terça-feira, 29 de novembro de 2011

Transformadores


Olá a todos os leitores deste blog. Algum tempo atrás falamos dos indutores, como as bobinas. Hoje vamos falar de uma das aplicações dos indutores, que é a construção de transformadores. Comentarei sobre a sua construção, sobre o seu funcionamentos e um pouco sobre algumas particularidades interessantes. Enfim, sem mais delongas, vamos ao que realmente interessa.

Vamos começar falando da construção mecânica de um transformador, que é algo bastante curioso para quem não compreende os fenômenos magnéticos. Eu mesmo já construí alguns pequenos transformadores para fontes chaveadas, então vou falar do tipo que eu construí, mas a ideia geral é a mesma para outros tipos de trafos.

Ele possui um corpo, que pode ser feito de plástico. Esse corpo possui um furo no meio para a colocação do núcleo do transformador. Ao redor do corpo é enrolado fio esmaltado, que é um fio de cobre com um encapamento de verniz, que isola uma volta do fio das outras. Cada volta da bobina é chamada de espira. Então enrola-se o primário com X espiras. Então é passada uma fita que aumenta a isolação das espiras do primário das espiras do secundário, que são enroladas em seguida. Existe alguns tipos de fita que podem ser usados mas, em todo caso, nada que uma fita isolante não resolva. Após isso é inserido um núcleo de material que concentre as linhas de campo magnético, que é responsável pelo bom funcionamento do transformador. Esse material pode ser ferrite ou outro material que conduza bem o campo magnético.

Agora vamos falar sobre as partes do transformador. Existe o primário, que é onde a tensão de entrada é aplicada. Pode ser, como exemplo, 220V. O secundário é onde a tensão é "retirada", após sofrer a transformação. A tensão pode ser menor, como 12V. Trafos que diminuem a tensão são chamados abaixadores (também conhecidos como rebaixadores). A tensão de saída pode ser maior também, como 600V. Trafos que aumentam a tensão são chamados de elevadores. Existe também um transformador chamado de isolação (ou de isolamento). Sua tensão de saída é igual a tensão de entrada. Por exemplo, se entrarem 220V no primário, sairão 220V no secundário. Eu sei que pode parecer uma ideia estranha, gastar dinheiro em um componente que não faz nada mas... eu não disse que ele não faz nada e em breve veremos as suas aplicações.

Falei que transformadores podem transformar a tensão que entra no primário e fornecer outro valor de tensão no secundário. Também falei que entre os fios do primário e secundário é passada uma fita de característica isolante. Então, como pode a tensão do primário ser transformada e transferida ao secundário? Para responder vamos falar sobre a física por trás do funcionamento dos transformadores.

Sempre que uma corrente passa pelos fios do primário, cria um campo magnético, pois o primário é um indutor e se comporta como tal. Esse campo magnético, quando varia, induz uma força eletromotriz nos fios do secundário. O valor dessa tensão depende da relação entre espiras do primário e secundário. Como a tensão só é induzida quando o campo magnético varia, e esse campo só varia com a variação da corrente, deduzimos que o trafo só funciona com corrente alternada em seu primário. Correntes contínuas injetadas em um transformador podem ser extremamente prejudiciais.

Quanto a função do transformador isolador, falarei agora. Sua função é isolar, como o próprio nome diz. Ele faz com que o circuito "perca" o contato com o solo. É o seguinte. O neutro da rede elétrica é aterrado. Isso significa que o fio fase possui 220V (ou 127V) em relação ao fase e, por consequência, em relação a terra também. Por isso que se encostarmos no fio fase já levamos choque. Pois fechamos o circuito entre esse fio e a terra. Após passar pelo transformador, a tensão continua a mesma: os 220V ou os 127V da rede. Porém no secundário desse transformador a tensão não está relacionada ao terra, ou seja, se encostarmos em somente um dos fios, não levaremos choque, não importando qual fio escolhermos. Quando fazemos isso, dizemos que os dois circuitos (neste caso, a rede elétrica e o que vier depois do trafo) estão magneticamente acoplados. Não existe mais acoplamento elétrico, apenas magnéticos e, por isso, os circuitos estão isolados entre si.

E era isso por hoje. :) Até a próxima, se cuidem e um abraço. Fui...


sábado, 26 de novembro de 2011

Iluminação Ep. 3: A Lâmpada Incandescente!


Thomas Alva Edison, possuidor de um grande gênio inventivo e nada menos que 1 033 patentes registradas, disse uma vez o seguinte: "genialidade é 1% inspiração e 99% transpiração". E hoje tal expressão será explicada conforme estudarmos a história da lâmpada incandescente, que foi um grande avanço no campo da iluminação em sua época. E tudo começou com o senhor Edison, cuja imagem abre a postagem de hoje.

A lâmpada incandescente é um dispositivo que converte a energia elétrica em luz através do aquecimento de um filamento em seu interior. Apesar de seu conceito simples, essa ideia causou muitos problemas na época de sua invenção.

