Regulador de Tensão Com Transistores I

Olá a todos. Hoje inicio uma nova "metodologia" de estudo da eletrônica aqui no blog. Hoje aprenderemos discutindo e comentando o funcionamento dos circuitos, começando por um regulador de tensão com transistores. O circuito em questão é o da figura abaixo:

Este é um regulador de tensão apresentado no livro "Projetos de Circuitos com Transistores", escrito em 1963 pela Texas Instruments Incorporated, que criou o livro para os engenheiros a projetar usando a nova tecnologia do transistor. Claro que hoje algumas coisas poderiam parecer triviais, mas, naquela época, não eram. Este circuito fornece uma tensão de saída de 30V, desde que sua entrada possua uma tensão contínua e não-regulada entre 37,5 e 70V. A corrente máxima na saída é 400mA, ele opera em temperaturas entre -50 e 125°C e possui menos de 0,5 ohms de resistência na saída. Claro que essas características e limites máximos dependem da escolha específica dos componentes, que não abordarei aqui. O importante aqui é entender como este circuito funciona.

Primeiro, vamos dar nomes aos bois. O diodo zener D2 possui uma tensão zener de 3,3V, enquanto o diodo zener Z1 possui uma tensão zener de 6,2V. O transistor Q1 deve aguentar uma tensão entre coletor e emissor de, no mínimo, 40V. Pois, se considerarmos a entrada como sendo máxima (70V) e a saída sendo o valor nominal (30V), a diferença de 40V ficarão sobre esse transistor. A corrente que este transistor deve aguentar deve ser os 400mA que uma carga pode consumir mais a corrente que polariza o divisor de tensão e o diodo zener D1. Um transistor que conduza, sem problemas, 500mA seria suficiente nesta aplicação. Para visualizar o circuito em funcionamento, sugiro que use um simulador. Se não tiver nenhum, sugiro que use o simulador em JAVA on-line do Falstad no site http://www.falstad.com/circuit/.

Na entrada existe um divisor de tensão entre o Zener e o resistor de 5,1K. A tensão do zener é 3,3V. Descontado 0,7V da perda de tensão entre a base e o emissor do transistor PNP Q4, teremos 2,6V sobre o resistor R4, de 1K. Como essa tensão é fixada pelo zener, e a resistência também possui um valor fixo, a corrente que passa por R4 também será sempre constante em 2,6mA. Esta corrente passa pelo emissor-coletor de Q4 e "alimenta" a base do par darlington formado por Q1 e Q2. Supondo um ganho de 50 em cada transistor, o ganho total do par darlington será de 2500. Se o transistor Q1 estiver conduzinho a corrente máxima de 400mA, a corrente que entrará na base de Q2 será 2500 vezes menos, ou seja, de apenas 160uA. Quanto maior o ganho desses transistores, menor a corrente que entrará na base do primeiro.

Guarde isso na cabeça e vamos mudar um pouco o foco da análise. Vamos analisar o divisor de tensão na saída, formado por 2 resistores e um potenciômetro (melhor seria utilizar um trimpot). O terminal central do potênciômetro está ligado na base de um transistor NPN, o Q3. No emissor de Q3 existe um zener de 6,2V. Ou seja, a tensão no emissor será constante em 6,2V. Como há uma queda de tensão de 0,7V entre a base e o emissor, podemos dizer que a base está 0,7V acima dos 6,2V que existem no emissor. Ou seja, a tensão na base será constante em 6,9V. Vamos supor um trimpot de 500 Ohms exatamente na metade, ou seja, em 250 Ohms para cada "lado". Então a tensão de 6,9V estará sendo aplicada no resistor R2 de 1K em série com metade da resistência do trimpot, 250 Ohms. Dessa forma teremos 6,9V sobre uma resistência total de 1250 Ohms que resulta em uma corrente de 5,52mA. Como muito pouco dessa corrente está entrando pela base do transistor Q3, podemos supor os mesmos 5,52mA passando pela resistência de cima, que é 4,7K em série com a outra metade do trimpot, que resulta em 4950 Ohms. A corrente de 5,52mA sobre esse valor de resistência resulta em uma tensão de 27,32V. A tensão total no divisor completo é os 27,32V de cima somados com os 6,9V de baixo. A tensão total no divisor é, portanto, 34,2V. Como a saída está em paralelo com esse divisor, a carga receberia essa mesma tensão de 34,2V.

Para ajustar em 30V, teremos que botar na parte inferior do trimpot uma resistência de 413 Ohms. Com isso teremos os 6,9V sobre 1413 Ohms que resulta numa corrente de 4,88mA. Considerando essa mesma corrente sobre os 4787 Ohms da parte de cima do divisor, teremos uma tensão de 23,36V que, somada a tensão de 6,9 da parte inferior resulta numa tensão de 30,26V na saída.

