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Curso de Eletrônica Analógica – Parte 9 - Outros Componentes Importantes (CUR2009)

9.1 - Os Varistores

Os varistores de óxido de zinco, ou ainda MOVs, SIOVs, são componentes bipolares passivos (possuem dois terminais e não geram nem amplificam sinais) destinados à proteção de circuitos contra surtos de tensão ou transientes.

Os varistores de óxido de zinco têm um princípio de funcionamento que pode ser facilmente explicado a partir de sua estrutura interna, mostrada na figura abaixo.

Estrutura e curva características de um varistor
Estrutura e curva características de um varistor

 

Este componente é formado por contatos metalizados que encostam numa massa de óxido de zinco sintetizado (ou outro material de propriedades semelhantes).

O componente é protegido por um encapsulamento de epóxi apresentando o aspecto final que o leitor verá na próxima figura, onde também temos o seu símbolo.

 

 

Varistor – símbolo e aspectos
Varistor – símbolo e aspectos

 

 

A resistência elétrica apresentada entre os terminais e, portanto, entre os contatos metalizados depende basicamente da tensão aplicada. Se a tensão for baixa, não há condução de corrente, e o componente se comporta praticamente como um circuito aberto. Isto ocorre porque os grãos de óxido de zinco não se tocam praticamente e, por isto, não deixam haver a circulação de corrente.

No entanto, quando a tensão aplicada supera um determinado valor, a corrente pode vencer o microisolamento entre os grãos que então passam a se tocar.

Podemos dizer que cada pequeno grão de óxido de zinco se comporta como uma espécie de microdiodo zener que entra em condução com determinada tensão, mas de forma muito rápida, e que o comportamento final do componente é dado pelo número de diodos zeners que estão ligados em série no percurso da corrente, ou seja, em função da espessura da camada de óxido de zinco.

A figura a seguir apresenta a curva característica deste componente, observando que ela possui um comportamento bastante agudo no ponto em que se inicia a condução.

 

Curva característica do varistor
Curva característica do varistor

 

 

A tensão em que ocorre a condução, assim como demais propriedades elétricas do componente, depende dos seguintes fatores:

- Da espessura do material condutor que determina a tensão em que começa a condução. Podemos dizer que esta tensão é equivalente à ligação em série dos microdiodos zener. Quanto mais grossa for a camada, maior é a tensão de ruptura.

- Da superfície de contato entre os eletrodos com o elemento ativo. Quanto mais percursos existirem para a corrente, maior poderá ser sua intensidade máxima.

- Do volume final do componente, que determina a energia que ele pode absorver quando conduz a corrente.

 

Devemos observar que, enquanto num semicondutor a distribuição de energia se concentra na pequena região da junção, num varistor a energia se distribui por todo o componente, ou toda a região condutora, o que significa uma capacidade de absorção muito maior.

Os varistores são ligados em paralelo com dispositivos que estejam sujeitos a excesso de tensão que possam causar algum problema de funcionamento.

Na figura abaixo temos uma aplicação típica em que o varistor é ligado em paralelo com um conjunto de tomadas usada na alimentação de computadores e outros equipamentos sensíveis.

 

 

Tomada protegida por varistores
Tomada protegida por varistores

 

 

Se por um instante houver a presença de um pico de tensão que supere o valor de condução do varistor, o que poderia causar dano aos equipamentos alimentados, o varistor entra em condução imediatamente e por um momento conduz a corrente enquanto a tensão superar o “valor perigoso”.

O varistor praticamente entra em curto nestas condições, evitando que a alta tensão do transiente chegue ao aparelho. É claro que durante esta condução deve ser dissipada energia, o que quer dizer que o varistor só protege o aparelho se estes pulsos forem de curta duração.

Se a duração for grande, o varistor não consegue dar conta da energia gerada e “queima”. Como muitos dos excessos de tensão que observamos na rede, e que são perigosos, são de curtíssima duração (transientes), os varistores podem cumprir esta função de proteger sem problemas.

Os transientes podem ter diversas origens. Uma delas é a conexão ou desconexão (comutação) de uma carga indutiva, como por exemplo: um motor, um solenoide ou ainda um reator de lâmpada fluorescente.

 

9.2 – Transdutores de Efeito Hall

Determinados materiais semicondutores como o silício, germânio, algumas ligas de antimônio, óxidos de cobre e titânio apresentam propriedades elétricas que dependem da presença de campos magnéticos.

De fato, se tivermos um pedaço de material que apresente estas propriedades, e fizermos fluir uma corrente através dele, veremos que os portadores de carga podem ser fortemente influenciados em sua trajetória pela presença de um campo magnético externo, conforme o leitor poderá ver na próxima figura.