A história foi mais ou menos assim...

Após 22 cientistas terem trabalhado sem muito sucesso no projeto da lâmpada incandescente, o inventor americano Thomas A. Edison resolveu que era sua vez de tentar. O grande problema era encontrar o material ideal para esta lâmpada. Ele deveria esquentar a ponto de brilhar, ter uma luz próxima do branco, mas tal material não poderia se fundir nem queimar. Thomas Edison, acreditando no potencial de mercado de seu produto, investiu um valor em torno de 40 000 dólares, que foram literalmente queimados durante suas pesquisas para definir o material certo para a fabricação de sua lâmpada.

Então após muito tempo de tentativas com diversos materiais, Thomas Edison lançou a lâmpada incandescente com filamento de carbono. Para evitar que o carbono queimasse, o oxigênio de dentro do bulbo era removido. No lugar do oxigênio eram colocados gases inertes, como o nitrogênio, o argônio e o criptônio, que não faziam o carbono entrar em combustão.

Este grande avanço pode ser visto como a grande arrancada da iluminação em nível comercial. Após este marco inicial começaram as inovações no sentido de aperfeiçoar essa tecnologia. Então, em 1900, foi desenvolvida a primeira lâmpada incandescente com filamento de metal, que era o ósmio. Esse metal foi usado graças ao seu alto ponto de fusão e economia.


Tal lâmpada consumia metade da energia utilizada pela lâmpada de carbono produzindo a mesma quantidade de luz. Então em 1903 foi desenvolvida a lâmpada com filamento de tântalo e logo em seguida as lâmpadas com filamento de tungstênio.

Percebeu-se que o filamento de tungstênio consumia apenas um terço da energia consumida pelo filamento de carbono para produzir a mesma quantidade de luz. Enfim o material tão procurado havia sido encontrado e ele é utilizado até hoje nas lâmpadas incandescentes que compramos por aí.

Agora, deixando de lado a parte histórica, vamos analisar a lâmpada incandescente moderna:


Ela possui um bulbo de vidro. Dentro desse bulbo é retirado o ar e introduzido argônio, que é um gás inerte. Esse gás evita que o filamento interno de tungstênio entre em combustão, queimando. Esse filamento é projetado para apresentar uma determinada resistência. Assim, quando submetido a tensão elétrica, passa por ele uma corrente que aquece o filamento, fazendo ele incandescer e brilhar.

Uma "curiosidade" dessa lâmpada é que ela possui uma "corrente de partida" maior que a corrente de operação nominal. Isso por que a resistência da lâmpada desligada, ou seja, com ela fria, é muito menor que a resistência da lâmpada durante a operação, quando o filamento está quente. Mas vamos pegar um exemplo prático:

Uma lâmpada incandescente de 60W e 220V. Sua corrente deve ser cerca de 273mA. Com isso calculamos sua resistência em torno de 806[;\Omega;]. Mas, medindo essa resistência com o multímetro (com a lâmpada desligada, obviamente) achamos um valor de 60[;\Omega;]. Isso quer dizer que a corrente de partida da lâmpada será de 3,6A!!! Essa corrente transiente demora muito pouco mas, em algumas aplicações, é o suficiente para queimar fusíveis ou desarmar disjuntores. Então devemos ter ciência desse fato, para antevermos seus efeitos e suas consequências.

Por fim, devemos dizer o impacto que tal invenção teve para seu tempo. A criação da lâmpada incandescente, junto com o desenvolvimento dos processos de geração e distribuição de energia elétrica, trouxe uma grande facilidade na obtenção de iluminação artificial de forma prática. E assim a humanidade deu mais um passo em direção ao progresso na área da iluminação.

Por hoje era isso. Se cuidem e até a próxima aventura no universo da iluminação, com um tema que eu não faço a menor ideia do que será. Até lá estudem bastante e nos vemos na próxima.


domingo, 20 de novembro de 2011

Multímetro


O aparato de medição mais comum na bancada do técnico em eletrônica é, certamente, o multímetro. Seja ele analógico ou digital, ele está sempre presente nos perrengues da vida. Com o tempo, ele passa a ser uma extensão do corpo do técnico!... Enfim, passada a excitação, vamos falar desse equipamento que é, sem dúvidas, muito útil. Mas, o que ele é?

Analisando seu nome, podemos separar a palavra multímetro em: multi (várias, múltiplas) e metros (que significa medida ou até mesmo medição). Ou seja, o multímetro é um equipamento que realiza diversos tipos de medição. E que tipos de medições ele realiza? E como ele realiza essas medições?

