Folhas luminosas de fibras ópticas superam deficiência dos LEDs

Pontos de luz

Os LEDs têm inúmeras vantagens: eles são miniaturizáveis, consomem pouca energia, são inteiramente de estado sólido e emitem luz nos mais diversos comprimentos de onda, incluindo as cores visíveis, o infravermelho e muito mais.

Sua única desvantagem parece ser a mais óbvia: eles são pontos de luz. Para fazer telas e monitores mais brilhantes e com resolução cada vez maior, o que menos se pode querer são interrupções na luz emitida.

E pontos de luz discretos sempre deixam rastros gerados pelos intervalos entre os diversos pontos, levando a uma queda na eficiência e na qualidade dos produtos finais.

Película de fibra óptica

Assim, como distribuir a luz gerada pelos LEDs ao longo de uma superfície bidimensional, grande o suficiente para atender à fome por polegadas adicionais das TVs mais modernas, e sem perdas?

A solução pode estar em uma película de fibra óptica, capaz de distribuir a luz bidimensionalmente de forma perfeita para todos os efeitos práticos.

Os primeiros protótipos, com resultados promissores, estão sendo fabricados e testados por engenheiros do Instituto Fraunhofer, na Alemanha.

A película, ou filme, possui estruturas superficiais com dimensões na faixa dos micrômetros, e os engenheiros já conseguiram fabricá-las com até dois metros de comprimento por um metro de largura.

“É um processo ultrapreciso,” conta o Dr. Christian Wenzel, coordenador da equipe que está desenvolvendo o equipamento necessário para fabricar os filmes emissores de luz.

Iluminação plana

Partindo de um substrato flexível, ferramentas especiais de diamante são utilizadas para aplicar as minúsculas estruturas micrométricas e criar uma estampa que brilha por igual em toda a superfície.

O processo funciona de forma parecida com uma impressora matricial, que gera as letras pressionando pequenas agulhas sobre uma fita, passando a tinta da fita para o papel. As minúsculas agulhas, neste caso, aplicam as estruturas de fios de níquel, tão finas quanto um fio de teia de aranha, sobre o substrato.

O equipamento já é capaz de produzir folhas luminosas para backlighting de grandes telas e monitores, bem como para diversas outras aplicações, como a iluminação de interiores de residências ou de automóveis.

O próximo passo da pesquisa é aprimorar as máquinas necessárias para a fabricação das folhas luminosas. Hoje, uma folha de 2 x 1 metro leva alguns dias para ficar pronta.

No primeiro plano, a folha de fibras ópticas, composta por minúsculas estruturas feitas com fios de níquel. Ao fundo, à esquerda, a folha “acesa”.[Imagem: Fraunhofer]

Eletrônica básica – parte 2

Diodo

O diodo é um componente classificado como semicondutor. Ele é feito dos mesmos materiais que formam os transistores e chips. Este material é baseado no silício. Ao silício são adicionadas substâncias chamadas genericamente de dopagem ou impurezas. Temos assim trechos tipo N e tipo P. A diferença entre os dois tipos está na forma como os elétrons são conduzidos. Sem entrar em detalhes sobre microeletrônica, o importante aqui é saber que quando temos uma junção PN, a corrente elétrica trafega com facilidade do treho P para o trecho N, mas não consegue trafegar no sentido inverso. O diodo possui seus dois terminais ligados às partes de uma junção PN. A parte ligada ao P é chamada de anodo, e a parte ligada ao N é chamada de catodo. A corrente elétrica trafega livremente no sentido do anodo para o catodo, mas não pode trafegar no sentido inverso.

Por causa desta característica, os diodos são usados, entre outras aplicações, como retificadores. Eles atuam no processo de transformação de corrente alternada em corrente contínua.

LED

O LED é um tipo especial de diodo que tem a capacidade de emitir luz quando é atravessado por uma corrente elétrica. Como todo diodo, o LED (Light Emitting Diode) permite a passagem de corrente (quando acende) no sentido direto, do anodo para o catodo. No sentido inverso, a corrente não o atravessa, e a luz não é emitida.

Existem LEDs que emitem luz vermelha, verde, amarela e azul. Existem LEDs que emitem luz infravermelha, usados em sistemas de alarmes. Existem ainda os que emitem luz vermelha ou verde, dependendo do sentido da corrente. São na verdade dois LEDs, um vermelho e um verde, ambos montados sobre a mesma base, e ligados em paralelo, um no sentido direto e outro no inverso. Este tipo de LED é usado, por exemplo, em gravadores de CD-ROM. Quando estão lendo, emitem luz verde ou amarela. Quando estão gravando, emitem luz vermelha.

Display numérico

A luz emitida por um LED parte de um pequeno ponto luminoso, onde está a junção PN. Graças ao um difusor ótico, que é uma semi-esfera, temos a sensação de que a luz sai de todo o LED, e não apenas da junção PN. Podemos ter difusores de vários formatos, inclusive retangulares. O display digital com LEDs é um conjunto com 7 LEDs, cada um deles com um difusor retangular. Muitas vezes existe um oitavo LED que indica o ponto decimal. Cada um dos segmentos do display pode ser aceso ou apagado individualmente, e dependendo da combinação, diferentes números são formados.