O que acontece se a tensão na saída tentar subir? Se a tensão na saída subir, existirá mais tensão sobre o divisor de tensão formado pelos resistores + trimpot. Se a tensão sobre esses resistores aumentar, a corrente aumenta. Mas como a tensão na parte inferior do divisor é fixa e determinada somente pelo zener, a corrente nessa parte também deve ser fixa. Se a corrente aumenta, mas a corrente nessa parte é fixa, para onde vai a corrente? Para a base de Q3. Se há mais corrente na base de Q3, a condução coletor-emissor desse transistor aumenta, aumentando a corrente que passa por ele. Lembre-se que a corrente que passa por Q4 também é fixa. Se uma parte maior dessa corrente passa por Q4, sobra menos corrente para entrar na base do par darlington em Q2. Se entra menos corrente na base desse transistor, o transistor Q1 conduz menos. Se ele conduz menos fica mais tensão sobre ele e sobra menos tensão na saída. Resumo da ópera: Se a tensão tentar aumentar, o circuito vai ser realimentado negativamente e a tensão vai ser forçada a baixar, estabilizando-se.

E o que acontece se a tensão na saída tentar decair? Se a tensão na saída baixar, existirá menos tensão sobre o divisor de tensão formado pelos resistores + trimpot. Se a tensão sobre esses resistores baixar um pouco, a corrente abaixará um pouco também. Como a corrente na parte inferior desse divisor é fixa, significa que entrará menos corrente na base de Q4. Menos corrente na base significa menos condução entre coletor-emissor. Se a condução desse transistor baixar, mais corrente entrará na base de Q2 e, com isso, o par darlington passa a conduzir mais também. Se o transistor Q1 conduz mais, fica menos tensão sobre seus terminais emissor-coletor e sobra mais tensão na saída. Ou seja: Se a tensão tentar decair, o circuito vai ser realimentado negativamente e a tensão vai ser forçada a subir, estabilizando-se.

Vamos falar de alguns componentes não comentados na explicação. O resistor R3 de 6,2K serve para polarizar o diodo zener D1. Considerando a tensão na saída 30V e sabendo que sobre o zener ficará somente 6,2V, podemos inferir que a tensão sobre esse resistor seja de 23,8V. Com isso passará por ele uma corrente de 3,8mA, que é suficiente para fazer o diodo zener "funcionar". Este resistor, em resumo, garante que o diodo zener esteja polarizado de forma independente a corrente que passa por Q3.

O capacitor C6 e o resistor R6 são os únicos componentes que eu não entendi o que fazem neste circuito. Vamos ver o que o livro fala sobre eles:

"O capacitor de 0,01uF ligado do coletor para a base de Q3 foi acrescentado para evitar instabilidade de alta frequência. R6 também foi acrescentado para fornecer um percurso para as correntes de fuga e permitir a operação normal com baixas correntes de carga." Até que faz sentido!

O circuito, na simulação, se comportou muito bem. No simulador montei o circuito sem o capacitor. Lembrando que na simulação os componentes são, de certa forma, todos ideais. Acredito que com a figura, mais minha explicação e ainda somado com uma simulação em software, fique tranquilo para entender o funcionamento desse circuito. Qualquer dúvida, os comentários servem para isso. Sugestão? Os comentários servem para isso também. Eu errei alguma coisa? Me avisem pelos comentários.

Para o próximo post, trarei um outra fonte com transistores que é mais simples. Agora fica a pergunta: Qual o motivo de começar pelo mais difícil? Sei lá. Eu já tinha feito a post quando me lembrei que tinha outra fonte dessas muito mais simples. Enfim, c'est la vie! Abraço, se cuidem e até a próxima. ;) Talvez eu demore um pouco até a próxima pois estou lendo o livro "Análise e Projeto de Fontes Chaveadas", de Luiz Fernando Pereira de Mello. Quem sabe não tiro umas idéias de lá. :P

Classes de Engenheiro

Olá. Você sabe o que é carreira em Y? Não? Então vou lhe explicar: É um plano de carreira destinado aos profissionais da área técnica, como os engenheiros, que não querem receber promoções administrativas, passando a exercer funções gerenciais. A carreira em Y permite ao engenheiro continuar subindo na empresa, mas sempre exercendo atividades técnicas.

Porém muitos reclamam que é muito difícil ser promovido no plano de carreira em Y. Então foi criado um artigo na internet explicando o que um profissional deve fazer para obter sucesso na carreira em Y. Dessa forma os engenheiros foram divididos em 8 classes, separados por suas funções e habilidades técnicas. Este guia mostrará o que diferencia esses profissionais e você saberá se tem o que é necessário para ser promovido na sua empresa. Como este artigo trata, como exemplo, de uma grande empresa de aviação, aqui se fala de engenheiros relacionados a construção de aeronaves. Mas os conceitos se aplicam a qualquer empresa que possua o plano de carreira em Y.

Cargo: Engenheiro Classe I
O que fazer: Engenheiro ainda novo na empresa, muitas vezes recém formado. Você irá, provavelmente, exercer funções de estagiário.
Requisitos: Ser formado ou estar concluindo o curso de engenharia.
Salário: R$2.000,00~R$2.500,00

Cargo: Engenheiro Classe II e III
O que fazer: Faça seu dever, cumpra seus prazos, fique algumas vezes depois do horário, faça cursos de aperfeiçoamento e seja sociável quando trabalhar em equipe. Você provavelmente terá que destruir plantações de pepino (destruir plantações de pepino = resolver problemas).
Requisitos: Inglês é obrigatório. Conhecimentos em outras línguas são desejáveis.
Salário: R$3.082,00~R$R$4.744,00