Bem, existem cerca de um zilhão de tipos de multímetros no mercado. Mas todos eles (todos que eu conheço) possuem, pelo menos, três funções de medição básicas (Obs.: aqui eu analiso um multímetro digital):

* Ohmímetro: Nessa função você faz a medição da resistência elétrica de um componente ou material qualquer. Para isso o componente deve estar com pelo menos um terminal desconectado do circuito, ou seja, o componente não deve estar "energizado". Mas por que isso é assim? Isso se deve pelo funcionamento do ohmímetro. Ele basicamente injeta uma corrente pelo componente e mede a "dificuldade" de fazer essa corrente atravessá-lo, que corresponde a sua resistência. Então, para seu uso correto, o componente não pode estar sofrendo a ação de qualquer outra corrente ou tensão que não as do ohmímetro. O uso incorreto pode causar uma medição errônea, e até mesmo a danificação do aparelho.

* Voltímetro: Voltímetro é o aparelho que mede a tensão elétrica. Ele deve ser conectado em paralelo com os pontos do qual se quer ter a medição da tensão. Por quê em paralelo? Pois internamente ele possui uma resistência interna grande (idealmente infinita, mas um voltímetro ideal é um aparelho bastante utópico!). Quando você conecta o voltímetro em paralelo com dois pontos, o aparelho absorve uma pequena corrente que faz surgir na resistência interna do voltímetro a mesma diferença de potencial que nos pontos medidos. Claro, pois, quando dispositivos são conectados em paralelo, a tensão neles é igual. E por que um alto valor de resistência interna? Imagine que queremos medir a tensão sobre um resistor de 1000[;\Omega;]. A tensão nele é de 5V, por exemplo, e portanto a corrente que passa por esse resistor é de 5mA, mas não sabemos nada disso. Então pegamos um multímetro com uma resistência interna baixa, como por exemplo, 5000[;\Omega;]. Se conectarmos seus terminais em paralelo, estaremos fazendo uma associação de resistores. A resistência equivalente será de 833,3[;\Omega;]. Com uma corrente de 5mA a tensão que fica nessa associação será de 4,16V. Quanto maior a resistência interna do multímetro, menor será esse valor de erro entre a tensão real e a tensão medida. É claro que esse exemplo está propositalmente exagerado para explicar a ideia. Mas, porém, entretanto e todavia, esse erro, por menor que seja, está sempre presente.

Outro aspecto dos multímetros é que, dentro da função voltímetro, eles geralmente possuem outras duas "subfunções", que são a medição de tensão alternada e de tensão contínua. Na tensão alternada o valor exibido corresponde ao valor RMS da tensão. Na tensão contínua ocorre o seguinte: se for contínua pura, ele vai obviamente mostrar esse valor. Se for contínua pulsante, o valor exibido no display corresponde ao valor cc médio do sinal.

* Amperímetro: O amperímetro é o aparelho que mede a intensidade da corrente elétrica. Ele deve ser conectado em série, para que a corrente passe através dele. Ele possui uma resistência interna, que, idealmente, deve ser nula. Mas, novamente, um amperímetro ideal é um aparelho utópico. O que existe são amperímetros com valores extremamente baixos de resistência interna. Vamos ver como essa resistência altera a corrente que estamos tentando medir:

Imagine que entre dois pontos, cuja diferença de potencial é de 5V, existe um resistor de 470[;\Omega;]. Logo, a corrente que passa por este resistor é 10,6mA. Mas não sabemos nada disso, e por isso temos que medir. Então desconectamos um dos terminais do resistor e ligamos o amperímetro em série. Suponha uma resistência interna de 50[;\Omega;]. Agora temos 5V aplicados sobre uma resistência total de 520[;\Omega;]. Assim, a corrente que mediremos será de 9,1mA. Ou seja, sempre haverá uma alteração entre o valor real e o valor medido. Isso por que o aparelho de medição é adicionado ao circuito, alterando alguns de seus valores. Claro que este exemplo também está exagerado para ilustrar o conceito de variação do valor real para o valor medido. Mas, novamente, devo informar que um pequeno erro, por menor que seja, sempre existe.

Os multímetros em geral também possuem duas "subfunções" para a medição de corrente, que é a corrente contínua e alternada. Basicamente, é a mesma coisa do voltímetro. A medição contínua mede a corrente média, enquanto a alternada mede o valor RMS.

Além dessas três funções básicas, é possível encontrar inúmeras outras funções em aparelhos mais sofisticados (e caros!). Aqui vou citar alguns, mas por motivos de ignorância, não postarei com certeza sobre o como eles funcionam.

* Diodo/Continuidade: Essa medição emite um sinal sonoro quando ele identifica a continuidade entre as duas ponteiras de medição. Ele, basicamente, mede a resistência e emite o som quando esse valor for menor que um valor de resistência pré-determinado. Ele é útil para medir curto-circuitos em diodos, transistores, etc.

Nesta mesma função há o teste de diodo. Ele mede a barreira de potencial do diodo diretamente polarizado, indicando sobre-medição quando o diodo estiver reversamente polarizado. Isso, é claro, assumindo um diodo em boas condições de funcionamento. Com esse teste também é possível testar transistores.