 

Campos magnéticos atuam sobre correntes
Campos magnéticos atuam sobre correntes

 

 

O resultado disso é que observamos que a resistência elétrica apresentada pelo material depende da presença do campo magnético aplicado. Este efeito sobre a movimentação dos portadores de carga é denominado “Efeito Hall”, e permite a elaboração de interessantes dispositivos eletrônicos denominados “sensores de efeito Hall”, os quais são encontrados em algumas aplicações importantes.

Estes pequenos componentes podem ser usados para acionar algum dispositivo em função da presença de campos magnéticos, por exemplo, um circuito de inversão de movimento quando de peça mecânica.

Outra aplicação é como sensor de corrente, sendo colocados junto a um fio condutor que alimenta uma carga, por exemplo. Quando a corrente na carga aumenta (um motor que trava, por exemplo), o campo em torno do fio aumenta e o sensor detecta esse aumento, desligando o circuito. Na figura abaixo temos um desses dispositivos.

 

Um sensor Hall
Um sensor Hall

 

 

A variação apresentada na condutividade ou resistência do componente depende da polaridade do campo magnético aplicado.

O outra aplicação para tais sensores que podemos citar são as ignições eletrônicas de automóveis. Em lugar de usarmos os tradicionais platinados que são controlados por um eixo excêntrico movimentado pelo motor temos simplesmente um pequeno imã que gira de acordo com o motor, e passa diante de um sensor de efeito Hall.

A cada passagem do imã, o sensor tem sua resistência alterada, produzindo assim o pulso de comutação que aciona a ignição eletrônica, conforme a figura abaixo.

 

Ignição automotiva com sensor de efeito Hall
Ignição automotiva com sensor de efeito Hall

 

 

Numa aplicação industrial, podemos dar como exemplo o controle de máquinas através da detecção do movimento de rodas dentadas, conforme mostra a próxima figura.

 

Monitorando o movimento de uma engrenagem
Monitorando o movimento de uma engrenagem

 

 

A cada passagem de um dente diante do sensor, um pulso é gerado, sendo usado para monitorar a rotação da engrenagem.

 

9.3 - VÁLVULA GEIGER-MULLER

Eis um dispositivo muito interessante que é usado nos detectores de radiação nuclear. Quando uma partícula ionizante de radiação nuclear, por exemplo: uma partícula Alfa (núcleo de hélio, formada por dois prótons e dois nêutrons e, portanto, carregada positivamente), ou ainda partículas Beta (elétrons), passam através de um gás em grande velocidade, elas provocam sua ionização tornando-os momentaneamente condutores de correntes elétricas, conforme o leitor poderá ver na figura abaixo.

 

Partículas alfa e beta, deixam um rastro de ionização na sua passagem.
Partículas alfa e beta, deixam um rastro de ionização na sua passagem.

 

 

Baseado neste princípio funciona a válvula Geiger-Muller, que tem a estrutura que o leitor poderá ver na próxima figura.

 

Estrutura da válvula Geiger-Müller
Estrutura da válvula Geiger-Müller

 

 

A radiação deve penetrar por uma janela de mica, pois a mica é quase que transparente para as radiações alfa e beta, o que não ocorre com outros materiais como o vidro, plástico, etc. No interior do tubo existe gás sob baixa pressão e dois eletrodos que são submetidos a uma tensão muito alta, tipicamente entre 300 V e 600 V.

Com esta tensão o gás fica próximo de seu ponto de ionização, mas ainda não se comporta como um condutor, mas sim um isolante não havendo entre os eletrodos qualquer corrente perceptível.

No momento em que uma partícula ionizante (radiação) penetrar no gás através da janela de mica, na sua trajetória ocorre a ionização e com isso, por um instante, o gás se torna condutor. Uma corrente pode então fluir entre os dois eletrodos. Um pulso de corrente é gerado e ele pode servir para disparar algum circuito externo.

Quanto maior for a intensidade da radiação, mais frequentes serão as penetrações de partículas no sensor e, portanto, aumenta a frequência de produção dos cliques no fone ou alto-falante, conforme mostra a figura abaixo.

 

Utilizando o detector de radiação
Utilizando o detector de radiação

 

 

Se em lugar de um amplificador, usarmos um integrador, é possível “somar” os pulsos e ter uma indicação numérica num instrumento. Alguns tipos de aparelhos operam com este tipo de indicador conforme mostra a próxima figura.

 

Detector com indicador através de instrumento
Detector com indicador através de instrumento

 

 

Veja que a sensibilidade dependerá justamente do tamanho da janela e, evidentemente, da sua transparência. Existem outros dispositivos modernos que podem ser usados para detectar radiações nucleares. Um deles é o próprio diodo que, no entanto, deve ser adaptado para tal finalidade.

Existem então diodos de grande superfície que, ao serem expostos à radiação e polarizados no sentido inverso produzem pulsos a cada partícula ionizante que penetra na sua junção. Esta radiação libera portadores de carga, produzindo então os pulsos que igualmente podem ser amplificados. Na figura a seguir temos um exemplo de diodo deste tipo.