Uma das características do display digital formado por LEDs é sua alta luminosidade. Em aplicações em que são usadas pilhas ou baterias, este tipo de display tem um problema: o consumo de corrente é relativamente elevado para a bateria. Mais eficiente é o display de cristal líquido, que não é luminoso, mas seu consumo de corrente é muito menor. As calculadoras e relógios digitais dos anos 70 usavam displays com LEDs. As pilhas das calculadoras ficavam logo gastas. Os relógios ficavam apagados, e era preciso pressionar um botão lateral para acender o display e ver as horas. Já nos anos 80, os displays de cristal líquido passaram a ser mais comuns em calculadoras, relógios e em outros aparelhos alimentados por baterias.

Transistor

Este é sem dúvida o mais importante componente eletrônico já criado. Ele deu origem aos chips que temos hoje nos computadores. Um processador, por exemplo, tem no seu interior, vários milhões de microscópicos transistores. Inventado nos laboratórios Bell nos anos 40, o transistor é um substituto das velhas válvulas eletrônicas, com grandes vantagens: tamanho minúsculo e pequeno consumo de energia. A figura 24 mostra alguns transistores e seu símbolo eletrônico. Note que existem vários tipos de transistores. Quanto ao sentido da corrente elétrica, os transistores são classificados como NPN e PNP, ambos mostrados na figura 24.

Os transistores realizam inúmeras funções, sendo que as mais importantes são como amplificadores de tensão e amplificadores de corrente. Por exemplo, o sinal elétrico gerado por um microfone é tão fraco que não tem condições de gerar som quando é aplicado a um alto falante. Usamos então um transistor para elevar a tensão do sinal sonoro, de alguns milésimos de volts até alguns volts. Seria tensão suficiente para alimentar um alto falante, mas ainda sem condições de fornecer a potência adequada (a tensão está correta mas a corrente é baixa). Usamos então um segundo transistor atuando como amplificador de corrente. Teremos então a tensão igual à gerada pelo primeiro transistor, mas com maior capacidade de fornecer corrente.

Os aumentos de tensão e de corrente são no fundo, aumentos de energia. Esta energia não é gerada a partir do nada. O transistor retira a energia necessária a partir de uma bateria ou fonte de alimentação. A figura 25 mostra o diagrama do circuito simples, com dois transistores, para amplificar o sinal gerado por um microfone para que seja aplicado em um alto falante. Note que os transistores não trabalham sozinhos. Eles precisam ser acompanhados de resistores, capacitores, e dependendo do circuito, outros componentes, para realizar suas funções.

Amplificador transistorizado.

MIC = Microfone
AF1 = Alto falante
VCC = Terminal positivo da bateria que alimenta o circuito
GND = Terra, ou terminal negativo da bateria.

Existem transitores de baixa, média e alta potência. Quanto maior é a potência, maior é o seu tamanho. Os transistores de alta potência em geral precisam ser montados sobre dissipadores de calor (coolers). Existem transitores especializados em operar com freqüências de áudio e outros especializados em altas freqüências, usados em circuitos de rádio e TV. Existem transistores especializados em chaveamento, indicados para operar em circuitos digitais. Existem fototransistores, que amplificam o sinal gerado pelo seu sensor ótico. Enfim, existem milhares de tipos de transistores, para as mais variadas aplicações.

Regulador de voltagem

Todos os circuitos eletrônicos necessitam, para que funcionem corretamente, do fornecimento de corrente vinda de uma bateria ou fonte de alimentação com valor constante. Por exemplo, se um circuito foi projetado para funcionar com 5 volts, talvez possa funcionar com tensões um pouco maiores ou um pouco menores, como 5,5 V ou 4,5 V, mas provavelmente não funcionará corretamente com valores muito mais altos ou muito mais baixos, como 6 V ou 4 V. Uma fonte de alimentação precisa portanto gerar uma tensão constante, independente de flutuações na rede elétrica e independente da quantidade de corrente que os circuitos exigem. Por isso todas as fontes de boa qualidade utilizam circuitos reguladores de voltagem.

É possível criar um regulador de voltagem utilizando alguns transistores, resitores e um componente especial chamado diodo Zener, capaz de gerar uma tensão fixa de referência a ser “imitada” pela fonte. Os fabricantes construíram esses circuitos de forma integrada, semelhante a um chip, usando uma única base de silício. Os reguladores mais simples têm um encapsulamento parecido com o de um transistor de potência, com três terminais. Um dos terminais é o terra, que deve ser ligado ao terminal negativo da fonte. O outro terminal é a entrada, onde deve ser aplicada a tensão bruta, não regulada. O terceiro terminal é a saída, por onde é fornecida a tensão regulada. A tensão de entrada deve ser superior à tensão que vai ser gerada. O regulador “corta” uma parte desta tensão de modo a manter na saída uma tensão fixa. Por exemplo, para alimentar um regulador de +5 Volts, podemos aplicar na entrada uma tensão não regulada de +8 Volts, podendo variar entre +6 e +10. A saída fornecerá +5 V, e o restante será desprezado.

Muitos reguladores produzem tensões fixas, mas existem modelos que podem ser ligados a uma tensão de referência que pode ser programada. Nas placas de CPU existe um circuito responsável por gerar as tensões exigidas pelo processador. A maioria dos processadores modernos requer uma fonte de +3,3 V para operações externas, e uma fonte de valor menor para as operações internas. Dependendo do processador, esta tensão pode ser de +1,3 V, +1,6V, +1,7V, +2,1V ou praticamente qualquer valor entre 1 V e 3,5 V. Nos processadores mais novos, esses valores tendem a ser menores, em geral inferiores a 2 V. O circuito gerador de voltagem da placa de CPU toma como base a tensão de +3,3 V fornecida pela fonte de alimentação do computador, e em função do valor indicado pelo processador, gera a tensão necessária. Trata-se de um regulador de tensão variável e programável.