Cargo: Engenheiro Classe IV
O que fazer: Faz tudo o que o anterior faz e ainda mata um leão por dia (leão = um grande problema). Possui uma carga horária de 12 horas diárias. Ele é responsável por 10% de projetos grandes, como a construção de uma aeronave comercial tipo jato regional de 50 lugares.
Requisitos: Inglês, francês e alemão são obrigatórios.
Salário: R$4.934,00~R$6.003,93

Cargo: Engenheiro Classe V
O que fazer: Faz tudo o que o anterior faz e ainda lida com um dragão (um problema enorme) por semana. Possui uma carga horária diária de 16 horas sem direito a feriados. Ele é responsável por 25% de projetos como uma aeronave do tipo jato comercial de 100 lugares.
Requisitos: Inglês, francês, alemão, japonês, italiano e espanhol são obrigatórios.
Salário: R$6.004,93~R$6.010,00

Cargo: Engenheiro Classe VI
O que fazer: Tudo o que o outro faz e além disso, mata um leão por hora, um dragão por dia e lida com um alien (um problema de outro mundo) por semana e mais uma área equivalente a meio globo terrestre em plantações de pepino. Sua carga horária diária chega a 20 horas. Este profissional é responsável por 75% do projeto e 25% da construção de uma aeronave tipo jato de passageiros com 100 lugares.
Requisitos: Inglês, francês, alemão, japonês, italiano, espanhol, aramaico, latim, javanês, mandarim e vietnamita são obrigatórios.
Salário: R$6.011,93~R$6.022,93

Cargo: Engenheiro Classe VII
O que fazer: Tudo o que o anterior faz. A diferença é que agora os dragões e os leões fogem de você. Você então terá que caçá-los em outras dimensões e planetas. Uma área equivalente a uma estrela classe 5 (exemplo: Sol) em plantações de pepinos adicionados de três aliens e um predador (problema impossível de ser resolvido) por dia. Carga horária diária de 25 horas. Suas funções incluem 100% do projeto e 50% da construção de aeronaves do tipo jatos de passageiros com 400 lugares.
Requisitos: Inglês, francês, alemão, japonês, italiano, espanhol, aramaico, latim, javanês, mandarim, vietnamita, pascal, fortran, BORG e todas as outras 13.500 línguas e dialetos que o C3PO fala no filme Star Wars são obrigatórios.
Salário: R$6.022,93~R$6.030,93

Cargo: Engenheiro Classe VIII
O que fazer: É o cargo máximo da empresa (e do Universo!) e você será considerado como o mestre do Universo. Você terá o poder sobre a vida e a morte dos seres. Logo, você não precisa mais matá-los, mas simplesmente desejar que os problemas se resolvam ou criar novas leis da física que os resolvam. Você irá perdoar a todos. Será onisciente, onipresente e onipotente. Sua carga horária na fábrica não irá mais importar, pois, para você, o tempo e o espaço não existem mais. Deverá ser responsável por 100% do projeto e da construção de uma espaçonave classe StarDestroyer para 500 tripulantes (como a ex-USS ENTERPRISE) em sete dias. Você não precisa dar ordens faladas. Você apenas pensa e as pessoas entendem por telepatia, e vice-versa.
Requisitos: ???
Salário: R$6.030,93~R$6,043,93

E seguindo esses passos, você poderá passar de um simples estagiário a Master of the Universe. Simples, não? ^^

Falstad - Analog Circuit Simulator Applet

Olá a todos. Hoje eu quero falar sobre uma novidade interessantíssima que eu descobri. Um simulador de circuitos online em java. Sinceramente, foi o software mais legal que eu já vi até hoje sobre eletricidade, circuitos, etc.

O criador se chama Paul Falstad. Ele possui diversos aplicativos em Java para ensino de física e matemática. Você pode dar uma olhada na lista de aplicativos em seu site "aplicativos para matemática, física e engenharia":

http://www.falstad.com/mathphysics.htm

Eu não cheguei a olhar todos. Mas os que eu vi, eu adorei!

Mas eu queria falar mesmo de um aplicativo em particular: o simulador de circuitos. Este aplicativo pode ser encontrado no link abaixo:

http://www.falstad.com/circuit/

O site abrirá automaticamente uma janela do java com um circuito LRC demonstrativo. Logo de cara você vê que o aplicativo possui cor para ilustrar a tensão, mostra graficamente também a corrente e é possível habilitar a opção para ele lhe mostrar a potência dissipada graficamente. Se você não quer "poluir" visualmente seu circuito, você pode desabilitar essas cores. Mas como saber as informações então? É só colocar o mouse sobre um componente que o app lhe informa a corrente, tensão, potência e ainda outras características do componente em questão. E para os amantes dos gráficos, é possível pedir para ele mostrar a tensão e corrente dos componentes numa "tela de osciloscópio", e ainda por cima é possível traças figuras de Lissajous.

Uma vez cansado do circuito demonstrativo, você pode ir à opção circuitos e analisar dezenas de circuitos prontos. Esses circuitos vão desde exemplos que demonstram a Lei de Ohm, ou o Teorema de Thevenin, até circuitos que mostram como um amplificador operacional funciona por dentro! Todos esses circuitos passam pelas muitas áreas da eletrônica, como a eletrônica analógica, digital, potência, etc. Há, inclusive, circuitos que demonstram como é feito a transmissão de energia até nossas casas.