 

Diodo sensor de radiação nuclear
Diodo sensor de radiação nuclear

 

 

 

9.4 - PILHAS SOLARES

Pilhas solares, fotocélulas, células solares ou ainda baterias solares, são os nomes usados para designar um mesmo tipo de dispositivo, capaz de converter energia luminosa (luz) em eletricidade. Estes dispositivos encontram uma larga gama de aplicações na eletrônica, tais como: satélites, iluminação noturna em locais sem energia (a célula é usada para carregar uma bateria durante o dia), carga de bateria em barcos e aviões, estações repetidoras, carga de celulares, etc.

O princípio de funcionamento de uma célula solar ou fotocélula é o seguinte:

Se luz incidir na junção PN entre dois materiais semicondutores, portadores de carga são liberados aparecendo entre os extremos do material uma tensão elétrica, conforme podemos ver na figura abaixo.

 

A luz libera portadores de carga numa junção semicondutora
A luz libera portadores de carga numa junção semicondutora

 

 

Independentemente da intensidade da luz, a tensão que aparece no material é sempre a mesma, dependendo apenas da natureza deste material. No entanto, com maior intensidade de luz temos mais portadores de carga liberados e, com isso, a capacidade de corrente será maior.

Um simples transistor de silício, que tenha uma cápsula retirada, e seja exposta uma de suas junções, se transforma numa pequena célula solar, capaz de gerar uma tensão da ordem de 0,6 V com correntes de alguns miliampères.

No entanto, a superfície exposta a luz de uma junção é que determina a quantidade de energia que podemos converter em eletricidade.

Na iluminação solar máxima, que ocorre em torno do meio dia em países tropicais, obtemos mais de 1 kW de energia por metro quadrado. Todavia, a eficiência de uma célula solar é muito pequena, de poucos por cento, de modo que obtemos apenas alguns watts de energia elétrica mesmo com uma célula que tenha junções expostas grandes.

Assim, para se obter boa quantidade de energia, as células são ligadas em conjunto, paralelo e série, de modo a formar painéis, conforme mostra a figura abaixo.

 

Num painel solar muitas células são ligadas em conjunto
Num painel solar muitas células são ligadas em conjunto

 

 

Para termos maior rendimento, diversos são os recursos utilizados na produção da fotocélula.

O tipo mais comum é feito com silício monocristalino, partindo-se de um tarugo de silício puro, conforme a figura a seguir.

 

Tarugos e wafers de silício monocristalino, usados na fabricação de células solares.
Tarugos e wafers de silício monocristalino, usados na fabricação de células solares.

 

 

Este tarugo é cortado em fatias (wafers) que então são levadas a um processo de difusão num forno, formando-se uma fina camada de semicondutores de polaridades opostas nas faces. Desta forma, toda a superfície da fatia se torna uma junção que pode ser exposta à luz. Finos fios condutores são então dispostos em forma de rede sobre este material de modo a “colher” a energia elétrica gerada.

Um disco, como o que pode ser visto na próxima figura, pode fornecer perto de 2 V de tensão sob correntes de até 200 mA sob iluminação direta do sol.

 

Uma célula de silício pronta para uso
Uma célula de silício pronta para uso

 

 

Painéis de grande potência podem ser então montados com a utilização de dezenas desses discos que são ligados em combinações série e paralelo, conforme as tensões e correntes necessárias às diversas aplicações práticas.

Infelizmente, um dos inconvenientes deste tipo de dispositivo é o custo. O rendimento das células é ainda é baixo em relação ao seu custo, de modo que seu uso ainda compensa apenas em condições em que não podemos usar qualquer outro tipo de fonte de energia.

Nos satélites, por exemplo, em que temos como única fonte externa de energia a luz do Sol, este tipo de gerador deve ser usado. Oura aplicação é em locais em que não possamos chegar com fios de uma rede elétrica, no alto de uma montanha, por exemplo, onde seja instalada uma estação repetidora temos outra possibilidade. Para uso doméstico, entretanto, o uso das células solares ainda está um pouco longe de ser uma realidade.

Na prática, entretanto, pequenas células solares podem fornecer energia para dispositivos de baixo consumo como calculadoras, relógios, brinquedos, etc. Hoje já podemos ver no mercado diversos destes aparelhos funcionando somente com a luz ambiente, conforme o leitor poderá ver na figura abaixo.

 

Aparelhos alimentados por energia solar
Aparelhos alimentados por energia solar

 

 

9.5 - MOSTRADORES DE CRISTAL LÍQUIDO

Letras, números e outros símbolos podem “aparecer” em pequenas telas feitas do material especial que vamos estudar neste item.

Há substâncias cujas moléculas apresentam certa polarização. Diferentemente da maioria das moléculas em que as cargas elétricas se distribuem de uma maneira mais ou menos uniforme, de modo que não temos uma predominância de uma carga positiva ou negativa em determinada direção, estas moléculas possuem um lado que é “mais positivo” que outro conforme mostra a próxima figura .

