser usados para alguns dos componentes. Isto porque os símbolos usados em desenhos de eletrônica industrial são diferentes daqueles usados em eletrônica comercial. A Figura  mostra como símbolos diferentes podem ser usados para representar o mesmo componente. Você deve familiarizar-se com todos os símbolos. Porém neste livro iremos apenas usar os símbolos de eletrônica comercial. E possível que um componente de dois terminais tenha mais de duas conexões elétricas. Um exemplo disto é a válvula diodo com aquecimento direto. Esta válvula possui dois terminais para filamento e um terminal da placa, num total de três conexões externas. Porém, é ainda considerado um componente de dois terminais. O catodo (ou filamento) é considerado um terminal de entrada e a placa, o outro.

Ambos os circuitos são idênticos em função, porém usa-se um símbolo diferente para o resistor variável (R) indicado neste circuito é mais freqüentemente usado em diagramas eletrônicos industriais: (b) o símbolo para os resistores variáveis pode ser usado em diagramas esquemáticos em eletrônica industrial e é comumente usado em outros diagramas eletrônicos esquemáticos.

Até o ano de 1906, os meios para transmissão e recepção dos sinais de rádio eram muito rudimentares. O sinal transmitido era produzido por uma faísca elétrica no espaço entre dois eletrodos. A faísca produzia ondas eletromagnéticas numa ampla faixa de freqüências. Uma vez que todos os transmissores com abertura de fascamento transmitiam aproximadamente na mesma faixa de freqüência, não era possível sintonizar uma estação e excluir todas as outras. A estação com maior possibilidade de ser ouvida era aquela com maior abertura de faiscamento. Os sinais recebidos provocavam tensões muito fracas nas antenas de recepção e não existia nenhum meio para amplificar os sinais.

Hoje, a cada transmissor de rádio é atribuida uma freqüência ou uma faixa de freqüências e a lei é muito rigorosa sobre a observância destas freqüências.

Em 1906 De Forest introduziu uma invenção que ajudou a mudar completamente o processo de radiocomunicação. Ele chamou sua invenção de audion de grade, porém, hoje em dia, é conhecida mais comumente como trodo (abreviação de válvula triôdo).

A Figur abaixo mostra a construção básica do triodo, conforme inventado por De Forest. Você poderá notar que este triodo possui uma placa e um filamento, exatamente como o diodo que você já estudou anteriormente, porém uma grade adicional de arame foi inserida entre a placa e o filamento. Este arame é chamado de grade de controle. O filamento, a grade de controle e a placa são todos alojados num invólucro de vidro ou de metal. Conforme você já viu com o diodo, é necessário remover todo o ar de dentro do invólucro, para evitar a combinação química do filamento quente com o oxigênio. Se houver entrada de ar no invólucro, o filamento irá queimar-se muito rapidamente.

Os elétrons no triodo deslocam-se do filamento aquecido para a placa positiva, exatamente como num diodo. Porém, devem passar no seu caminho pelos arames da grade de controle.

Se você tornar a grade de controle altamente negativa, ela irá repelir os elétrons negativos de volta para o filamento (cargas iguais se repelem). Nenhum elétron irá atingir a placa nestas condições.

Se a tensão da grade de controle for zero, um grande número de elétrons irá atingir a placa. Desta forma, o número de elétrons que atinge a placa a qualquer momento depende da tensão da grade; o que é mais importante é o fato de que uma pequena alteração na tensão negativa da grade pode produzir uma alteração importante no número de elétrons que atingem a placa. E este fator importante que torna possível a amplificação.

O triodo possibilitou em receptores de rádio a sintonia de sinais fracos de estações situadas a uma grande distância.

Até 1948, o triodo e válvulas mais complexas já estavam desenvolvidos a um alto grau de refinamento. Além da radiocomunicação, as válvulas já foram usadas para equipamento militar (radar e sonar) e também para televisão. De fato, a primeira demonstração rudimentar de televisão foi realizada no final da década de 20.

