Electrónica analógica simples

Introdução

A electrónica analógica trabalha com sinais que variam continuamente — tensões e correntes em valores intermédios, sem os níveis discretos "0" e "1" da electrónica digital. Esta UC cobre os componentes activos fundamentais (díodos, transistores BJT e MOSFET, amplificadores operacionais), filtros passivos e fontes lineares, com foco em diagnóstico prático.

Pré-requisitos: UC02924 (CC), UC02925 (CA).

1. Analógica vs digital

1.1 Diferenças

Analógica — sinais contínuos. Uma tensão pode tomar qualquer valor numa gama (ex.: de 0 a 5 V em 1,234 V, 2,7 V, etc.). Reflecte fenómenos físicos (som, temperatura, pressão).

Digital — só dois valores discretos: LOW (0) e HIGH (1), tipicamente 0 V e 5 V (ou 3,3 V).

Praticamente todos os sinais do mundo físico são analógicos. Os computadores são digitais. A electrónica analógica faz a ponte entre os dois — capta, condiciona e converte.

1.2 Onde aparece

• Sensores: termopar, microfone, fotodíodo, sensor de pressão.
• Amplificação: sinais fracos (mV de um termopar) para níveis utilizáveis (1-5 V).
• Filtragem: separar bandas de frequência ou remover ruído.
• Conversão AC↔DC: fontes de alimentação.
• Drivers de motor: amplificadores para potência.

2. Díodos

2.1 Função

Permite passar corrente num só sentido — do ânodo para o cátodo. Sentido inverso: bloqueia (até atingir tensão de rotura).

Símbolo:

       ─►├─
   ânodo  cátodo

2.2 Curva I-V

• Polarização directa: a partir de ~0,7 V (silício) começa a conduzir; tensão estabiliza em 0,7 V e corrente cresce rapidamente.
• Polarização inversa: bloqueia (corrente ~0). Se exceder tensão de rotura (V_R), conduz catastróficamente (díodos comuns destruem-se; Zeners aproveitam isto).

2.3 Tipos comuns

• Rectificador (1N4007, 1N5408, MUR1560) — converter AC→DC.
• Schottky (1N5819, SB540) — queda baixa + comutação rápida.
• Zener (BZX55C5V1, etc.) — referência de tensão; protecção contra sobre-tensão.
• LED — emite luz quando conduz.
• Foto-díodo — gera corrente proporcional à luz incidente.

2.4 Rectificação

Meia onda (1 díodo):

AC ──[D]──┬── DC+ (só semi-ciclo positivo)
          │
          R (carga)
          │
AC ───────┴── GND

Eficiência ~40%; saída com muito ripple. Pouco usado.

Onda completa em ponte (4 díodos):

       D1     D2
AC ──┬─►├──┬─◄├── DC+
     │     │
     │   carga
     │     │
   ──┴─◄├──┴─►├── DC−
       D4     D3

Padrão em fontes — converte ambos os semi-ciclos. Saída pulsada que se suaviza com condensador filtro grande (1000 µF+).

2.5 Condensador filtro

Após ponte rectificadora, o condensador carrega no pico (~325 V para rede 230 V eficaz) e mantém tensão durante a "valeta" entre picos.

Ripple (variação) depende: - Capacidade do condensador (maior → menos ripple). - Carga (mais carga → mais ripple). - Frequência da rectificação (60 Hz monofásico → 120 Hz após ponte; trifásico tem ripple muito menor).

3. Transistor bipolar (BJT)

3.1 Estrutura

3 terminais: Base (B), Colector (C), Emissor (E).

Dois tipos: - NPN (mais comum): conduz quando V_BE > 0,7 V; corrente flui de C para E. - PNP (complementar): conduz quando V_EB > 0,7 V; corrente de E para C.

Símbolo NPN:

        C
        │
   B────┤
        │\
        │ ↓
        E

A seta no emissor aponta para fora em NPN (Not Pointing iN).