Soquetes

A maioria dos componentes eletrônicos são soldados nas suas placas. Outros componentes precisam ser removidos periodicamente para substituição ou manutenção. Por exemplo, uma lâmpada não é aparafusada ou soldada diretamente aos fios da rede elétrica. Ela é presa através de um bocal, e este sim é aparafusado aos fios. O bocal é na verdade um soquete para a lâmpada, tanto que em inglês, é usado o termo socket para designar o bocal de uma lâmpada.

Da mesma forma, certos componentes eletrônicos podem precisar ser removidos, trocados ou instalados. É o caso dos processadores, memórias e alguns chips. Para isso esses chips são encaixados sobresoquetes. Os soquetes sim, são soldados nas placas de circuito, e sobre eles encaixamos os chips.

O tipo mais simples é o chamado de soquete DIP (dual in-line package). Ele é apropriado para chips que também usam o encapsulamento DIP. Existem soquetes DIP de vários tamanhos, com diferentes números de terminais (ou pinos). Podemos encontrar soquetes DIP com 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 28 pinos, e assim por diante. Em geral soquetes com mais de 32 pinos são mais largos que os com menos pinos. Na própria figura 28 vemos duas versões de soquetes de 28 pinos, sendo um largo e um estreito.

Todos os pinos dos soquetes são numerados, porém esta numeração não está indicada, mas fica implícita. Para saber o número de qualquer pino, basta localizar a posição do pino 1. Tanto os soquetes quanto os chips de encapsulamento DIP possuem uma extremidade diferente da outra, com um chanfro ou algum tipo de marcação. Muitas vezes esta marcação está desenhada na placa (os desenhos na placa são chamados de serigrafia). Quando olhamos um soquete de tal forma que o chanfro ou marcação fique orientada para a esquerda, o pino 1 é o primeiro na parte inferior (veja a figura 29). Os demais pinos seguem a seqüência, até a outra extermidade. No outro lado da mesma extremidade a seqüência continua, até o último pino do soquete, que fica na mesma extremidade que o pino 1.

Quando vamos encaixar um chip em um soquete, temos que prestar atenção na orientação correta. O pino 1 do chip deve corresponder ao pino 1 do soquete. Se o encaixe for feito de forma invertida ou deslocada, o chip provavelmente queimará, e o mesmo pode ocorrer com a placa. Os chips também possuem um chanfro ou um ponto circular em baixo relevo para indicar a posição do pino 1, e a seqüência é a mesma do soquete (figura 30).

Os soquetes mais sofisticados são os dos processadores. Possuem mais de 300 pinos, alguns ultrapassando os 400. O número de pinos é tão grande que o encaixe se torna difícil. Cada pino requer uma pequena força para entrar sob pressão no furo correspondente do soquete, mas quando multiplicamos esta pequena força por 400, temos uma grande força. Como seria difícil encaixar e retirar o chip do soquete, foram adotados para esses casos os soquetes de força de inserção zero (Zero Insertion Force, ou ZIF). Eles possuem uma pequena alavanca lateral que ao ser aberta aumenta os furos onde os terminais (“perninhas”) do chip vão ser encaixados. O chip é posicionado com facilidade e então a alavanca é travada fazendo com que cada furo diminua e segure o terminal correspondente com boa pressão.

De um modo geral, vários chips possuem pinos simétricos e por isso podem ser indevidamente encaixados de forma errada, causando sua queima. Ao fazer o encaixe temos sempre que procurar uma indicação de pino 1 no soquete ou na serigrafia, e a indicação de pino 1 no chip. Esta indicação é sempre apresentada na forma de um canto diferente ou marcado com um ponto. Preste atenção também na posição do chanfro existente no chip.

Cristal

Todos os circuitos digitais dependem de uma base de tempo para poderem funcionar. Por exemplo, um relógio digital precisa de um circuito capaz de gerar pulsos digitais a cada centésimo de segundo. Nesse caso, 100 desses pulsos correspondem a 1 segundo, e a partir daí são feitas contagens de minutos, horas, etc. Outros circuitos digitais também necessitam de geradores de base de tempo similares. O cristal é o componente responsável pela geração da base de tempo. Cristais são produzidos para entrar em ressonância em uma determinada freqüência. Eles são muito precisos nesta tarefa. São capazes de gerar freqüências fixas, com precisão da ordem de 0,001%.

Os cristais são muito sensíveis, por isso são protegidos por um encapsulamento metálico. A figura 44 mostra alguns cristais encontrados nas placas de um computador.

Componentes SMD

Antigamente a montagem de uma placa de circuito era um processo extremamente demorado e precisava ser feito manualmente. Os componentes eram encaixados em furos existentes nas placas, e a seguir eram soldados. Eram necessárias várias horas para realizar este trabalho, e o custo final era muito elevado, já que o trabalho consumia muita mão de obra. Hoje em dia é utilizado um processo muito mais rápido, graças à tecnologia SMD (Surface Mounted Devices, ou dispositivos montados na superfície). Os componentes não têm mais terminais para serem encaixados em furos das placas de circuito. Ao invés disso, eles são colocados sobre a superfície da placa. Uma camada de pasta de solda (resina com minúsculas partículas de solda em estado sólido) é previamente aplicada sobre a placa, ainda sem componentes. A seguir uma grande máquina coloca os componentes SMD nos seus lugares. A placa é encaminhada para um forno que derrete a pasta de solda, fixando definitivamente os componentes.