E quando você brincar e aprender com todos os circuitos prontos, ou simplesmente se cansar deles, você tem a opção de criar seus circuitos. E as opções são variadas nesse caso. Variedade de resistores, capacitores, indutores, diodos, transistores, JFET, MOSFET, 555, amplificadores operacionais, portas lógicas e outros tantos que seria muito cansativo citar. Eu aprendi muito sobre circuitos que eu não entendia muito bem como funcionavam nesse aplicativo.

Realmente, esse aplicativo é útil tanto para quem está aprendendo eletricidade na escola quanto para quem já conhece a área da eletrônica. De fato, um trabalho muito bem feito. E é possível aprender sobre muitas outras coisas com os outros aplicativos. É possível aprender sobre campos magnéticos, ondulatória,  acústica, entre muitas outras coisas. Vale a pena dar uma olhada. E, como sempre, me despeço de vocês falando para vocês estudarem. :) Mas nunca foi tão divertido estudar...Até a próxima e se cuidem! ;)

Movimento Pró-Tau

Olá a todos. Hoje gostaria de falar pra vocês sobre um movimento que está acontecendo na matemática mundial faz algum tempo. A ideia de trocar a constante matemática pi () por outra constante: o tau (). Por definição o tau vale duas vezes o valor do pi, ou seja, aproximadamente 6,2831. Mas, qual a vantagem disso?

Todos nós nos lembramos de alguma chata (porém querida) professora de matemática que insistia que, ao chegar em um resultado com fração, nós simplificássemos ele ao máximo, obtendo uma fração irredutível. Fomos de certa forma ensinados que a solução simples é "mais correta" que a solução complicada. Muitas das pessoas que visitam este blog (que provavelmente gostam de eletrônica, etc.) vão concordar que o simples é melhor. Se pudermos obter uma solução de duas formas diferentes, tanto em matemática quanto em projetos técnicos, é preferível optar pela simplicidade. A simplicidade é bonita, elegante e econômica e, por isso, deve ser almejada. Gostaria até de citar uma frase que escuto bastante: Simplicidade é o que há de mais sofisticado.

Agora vamos lembrar um pouco de trigonometria e de ângulos em radianos. O círculo completo vale radianos. Se tivermos um ângulo de 180 graus, ou seja, meio círculo, obtemos radianos. Um ângulo de 90°, correspondendo a um quarto de círculo, vale radianos. Se definirmos o como sendo , ocorre uma simplificação incrível. Um círculo completo se torna . Meio círculo? . 1/35478 de círculo??? Sem problemas, é !!! Isso poderia simplificar o estudo de trigonometria, pois é mais intuitivo entender 1 círculo como sendo 1 unidade de alguma constante (), do que entender como sendo 2 vezes a unidade de outra constante (o ).

Outra aplicação trigonométrica é na função seno e cosseno. O período dessas funções é definido como . Utilizando o tau na representação gráfica, vemos que o período delas se torna , o que, de novo, parece mais intuitivo na compreensão dessas funções.

No cálculo do perímetro do círculo também há uma simplificação. A expressão:

se torna

A expressão da área, porém, fica um pouquinho mais complicada. Ela passa de:

para

Porém não aparece só em trigonometria, mas sim em diversos processos cíclicos e periódicos. Vamos tomar exemplos da área de eletrônica. As fórmulas usadas para calcular a reatância capacitiva e indutiva em função da frequência são:

e

Utilizando o tau, obteríamos formas simplificadas dessas expressões, como:

e

O que, visualmente, deixa a expressão mais limpa.

Mas o que incentivou a criação do tau? O pi, que é a "constante do círculo", é definido como a razão entre a circunferência e o diâmetro de um círculo qualquer. Os defensores do tau argumentam que é melhor definir a constante do círculo a partir de sua circunferência e de seu raio. Pense: qual a ferramenta mais antiga para traçar círculos? O compasso. No compasso traçamos um círculo a partir de um certo raio pois, colocamos a ponta no centro do círculo e o grafite na circunferência. A medida do centro até a circunferência é o raio. Então, se definíssemos a constante do círculo como sendo a razão da sua circunferência pelo seu raio, obteríamos: !

Algumas pessoas podem argumentar que a matemática não muda, ou que está sendo promovida uma "reforma ortográfica" na matemática. Gostaria de esclarecer algumas coisas:

As ideias matemáticas "não mudam", elas evoluem. Teoremas provados certos por métodos lógicos válidos serão corretos para sempre. Um exemplo disso é o teorema de pitágoras, provado uns 2300 anos atrás e ainda válido. Embora as ideias matemáticas não mudem, a simbologia matemática é algo que muda. Desde o começo da história da matemática mudaram-se o sistema de base de numeração (sexagesimal, vigesimal, decimal), o modo como escrevemos os números (romano, números indo-arábicos) e a simbologia em si. Se você tiver a oportunidade de ler os tratados dos matemáticos do século XVII verá diversos símbolos que não são mais usados, por não serem considerados simples. Um exemplo disso é o Philosophiae Naturalis Principia Mathematica de Newton. Embora Newton tenha descoberto o cálculo primeiro, a notação simbólica que usamos hoje no cálculo é mais próxima de Leibiniz que de Newton. Símbolos como o de conjunto vazio foram inventados somente em 1937. Ou seja, alguns aspectos da simbologia matemática são, historicamente falando, muito recentes. Isso é muito diferente da visão que a maioria dos alunos tem da matemática: algo estático, que sempre foi assim e sempre será assim.