Uma molécula orgânica que forma um dipolo natural
Uma molécula orgânica que forma um dipolo natural

 

 

Interessa-nos substâncias deste tipo que existem na natureza em condições normais de temperatura e pressão (condições ambientais) no estado líquido.

Assim, se tivermos um recipiente com certa quantidade deste líquido, as suas moléculas estão orientadas de maneira mais ou menos desordenada. Quando a luz penetra neste material, com as moléculas dispostas desordenadamente, ela sofre uma rotação no seu plano de polarização, conforme o leitor poderá ver na figura abaixo.

 

Estrutura de um mostrador de cristal líquido
Estrutura de um mostrador de cristal líquido

 

 

Lembramos que luz consiste em ondas eletromagnéticas, e como tal, possui uma componente elétrica e uma magnética com determinada orientação. Existem materiais denominados “polarizadores” que deixam passar a luz polarizada apenas num determinado sentido.

Estes materiais podem ser usados em filtros de máquinas fotográficas para eliminar os reflexos, conforme o leitor poderá entender observando a figura abaixo, ou ainda na fabricação de óculos de sol, com a mesma finalidade.

 

A ação do polarizador
A ação do polarizador

 

 

Os raios refletidos possuem uma polarização num sentido único e os filtros são dispostos justamente no sentido de “negar” a luz com esta polarização.

Se na frente do material com a substância que tomamos como exemplo, colocarmos um polarizador de tal forma que a luz que sofra uma rotação no material passe, observando-o deste lado, ele nos parecerá transparente, conforme o leitor poderá ver ao clicar na figura a seguir.

 

Olhando através de um filtro polarizador
Olhando através de um filtro polarizador

 

 

No entanto, se agora aplicarmos um campo elétrico neste recipiente, de tal forma que ele possa atuar sobre as moléculas que formam pequenos dipolos, o que ocorre é que estas moléculas vão girar e se orientar todas, no sentido de ficarem paralelas ao campo elétrico aplicado.

O resultado disso é que teremos uma espécie de “persiana” que se fecha e não mais atua sobre a polarização da luz que entra no recipiente. O resultado é que, não sofrendo a necessária rotação de polarização, a luz não mais passa pelo polarizador e quem está “do outro lado” passa a ver o material opaco ou escuro.

Existem três formas de conseguirmos “projetar” imagens usando então este material e que são mostradas na próxima figura.

 

Modos de utilização dos cristais líquidos
Modos de utilização dos cristais líquidos

 

 

Numa delas usamos uma fonte de luz “por trás” de modo a controlarmos sua passagem em relação ao observador. É o processo transmissivo mostrado na figura e que é usado nas telas dos laptops e notebooks.

Na outra, denominada tipo refletivo, que encontramos na maioria das calculadoras e relógios aproveitamos a luz ambiente. É o processo refletivo. Finalmente temos o processo em que tanto usamos uma fonte de luz por trás como a própria luz ambiente.

Veja então que, se “fizermos zonas” que formam os segmentos de um número, e ligarmos estas zonas a fios onde possamos aplicar tensões que criem campos elétricos exatamente sobre elas, temos um dispositivo eletrônico de grande importância.

Os eletrodos que estão sobre os segmentos são transparentes e em número de 7. Combinando a aplicação de tensão nos 7 segmentos, podemos fazer com que apenas determinados deles “apareçam”, rodando o plano de polarização da substância líquida que está abaixo e que pode ser vista na figura 318.

 

Um display de 7 segmentos de cristal líquido
Um display de 7 segmentos de cristal líquido

 

 

O resultado é que, facilmente, podemos a partir de circuitos eletrônicos fazer aparecer os algarismos de 0 a 9. Segundo esse princípio funcionam os mostradores dos relógios e das calculadoras, com alguns elementos adicionais como símbolos gráficos e palavras (mensagens).

Se usarmos tensões contínuas puras, temos um processo de eletrólise que em pouco tempo estraga os eletrodos e faz a substância interna perder suas propriedades.

A inversão constante de polaridade da tensão aplicada movimenta as moléculas e evita este processo. No entanto, para excitar tais mostradores precisamos de dispositivos especiais, ou seja, circuitos integrados especialmente projetados para esta finalidade. A principal vantagem deste tipo de mostrador em relação a outros tipos é o seu baixo consumo.

Para movimentar moléculas não precisamos “fazer força”, o que quer dizer que podemos fazer aparecer muitos caracteres num mostrador com um pequeníssimo gasto de energia. Isso torna este tipo de mostrador ideal para funcionar com aparelhos alimentados por pilhas.

 

9.6 – Outros dispositivos

Há muitos outros componentes de grande importância para as mais diversas aplicações eletrônicas.

