Analisar o funcionamento de circuitos elétricos e eletrónicos

Apresentação

UC01988 (25h · 2,25 pts) do curso Técnico de Sistemas de Computação e Redes. É a base de eletricidade/eletrónica: grandezas (tensão, corrente, resistência, potência), lei de Ohm, lei de Joule, associação de resistências (série/paralelo), divisor de tensão e leis de Kirchhoff. Fundamento para UC01992 (componentes passivos), UC01993 (RLC), UC00651 (lógicos) e UC00670 (microcontroladores), e para o diagnóstico elétrico de hardware (fontes, placas).

Grandezas elétricas

As quatro grandezas base

• Carga elétrica Q em coulomb (C). Relação: I = Q / t (corrente = carga por tempo).
• Energia E em joule (J) ou watt-hora: E = P · t.

Múltiplos/submúltiplos comuns: kΩ (10³ Ω), MΩ (10⁶), mA (10⁻³ A), µA (10⁻⁶), mV, kV.

Corrente contínua e alternada

• DC (corrente contínua) — sentido e valor (idealmente) constantes: pilhas, baterias, fontes, eletrónica digital.
• AC (corrente alternada) — inverte o sentido periodicamente, com forma sinusoidal: rede elétrica (em Portugal, 230 V, 50 Hz).

Os equipamentos informáticos funcionam a DC (3,3 V / 5 V / 12 V). A fonte de alimentação (PSU) converte a AC da rede em DC. Daí a importância de perceber ambos.

Condutores, isolantes, semicondutores

• Condutores — baixa resistência (cobre, alumínio): conduzem bem.
• Isolantes — resistência muito alta (plástico, vidro, borracha).
• Semicondutores — comportamento intermédio e controlável (silício): base de díodos, transístores e de toda a eletrónica digital.

Lei de Ohm

A relação fundamental entre tensão, corrente e resistência:

$$ V = R \times I $$

Reorganizando: - R = V / I - I = V / R

Triângulo VRI (mnemónica): escrever V em cima, R e I em baixo; tapar a grandeza que se quer e ler a operação.

Exemplo: um LED com resistência em série de 220 Ω alimentado a 5 V: I = V / R = 5 / 220 ≈ 0,0227 A = 22,7 mA.

Potência e lei de Joule

Potência elétrica:

$$ P = V \times I $$

Combinando com a lei de Ohm: - P = R × I² - P = V² / R

Lei de Joule: a energia dissipada por uma resistência transforma-se em calor: E = P · t. Por isso resistências, CPUs e fontes aquecem — e por isso o dimensionamento térmico (dissipadores, ventoinhas) é crítico em hardware.

Exemplo: resistência de 100 Ω percorrida por 0,5 A → P = R·I² = 100 × 0,25 = 25 W. Uma resistência de ¼ W queimaria; é preciso escolher a potência do componente adequada.

Associação de resistências

Série

A ──[R1]──[R2]──[R3]── B

• A corrente é a mesma em todos os componentes.
• A tensão divide-se proporcionalmente a cada resistência.
• Resistência equivalente: R_eq = R1 + R2 + R3 + ...
• A resistência total aumenta.

Paralelo

      ┌─[R1]─┐
A ──┤─[R2]─├── B
      └─[R3]─┘

• A tensão é a mesma em todos os ramos.
• A corrente divide-se pelos ramos (mais corrente no ramo de menor R).
• Resistência equivalente: 1/R_eq = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ...
• Para dois resistores: R_eq = (R1·R2) / (R1+R2).
• A resistência total diminui (é sempre menor que a menor das resistências).

Circuitos mistos

Resolvem-se por redução por etapas: simplificar grupos série/paralelo sucessivamente até obter uma resistência equivalente, depois recuar para encontrar tensões e correntes parciais.

Divisor de tensão

Vin ──[R1]──┬──[R2]── GND
            │
          Vout

$$ V_{out} = V_{in} \cdot \frac{R2}{R1 + R2} $$

Usado para obter uma tensão menor (ex.: ler um sensor, referência). Divisor de corrente é o análogo em paralelo.

Leis de Kirchhoff

Permitem analisar circuitos que não se reduzem a simples série/paralelo (várias fontes, várias malhas).

Lei dos Nós (LKC — Lei de Kirchhoff das Correntes)

Num nó, a soma das correntes que entram é igual à soma das que saem.

$$ \sum I_{entram} = \sum I_{saem} $$

É a conservação da carga elétrica.

Lei das Malhas (LKT — Lei de Kirchhoff das Tensões)

A soma algébrica das tensões ao longo de qualquer malha fechada é zero.

$$ \sum V = 0 $$

A energia fornecida pelas fontes na malha é igual à consumida pelos componentes. Convenciona-se um sentido de percurso e sinais (subida/queda de potencial) e escreve-se a equação da malha.

Método de resolução

1. Identificar nós e malhas.
2. Atribuir sentidos (arbitrários) às correntes.
3. Escrever equações de nós (LKC) e de malhas (LKT).
4. Resolver o sistema de equações.
5. Sinal negativo no resultado = o sentido real é o oposto do arbitrado.

Instrumentos de medida

Multímetro

Cuidados: - Medir corrente exige abrir o circuito e ligar o multímetro em série — ligá-lo em paralelo (como tensão) provoca curto e pode danificar o aparelho/ponta de prova. - Medir resistência só com o circuito desligado (a alimentação falsearia a leitura e poderia danificar o multímetro). - Selecionar a escala adequada (ou usar auto-range). - Osciloscópio — visualiza a forma de onda no tempo (essencial em AC e sinais digitais).

Segurança elétrica

• Desligar e isolar a alimentação antes de intervir.
• Descarregar condensadores — fontes de alimentação guardam carga letal mesmo desligadas; não abrir a PSU.
• Não trabalhar com mãos, calçado ou superfície húmidos.
• Fusíveis e disjuntores — proteção contra sobrecorrente/curto-circuito (abrem o circuito).
• Ligação à terra (PE) — proteção de pessoas contra defeitos de isolamento.
• Em informática o trabalho é maioritariamente a baixa tensão DC (3,3/5/12 V — segura ao toque), mas a entrada AC da fonte (230 V) é perigosa.
• ESD: a baixa tensão é segura para pessoas mas a eletricidade estática danifica componentes — pulseira antiestática.

Apêndices

A · Fórmulas essenciais

Lei de Ohm:    V = R·I        R = V/I        I = V/R
Potência:      P = V·I        P = R·I²       P = V²/R
Energia:       E = P·t
Série:         R_eq = R1 + R2 + ...
Paralelo:      1/R_eq = 1/R1 + 1/R2 + ...   (2R: R1R2/(R1+R2))
Divisor V:     Vout = Vin · R2/(R1+R2)
Kirchhoff:     ΣI_entra = ΣI_sai     ΣV_malha = 0

B · Glossário

AC/DC. Corrente alternada / contínua. Condensador. Componente que armazena carga. Kirchhoff (LKC/LKT). Leis dos nós / das malhas. Lei de Joule. Dissipação de energia em calor. Multímetro. Instrumento V/I/R/continuidade. Semicondutor. Material base da eletrónica (silício). Terra (PE). Condutor de proteção.

C · Recursos

• Falstad Circuit Simulator · falstad.com/circuit — simulador online interativo.
• Tinkercad Circuits · simulação com multímetro e protoboard.
• All About Circuits · allaboutcircuits.com — textbook gratuito.
• Khan Academy · eletricidade e circuitos.