O gerador de clock mostrado na figura 45, bem como os pequenos componentes ao seu redor, são do tipo SMD. Eles não têm “perninhas” (ou terminais) como os componentes convencionais. São indicados para produção de peças em alta escala, enquanto os componentes convencionais são indicados para montagem em pequena escala.

Eletrônica básica 1

Noções sobre soldagem

A solda gem é uma prática bastante conhecida dos técnicos, mas não é preciso ser um técnico para saber soldar. É fácil, e você poderá ir bem mais longe nas suas atividades de hardware. A primeira coisa a fazer é ir a uma loja de material eletrônico e adquirir o seguinte:

• Ferro de soldar de 24 ou 30 watts
• Sugador de solda
• Rolo de solda para eletrônica (a mais fina)
• Placa universal de circuito impresso
• Resistores (qualquer valor) de 1/4 ou 1/8 W
• Capacitores de poliéster, qualquer valor
• Transistores BC548 ou similar
• Alicate de corte e alicate de bico
• Garra jacaré tamanho pequeno

Os valores dos transistores, capacitores e resistores acima não são importantes. Pode comprar os mais baratos que encontrar. Serão usados apenas no treinamento de soldagem e dessoldagem. A figura 1 mostra alguns dos componentes e ferramentas descritos acima.

Figura 1 – Material para treinamento de soldagem.

a) Transistor
b) Capacitores
c) Resistores
d) Garras jacaré
e) Placa universal
f) Solda
g) Ferro de soldar
h) Sugador de solda

Soldagem

Ligue o ferro de soldar e espere cerca de 1 minuto até que esteja na temperatura ideal. Para verificar se a temperatura está boa, encoste a ponta do fio de solda na ponta do ferro de soldar. A solda deverá derreter com facilidade. Vamos começar soldando um resistor. Coloque o resistor encaixado em dois furos da placa univer sal de circuito impresso. Feito isso, aqueça com a ponta do ferro de soldar o termi nal do resistor e o cobre da placa de circuito impresso (figura 2). Ambos devem ser aqueci dos para que a solda possa derreter facilmente. Encoste agora a ponta do fio de solda na junção aquecida entre a placa e o terminal do resistor. Mantenha o tempo todo a ponta do ferro de soldar também encostando nessa junção. A solda deverá derreter uniformemente. Afaste o fio de solda e depois o ferro de soldar. Dentro de aproximadamente dois ou três segundos a solda estará sólida. Use o ali cate de corte para retirar o excesso do terminal do resistor que sobrou.

Figura 2  – Soldagem de um resistor.

Treine a soldagem com os resistores e com os capacitores. Não exagere na quanti dade de solda. Deve ficar uma quantidade semelhante à que você observa nas pla cas do computador. Não sopre a solda para que esfrie. Espere três segundos e a solda esfriará sozinha. Não mova o componente enquanto a solda ainda não estiver solidificada.

Na soldagem de transistores você deverá tomar um pouco mais de cuidado, pois são muito sensíveis ao calor. Se o ferro de soldar ficar encostado em seus terminais por mais de cinco segundos poderá danificá-lo. Para reduzir o calor no transistor (o objetivo é esquentar apenas a parte que será soldada) prenda uma garra jacaré no terminal do transistor que estiver sendo soldado, do outro lado da placa, como indicado na figura 3.

Figura 3 – Soldagem de um transistor.

Quando for realizar uma soldagem “pra valer”, lembre-se que a maioria dos com ponentes possuem polaridade, ou seja, uma posição correta para encaixe. Normalmente existe alguma indicação da posição correta na placa de circuito impresso. Se não existir tal indicação anote a posição correta antes de retirar o componente de feituoso, para que o novo componente seja posicionado com a polaridade correta. Alguns componentes simplesmente não funcionam se forem soldados de forma invertida (Ex.: diodos, LEDs). Outros podem ser permanentemente danificados pela inversão (transistores, capacitores eletrolíticos, chips).

Dessoldagem

A dessoldagem é um pouco mais fácil no caso de resistores, capacitores, diodos e transistores. No caso de chips é mais difícil devido ao grande número de terminais. O sugador de solda possui um êmbolo de pressão que remove a solda derretida dos circuitos. A figura 4 mostra como operá-lo. Primeiro pressione o seu êmbolo, depois aproxime o seu bico da solda derretida e pressione o botão para que o bico sugue a solda. O sugador puxará a solda derretida para o seu interior. Aperte novamente o êmbolo para que possa expelir a solda retirada, já no estado sólido.

Figura 4 – Usando o sugador de solda.

Arme o sugador de solda pressionando o êmbolo para baixo e deixando-o pronto para sugar. Encoste o ferro de solda quente no ponto de solda que você quer remover. A solda deverá derreter. Se estiver difícil de derreter, coloque um pingo de solda nova na ponta do ferro de soldar para facilitar a condução térmica, derre tendo mais facilmente a solda da junção a ser desfeita. Sem tirar a ponta do ferro de soldar, encoste o bico do sugador (figura 5) na solda derretida e dispare. Se o com ponente não ficar totalmente solto, encaixe uma chave de fenda e puxe-o leve mente, usando a chave como alavanca. Encoste agora o ferro de soldar novamente no terminal e o componente sairá com facilidade.