3.2 Funcionamento

Em vez de "fluxo de electrões", pensa em 3 zonas de operação:

1. Corte (off): V_BE < 0,7 V → I_B = 0 → I_C = 0. Transistor como interruptor aberto.

2. Saturação: V_BE > 0,7 V + I_B grande o suficiente → I_C limitado pela carga; V_CE ≈ 0,2 V. Transistor como interruptor fechado.

3. Activa: entre as duas → I_C = β × I_B (relação linear). Para amplificação.

I_C = β × I_B          (na zona activa)
β = ganho do transistor (50-500 típico)

3.3 Como interruptor (uso mais comum)

Para ligar uma carga (relé, LED de potência, motor pequeno) com um sinal pequeno (Arduino, microcontrolador):

       +V (12V)
        │
       carga (ex.: relé)
        │
    ┌───C
sinal──[Rb]──B   (resistor base ~1k)
    │   ↓\
    │    E
    │    │
   GND  GND

Cálculo do Rb: I_B = I_C / β; com margem (saturação): I_B = I_C / 10. Para I_C = 100 mA, I_B = 10 mA, Rb = (V_sinal − 0,7) / I_B = (5 − 0,7)/0,01 = 430 Ω → próximo 470 Ω.

3.4 Aplicações

• Driver de relé, LED de potência, ventilador 12 V.
• Amplificador de áudio (várias configurações: common emitter, common collector).
• Push-pull (NPN+PNP) em andares de saída de amplificadores.
• Comutação em circuitos lógicos discretos.

Em circuitos modernos, MOSFETs substituem BJTs em muitas aplicações de potência.

4. MOSFET

4.1 Diferenças do BJT

3 terminais: Gate (G), Drain (D), Source (S).

• Controlado por tensão V_GS (não corrente como BJT).
• Impedância de entrada infinita (não puxa corrente da fonte de sinal).
• Comutação muito mais rápida (importante para PWM, switching).
• Tipos N (mais comum) e P (complementar).

4.2 Tipos

• Enhancement (E-MOSFET): off por defeito; precisa V_GS > V_th para ligar. Padrão.
• Depletion (D-MOSFET): on por defeito; raro.

4.3 Como interruptor

Para drives PWM, motor, LED de potência:

       +V (12V)
        │
       carga
        │
    ┌───D
sinal──G   (logic-level MOSFET: IRLZ44N, IRLB3034)
    │   ↓
    │    S
    │    │
   GND  GND

V_GS pequeno (0 V) → off. V_GS > V_threshold (geralmente 2-4 V) → conduz fortemente; V_DS quase 0.

Logic-level MOSFETs ligam directamente a Arduino/microcontrolador (5 V ou 3,3 V chega).

4.4 Vantagens

• Eficiência alta em comutação (V_DS pequeno quando on).
• Sem corrente de Gate (lógica simples para o driver).
• Velocidade: kHz-MHz fácil.

Aplicações: drivers PWM, fontes switching, andares de potência em amplificadores classe D, lógica CMOS digital (todos os chips digitais são pares de MOSFETs).

5. Amplificadores Operacionais (AOP / Op-Amp)

5.1 Estrutura

Chip integrado padrão de 8 pinos (LM358, TL072, LM741):

       ┌──────┐
   2 ──┤−     │── 1  Out 1
       │      │
       │  A   │── 4  V+
   3 ──┤+     │
       └──────┘
   ...

  V+ (alimentação)  8
  V− (alimentação ou GND)  4

2 entradas: inversora (−) e não-inversora (+). 1 saída. Alimentação (V+ e V−, ou + e GND).

5.2 Características ideais

• Ganho infinito em laço aberto (na realidade 10⁵-10⁶).
• Impedância de entrada infinita (não puxa corrente).
• Impedância de saída zero.

Por causa do ganho enorme, AOPs só são úteis com realimentação negativa — saída ligada à entrada inversora por uma rede de R/C define ganho preciso.