E, como é de se imaginar, outras mudanças também sofreram oposição. Você consegue se imaginar calculando com numerais romanos? Mesmo que consiga, você vai concordar que é muito mais difícil que calcular com nosso sistema indo-arábico. Mas, quando nosso sistema atual foi apresentado à Europa (no início do século XIV, se não me engano), também sofreu forte oposição. É compreensível que, embora mais complicado, as pessoas estavam acostumadas com aquele sistema e que levaria um tempo até a adaptação.

Acredito que a mesma coisa acontecerá aqui. Há vantagens na adoção do tau, como a praticidade de certos cálculos. Mesmo assim estamos acostumados com o "sistema pi", e é compreensível que levará um tempo até nos acostumarmos. No fim das contas, acho que adotaremos o tau. Enquanto isso não acontece, tau e pi convivem lado a lado, em harmonia, mas com uma certa rivalidade. Mas, matematicamente falando:



E você, o que acha?
* Para saber mais, procure no youtube pelo vídeo "Pi is (still) Wrong", da "mathemusician" Vi Hart.
* Você também pode procurar no google por um artigo chamado "Tau Manifesto", escrito pelo físico teórico Michael Hartl Ph.D.

Obs. Tanto o texto quanto o vídeo indicado acima estão em inglês.
Se cuidem e até a próxima.

Analógico vs. Digital

Vamos dar uma de dicionário (de novo) para esclarecer os termos analógico e digital.

Eletrônica Analógica: Antes de tudo vamos definir eletrônica. :)

Eletrônica: É a ciência que estuda o comportamento dos circuitos eletrônicos. Como essa definição foi meio circular, convém explicar o que é um circuito e definir quais circuitos são eletrônicos.

Circuito: É um caminho fechado para a corrente elétrica, onde ela pode sair de uma fonte geradora e, após realizar seu percurso, voltar para o mesmo ponto. São exemplos de circuitos elétricos uma lâmpada incandescente, um chuveiro, etc.

Circuito Eletrônico: Ao exemplificar os circuitos elétricos, eu citei a lâmpada incandescente e o chuveiro. Esses são exemplos de circuitos elétricos, e não eletrônicos. É dito circuito eletrônico um caminho fechado para a corrente (que é a definição de circuito) que possua pelo menos um dispositivo semicondutor. São exemplos de dispositivos semicondutores o diodo, o LED, o transistor, o SCR, etc. Ou seja, um chuveiro que possua apenas a "resistência" é um chuveiro elétrico. Um chuveiro que possua LED's, por exemplo, é um chuveiro eletrônico! \o/

Agora que já está definido o que é um circuito eletrônico, podemos voltar as definições de Analógico e Digital.

Eletrônica Analógica: É a ciência que estuda o comportamento dos circuitos eletrônicos que admitem níveis de tensão contínuos, ou seja, admitem infinitos níveis de tensão. Vamos exemplificar isso usando um circuito analógico simples, como um amplificador de áudio (não se preocupe se você não sabe o que é isso ainda). Alimentamos ele com 12V, de forma que sua saída poderá ser entre +6V e -6V. Se ganho é de 5 vezes, de forma que se aplicarmos um sinal na entrada ele vai sair 5 vezes maior. Esse é um exemplo de circuito analógico. Pois sua saída pode assumir qualquer valor entre -6V e +6V. Neste circuito, para sua saída variar de +1V para +2V (por exemplo), ela obrigatoriamente irá passar por todos os valores compreendidos entre 1V e 2V, como 1,0001V, 1,0002V, etc. Dessa forma, existem infinitos níveis entre +1V e +2V. O sinal abaixo, uma senóide, é um exemplo de sinal analógico, que varia continuamente no tempo.

Eletrônica Digital: É a ciência que estuda o comportamento dos circuitos eletrônicos que admitem níveis discretos de tensão, ou seja, possuem apenas dois níveis de tensão (na verdade, poderia possuir mais). Vamos exemplificar isso usando um circuito digital simples, como um contador de década (de novo, não se preocupe se você não sabe o que é isso ainda). Ele é um circuito que conta, em binário, de 0 até 9. Para isso ele possui quatro saídas. Sua contagem de 0 até 9 fica da seguinte forma (ressaltando que cada algarismo corresponde a uma saída do contador):

0: 0000
1: 0001
2: 0010
3: 0011
4: 0100
5: 0101
6: 0110
7: 0111
8: 1000
9: 1001
0: 0000 <- retornando ao início da contagem!