É desaconselhável a dessoldagem de chips por principiantes. Além de ser uma ope ração muito mais difícil, os chips são extremamente sensíveis à temperatura. Sua soldagem e dessoldagem deve ser feita apenas em laboratórios especializados, equipados com uma estação de soldagem profissional.

Usando um multímetro digital

Um multímetro digital pode ajudar bas tante nas atividades de hardware, principalmente em manutenção. Com ele você pode checar as tensões da fonte de alimentação e da rede elétrica, checar o estado da bateria da placa de CPU, verificar se o drive de CD-ROM está reproduzindo CDs de áudio, acompanhar sinais sonoros, verificar cabos e várias outras aplicações. Seu custo é menor do que você pensa. Com cerca de 30 reais você compra um modelo simples, e com cerca de 100 reais é possível comprar um modelo mais sofisticado.

Um multímetro possui duas pontas de prova, uma vermelha e uma preta. A preta deve ser conectada no ponto do multímetro indicado com GND ou COM (este é o chamado “terra”). A ponta de prova vermelha pode ser ligada em outras entradas, mas para a maioria das medidas realizadas, a ligação é feita no ponto indicado com V-W-mA.

Uma chave rotativa é usada para selecionar o tipo de medida elétrica a ser feita: V para voltagem, W para resistência e mA para corrente. Uma chave é usada para a medição de voltagens em AC (corrente alternada) ou DC (corrente contínua). Por exemplo, para medir as tensões da fonte de alimentação, ou a tensão da bateria, usamos a chave em DC. Para medir a tensão presente na saída de áudio de um drive de CD-ROM ao tocar um CD musical (um tipo de corrente alteranada), usamos a escala AC. Para medir as tensões da rede elétrica, também utilizamos a escala AC.

Alguns multímetros possuem um único conjunto de escalas para voltagem, e uma chave adicional para escolher entre AC e DC. Outros modelos, como o da figura 6, não possuem esta chave AC/DC, e sim grupos independentes de escalas para voltagens e correntes em AC e DC. A maioria dos multímetros não mede corrente alternada (ACA), apenas corrente contínua (DCA), tensão alternada (ACV) e tensão contínua (DCV).

Para cada grandeza elétrica existem várias escalas. Por exemplo, entre as várias posições da chave rotativa, podem existir algumas específicas para as seguintes faixas de voltagem: 200 mV, 2 V, 20 V, 200 V e 2000 V.

Se você pretende medir a tensão da bateria da placa de CPU (em torno de 3 volts), não use a escala de 2V, pois tensões acima de 2V serão indicadas como 1,9999 V. Escolha então a escala de 20V, pois terá condições de fazer a medida esperada. Da mesma forma, para medir a tensão de uma rede elétrica de 220 volts (use AC, pois trata-se de tensão alternada), não escolha a escala de 200 volts, pois a máxima tensão medida será de 199,99 volts. Escolha então a escala de 2.000 volts ou outra para tensões elevadas. Como regra geral, sempre que a leitura indicada tem valor máximo ou outra indicação que esteja fora da escala, devemos utilizar uma escala maior. Quando não temos idéia aproximada da tensão que vamos medir, devemos começar com a escala de maior valor possível, pois se medirmos uma tensão muito elevada usando uma escala baixa, podemos danificar o aparelho.

Para medir a tensão entre dois pontos, selecione a escala e encoste as pontas de prova nos terminais nos quais a tensão deve ser medida (figura 7). Muitas vezes queremos fazer medidas de tensão relativas ao terra (o terminal “negativo” da fonte de alimentação). Você pode então fixar a ponta de prova preta em um ponto ligado ao terra (por exemplo, os fios pretos do conector de alimentação da placa de CPU) e usar a outra ponta de prova para medir a tensão no ponto desejado.

A medição de resistência também possui várias escalas, e você deve escolher uma escala que comporte a medida a ser realizada. Se você não tem idéia da escala a ser usada, escolha a maior delas. Por exemplo, se medir um resistor de cerca de 150 ohms em uma escala de 20.000, será apresentado o valor 150. Se quiser maior precisão pode usar escalas menores. Por exemplo, na escala de 2000 ohms, o valor medido poderá ser 150,3 e na escala de 200 poderá ser 150,37.

Note que não podemos medir o valor de um resistor quando ele está em um circuito. O valor medido será influenciado pelos demais componentes do circuito ligados ao resistor. A medida correta é feita quando o resistor está desacoplado do circuito, como mostra a figura 8.

Figura 8 – Medindo o valor de um resistor.

Cuidado: para resistores com valores acima de 10k ohms, é recomendável não tocar as mãos nas pontas de prova do multímetro, pois a resistência do corpo humano provocará erro na medida

Podemos usar o multímetro na escala de resistência para verificar se um cabo está partido ou se um fusível está queimado. Quando um fio ou fusível está em perfeitas condições, sua resistência é bem baixa, em geral inferior a 1 ohm. Colocamos então o multímetro na escala mais baixa de resistência e fazemos a medida. Quando o cabo está partido ou o fusível está queimado, a resistência é muito alta, e quando está bom é baixa. Note que para fazer essas medidas é preciso que o circuito esteja desligado.

Muitos multímetros possuem ao lado da escala de resistência, uma escala que emite um beep através de um pequeno alto falante em caso de re sistência baixa. Desta forma é possível medir as ligações sem ter que olhar para o display do multímetro. Prestamos atenção apenas nas conexões que estão sendo medidas e no som emitido. Na gíria de eletrônica isto é chamado de “ o circuito”.