Apesar de as válvulas serem amplamente responsáveis por avanços na radiocomunicação e outros equipamentos eletrônicos, elas possuem muitas desvantagens. Grande parte da energia usada para aquecer o filamento é perdida. Ademais, a grande quantidade de calor gerada pelos sistemas que utilizam um grande número de válvulas é indesejável. Os filamentos das álvu1as queimam-se periodicamente e isto significa maiores custos de manutenção.

Em 1948, foi anunciado para o mundo o advento do transistor. Como a válvula, o transistor amplifica sinais fracos. Porém, a semelhança termina aqui. Os transistores não possuem filamentos, de modo que operam de forma mais eficiente, com menor desprendimento de calor e menores custos de manutenção.

Grande parte de seu estudo de eletrônica irá tratar da operação de válvulas e transistores em circuitos, com maior ênfase sobre os circuitos com transistores.

Resumo

1. A possibilidade de transmitir e receber ondas de rádio foi predita por Maxwell, e Hertz realizou isto alguns anos depois, em 1887.
2. Marconi foi o primeiro a usar ondas de rádio para enviar sinais em código Morse.
3. A comunicação a longa distância é possível porque as ondas de rádio são refletidas de volta para a Terra, pela camada Kennelly-Heaviside, que é também conhecida como ionosfera.
4. Originalmente, a radiocomunicação usava transmissores com abertura de faiscamento.
5. Fleming usou pela primeira vez em 1904 o diodo como detector. Isto simplificou o projeto dos receptores.
6. DeForest introduziu uma grade de controle entre o filamento e a placa de um diodo. Uma pequena alteração na tensão negativa da grade de controle provoca uma
7. alteração importante no número de elétrons que atingem a placa.
8. DeForest chamou sua invenção de audion; porém, mais tarde, ficou mais bem conhecido como triodo.
9. Os transistores, como os triodos, podem amplificar sinais. Uma vez que os transistores não possuem filamentos, são mais confiáveis que as válvulas e não geram calor indesejável.

Se pudermos conseguir movimentar uma grande quantidade de elétrons, através de um fio condutor, teremos uma corrente elétrica. O elétron é tão pequeno que são precisos 6.240.000.000.000,000.000 elétrons passando por um ponto de um fio condutor a cada segundo para produzir uma corrente de 1 ampère (A). Este número é, às vezes, escrito como 6,24 x lO’, o que significa 6,24 com o ponto decimal deslocado 18 casas para a direita. Os elétrons são tão pequenos que são precisos mil milhões de milhões de milhões de milhões, para formar 1 grama (g).

Agora, seria uma boa idéia rever o significado de alguns termos básicos usados em eletricidade e eletrônica. A Figura 1-3 ilustra uma comparação entre o sistema de circulação de água num automóvel e um circuito elétrico simples. Este tipo de comparação entre dois sistemas é chamado analogia.

No sistema de circulação de água da Figura l-3a, a bomba de água é usada para forçar a água através do radiador e do motor. A água absorve calor do motor e leva este calor para o radiador onde é dissipado.
O fluxo de água é dificultado pelo atrito no radiador e em outras partes do sistema.

Existem três características muito importantes do sistema de circulação de água.

A pressão para a circulação da água é fornecida pela bomba. O fluxo no sistema consiste de alguns litros por minuto de fluido. A oposição é representada pelo atrito do radiador, assim como pelo do sistema.

O sistema elétrico da Figura l-3b pode ser comparado com o sistema de água. No sistema elétrico, a pressão elétrica é fornecida pela bateria. Você poderia usar um gerador em vez de uma bateria. Em qualquer caso, é conveniente imaginar a fonte de tensão como sendo a pressão elétrica que força a corrente através do circuito.

A corrente elétrica consiste de um fluxo de elétrons. A oposição ao fluxo de corrente é devida à resistência do circuito. Isto inclui a resistência dos fios e conectores, assim como da lâmpada. Geralmente, você pode ignorar a resistência dos fios e conectores porque a mesma é muito pequena.