5.3 Configurações típicas

1. Não-inversor:

Vin ──┤+
      │      ┌── Vout
      ├──────┤
   ┌─┤−      │
   │  │     R2
  R1  └──────┤
   │         │
  GND       Vout

Ganho = 1 + R2/R1

Ganho ≥ 1; sinal não invertido. Alta impedância de entrada.

2. Inversor:

       R2
Vin─[R1]─┬─────┐
         │     │
        ─┤−    │
         │    Vout
GND ─────┤+
         └─────┘

Ganho = − R2/R1     (sinal invertido)

Ganho pode ser < 1 ou > 1; sinal invertido.

3. Seguidor (buffer):

Vin ──┤+
      │  ┌── Vout (= Vin)
      ├──┤
   ───┤−│
       └┘

Ganho = 1 exacto

Alta impedância de entrada, baixa de saída. Para separar etapas sem alteração de tensão.

4. Comparador (sem realimentação): - V+ > V− → Vout = V_alta (saturação +). - V+ < V− → Vout = V_baixa (saturação −).

Útil para decisões "se sensor X passa Y → faz Z" sem necessidade de microcontrolador.

5.4 Aplicações

• Condicionamento de sensores (termopar mV → 1-5 V utilizáveis).
• Filtros activos (combinar AOP + R + C; resposta mais selectiva que filtros passivos).
• Buffers entre etapas.
• Comparadores (alarme se temperatura passa limiar).
• Geradores de sinais (oscilador, gerador de rampa, integrador, diferenciador).
• Reguladores discretos (referência Zener + AOP + transistor).

6. Filtros RC

6.1 Passa-baixo (LPF)

Atenuação acima de uma frequência de corte.

Vin ──[R]──┬── Vout
           │
          [C]
           │
          GND

fc = 1 / (2π·R·C)

Acima de fc: atenuação 20 dB/década (factor 10 por década de frequência).

Aplicação: remover ruído de alta frequência de um sinal lento (ex.: sensor de temperatura captado com 50 Hz de interferência da rede).

6.2 Passa-alto (HPF)

Atenua frequências baixas.

Vin ──[C]──┬── Vout
           │
          [R]
           │
          GND

Mesma fórmula: fc = 1/(2π·R·C).

Aplicação: desacoplamento DC — passa só o sinal AC, bloqueia componente DC. Comum em entradas de amplificadores de áudio.

6.3 Exemplos

R = 1 kΩ, C = 10 µF: - fc = 1 / (2π × 1000 × 10⁻⁵) = 15,9 Hz.

R = 10 kΩ, C = 100 nF: - fc = 1 / (2π × 10 000 × 10⁻⁷) = 159 Hz.

R = 100 Ω, C = 100 nF: - fc = 1 / (2π × 100 × 10⁻⁷) = 15,9 kHz.

Regra prática: fc = 1/(R·C) dá ~6.28× acima da fc real, mas ajuda a estimar.

6.4 Filtros activos (com AOP)

Combinar AOP + R + C dá: - Roll-off mais agudo (40 dB/década num filtro de 2ª ordem). - Ganho ajustável simultaneamente. - Topologias: Sallen-Key, Multiple Feedback (MFB).

Em equipamento de audio, instrumentação, telecom.

7. Fontes de alimentação lineares

7.1 Estrutura típica

Rede AC 230V
   │
[Transformador 230→12V AC]
   │
[Ponte rectificadora 4 díodos]
   │
[Condensador filtro 1000-4700 µF]
   │
[Regulador linear 78xx]
   │
DC estável (5V, 12V, etc.)

7.2 Reguladores 78xx / 79xx

Série 78xx (positivos): - 7805 → +5 V (1 A típico). - 7812 → +12 V. - 7824 → +24 V. - 78L05 → versão pequena (100 mA).

Série 79xx (negativos): - 7905 → −5 V. - 7912 → −12 V.

Pinos típicos: IN, GND, OUT. Tensão de entrada tem de ser pelo menos 2-3 V acima da saída para regulação correcta.