A medição de corrente é feita de forma um pouco diferente. Precisamos escolher a escala mais adequada, assim como nas medidas de tensão e resistência, mas as pontas de prova devem ser colocadas em série com o fio por onde passa a corrente a ser medida. Em muitos casos é preciso cortar e desencapar o fio para fazer a medida, e soldar e isolar o corte posteriormente. Como é uma operação trabalhosa, devemos fazê-la apenas em caso de necessidade.

Figura 9

Os multímetros possuem entradas adicionais para medir altas tensões e altas correntes.

O deste exemplo possui uma entrada para medir volts, ohms e Hertz (este mede também freqüência), uma outra entrada para medir miliampères e outra para correntes de até 10 ampères. Alguns multímetros podem ainda medir transistores para verificar se estão bons ou queimados.

Tome cuidado, pois a ponta de prova vermelha poderá precisar ser colocada em outras entradas, dependendo da grandeza a ser medida. Em geral os multímetros possuem entradas adicionais para medir altas voltagens e altas correntes. Certos modelos possuem uma entrada independente para medição de corrente (figura 9).

Alguns componentes eletrônicos

Vamos agora apresentar alguns componentes eletrônicos e suas propriedades elétricas. Não serão conhecimentos suficientes para você projetar e consertar circuitos complexos, como monitores e fontes, mas darão uma boa noção sobre o que você irá encontrar.

Bateria e fonte de alimentação

Nenhum circuito elétrico ou eletrônico pode funcionar sem um gerador de corrente elétrica. Os geradores nada mais são que baterias, pilhas ou fontes de alimentação. Possuem dois terminais, sendo um positivo e um negativo. O terminal positivo é aquele por onde “sai” a corrente, e o negativo é aquele por onde “entra” a corrente.

A figura 11 mostra o diagrama de um circuito de uma lanterna, no qual temos uma lâmpada alimentada por uma bateria. A corrente elétrica sai do terminal positivo da bateria e trafega através do fio. Chegando à lâmpada, a energia elétrica é transformada em energia luminosa e calor. Depois de atravessar a lâmpada, a corrente retorna à bateria através do seu terminal negativo. Uma bateria é na verdade um dispositivo que empurra a corrente elétrica através dos fios ligados aos seus terminais.

Figura 11 – Esquema elétrico de uma lanterna. A letra “i” é usada para designar a corrente elétrica.

Toda bateria tem uma voltagem especificada. As pilhas, por exemplo, têm 1,5 volts. Também são bastante populares as baterias de 9 volts. Hoje em dia encontramos vários tipos de bateria com diversas voltagens, inclusive recarregáveis. É o caso das baterias de telefones celulares.

Em operação normal, uma bateria deve ter circuitos ligados aos seus terminais. A corrente elétrica faz com que esses circuitos funcionem. Por exemplo, se o circuito consistir em uma simples lâmpada, o funcionamento é caracterizado pelo acendimento desta lâmpada. É o que chamamos de circuito fechado. Uma bateria pode também estar desligada. Neste caso, existe tensão entre seus terminais, porém não existe corrente. A bateria não está portanto fornecendo energia elétrica ao circuito. É o que ocorre quando temos uma bateria isolada, fora do circuito, ou então quando o interruptor (ou chave) está desligado. Chamamos esta situação de circuito aberto.

Uma situação anormal é o chamado curto-circuito. Temos um fio ligando diretamente os dois terminais da bateria. A corrente atravessa o fio, porém como não existe circuito para alimentar, esta corrente tem enorme facilidade para trafegar. Isto faz a corrente atingir um valor altíssimo, e gerando muito aquecimento. O fio pode até mesmo derreter e pegar fogo, a bateria pode esquentar até ser danificada. Para proteger equipamentos de curto-circuitos acidentais, usamos fusíveis. Se você ligar os dois terminais de uma pilha através de um fio, o curto circuito não será muito perigoso, mas se ligar os dois terminais de uma tomada elétrica, pode até provocar um incêndio.

Figura 12 – Circuito aberto e curto circuito. Em um circuito aberto, a corrente é sempre zero. No curto circuito, a corrente pode ser, do ponto de vista matemático, infinita. Na prática isto não ocorre, mas a corrente tende a apresentar um valor bastante elevado e perigoso.

A figura 12 mostra as características de uma bateria em aberto e outra em curto. Na bateria em aberto, a tensão entre os terminais é igual à tensão da bateria (vamos chamá-la de V₀), e a corrente vale 0. Quando a bateria está em curto, a tensão entre os terminais vale 0, e a corrente assume um valor elevadíssimo. Usando componentes teóricos, a corrente tenderia a ser infinita. Na prática isto não ocorre, mas atinge um valor alto, dependendo das características da bateria.

A fonte de alimentação é um circuito que tem a mesma função de uma bateria. Ela recebe a tensão da rede elétrica e realiza várias operações: redução, retificação, filtragem e regulação. O resultado é uma tensão contínua, semelhante à fornecida por baterias. Mais adiante neste capítulo mostraremos como uma fonte de alimentação realiza este processo.

Resistor

Este é o mais básico componente eletrônico. Muitos o chamam erradamente de resistência. Seu nome certo é resistor, e a resistência é a sua característica elétrica. Ainda assim o público leigo usa termos como “a resistência do chuveiro elétrico”, “resistência do aquecedor”, “resistência do ferro de passar”, “resistência da torradeira”. Esses dispositivos são resistores formados por fios metálicos com resistência baixa. Ao serem ligados em uma tensão elétrica, são atravessados por uma elevada corrente, resultando em grande dissipação de calor. Note que nas resistências desses aparelhos, o objetivo principal é a geração de calor. Já nos circuitos eletrônicos, suas funções são outras, e não gerar calor. Os resistores usados nesses circuitos devem ter valores tais que possam fazer o seu trabalho com a menor geração de calor possível.