Um fato que impede nossa abordagem mais profunda destes componentes é que eles empregados em aplicações muito restritas, de modo que uma teoria, que explique seu funcionamento de maneira completa, seria extremamente longa e não caberia no espaço de que dispomos, além de fugir às nossas finalidades. O primeiro componente “extra” que apresentamos é o cristal de quartzo.

 

Cristais

Os cristais de rádio frequência, cristais de quartzo, que também são abreviados por XTAL, são dispositivos que mantém a freqüência de oscilação de um circuito dentro de valores muito estreitos, com grande precisão. Na figura a seguir temos o símbolo e os aspectos deste componente.

 

O cristal de quartzo
O cristal de quartzo

 

 

O quartzo é um material piezoelétrico que gera uma tensão elétrica quando submetido a tensões mecânicas, sofrendo deformações mecânicas quando submetido a tensões elétricas.

Se colocarmos um cristal num circuito de realimentação de um oscilador, veremos que ele tende a vibrar numa frequência única que depende de seu formato, e de suas dimensões. Desta forma, podemos cortar um cristal de tal maneira que ele vibre numa frequência única.

Usamos então os cristais em osciladores para fixar e manter sua frequência. Os transmissores, que devem ter frequências exatas de operação, usam para esta finalidade cristais em seus osciladores. Na figura abaixo temos um oscilador a cristal com FET.

 

Um oscilador controlado por cristal
Um oscilador controlado por cristal

 

 

Para que o leitor tenha uma idéia de até aonde vai a precisão de um cristal, basta dizer que as alterações em função da temperatura, e outros fatores que podem influenciar o funcionamento do cristal, são medidas em termos de ppm (partes por milhão)!

Os cristais também podem ser usados em filtros, deixando passar sinais de uma única frequência para a qual são cortados. Nos televisores em cores encontramos estes cristais no setor de codificação das cores.

Encontramos cristais à venda, mas não com facilidade, nas frequências que vão de algumas centenas de quilohertz até dezenas de megahertz.

 

Lâmpadas de xenônio

Eis outro dispositivo eletrônico que merece ser analisado em nosso curso. A lâmpada de xenônio tem estrutura que pode ser vista na figura abaixo.

 

Lâmpada de xenônio – estrutura e aspectos
Lâmpada de xenônio – estrutura e aspectos

 

 

Esta lâmpada é formada por um tubo de vidro, reto ou curvado, contendo, no seu interior, o gás inerte xenônio. Temos também dois eletrodos que ficam nos extremos do tubo internamente, e um terceiro eletrodo de disparo que é preso externamente.

Os eletrodos internos ficam submetidos a uma tensão muito alta, normalmente proveniente da carga de um capacitor, da ordem de 300 V a 600 V. Mesmo com esta tensão, o gás ainda é isolante e nada acontece.

Quando um pulso de disparo obtido a partir de um transformador, com uma tensão mais elevada ainda, de 1 000 V a 2 000 V, é aplicado ao eletrodo de disparo, o gás no interior da lâmpada ioniza-se, conduzindo fortemente a corrente.

O resultado é a descarga total do capacitor, com a produção de um forte “flash” de luz que dura uma fração de segundo. Na figura abaixo temos o circuito de disparo da lâmpada xenônio.

 

 

O circuito de disparo de uma lâmpada de xenônio
O circuito de disparo de uma lâmpada de xenônio

 

 

Para produzir novo “flash”, devemos carregar novamente o capacitor e, como em cada pulso de condução a corrente é extremamente intensa, a lâmpada não pode funcionar de maneira contínua. Por este motivo, as lâmpadas de xenônio são usadas apenas em aplicações em que precisamos de pulsos de luz de curta duração, como em sinalização (polícia, aviões, alto de torres), em flashes de máquinas fotográficas e nas luzes estroboscópicas usadas em festas e bailes.

As lâmpadas de xenônio são especificadas pela intensidade em Joules (J) do pulso de luz que podem produzir. Esta intensidade é dada pela energia armazenada no capacitor. Quanto maior o capacitor, e maior a tensão, maior será a intensidade do pulso produzido.

 

LEDs x Flashes de Xenônio Hoje podemos contar com LEDs de altíssimo brilho, capazes de produzir pulsos de luz muito intensos, de curta duração, exatamente como as lâmpadas de xenônio. Estes LEDs têm a vantagem de poderem operar com uma tensão muito mais baixa, podendo então ser incorporados a aplicativos como câmaras digitais, celulares com câmaras e dispositivos de sinalização.

 

 

ACOPLADORES ÓPTICOS

Quer melhor isolante entre dois circuitos do que o vazio do ar existente entre eles? Baseados neste princípio operam os chamados acopladores ópticos que têm símbolo e aspecto mostrados na figura abaixo.