* LED: Esse teste indica se um LED está funcionando. Ele, em geral, é feito colocando o LED diretamente polarizado em um soquete do multímetro e selecionando a opção de teste de LED. Acredito que ele funcione com uma fonte de corrente constante que acende o LED quando polarizado diretamente.


* Ganho do Transistor: Essa função mede o [;h_{fe};], ou seja, o ganho de corrente de um transistor. Ele funciona, provavelmente, pela injeção de uma corrente na base e a comparação desse valor com a corrente de coletor. O problema desse teste é que o ganho nos transistores varia com diversos fatores, como temperatura da junção, corrente de coletor, etc. Então, para maior compreensão desses fatores deve-se consultar o datasheet do componente em questão para saber como ele funcionará dentro de um circuito.

* Frequencímetro: Função que mede a frequência de um sinal alternado ou contínuo pulsante.

* Medidor de Pico-a-Pico: Função que mede o valor de tensão de pico-a-pico de um sinal.

* Capacímetro: Função que mede a capacitância de um capacitor.

* Indutímetro: Função que mede a indutância de uma bobina, ou enrolamentos de fio qualquer.

Enfim, essas funções são as que eu conheço e creio serem as mais importantes. Como tudo na vida, existem várias faixas de preço para multímetros, desde R$30,00 até R$1.700,00 e até mais. Tudo depende da sua necessidade e do dinheiro que você tem para fazer a compra. Para que comprar um equipamento caro, com 15 funções, se você vai usar somente 3? Por isso deve ser avaliado o custo-benefício do investimento na compra do equipamento. E era isso por hoje, abraço, se cuidem e até a próxima! Vlw...

domingo, 13 de novembro de 2011

Indutor: Uma Visão Básica



   Olá a todos os leitores deste blog. Hoje falarei sobre um famoso componente da eletrônica: o indutor. Apesar de sua importância, muitas vezes ele é visto como um coadjuvante da eletrônica, mas garanto que não o é. Ele é um componente passivo chamado reativo. Mas, afinal, o que ele é? Como ele funciona? Essas dúvidas serão respondidas nesse post.

   Fisicamente, o indutor consiste de um fio enrolado, que é conhecido por bobina. Cada volta dessa bobina é chamada de espira. Quando uma corrente elétrica atravessa o fio dessa bobina cria um campo magnético nessas espiras. Dessa forma a energia elétrica é convertida na energia desse campo magnético. Podemos dizer então que a função do indutor é armazenar energia em forma de campo magnético. A capacidade do indutor de criar um fluxo de campo magnético com uma determinada corrente é denominada indutância, e medida em Henrys, cujo símbolo é H, onde:

$$ \Large L = \frac{\phi}{i}$$

Onde:

L é a indutância, medida em Henrys [H];
\(\phi\) é o fluxo magnético, medida em Webers [Wb];
i é a corrente elétrica que atravessa o condutor, medida em Ampères [A];

Por ser constituído simplesmente de um fio enrolado, o seu símbolo nos diagramas esquemáticos é o seguinte:


   O primeiro símbolo é o indutor com núcleo de ar. Núcleo é a parte onde o fio é enrolado. Nesse caso, o fio não é enrolado em nada, ou seja, seu núcleo é de ar. Essa simbologia também é usada para representar um indutor qualquer, quando a informação do tipo de núcleo não é relevante. O segundo é usado para representar o indutor com núcleo de ferro e, o último, para representar os indutores com indutância variável. Eu admito nunca ter visto um desse último tipo, mas em todo caso, é melhor conhecer...

   Enfim, vamos analisar o comportamento do indutor. Quando uma corrente em CC atravessa o indutor, cria nele um campo magnético \(\vec{B}\) em cada espira. O campo formado por cada espira individualmente se soma, criando assim o campo da bobina. Dessa forma são gerados um pólo norte e um pólo sul e a bobina passa a se comportar como um eletroímã. É interessante observar que quando a corrente passa pela primeira espira (por enquanto, apenas pela primeira) do indutor, é gerado um pequeno campo magnético. Essas linhas de campo magnético criadas pela primeira espira cortam as outras espiras, induzindo algo conhecido como Força Contra-Eletromotriz (FCEM). Essa força contra-eletromotriz tenta impedir a passagem da corrente que a criou. Isso gera uma oposição extra a passagem de corrente. Então para o indutor, não temos apenas a resistência ôhmica do fio. Temos também essa FCEM induzida, cuja oposição a passagem de corrente é chamada de reatância indutiva.

   Mas essa oposição se dá devido a variação do campo magnético causado pela variação da corrente no indutor. No exemplo do caso CC, perceba que o indutor só apresenta essa reatância quando a corrente por ele aumenta, que é o momento em que começamos a alimentar a bobina. . Por isso, na corrente contínua, esse efeito logo se cancela e a fonte passa a "enxergar" apenas a resistência ôhmica do fio do enrolamento, que muitas vezes equivale a um curto-circuito. Porém, quando o assunto é corrente alternada, a história é diferente...