Veja que cada saída possui apenas dois valores que podem ser assumidos: 0 e 1. Se alimentarmos o contador com 5V, o nível 0 na saída representará 0V e o nível 1 na saída representará 5V. E, para este circuito, não existe nenhum nível de tensão entre 0V e 5V. Ou seja, quando ele variar de 0V para 5V ele não irá passar pelos valores intermediários. Apenas gostaria de fazer uma observação do ponto de vista físico: Sim! O circuito passa pelos valores intermediários entre 0V e 5V, mas essa passagem é desconsiderada por dois motivos. O primeiro é que essa passagem se dá de forma extremamente rápida. O segundo é que os valores intermediários não tem significado para o circuito, ou seja, não são interpretados pelo contador ou qualquer outro circuito digital. Devido a esses dois fatores, os níveis intermediários podem ser desconsiderados. Abaixo está ilustrado um sinal digital:

Um exemplo de situação analógica que pode ser considerada digital é um carro que está a 100Km/h e bate contra um muro muito resistente (de forma que o muro nem se mexe). Quando o carro está a 100Km/h, podemos dizer que tudo no carro está a 100Km/h. As pessoas estão nessa velocidade, cada partícula do carro (desconsiderem a roda!) está nessa velocidade. Quando o carro bate parece que ele vai instantaneamente de 100Km/h para 0Km/h. Mas isso não é verdade. Houve uma desaceleração brusca mas, que mesmo assim, fez cada parte do carro percorrer todos os valores de velocidade entre 100Km/h e 0Km/h. Ou seja, houve um momento durante a batida que uma determinada parte do carro passou por 75Km/h, por 43Km/h e todos os outros valores intermediários até chegar a situação de repouso, em 0Km/h. Isso constitui uma situação analógica mas que, para alguns fins práticos, podemos considerar digital.

E era isso. No papel de dicionário espero que eu tenha sido claro nas definições sem deixar nada ambíguo demais. Qualquer dúvida poste um comentário e lembrem-se: continuem estudando muito. Abraço, se cuidem e até a próxima!

Transistor BJT: Introdução

   Olá a todos. Hoje vamos falar do mais importante componente da eletrônica moderna: O Transistor. Então, sem mais delongas, vamos falar dele!

   Porém (xiiii, mas tu não disse "sem mais delongas"???), antes de falar do Transistor, vamos falar da era AT ("Antes do Transistor"). Para fazer uma comparação, e tendo em mente que o transistor foi inventado no final de 1947, vamos pensar: o que existia antes disso? Havia telefones, rádios e televisão, mas todos esses aparelhos eram primitivos, nada elegantes e ainda menos práticos. E o que ocorreu depois de 1947, na era PT ("Pós Transistor")? Bem, na década de 50 surgiu a televisão em cores nos Estados Unidos, em 1969 o homem foi para a Lua, em 1976 surgiu a Apple com sua ideia de computador pessoal. Tudo isso (e muito mais!) foi possibilitado ou facilitado pela invenção do transistor que substituiu as válvulas, permitiu a construção de CI's, da eletrônica digital e assim por diante. Abaixo está a imagem do primeiro transistor inventado:

   Felizmente com o tempo ele foi bastante diminuído. Existem transistores dentro de circuitos como processadores que não possuem mais que alguns átomos na sua constituição. Mas qual a ideia deste componente tão importante? Na verdade, a ideia é bem simples. No transistor BJT (Transistor de Junção Bipolar, a sigla do inglês para Bipolar Junction Transistor) a ideia é controlar uma corrente grande através de uma corrente pequena. Ele possui três terminais, chamados de coletor, base e emissor e sua construção interna assim como sua representação no esquema elétrico são mostradas na figura abaixo:

   Veja que ele é um sanduíche de cristais. Se tivermos um cristal N entre dois cristais P, chamamos o transistor de PNP. Se tivermos um cristal P entre cristais N, chamamos o transistor de NPN. É curioso saber que a região do emissor é maior que a região do coletor. Para analisar seu funcionamento, vamos tomar, por exemplo, um transistor NPN:

   Vamos remover mentalmente a fonte Vbe e ver o que acontece: Sem Vbe, podemos analisar o transistor como dois diodos ligados em antisérie, sendo que o "diodo" superior (a parte NP) está reversamente polarizado. Dessa forma o componente não conduz corrente alguma.

   Porém quando eu coloco uma tensão positiva na Base (através da fonte Vbe) e forço um fluxo de corrente entre a Base e o Emissor, eu estreito aquela junção P, pois eu mando elétrons para preencherem as lacunas que lá estão. Como aquela junção está menor, os elétrons que vem pelo Coletor conseguem saltar essa barreira, indo parar no Emissor, cujo potencial é o terra. Dessa forma a corrente do emissor é igual a soma da corrente aplicada na base com a corrente circulando no coletor. Porém como a corrente na Base é geralmente muito pequena se comparada a corrente do coletor, muitas vezes a desconsideramos.

   De forma simplificada, o transistor BJT é um dispositivo que amplifica a corrente. Agora que este dispositivo está um pouco mais explicado, vamos tentar um exemplo prático. Tente acompanhar os cálculos e as ideias por trás da análise do circuito a seguir:

   Este é uma das aplicações mais clássicas do transistor BJT: um Amplificador. Embora esta configuração não seja muito usada, ela irá servir de exemplo para entendermos melhor o funcionamento do BJT. Vamos fazer uma análise CC. Isso quer dizer que vamos ignorar a entrada de sinal e o capacitor C, ignorando sua existência para nossos propósitos.

   Vamos supor um transistor com ganho 300. Isso significa que a corrente entre o coletor e o emissor será 300 vezes maior que a corrente que entrar na base. Então vou mostrar como fazer a análise do circuito, dando valores como Vcc = 12V, \(R_1\) = 10K, \(R_2\) = 15R, \(R_3\) = 150R e um \(h_{fe}\) (ganho do transistor) = 300.