 

Acoplador óptico com foto-transistor
Acoplador óptico com foto-transistor

 

 

Estes pequenos dispositivos consistem num emissor de luz, que pode ser um LED comum vermelho ou mesmo um LED infravermelho, e um foto-sensor, que pode ser um fotodiodo, um foto-transistor ou qualquer outro dispositivo sensível à luz. O conjunto fica encerrado num pequeno invólucro à prova de luz.

Acopladores com fotodiacs, foto-SCRs, fototriacs também são comuns, mas eles deverão ser abordados mais profundamente no nosso volume que trata de eletrônica de potência, controle e automação.

É fácil perceber que só teremos saída de sinal no fotodiodo ou foto-transistor quando o LED for acionado. Em outras palavras, o sinal aplicado ao LED “passa” para outro lado, o fotossensor, na forma de luz, aparecendo em sua saída.

O isolamento entre a entrada e a saída é total, pois entre o foto-emissor e o fotossensor não existe conexão elétrica alguma.

A alta velocidade de operação do LED e também do sensor permitem a transferência de sinais, de um lado para outro do dispositivo, com grande velocidade, conforme mostra a próxima figura.

 

Transferência de sinal com um acoplador óptico ou optoacoplador
Transferência de sinal com um acoplador óptico ou optoacoplador

 

 

Os foto acopladores ou optoacopladores podem ser usados numa grande quantidade de aplicações importantes.

Dentre as aplicações citamos a transmissão de dados para computadores através de circuitos próprios isolados, o controle de dispositivos de potência a partir de sinais vindos de circuitos de baixa potência que precisem ser isolados.

Uma aplicação importante dos optoacopladores pode ser encontrada nos circuitos das fontes de alimentação chaveadas, encontradas em PCs e muitos outros equipamentos de consumo e mesmo profissionais.

Um optoacoplador tem o emissor (LED) ligado na saída da fonte de modo que a quantidade de luz dependa da tensão. O sensor do optoacoplador é ligado ao circuito de controle da fonte. Quando a tensão na saída tende a variar, a luz do LED varia e o sensor transmite esta informação ao circuito de controle. O circuito de controle reage então de modo a restabelecer o valor desejado da tensão de saída.

A grande vantagem deste circuito é que a sua saída de baixa tensão, que alimenta os circuitos, está isolada do circuito de entrada, que é ligado na rede de energia. Este isolamento, mais o isolamento do transformador, garantem então a segurança dos circuitos do equipamento. Tocando em qualquer circuito do equipamento alimentado, depois da fonte, por este motivo não existe perigo de choques, mesmo que eles estejam ligados.

 

Chaves ópticas

Semelhantes aos acopladores ópticos são as chaves ópticas, que também são formadas por um emissor de luz (LED) e um receptor, que pode ser tanto um foto-transistor como um fotodiodo.

A diferença é que entre eles existe uma abertura por onde pode passar um objeto que interrompa a passagem da luz, conforme o leitor poderá verificar na próxima figura.

 

Tipos de chaves ópticas
Tipos de chaves ópticas

 

 

Desta forma, mantendo o LED ativado, a presença de sinal na saída do sensor vai depender da passagem de um objeto pela abertura existente na chave.

Uma aplicação importante deste dispositivo é no controle de máquinas ou ainda acionamento de instrumentos, a partir de rodas perfuradas, discos denteados, ou mesmo objetos que possam passar rapidamente pela abertura do dispositivo. Sua velocidade de ação permite detectar a passagem de milhares, ou mesmo centenas de milhares de dentes ou objetos, pela abertura em cada segundo.

 

O Tubo de raios catódicos

Um componente que foi de enorme importância na Eletrônica, e que é a base da televisão e dos monitores de vídeo dos computadores mais antigos, é o Tubo de Raios Catódicos ou abreviadamente TRC.

Se bem que este componente tenda a desaparecer, substituído por displays de tecnologias mais modernas, como os de cristal líquido (LCD) e LEDs, é importante conhecer seu princípio de funcionamento, tanto pelo valor histórico, como pelo fato de que ainda existem equipamentos em funcionamento que os utiliza.

Este tubo tem a estrutura mostrada na figura abaixo, a partir de onde explicaremos o seu princípio de funcionamento.

 

Estrutura de um tubo de raios catódicos
Estrutura de um tubo de raios catódicos

 

 

No “pescoço” do tubo existe um canhão de elétrons, ou raios catódicos, que na parte interna leva um filamento de tungstênio o qual é aquecido por uma baixa tensão (como uma válvula).

Este filamento aquece um catodo que é feito de material tal que, submetido a uma tensão negativa, pode liberar com facilidade uma grande quantidade de elétrons.

Como a extremidade oposta do tubo (tela) é submetida a uma forte tensão positiva, os elétrons que são liberados pelo catodo são atraídos com grande força. O resultado é um efeito semelhante ao disparo de um “canhão”, em que elétrons são disparados em direção à tela.

Estes elétrons disparados são concentrados na forma de um fino feixe através meio de uma espécie de lente, que nada mais é do que um eletrodo interno carregado com certa tensão, ou então através de bobinas colocadas no “pescoço” do tubo.