   Como na corrente alternada, a corrente está sempre variando (por isso se chama corrente ALTERNADA), esse efeito chamado reatância indutiva não termina. Dessa forma não podemos considerar somente a resistência ôhmica do fio, devemos incluir os efeitos da reatância indutiva. Quanto maior a frequência do sinal aplicado, mais rápida é a variação da corrente e com mais intensidade se dá o fenômeno de oposição a passagem de corrente. A expressão para o cálculo da reatância indutiva é bastante simples, sendo mostrada abaixo:

$$ \Large X_L = 2 \pi f L $$

Onde:

\(X_L\) é a reatância indutiva, medida em ohms [\(\Omega\)];
f é a frequência do sinal, medida em Hertz [Hz;];
L é a indutância da bobina, medida em Henrys [H].

   Mas, fisicamente, o que define a indutância de uma bobina? Vamos responder essa pergunta pensando. A indutância aumenta quando o fluxo magnético aumenta. O fluxo total é a soma do fluxo de cada espira separada. Então, quanto mais espiras tivermos, mais fluxo teremos e, assim, mais indutância. A indutância também aumenta em proporção direta com a área da seção transversal do fio. Ou seja, se o diâmetro aumenta, a indutância aumenta. O núcleo da bobina também faz a diferença. Se enrolarmos a bobina em uma barra de ferrite, que permite facilmente a passagem do campo magnético, teremos um fluxo melhor do campo e, dessa forma, maior indutância. Enrolar a bobina em camadas também aumenta a indutância, pois cada camada ajuda na "somatória" do campo criado independentemente por cada espira.

   Um fator que diminui a indutância é aumentar o comprimento da bobina sem aumentar o número de espiras. Pois, dessa forma, estaremos afastando as espiras entre si, de forma que o campo criada por uma está mais afastado do campo criado pela outra. Assim a soma dos campos se torna mais difícil, o fluxo total final se torna menor e, com isso, a indutância também diminui.

   Isso é basicamente tudo o que precisamos saber por enquanto sobre a construção e o funcionamento dos indutores. Para encerrar, irei falar um pouco de suas aplicações. A principal delas é o transformador, que usa enrolamentos para aumentar ou rebaixar tensões alternadas. Você perceberá que um transformador não funciona com tensão contínua (não faça o teste, pois isso danifica o enrolamento primário do trafo), pois o transformador funciona quando o primário induz uma tensão no secundário. O secundário só irá ter uma tensão induzida quando for atravessado por um campo magnético variável criado pelo primário, e o campo do primário só será variável se a corrente que o atravesse também for. Assim o transformador só funciona com corrente alternada. Quem sabe, futuramente iremos estudar esses conceitos mais afundo...


   Outra aplicação das bobinas são eletroímãs. Eles ocorrem quando passamos uma corrente CC por um indutor. Assim, o campo magnético criado pelo indutor será fixo, apresentando um pólo sul e um pólo norte e se comportando como um imã. Esse princípio é aplicado em trancas acionadas eletronicamente, em relés e até em motores, embora nesse último caso seja de uma forma um pouco diferente. Quem sabe um dia eu fale sobre motores...


   Mas, por enquanto, o melhor que faço é me despedir. Vimos que as bobinas são componentes muito úteis em diversas aplicações. No próximo post eu vou comentar sobre o comportamento da corrente e da tensão na presença de uma reatância indutiva e também sobre a associação de indutâncias. Existe a associação série, paralelo e a indutância mútua, que é quando o campo de uma bobina interfere nas espiras de outra. Enfim, tudo isso é assunto para uma outra hora. Até lá se cuidem e continuem estudando. Abraço!


quarta-feira, 9 de novembro de 2011

Por que me abandonaste?

Ó sono, por que me abandonaste? São exatamente 2h48min e eu estou escrevendo este post. Por quê? Por que o sono me abandonou no meio da noite, então resolvi fazer algo melhor do que desperdiçar minha vida na cama rolando de um lado para o outro. Deixe-me ver sobre o que vou falar...

Ahhh, ontem (ou hoje, já nem sei mais...) o blog atingiu um record de visualizações em um dia: 197!!! Uma marca histórica para este blog que já conta com mais de 21000 acessos. Quem diria que isso aconteceria quando eu comecei a escreve-lo. Será que este "sucesso" se dá pelo fato de haver poucos blogs sobre ciência e tecnologia frente ao número de blogs sobre literatura, música, etc? Quem sabe...

Dia 11 de dezembro eu tenho uma das mais temidas provas da vida estudantil do aluno: o vestibular. Irei prestar para o curso de engenharia de automação e controle. Devo confessar que não estou nem um pouco nervoso. Isso não se deve a nenhuma certeza utópica sobre o fato de eu passar. Deve-se simplesmente ao fato de eu ser um cara que não me preocupar muito com esse tipo de coisa...

Odeio dias, ou melhor, noites, em que perco o sono... Por que ele sempre volta bem na hora em que eu deveria estar acordando... Acho que isso se deve a Lei de Murphy...