A relação entre a tensão [medida em volts (V)], a corrente [medida em ampère (A)] e a resistência [medida em ohms (Ω)] é expressa pela lei de Ohm:

Correntes em apères =  tensão em volts
resistência em ohms

ou usando símbolos                   I = E
R

onde,

I = corrente, em ampères

E = tensão, em volts

R = resistência, em ohms

Comparação entre o sistema de circulação de água e o sistema elétrico: (a) sistema de arrefecimento de água num automósel. A setas indicam o caminho da corrente de água; (b) circuito elétrico básico. As se(as indicam o caminho da corrente de elétrons.

No período de 1865 a 1873, James Clerk Maxwell realizou muitas pesquisas sobre a teoria das ondas eletromagnéticas. Ele previu que seria possível transmitir estas ondas, que chamamos ondas de rádio, de um ponto para outro. Porém, foi somente no ano de 1887 que Heinrich Hertz pôde realmente transmitir uma onda de rádio sobre uma distância curta. Hertz usou uma faísca elétrica formada no espaço entre dois eletrodos para produzir as ondas de rádio.

Em 1896 Marconi operou, pela primeira vez, seu sistema de telegrafia sem fio, enviando uma mensagem em código Morse a uma distância de 30 metros. Isto foi o primeiro uso prático das ondas de rádio para comunicação. Apesar do sucesso das primeiras experiências da telegrafia sem fio, houve muitos críticos que insistiam que a comunicação a longa distância não era possível. Os críticos raciocinavam que as ondas de rádio escapariam no espaço, em vez de seguir a curvatura da Terra. Pensavam também que as ondas de rádio teriam as mesmas características que as ondas luminosas. Sabiam que, por causa da curvatura da Terra, não é possível ver a uma distância superior a 50-60 km.

Hoje em dia, sabemos que a comunicação a longa distância é possível. O que os criticos não sabiam é que existe uma camada de íons em volta da Terra, acima da atmosfera terrestre. Esta camada de íons é conhecida como a camada KennellyHeaviside e é também chamada ionosfera. Sinais de rádio de freqüência relativamente baixa são refletidos de volta para a Terra por esta camada ionizada.

A Figura  mostra como a comunicação a longa distância é possível. O sinal de rádio vai diretamente ao longo da superfície terrestre, até um receptor no ponto A. Este sinal de rádio é chamado onda terrestre. Além do ponto A, que é a distância máxima da linha do horizonte, a onda desloca-se no espaço.

O transmissor não emite apenas uma única onda de rádio bem definida. Ao invés, ondas de rádio afastam-se da antena transmissora de maneira muito semelhante a ondas de luz emitidas por uma lâmpada elétrica. A Figura a cima mostra como parte do sinal é refletida pela camada Kennellv-Heasiside e bate na antena receptora no ponto B. Este ponto está bem além da distância da linha do horizonte do transmissor.

As reflexões da ionosfera tornam possível a recepção dos sinais de rádio a grandes distâncias do transmissor. A primeira transmissão transatlântica em código Morse foi realizada no ano de 1901. Porém, foi somente em 1904 que Fleming usou o diodo como detector de sinais de rádio. Num outro capítulo, iremos discutir a operação dos detectores dos sinais de rádio e você irá estudar como funciona o detector a diodo.

Quando fazia experiências com sua lâmpada elétrica, Thomas Edison ficou preocupado com depósitos escuros nas paredes internas do vidro da lâmpada. Num esforço para descobrir a natureza destes depósitos escuros, Edison realizou uma experiência que está ilustrada na Figura a. A Figura a ilustra a experiência e a Figura b mostra os mesmos componentes representados em forma esquemática. Seria impossível desenhar todos os complexos sistemas eletrônicos com os quais estamos trabalhando usando desenhos em perspectiva, de modo que os componentes são geralmente representados pelos tipos de símbolos esquemáticos usados na Figura b. E muito importante você memorizar os símbolos esquemáticos, de modo a poder “ler” o diagrama esquemático dos sistemas eletrônicos.

Para sua experiência, Edison ligou uma bateria ao filamento. A corrente elétrica fluindo através do filamento causou o aquecimento do mesmo, levando-o à incandescência, isto é, o filamento começou a irradiar luz. Edison colocou, então, uma placa metálica dentro da ampola de vidro, esperando obter parte do depósito indesejável na placa. Por alguma razão, Edison ligou um microamperímetro entre a placa e um dos conectores do filamento. Para sua grande surpresa, o microamperímetro mostrou a existência de uma corrente de elétrons. Isto era contrário a todos os princípios básicos de eletricidade que Edison conhecia.