Veja que, uma vez disparados, os elétrons podem ter sua trajetória mudada, tanto pela ação de campos elétricos, bastando para isso colocar placas ou eletrodos carregados no seu caminho, como pela ação de bobinas, conforme o leitor poderá na figura abaixo.

 

Dois tipos de deflexão
Dois tipos de deflexão

 

 

No caso de campo elétrico, os elétrons se deflexionam em direção as placas positivas, pois possuem carga negativa e polos diferentes se atraem.

No caso dos campos magnéticos a modificação da trajetória se faz pela combinação vetorial da direção de deslocamento, com a direção do campo magnético, conforme mostra a mesma figura 328.

O fato é que podemos então “focalizar” o feixe de elétrons num determinado ponto da tela, usando tais elementos.

A tela é recoberta com uma fina camada de fósforo que, ao receber o “impacto” dos elétrons, torna-se luminosa. Assim, no pequeno local em que incide o feixe de elétrons, aparece um ponto ou mancha clara, dependendo da maior ou menor focalização, conforme mostra a próxima figura.

 

Ponto de imagem na tela de fósforo
Ponto de imagem na tela de fósforo

 

 

Mas, ainda temos eletrodos adicionais que são colocados na trajetória dos elétrons. Temos ainda dois conjuntos de placas que são dispostas horizontalmente e verticalmente e que, pela aplicação de tensões elétricas, podem deslocar para esquerda e direita o feixe de elétrons, ou ainda para cima e para baixo, conforme o leitor poderá observar na figura abaixo.

 

Movimentos do ponto de imagem
Movimentos do ponto de imagem

 

 

Desta forma, com a utilização de tensões apropriadas nos dois conjuntos de placas de deflexão horizontal e vertical, podemos fazer com que o feixe de elétrons incida em qualquer ponto da tela.

Finalmente, temos uma grade de controle que pode determinar a quantidade de elétrons que “passam” pelo local, influindo assim na intensidade do ponto luminoso.

Estas possibilidades de controlarmos um ponto luminoso numa tela, exclusivamente a partir de meios elétricos, nos levam a duas importantes aplicações práticas para os tubos de raios catódicos: os monitores de vídeo/televisão e o osciloscópio.

No caso do osciloscópio, as placas horizontais são ligadas a uma base de tempo que consiste num oscilador que gera um sinal dente de serra, conforme o leitor poderá ver na próxima figura.

 

Gerando um traço contínuo na tela
Gerando um traço contínuo na tela

 

 

Assim, o ponto, desloca-se da esquerda para a direita com uma velocidade constante na tela e depois, quando chega ao final da trajetória, quando a tensão cai, volta tão rapidamente para a direita que não o vemos (alguns circuitos “apagam” o ponto nesta trajetória de volta), para que no ciclo seguinte ele repita o mesmo trajeto da esquerda para a direita.

O resultado prático disso é o aparecimento de uma linha reta na tela, pois o fósforo usado tem certa persistência, não apagando de imediato.

Quando então aplicamos nas placas verticais um sinal qualquer, por exemplo, senoidal, ao mesmo tempo em que o ponto descreve a trajetória da esquerda para direita, ele também faz uma trajetória no sentido vertical que corresponde ao sinal, ou seja, uma senóide. O resultado final é o aparecimento na tela do aparelho da senóide, conforme poderemos observar na figura abaixo.

 

Gerando uma senóide
Gerando uma senóide

 

 

Verificamos que, qualquer que seja a forma de onda do sinal aplicado nas placas verticais, ela será projetada na tela pelo movimento do ponto luminoso.

Podemos então visualizar no osciloscópio formas de onda de sinais elétricos, o que torna este aparelho de extrema utilidade na oficina.

Os cinescópios em cores possuem, na verdade três canhões, já que precisam gerar feixes que correspondam às três cores que, combinadas, resultam em todas as outras. Veja que os elétrons não têm cores: as cores são obtidas a partir de fósforos que emitem luz de cores diferentes quando recebem o impacto dos elétrons.

As tensões necessárias ao funcionamento destes cinescópios (tubos de raios catódicos) são muito elevadas, da ordem de dezenas de milhares de volts. Trata-se, portanto de um componente que deve ser manuseado com extremo cuidado pelos técnicos reparadores.

Como a velocidade de movimentação no sentido horizontal é muito maior que no vertical, o resultado é que a tela se enche de linhas paralelas. Os circuitos que fazem isso no televisor são denominados de varredura.

Modulando então o feixe de modo a obter instantes de claros e escuros de acordo com informação transmitida pela estação, podemos reproduzir imagens, o que é mostrado na figura abaixo.

 

Formando uma imagem num cinescópio de raios catódicos
Formando uma imagem num cinescópio de raios catódicos

 

 

Os ciclos de varredura se repetem tão rapidamente que não vemos sua mudança, e isso nos da sensação de continuidade ou movimento da imagem.