Os resistores usados nos circuitos eletrônicos são de vários tipos e tamanhos. Seus dois parâmetros elétricos importantes são a resistência e a potência. Resistores que irão dissipar muita potência elétrica são de maior tamanho, e vice-versa. Os mostrados na figura 13 são de 1/8 W. Existem resistores de 1/4W, 1/2W, 1W, 2W, 5W, 10W e valores ainda mais elevados. A figura 13 mostra também o símbolo usado para representar o resistor quando desenhamos um diagrama elétrico.

Todo resitor tem um valor, que é a chamada resistência. A unidade usada para medir a resistência é o ohm, cujo símbolo é W. A voltagem gerada por uma bateria tem seu valor dado em volts, cujo símbolo é V. A unidade usada para medir a corrente elétrica é o ampère, cujo símbolo é A.

OBS: Durante a editoração do livro ocorreram neste capítulo (3) algumas trocas da letra grega ômega (W), pela letra W, devido a um erro de editoração. Nesta versão on-line motramos em vermelho as correções que se aplicam.

Existe uma relação direta entre a tensão aplicada sobre um resistor, a corrente que o atravessa e o valor da sua resistência. Esta relação é a chamada lei de Ohm. Ela diz que se um resitor de valor R é ligado a uma tensão V, sua corrente i é dada por:

i = V/R

é o mesmo que escrever:

V = R.i

Por exemplo, na figura 14 ligamos uma bateria de 12 V em um resistor de 6W. De acordo com a lei de ohm, a corrente que atravessará o resistor será de:

i = 12V ¸ 6W = 2A

Eventualmente podemos encontrar em circuitos, resistores ligados uns aos outros. Dizemos que os resistores estão associados. As duas principais formas de associação de resistores são as do tipo série e parelela. Ambas são mostradas na figura 15. Quando dois resistores estão em série, a resistência total é igual à soma das resistências de cada resistor. Portanto é calculada pela fórmula:

R_t = R₁ + R₂ + R₃ + … + R_n

Quando os resistores estão associados em paralelo, a fórmula da resistência equivalente é:

1/R_t = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃ + … + 1/R_n

Ou seja, o inverso da resistência equivalente é igual à soma dos inversos das resistências individuais.

Outra grandeza elétrica importante é a potência. Ela representa a quantidade de energia elétrica que está sendo consumida por um resistor quando é percorrido por uma corrente, e é medida em watts, cujo símbolo é W. Quando um resistor R é ligado a uma tensão V e percorrido por uma corrente i, a potência elétrica P pode ser calculada de várias formas equivalentes:

P = V.i

P = R.i²

P = V²/R

Por exemplo, um resistor de 6W ligado a uma fonte de 12 V dissipa uma potência de:

P = 12² / 6 = 144/6 = 24 watts

É quantidade de calor suficiente para causar uma boa queimadura ao tocarmos neste resistor. Ao contrário do que ocorre na física do segundo grau, não usamos na prática resistores de valores tão baixos, nem operamos com correntes tão elevadas, pelo menos na maioria dos casos. Os resitores em usados em eletrônica apresentam em geral resistências da ordem de milhares de ohms, e as correntes elétricas normalmente assumem valores da ordem de milésimos de Ampères. Por isso usamos em eletrônica as unidades kW e mA para medir resistência e corrente. As fórmulas continuam válidas, apenas utilizamos medidas diferentes para resistência e corrente. Por exemplo, um resistor de 6 kW ligado em uma fonte de 12 V será percorrido por uma corrente de:

i = V/R = 12 / 6 = 2 mA.

A potência elétrica neste caso é dada em miliwatts (milésimos de Watt), cujo símbolo é mW:

P = V²/R = 12² / 6 = 24 mW.

Esta potência é tão pequena que praticamente não percebemos que o resistor está quente. Gerar calor não é o objetivo dos circuitos eletrônicos, portanto devemos utilizar resistores com os maiores valores possíveis, desde que em condições de manter em funcionamento correto os demais componentes.

Capacitor

O capacitor é um componente eletrônico capaz de armazenar e fornecer cargas elétricas. Ele é formado por duas placas paralelas, separadas por um material isolante, chamado dielétrico. Quando o ligamos a uma tensão fixa, momentaneamente passa por ele uma pequena corrente, até que suas placas paralelas fiquem carregadas. Uma fica com cargas negativas (elétrons) e outra com cargas positivas (falta de elétrons).

Existem vários tipos de capacitores, e as principais diferenças estão nos valores e nas tensões elétricas suportadas. Um capacitor que vai ser ligado a uma tensão de 50 volts deve ser maior que outro de mesmo valor mas que vai ser ligado a uma tensão de apenas 10 volts. Um capacitor sofre ruptura do dielétrico quando é ligado a uma tensão mais elevada que a especificada. Em outras palavras, ele explode!