Edison sabia, por exemplo, que, para a corrente elétrica fluir, esta poderia deixar.

a fonte de tensão e sempre voltar à mesma. Porém, no circuito simples da Figura 1-5 não parecia haver uma fonte de tensão para movimentar a corrente através do microaperímetro. Ademais, a placa era colocada no vácuo de modo que parecia haver um circuito aberto. Em outras palavras, parecia não haver um caminho completo para fluxo de corrente.

As setas cheias na Figura a mostram o caminho de fluxo da corrente elétrica, partindo do terminal negativo da bateria e voltando para o terminal positivo da mesma. Esta corrente, como você sabe, envolve o fluxo de um grande número de elétrons. Porém, lembre-se de que a corrente irá somente fluir se o circuito for completo, isto é, com a condição de que haja um caminho condutor partindo da fonte de tensão e voltando para a mesma. Isto era o princípio básico conhecido de Edison, porém o instrumento mostrava nitidamente a existência de fluxo de corrente, conforme indicado pelas setas tracejadas.

Edison não levou adiante esta experiência, porém tomou nota dela. Como resulta do disto, este fluxo de elétrons e os resultados de sua experiência são conhecidos como o efeito Edison.

Na época de Edison, a idéia dos elétrons e do fluxo de elétrons não tinha ainda sido levantada. Hoje, sabemos que, quando o filamento torna-se incandescente, ele libera um grande número de elétrons de sua superfície. Você se lembra de que os elétrons movimentam-se ao redor do núcleo do átomo a alta velocidade. Quando o átomo é aquecido, a velocidade aumenta e eventualmente um elétron pode adquirir energia suficiente para escapar do átomo. Estes elétrons na superfície do filamento simplesmente voam para o espaço e alguns batem na placa localizada perto do filamento.

Quando um elétron escapa de um átomo do filamento, o átomo tem um elétron a menos. Você deve lembrar que, num átomo normal, o número de elétrons em órbitas é igual ao número de prótons no núcleo. Se um elétron escapar de um átomo, o átomo tem um elétron a menos. Diz-se, então, que o átomo tem carga positiva. Pelo fato de muitos elétrons escaparem do filamento aquecido, o filamento adquire carga positiva. Os elétrons que batem na placa voltam para o filamento carregados positivamente, através do microamperímetro. Isto explica por que o microamperímetro indica o fluxo da corrente de elétrons.

Visto que Edison não levou adiante sua experiência e não tentou usá-la para qual quer finalidade, este princípio não foi usado durante algum tempo. Muitos anos de pois, um homem chamado J. A. Fleming, da Inglaterra, inventou um dispositivo semelhante e usou-o num certo número de circuitos simples. Fleming chamou este componente de válvula (também chamado diodo a vácuo) porque permitia o fluxo da eletricidade apenas numa direção. A Figura abaixo mostra claramente isto.

Na Figura a foi acrescentada uma bateria ao circuito de Edison entre a placa e o filamento. O terminal positivo da bateria atrai os elétrons negativos dentro do diodo (cargas opostas se atraem). Isto provoca um fluxo maior de corrente do que na experiência original ilustrada na Figura .

A figura abaixo mostra ação de um diodo como válvula de controle: (a) com uma tensão positiva ligada à placa, ocorre fluxo de corrente de elétrons; (a) não ocorre fluxo de corrente quando uma tensão negativa for ligada à placa.

Você pode ver a direção de fluxo da corrente de elétrons pelas setas na ilustração. Quando o diodo é ligado no circuito de tal forma que sua placa é positiva, com relação ao filamento, diz-se que o diodo tempolarização direta. Se você inverter a bateria, conforme indicado na Figura 1-6b, de modo que o terminal negativo esteja ligado à placa, a corrente não flui. A tensão negativa na placa repele os elétrons negativos (cargas iguais se repelem). Os elétrons continuam ainda a ser emitidos pelo filamento e existem dentro do tubo na forma de

uma nuvem de elétrons. Esta nuvem de elétrons é chamada de carga espacial. Quando o diodo for ligado dentro do circuito, de tal forma que sua placa seja negativa, com relação a seu filamento, diz-se que tem polarização reversa.