Na televisão em cores, como nos monitores dos computadores, existem três canhões que disparam feixes de elétrons que incidem em pontos diferentes da tela que são recobertos com fósforo de cores diferentes (vermelho, verde e azul). A combinação das 3 cores gera imagens com todas as outras, conforme poderemos entender observando a figura abaixo.

 

Pontos de imagem da tela de um cinescópio.
Pontos de imagem da tela de um cinescópio.

 

 

 

Diodos Laser

Um componente que merece destaque é o diodo Laser encontrado nos leitores de CD, DVDs e em muitas outras aplicações.

Conforme estudamos, os LEDs são diodos diferentes que se caracterizam por emitirem luz visível ou infravermelha, quando são percorridos por uma corrente no sentido direto. Projetando de forma bastante crítica o formato do diodo, acrescentando-lhes impurezas apropriadas e dotando-lhe ainda de um sistema refletor que forme uma cavidade ressonante, o diodo emissor de luz comum pode se tornar um diodo Laser. Na próxima figura temos a estrutura de um diodo Laser.

 

Estrutura de um diodo laser
Estrutura de um diodo laser

 

 

Na figura seguinte temos alguns tipos comuns de diodo laser, como os encontrados em laser pointers.

 

Diodos laser
Diodos laser

 

 

LASER significa Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação.

Explicando melhor, o diodo laser consegue produzir feixes muito estreitos de luz ou radiação infravermelha de um comprimento único de onda com propriedades excepcionais.

No caso dos CD musicais, DVDs ou CD-ROM, a leitura das informações é feita por um sistema que inclui dois componentes muito importantes que merecem destaque.

Um deles é o diodo laser que emite em direção ao disco um estreito feixe de radiação infravermelha. As informações no CD ou DVD estão gravadas na forma de elevações e afundamentos microscópicos que podem alterar o modo como a luz do laser se reflete.

No Bluray o diodo emissor é azul, com um comprimento menor de onda, pode ler informações gravadas mais densamente.

Um foto-diodo ou um foto-transistor ligados a um sistema óptico muito preciso consegue focalizar as elevações e afundamentos denominados “pits”, convertendo-os em impulsos elétricos que são interpretados pelos circuitos como bits gravados.

Desta forma o drive consegue ler as informações gravadas no disco por meio de um LASER, daí sua denominação de CD-laser que também é usada.

Diodos emissores de luz e foto-sensores (diodos ou transistores) também são usados para detectar se o furo de proteção contra gravação de um disquete está aberto ou fechado, se um mecanismo numa impressora ou scanner está numa determinada posição e em muitas outras aplicações.

Em alguns mouses, a posição de seu deslocamento é obtida pela movimentação de um disco perfurado diante de um diodo emissor de luz, e um fotossensor de modo a produzir impulsos que indicam como ele se move.

 

Motores de Passo

Muitos equipamentos industriais, eletroeletrônicos que possuem partes móveis, drives de disquetes, impressoras, scanners e alguns outros dispositivos automotivos fazem uso de um tipo especial de motor denominado “motor de passo”.

Diferentemente dos motores comuns, que giram sem parar quando lhes aplicamos alimentação, o motor de passo é um motor que gira controlado por impulsos, e pode parar em uma determinada posição que depende dos impulsos aplicados.

Isso significa que o motor de passo pode ser levado a qualquer posição de seu giro, controlado por sinais vindos diretamente de um circuito digital.

Esta importante propriedade dos motores de passo os torna ideais para aplicações em que se exige precisão no posicionamento de uma peça.

É o caso de alguns dispositivos usados no computador como, por exemplo, os drives que devem girar numa velocidade precisa, um mecanismo de uma impressora que deve ser colocado numa posição exata ou mesmo um braço de robô num automatismo controlado pelo computador.

Na próxima figura temos um motor de passo típico em corte do tipo quadripolar que possui duas bobinas com derivações.

 

 

Um motor de passo em corte
Um motor de passo em corte

 

 

Motores de passo  - Dada a importância deste componente, ele será estudado mais profundamente no volume que trata de automação e controle.

 

A maneira como essas bobinas são excitadas determina o modo como ele gira ou se posiciona. Os tipos mais comuns são os de 12 V que são excitados por correntes até 500 mA.

Os motores de passo não se destinam a movimentar dispositivos pesados ou de alta velocidade, mas sim dispositivos leves e de alta precisão.

 

Índice

Introdução

Parte 1 

Parte 2

Parte 3

Parte 4

Parte 5

Parte 6

Parte 7

Parte 8

Parte 9 (Você está aqui)

Parte 10

Parte 11

Parte 12

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Humor
De uma certa maneira, o humor é um fenômeno burguês, embora o autêntico burguês seja incapaz de compreendê-lo.
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