   Vamos considerar que em \(R_1\) passe uma corrente, cujo valor não sabemos, e que chamaremos de I1. Essa corrente, ao passar pela base do transistor, fará aparecer uma corrente 301 vezes maior no emissor. Pois temos 300\(I_1\) (corrente amplificada do transistor) mais \(I_1\) (corrente que entrou originalmente pela base saindo pelo emissor). Isso totaliza nossos 301\(I_1\), que é a corrente que passará por \(R_3\). Considerando que entre a base e o emissor temos uma configuração análoga a um diodo diretamente polarizado, também podemos considerar uma queda de tensão de 0,7V, tomando, por exemplo, um transistor de silício.

   Aplicando a análise de malha de Kirchoff, saímos com 12 V da nossa fonte. Temos, em \(R_1\), uma queda de tensão de \(I_1 R_1\). Depois perdemos mais 0,7 V para a polarização da base do transistor e, por fim, temos uma queda de tensão de 300\(I_1 R_3\). Substituindo \(R_1\) e \(R_3\) por seus respectivos valores e equacionando toda essa confusão, obtemos:

$$ \Large 12V - 10000I_1 - 0.7V -301 \times 150 I_1 = 0 $$

$$ \Large 10000 I_1 + 45150 I_1 = 11.3 V $$

$$ \Large I_1 (10000 + 45150) = 11.3 V $$

$$ \Large I_1 \times 55150 = 11.3 V $$

$$ \Large I_1 = 204 \mu A $$

   Quem é \(I_1\)? Definimos \(I_1\) como sendo a corrente que passa por \(R_1\), que é a mesma corrente que entrará na base no transistor. Sabendo essa corrente, podemos inferir as demais do circuito como, por exemplo, a corrente que passa por \(R_2\) é trezentas vezes maior que a corrente que entra na base. Sabendo que a corrente da base vale 204 uA podemos descobrir facilmente que a corrente que atravessa \(R_2\) é de 61,4 mA. Sabendo que a corrente no emissor é a soma da corrente do coletor com a corrente da base (ou, nesse caso, poderíamos entender como sendo 301 vezes maior que a corrente da base), podemos ver que a corrente em \(R_3\) é de 61,6 mA. Com os valores das correntes e dos resistores podemos calcular as tensões no circuito como sendo:

$$ \Large V_{R_1} = I_1 R_1 = 204 \mu A \times 10000 \Omega = 2.04 V $$

$$ \Large V_{R_2} = 300 I_1 R_2 = 61.4 mA \times 15 \Omega = 0.921 V $$

$$ \Large V_{R_3} = 301 I_1 R_3 = 61.6 mA \times 150 \Omega = 9.24 V $$

   Por fim, vamos fazer a análise das malhar para verificar nossa resposta:

   Saindo da fonte eu tenho uma queda de 2,04 V em \(R_1\), mais uma queda de 0,7 V na base do transistor e outra queda de 9,24 V no \(R_3\). A soma dessas quedas de tensão devem totalizar a tensão original da fonte, que é 12 V. Realmente, somando todas as quedas obtemos um valor de 11,98 V, que só não é exato devido a questões de arredondamento.

   Fazendo a outra malha, saindo da fonte, temos uma queda de 0,921V em \(R_2\) e 9,24 V em \(R_3\). Somando isso obtemos 10,161 V! Mas cadê os outros 1,839 V que faltam para completar os 12 V? Será que nossa análise está errada? Não, na verdade essa tensão está entre os terminais coletor e emissor do transistor.  O que acontece é que com a corrente que estamos injetando na base o transistor só deixa passar determinada quantidade de corrente. Essa corrente produz uma queda de tensão nos resistores e a queda de tensão que falta para completarmos a tensão da fonte é retida pelo transistor. Vemos que, apesar do transistor estar no coração da eletrônica moderna, ele pode ser analisado usando regras simples, como as Leis de Kirchoff e a tradicional e conhecida Lei de Ohm.

   Mas se lembram que eu disse que essa configuração não é usada na prática? Vocês estão curiosos para saber o porquê? Nessa configuração a corrente que entra na base é sempre a mesma, pois depende exclusivamente dos resistores de polarização \(R_1\) e \(R_3\). Porém a fabricação de transistores não é precisa. O que eu quero dizer com isso? Que se você tem um transistor BC-337 queimado e você trocar por outro BC-337 este circuito pode não funcionar. Isso se dá pelo fato de que o BC-337 tem um ganho entre 100 e 630. Ou seja, dois transistores iguais podem ter ganhos muito diferentes. Como nessa configuração o ganho do transistor influencia na polarização do circuito (nas tensões e correntes), e devido ao fato de ser difícil encontrar dois transistores com mesmo ganho, esse arranjo não é muito utilizado. Porém há configurações que veremos mais adiante que não tem esse problema, como a polarização por divisor de tensão.