Por que eu fiz este blog? Pois eu comecei a fazer um curso técnico sobre eletrônica, fato que eu já comentei algumas vezes aqui. Nessa mesma época eu li uma pesquisa que alunos que mantém um "diário" sobre os conteúdos que aprendem em cursos, ou na escola, aprendem melhor que o normal. Então resolvi testar para ver se funciona mesmo. Meu veredicto? Ajuda, pois sempre que eu escolho um assunto para postar aqui eu busco informações mais profundas sobre ele. Eu procuro entender mais e melhor os assuntos que trato aqui. Então acabo aprendendo um pouco mais. Recomendo a técnica para todos que tem dificuldade ou querem melhorar em alguma matéria.

Havia uma aranha no meu quarto. Eu tenho medo delas, mas a que tinha aqui era relativamente pequena. Então eu peguei o chinelo. Daí tive que encarar a típica reflexão filosófica que eu sempre faço quando vou tirar a vida de um ser. Qual era meu direito de tirar a vida daquele ser? Eu vi a aranha, então se eu a deixasse ir e ela picasse alguém, seria tudo culpa da minha negligência. A aranha estava parada. Por outro lado, existem diversos insetos que transmitem doenças, e a aranha poderia estar destinada a se alimentar de alguns deles, evitando assim a disseminação de alguma doença. A aranha ainda estava parada. O que eu devo fazer? Ela está se mexendo, vai ir embora! Hora de decidir rapidamente. Pego o chinelo e... fim. Simples assim. Será que a aranha tinha alguma noção que sua vida estava nas mãos de outro ser? Que este ser tinha o poder de decidir se ela viveria ou não?

Mas o homem é assim, não é? Seja pelo simples descer do chinelo ou apertar do gatilho, o homem sempre gostou de brincar de Deus. Sempre gostou de decidir quem vivia e quem morria, conforme seus objetivos mesquinhos. Parece que isso é algo intrínseco a natureza humana...

Mas do que eu tava falando mesmo? Ah é, reflexão filosófica. Se eu falei coisas que fazem sentido, agradeço por alguém estar lendo isso. Se eu falei um monte de baboseiras sem sentido, me perdoem. Não é culpa minha. Como eu disse antes, eu perdi o sono, então posso estar simplesmente sonhando acordado...

Agora, que são 3h19min eu vou voltar para a cama, para tentar recuperar um pouco do sono perdido...

Introdução ao Diodo Zener


   Olá a todos. Hoje vamos falar desse carinha especial que é o diodo zener. O que ele é? O que ele faz? Como ele faz? Todas essas informações valiosas você encontra aqui, no melhor blog de eletrônica do Brasil! (ahhhh, eu tenho que vender meu peixe né gente!)...

   O diodo zener (nomeado em homenagem ao cientista norte-americano Clarence M. Zener) é um diodo de aplicação especial projetado para operar no que se chama de "região zener". Ele é especialmente dopado para operar acima da região de ruptura reversa. Mas, antes de analisar esses detalhes de sua construção, vamos estudar seu funcionamento. E, para começar tal análise, vamos olhar para sua curva característica.


   Veja que, quando polarizado diretamente ele se comporta como um diodo comum, dando a queda de 0,7 V usual dos diodos de silício. A questão é que quando ele é polarizado reversamente ele tenderá a segurar uma tensão reversa chamada de tensão zener. Vamos analisar melhor esse fato estudando a montagem abaixo:





   Imagine que temos um diodo zener de 12 V, um resistor em série de 1 K e que a fonte de tensão \(V_{in}\) tenha uma tensão variável de 0 a 30 V, por exemplo. Começando com a fonte em 0 V e aumentando, nada acontece antes de chegar nos 12 V. Isso pois o diodo zener vai estar reversamente polarizado, segurando para si toda tensão e não haverá circulação de corrente no circuito. Quando a tensão passar de 12 V o diodo zener começa a conduzir mesmo estando reversamente polarizado. Suponha uma tensão de 15 V na fonte \(V_{in}\). Em cima do diodo zener estará a tensão zener, que é de 12 V. Os outros 3 V restantes estarão sobre o resistor R, que dissemos ser de 1000 Ohms, por exemplo. Assim, uma tensão de 3 V sobre um resistor de 1 K nos dá uma corrente de 3 mA. Se a tensão aumentar para 20 V, em cima do zener ainda estarão os 12 V, estando os 8 V restantes sobre o resistor. Assim a corrente que circulará pelo circuito será de 8 mA. Chegando, por fim, ao extremo máximo da fonte, estaremos aplicando 30 V sobre todo o circuito. Em cima do zener ainda estarão os mesmo 12 V, estando os 18 V restantes sobre o resistor de 1 K, por onde circula uma corrente de 18 mA.

   Ou seja, o diodo zener tem a capacidade de reter para si uma tensão, chamada de tensão zener, desde que ele seja ligado em série com um resistor e sobre esse conjunto seja aplicada uma tensão maior que a tensão zener.