O valor de um capacitor é chamado de capacitância. A grandeza usada para medi-la é o faraday, cujo símbolo é F. O faraday é uma unidade muito grande para medir os capacitores da vida real. Um capacitor de 1F seria imenso. Encontramos na prática capacitores medindo algo da ordem de milésimos ou milionésimos do faraday. Por isso é mais comum usar o microfaraday (mF) para medir os capacitores. Um capacitor de 4700 mF, por exemplo, é considerado de tamanho relativamente grande para um circuito eletrônico. Ainda assim existem os chamados supercapacitores, que possuem capacitâncias da ordem de alguns faradays, entretanto não são empregados em circuitos eletrônicos devido ao seu grande tamanho.

Os capacitores têm várias aplicações nos circuitos eletrônicos. Um das principais é a filtragem. Eles podem acumular uma razoável quantidade de cargas quando estão ligados a uma tensão. Quando esta tensão é desligada, o capacitor é capaz de continuar fornecendo esta mesma tensão durante um pequeno período de tempo, funcionando portanto como uma espécie de bateria de curta duração.

Figura 17 – Capacitores de desacoplamento, um ao lado de cada chip

Em qualquer placa de circuito, encontramos pequenos capacitores ao lado de cada chip. São chamados de capacitores de desacoplamento (figura 17). Uma das caracteríticas elétricas dos chips é que de um instante para outro podem aumentar substancialmente a quantidade de corrente consumida. A fonte de alimentação nem sempre tem condições de responder ao fornecimento de corrente com a rapidez necessária (em geral em bilionésimos de segundo), e o resultado é uma pequena queda de tensão próxima ao chip que está solicitando este aumento de corrente. O capacitor de desacoplamento tem condições de fornecer rapidamente a corrente elevada que o chip exige, dando tempo à fonte para se adaptar ao novo patamar de corrente. Os capacitores de desacoplamento funcionam portanto como pequenas baterias axiliares, ajudando a fonte de alimentação no fornecimento de corrente para os chips.

Um capacitor não precisa necessariamente ter placas paralelas e um dielétrico. Qualquer objeto possui uma capacitância. O corpo humano, por exemplo, pode funcionar como um capacitor de baixo valor, mas ainda assim capaz de armazenar cargas elétricas. É o que chamamos de eletricidade estática.

Capacitores também têm grandes aplicações em circuitos de rádio. Eles não permitem a passagem da corrente contínua, já que seu dielétrico é um isolante, mas permitem a passagem de tensões alternadas. Como a corrente alternada trafega ora no sentido direto, ora no sentido inverso, um capacitor pode ora se carregar positivamente, ora negativamente, deixando que a corrente alternada o “atravesse”. Quanto mais alta é a freqüência da corrente alternada, mais facilmente ela atravessa o capacitor. Eles podem assim ser usados como filtros, barrando as freqüências baixas e deixando passar as freqüências altas.

Quando são necessárias capacitâncias elevadas, são utilizados capacitores eletrolíticos de alumínio ou tântalo. Os capacitores eletrolíticos de alumínio são muito usados em fontes de alimentação, em circuitos de som, rádio e TV, e até em placas de computador. Entretanto para as placas de computador é mais recomendável usar os capacitores de tântalo. Eles são mais caros, porém são mais duráveis e de menor tamanho. São muito usados em discos rígidos e telefones celulares, mas também os encontramos sendo usados como capacitores de desacoplamento do processador, nas placas de CPU. Infelizmente para economizar, muitos fabricantes de placas de CPU usam capacitores eletrolíticos de alumínio, ao invés de tântalo. Isso poderia ser aceitável, se levassem em conta a vida útil do capacitor. Existem capacitores eletrolíticos com duração de 10.000 horas, outros com 5.000 horas, outros com apenas 1.000 horas, que são mais baratos. Placas de CPU de baixo custo e baixa qualidade usam muitos componentes inadequados, sobretudo capacitores de baixa qualidade. Placas de CPU feitas por fabricantes comprometidos com a qualidade utilizam capacitores de tântalo ou então eletrolíticos de alumínio de longa duração.

Bobina

A bobina é um componente elétrico construído por um fio enrolado em várias voltas. Seu valor é a indutância, e a unidade de medida é o henry (H). Esta unidade é muito elevada para medir as bobinas da vida real, portanto são mais utilizados o milihenry (mH) e o microhenry (mH).

A bobina é atravessada facilmente pela corrente contínua. Corrente alternada de baixa freqüênica também tem facilidade para atravessar uma bobina, mas quanto maior é a freqüência, maior é a dificuldade. Esta característica é inversa à do capacitor. Por isso, associações de capacitores e bobinas são usados para formar filtros de vários tipos, como por exemplo, os sintonizadores. Quando giramos o botão sintonizador de estações de um rádio (DIAL), estamos na verdade atuando sobre um capacitor variável, associado a uma bobina, selecionado a freqüência desejada.

Transformador

Quando duas bobinas são enroladas sobre o mesmo núcleo, temos um componente derivado, chamado transformador. Cada uma das bobinas é chamada de enrolamento. Quando aplicamos uma tensão no primeiro enrolamento (chamado de primário), podemos retirar uma outra tensão, sendo gerada pelo segundo enrolamento (secundário). Isto pode ser usado para aumentar ou reduzir a tensão. Em uma fonte de alimentação convencional (não chaveada), o primeiro circuito é um transformador, que recebe a tensão da rede elétrica (110 ou 220 volts) e gera no secundário uma outra tensão alternada, porém de menor valor.

Os transformadores têm muitas outras aplicações. São usados por exemplo como isoladores da linha telefônica em modems. Eles protegem (até certo ponto) o modem de eventuais sobretensões na linha telefônica. Pelo fato de terem uma indutância, eles também atuam como filtros de ruídos.

Continua…