   Claro que esperar falar de toda a teoria do transistor em um post é uma proposta utópica. Capítulos inteiros são dedicados ao BJT e as suas aplicações como amplificador, sem falar nos outros tipos de transistores, como o JFET, MOSFET, IGBT, etc. Há também outros conceitos que serão abordados mais adiante, como saturação do transistor, avalanche térmica, e também outros circuitos abordando os transistores. Mas acredito que esse post tenha servido para dar uma visão geral do que é um transistor e por que ele foi criado. E por hoje era isso. Até a próxima postagem e se cuidem.

Iluminação Ep. 6: Lâmpada Fluorescente

Olá a todos. Hoje, no sexto "capítulo" da nossa série, vamos falar da lâmpada fluorescente. Ela surgiu como uma alternativa econômica e eficiente frente as lâmpadas incandescentes e estão dominando o mercado de iluminação residencial até hoje.

Essa lâmpada foi criada pelo gênio Nikola Tesla (sujeito na imagem abaixo, foi um inventor sérvio nos campos da mecânica e eletrotécnica) e foi colocada no mercado em 1938. Essa lâmpada possui dois eletrodos nas extremidades do tubo de vidro, que é preenchido com um gás inerte em baixa pressão. Usualmente é usado o gás Argônio nessas lâmpadas.

Quando eletricamente excitado pelo reator, o Argônio emite radiação ultravioleta. Porém, como nossos olhos não enxergam essa radiação, ou seja, ela não é luz visível para nós, é necessário encontrar uma forma de convertê-la para luz visível. Então o tubo da lâmpada é revestido com um material a base de Fósforo. Ele, ao receber a radiação ultravioleta proveniente da lâmpada, absorve a energia e a libera em forma de luz visível. Sem a cobertura de Fósforo a lâmpada fluorescente não iluminaria nada.

Tudo bem. Expliquei o funcionamento dela. Mas, quais as diferenças que o consumidor sente? O consumidor aprovou essas lâmpadas pelo fato de elas serem mais econômicas e por possuírem um brilho branco mais natural, já que o brilho das incandescentes é bastante amarelado. Mas explicarei com mais detalhes suas características em comparação as incandescentes.

Na questão consumo, enquanto uma lâmpada de 100W produz 1350lm de luz, uma lâmpada de 15W fluorescente pode produzir cerca de 804lm. Comparando a eficiência luminosa, enquanto a incandescente produz 13,5lm/W a fluorescente tem uma eficiência de 53,6lm/W, quase quatro vezes mais eficiente na produção de luz! Na prática, significa que uma lâmpada fluorescente de determinada potência ilumina quase quatro vezes mais que uma incandescente de mesma potência.

Quanto ao brilho da lâmpada, enquanto uma incandescente tem uma temperatura de cor de 2700K (que corresponde aquele brilho amarelado dessa lâmpada) uma fluorescente tem uma temperatura de cor de 6400K. Essa diferença é facilmente visualizada quando comparamos as duas lâmpadas lado a lado.

Porém a desvantagem da lâmpada fluorescente é a presença de um fator de potência. Eu não vou dissecar o tema aqui, mas vou comentar um pouco. O fator de potência pode ser definido como o valor do cosseno do ângulo de defasagem entre a tensão e a corrente. Esse número varia de 0 a 1 e quanto mais próximo de 1, melhor. Enquanto as lâmpadas incandescentes apresentam FP de quase 1, o FP das lâmpadas fluorescentes fica entre 0,5 e 0,6, o que é bastante baixo. Futuramente farei um post explicando o Fator de Potência e suas consequências. Mas vou exemplificar tomando um FP de 0,5 (metade). Uma lâmpada de 15W com fator de potência de 0,5 absorverá, na verdade, o dobro da sua potência útil, ou seja, 30W. Porém, após um tempo, o equipamento irá "devolver" os 15W excedentes, dando um consumo de apenas 15W.

Essa "potência excedente" não é paga pelo consumidor. Então você pode perguntar: Mas, se não é paga, qual o problema? A questão é que a corrente que irá circular pelo condutor não corresponde aos 15W, e sim aos 30W, ou seja, é o dobro da corrente. Isso, se tomado em larga escala, gera um problema sistemático que vai do consumidor ao gerador de energia. Para o consumidor, o problema será que sua fiação deverá aguentar a "corrente dos 30W", que é o dobro que ele vai utilizar. Isso ainda não é problema, pois a maioria dos consumidores residenciais não possui tantas lâmpadas incandescentes. O problema é para o gerador, que tem que fornecer energia para milhares de casas com essas lâmpadas. Nesse caso, o projeto do gerador fica mais caro, pois eles têm que comprar um gerador para o dobro da corrente, instalar condutores para o dobro da corrente. E isso, no fim das contas, acaba tornando a conta de energia elétrica mais cara, para pagar o preço dessa instalação mais cara. Então o fator de potência é uma complicação. Porém o fator de potência em nível residencial ainda não é problema. Geralmente o problema com FP se dá em nível industrial, devido aos seus motores. Mas esses locais possuem técnicas para corrigir o FP (como banco de capacitores) e, caso eles não corrijam seu FP, eles pagam uma multa pela taxa de energia "extra" que eles consomem.

Bem, por hoje é isso. Espero ter esclarecido (entenderam o trocadilho?) um pouco sobre as lâmpadas incandescentes, sobre suas vantagens, desvantagens e peculiaridades. Qualquer dúvida ou sugestão deixem um comentário e se cuidem. Até a próxima e continuem estudando. ;)