Fleming comparou a operação de um diodo com a operação de uma válvula que permite o fluxo da corrente ou de um fluido apenas numa direção. A corrente elétrica pode fluir através da placa para a bateria quando a placa é positiva, porém ela não circula quando a placa é negativa. Como você poderá ver mais adiante, isto é um princípio muito importante e é utilizado em muitos circuitos eletrônicos.

Nos Estados Unidos, o dispositivo é chamado válvula diodo um termo que significa que possui dois eletrodos, uma placa e um filamento suspensos em vácuo. O filamento é, muitas vezes, chamado catodo e a placa, anodo. O vácuo é necessário para impedir a combinação química do filamento com oxigênio, o que causaria a queima do filamento.

O diodo foi, de fato, o primeiro componente eletrônico porque não apenas proporciona o caminho para o fluxo de elétrons como também proporciona algum controle dos elétrons. Neste caso, controla a direção na qual é permitido o fluxo dos elétrons.

Resumo

1. Quando um filamento é aquecido até a incandescência isto é, quando é tão quente que começa a emitir luz emite elétrons. O filamento aquecido deve ser
2. colocado em vácuo para não se queimar.
3. Se você colocar uma placa metálica no vácuo, perto do filamento aquecido, parte dos elétrons emitidos irá bater na placa.
4. Quando um elétron deixa o filamento, este adquire uma pequena carga positiva. Em outras palavras, o filamento está com falta de um elétron. Os elétrons negativos que atingem a placa irão voltar através do circuito externo até o filamento positivo para anular esta carga positiva.
5. Um instrumento de medição ligado entre a placa e o filamento aquecido irá indicar um fluxo de corrente.
6. Se uma bateria for ligada de modo a tornar a placa positiva com relação ao filamento, haverá maior fluxo de corrente entre a placa e o filamento.

7. Se uma bateria for ligada, de modo a tornar a placa negativa, com relação ao filamento, não haverá fluxo de corrente entre a placa e o filamento.

8. Um diodo a vácuo é constituído de uma placa e de um filamento isolados um do outro e fechados dentro de um invólucro no interior do qual foi retirado todo o ar. A placa é chamada anodo e filamento é chamado catodo.

O fato de os elétrons fluírem através de um sistema não significa necessariamente que se trata de um sistema eletrônico. Podemos fazer os elétrons fluírem através de um fio condutor feito de cobre ou de alumínio, porém não consideramos o fio condutor como sendo um dispositivo eletrônico. Da mesma forma, motores e geradores operam com fluxo de elétrons, porém não são considerados como dispositivos eletrônicos. Um dispositivo eletrônico não apenas permite um movimento de elétrons através de si, como também é capaz de controlar este movimento. Para definir um componente eletrônico, podemos dizer que é um dispositivo capaz de controlar o número de elétrons que passam através deste dispositivo durante um determinado intervalo de tempo. Exemplos de componentes eletrônicos: válvulas a vácuo, transistores FET (transistores com efeito de campo) e tubos de raios catódicos (como o tubo de imagem de um aparelho de televisão).

• Todos os materiais no mundo são formados por combinações de elementos básicos.
  
• A menor parcela de material que ainda conserva todas as propriedades do material é chamada molécula.
• As moléculas são formadas pela combinação de átomos dos 92 elementos.
• Os átomos são formados de pequenas partículas chamadas prótons, nêutrons e elétrons.
• A eletrônica é a arte de pôr elétrons para trabalhar.
• O elétron é tão minúsculo que é necessário um número enorme de elétrons para produzir um fluxo mensurável da corrente de elétrons.
• A corrente elétrica pode ser considerada como um fluxo de elétrons, e uma fonte de tensão (como, por exemplo, uma bateria ou um gerador) pode ser considerada como fonte de pressão para forçar a corrente a fluir através de um circuito.