   Por que ele deve ser ligado em série com um resistor? Pois o diodo zener irá reter para si a tensão zener. A tensão que sobra, ou seja, esse excesso de tensão deve ser "absorvido" por outro componente, que, nesse caso, é o resistor em série.

   Por que a tensão no conjunto (ou seja, na série) deve ser maior que a tensão zener? Pois o diodo zener não tem como segurar 12 V, por exemplo, se não houver 12 V para serem segurados. O mesmo se aplica a qualquer diodo zener de qualquer tensão. Deve ser aplicada uma tensão maior que a zener para que o diodo segure a tensão zener, jogando o excesso para o resistor. Como regra geral, para uma boa regulação zener, deve ser aplicada sobre a série uma tensão de, no mínimo, 20% maior que a tensão zener. Ou seja, com um diodo zener de 12 V devemos aplicar na associação série uma tensão de, no mínimo, 14,4 V. Dessa tensão, 12 V ficarão no diodo zener e os 2,4 V restantes no resistor.

   O que acontece se ligarmos o diodo zener sem o resistor série? Pense que, quando a tensão excede o valor de tensão zener, o diodo passa a conduzir intensamente. A única coisa que limita a corrente do circuito é o resistor em sére. Assim se aplicarmos uma tensão superior a tensão zener sobre um diodo zener sem um resistor em série ele irá se danificar devido ao excesso de corrente que irá fluir por ele. Por isso o resistor em série tem grande importância nos circuitos com zener.

   Quais são as outras características do zener? Bem, como ele segura uma tensão em cima dele, e por ele circula uma corrente elétrica, existe uma potência dissipada. Assim, existe dois fatores que devem ser levados em conta ao comprar um diodo zener: a tensão zener e a potência nominal. Por exemplo, existe um diodo zener chamado 1N4742A. Sua tensão zener é de 12 V e a potência nominal é de 1 W. Dividindo a potência pela sua tensão zener, descubriremos a corrente máxima que ele suporta: 83,3 mA. Para maior durabilidade dos componentes usamos um fator de segurança 2. Isso quer dizer que se o diodo suporta, no máximo, 83,3 mA, nós usaremos, no máximo, metade disso. Então, a corrente que usaríamos seria de 41,6 mA. Isso garante que o diodo zener, por operar com bastante "folga", dure muito tempo em ótimo estado de funcionamento.

   Porém falamos até agora de um diodo zener ideal, ou seja, não importa a tensão em sua malha, sua tensão é sempre exatamente igual a tensão zener. Mas, porém, entretanto e todavia, um diodo zener ideal não existe. Isso por que o diodo zener possui um determinado valor de resistência de corpo, ou seja, a resistência que ele apresenta para a corrente que passa através dele. Então, conforme passa corrente por ele, a tensão que fica em cima dele é a tensão zener mais o produto dessa corrente por sua resistência de corpo, ou seja:

$$ \huge V_D = V_Z + I \times R_B $$

onde:

 \( V_D \)é a tensão sobre o diodo zener;

 \( V_Z \)é a tensão zener;

 \( I \)é o valor da corrente elétrica que atravessa o diodo;

 \( R_B \)é a resistência de corpo que o diodo apresenta.

   Em geral a resistêcia de corpo é baixa, apresentando assim uma pequena variação na tensão zener. Então a fórmula que nos permitia calcular a corrente com um diodo zener ideal, que era:

$$ \huge I = \frac{V_{cc} - V_Z}{R} $$

   Transforma-se na seguinte fórmula, que nos permite calcular a corrente em um circuito considerando um diodo zener real que possui resistência de corpo:

$$ \huge I = \frac{V_{cc} - V_Z}{R + R_B} $$

  Deixe-me dar um exemplo, para ilustrar a ideia com números. O datasheet do diodo 1N4742A informa que a resistência de corpo do diodo é de 9 Ohms. Supondo uma tensão de 30 V aplicada sobre o diodo em série com um resistor de 1000 Ohms a corrente ideal, já calculada por nós, foi de 18 mA. Usando a fórmula do diodo ideal, vamos ter uma corrente um pouco menor, de 17,8 mA. A variação foi baixíssima, mas é sempre bom saber que ela existe, até para entender melhor o funcionamento do componente. E perceba que quanto menor o valor do resistor em série, mais significativo se torna a resistência do diodo. Quanto maior a corrente absorvida pelo zener, maior se torna a diferença também. Se usarmos a corrente máxima nominal do diodo zener 1N4742A, que é de 83,3 mA, a tensão sobre o zener passa de 12 V para 12,75 V. Essa tensão extra é a tensão segurada pela resistência de corpo [9 Ohms] com a corrente nominal [83,3 mA].

   O diodo zener é excelente para manter uma tensão fixa de referência em algum ponto do circuito. Seu único problema é que por ele não pode circular muita corrente. Isso limita alguns de seus usos, embora existam diodos zener que suportem correntes maiores.