7.3 Vantagens vs desvantagens

Vantagens: - Muito simples de implementar. - Saída muito limpa (sem ruído de comutação). - Boa para áudio e medições sensíveis.

Desvantagens: - Ineficiência: dissipa V_in × I como calor; se entram 12 V e saem 5 V com 1 A → dissipa 7 W em calor. Precisa dissipador. - Tamanho: o transformador é volumoso.

7.4 Switching vs linear

Hoje quase todas as fontes (telefones, computadores) são switching. Linear permanece em áudio e instrumentação.

8. Diagnóstico prático

8.1 Multímetro em modo díodo

Aplica ~0,7 V e mede: - Sentido directo (vermelho no ânodo, preto no cátodo): mostra ~0,7 V (Si) ou ~0,3 V (Schottky). - Sentido inverso: mostra OL (não conduz).

Falhas: - 0 V em ambos sentidos = curto-circuito (díodo queimado, faz fio). - OL em ambos = circuito aberto (díodo internamente partido).

8.2 Multímetro em transistor BJT

Modo díodo, testar 3 pares de terminais: - B-E: 0,7 V num sentido (vermelho em B = NPN), OL no outro. - B-C: idem. - C-E: OL em ambos (sem trajecto sem activação da base).

Falhas: - Curto entre 2 terminais → transistor queimado. - OL onde devia conduzir → transistor queimado (raro mas existe).

8.3 MOSFET

Mais complicado de testar com multímetro simples (impedância infinita de Gate).

Testes: - D-S em modo díodo: vermelho em S, preto em D → ~0,5 V (díodo body intrínseco). - D-S no sentido oposto: OL. - G-D e G-S: OL em ambos sentidos (sem leakage perceptível).

Para teste funcional: - Aplicar +5 V (logic-level) em G; medir entre D e S a baixar para perto de 0. - Retirar 5 V (curto-circuitar G a GND); D-S volta a OL.

8.4 Sintomas comuns de falha

• Condensador electrolítico inchado/derramado → substituir.
• Resistor escurecido / com cheiro → queimado por sobrecarga; substituir.
• Soldadura fria (junta baça em vez de brilhante) → intermitente; refazer.
• Fonte com saída errada → regulador 78xx provavelmente queimado.
• Equipamento "morre" intermitentemente → vibrações + soldadura fria.

9. Liga a outras UCs

• UC02924 / UC02925 — base eléctrica (CC e CA).
• UC02927 — electrónica digital (BJT/MOSFET em saturação/corte).
• UC02862 — circuitos electromecânicos integram electrónica.
• UC02940 / UC02942 — automatismos com transistores no andar de potência.

10. Conclusão

Electrónica analógica é a base para entender qualquer circuito moderno — mesmo os digitais usam internamente milhões de MOSFETs. Diagnóstico com multímetro identifica 80% das falhas comuns em 5 minutos.

Pratica com breadboard + componentes baratos (kits Adafruit/SparkFun ~30 €) para internalizar.

Apêndice A · Cheat sheet

DÍODO Si: V_F = 0,7 V (directo); OL (inverso)
Schottky: V_F = 0,3 V
LED:       V_F = 1,8-3,3 V

BJT NPN:    I_C = β × I_B; satura quando V_BE > 0,7 + I_B grande
MOSFET N:   on quando V_GS > V_th (~2-4 V)

AOP não-inversor: A = 1 + R2/R1
AOP inversor:     A = − R2/R1
AOP seguidor:     A = 1

Filtro RC: fc = 1 / (2π·R·C)

Apêndice B · Recursos

• The Art of Electronics (Horowitz & Hill).
• All About Circuits — tutorial completo online.
• Falstad simulator (web, gratuito).
• Adafruit Learn, SparkFun Tutorials.
• Datasheets: LM358 (AOP geral), TL072 (AOP áudio), 2N2222 (BJT NPN), IRLZ44N (MOSFET).