   E agora que entendemos o funcionamento do diodo, eu encerro esta postagem. No próximo post eu quero falar mais dos mecanismos de funcionamento do diodo zener, que são o efeito avalanche e o efeito zener. Também queria até falar um pouquinho sobre o Clarence Zener, mas aí já não prometo nada. Mas, enfim,  isso é assunto para um futuro próximo. Até lá, se cuidem e estudem bastante.

quinta-feira, 3 de novembro de 2011

Iluminação Ep. 2: O que é luz?


Olá a todos! Recapitulando o último "episódio", a humanidade descobriu a fogueira e os benefícios da luz. Perceberam as vantagens de dominar algumas técnicas da iluminação artificial. E este campo se desenvolveu muito com o tempo, mas quero lançar uma pergunta seca: o que é luz? O que é está entidade misteriosa chamada LUZ??? Bem, talvez seja importante responder essa pergunta antes de continuarmos essa nossa jornada.

A luz, na forma como conhecemos blá blá blá... comprimento de onda blá blá blá... radiação eletromagnética blá blá blá... quanta linguagem científica na Wikipédia. Para evitar esse tipo de formalismo eu vou fazer algo "all by myself" ;)

O que seria a luz? Primeiramente pensou-se na luz como uma onda, como a que se forma quando você joga uma pedra em um lago. Isso pois uma vela colocada no meio de uma sala espalha sua luz por todas as direções, então era bastante intuitivo pensá-la como uma onda. Porém todas as ondas conhecidas na época precisavam de um meio para ser transmitida. Pense na voz humana: ela é uma onda que se desloca por um meio, o ar. A onda do lago, que eu citei como exemplo, necessita da água para sua propagação. Porém entre o Sol e a Terra só existe vácuo. Então, qual seria o meio de propagação da luz?

Então foi criada a teoria do éter, que seria uma espécie de "substância" que permearia todo o universo e serviria de meio para a luz se propagar. Outras pessoas, ao invés de adotar a teoria do éter, adotaram um ponto de vista muito mais radical: que a luz não seria uma onda, e sim pequenas partículas. Essa linha de pensamento é conhecida por teoria corpuscular da luz, e foi defendida por Sir Isaac Newton. Ela resolvia o problema da necessidade do éter, mas era difícil conceber a luz na forma de partículas.

Mas pulando essa parte histórica e atravessando alguns séculos de progresso da ciência, finalmente descobriu-se o que a luz era de fato. A luz é uma onda eletromagnética que se propaga por pequenas partículas chamadas fótons. Ou seja, a luz não era nem bem onda, nem bem partícula, mas uma estranha entidade que exibe alguns comportamentos de onda e alguns outros de partícula.

A luz possui algumas particularidades de onda, como por exemplo, possui frequência e comprimento de onda. A frequência (e, logo, o comprimento de onda, pois sabemos que eles se relacionam) determina a cor da luz. Por exemplo, uma onda eletromagnética com um comprimento de 700 nanometros ativa células nos nossos olhos e nos fazem perceber a luz vermelha. Já outra onda com comprimento de 400 nanometros nos faz perceber a luz violeta. A luz branca corresponde a uma soma de várias ondas de luz de diversas frequências, ou seja, a luz branca é composta por todas as outras. Uma prova empírica disso é o arco-íris. Ele ocorre quando um raio de luz do sol (que é uma luz branca) é refletido pelas gotas de água. Então ocorre a separação das diversas frequências de faziam a composição da luz original. Essa experiência pode ser feita usando luz do sol e um prisma, como mostra a imagem abaixo.


Mas só existe a luz que podemos ver? Não mesmo!!! Existem diversas frequências abaixo do vermelho (como infra-vermelho, microondas, ondas de rádio) e acima do violeta (como o ultra-violeta, raios X, raios gama, etc.). Conforme a frequência aumenta, mais energia estará associada a onda. Conforme a energia aumenta, mais danosa se torna a onda eletromagnética para o ser-humano. As ondas ultra-violetas, por exemplo, já possuem energia suficiente para causar queimadura de pele, que é um mal que todos nós conhecemos, podendo causar inclusive câncer de pele. Por isso é importante passar filtro solar... mas isso já é outra história...

E por fim, como eu gosto de dados objetivos, a fórmula que nos permite calcular a energia de um fóton é dada a seguir:

[;E=\frac{h.c}{\lambda};]

onde:

* E é a energia do fóton dado em Joules;
* h é a Constante de Planck, que é igual a [;6,626.10^{-34}J.s;];
* c é a velocidade da luz no vácuo, também constante, e equivalente a 299792458 m/s;
* [;\lambda;] é o comprimento de onda, medido em metros.

E era isso por hoje. Fiquem atentos para o próximo capítulo da nossa série de iluminação, com um tema que eu ainda não faço nem ideia do que será. Até lá, abraço e se cuidem. ;)