Sebenta · Executar desenho esquemático e simulação de circuitos elétricos e eletrónicos (UC03116)

Introdução

Esta sebenta ensina a desenhar esquemas de circuitos elétricos e eletrónicos e a simular o seu funcionamento com ferramentas digitais. É uma competência central de quem projeta, monta ou repara eletrónica: sem saber ler e desenhar um esquema, não se compreende um circuito, e sem simular perde-se tempo e material a testar por tentativa e erro.

O percurso segue o de um profissional real. Primeiro fixamos a linguagem: a normalização do desenho técnico e a simbologia da norma IEC 60617. Depois aprendemos os vários tipos de esquema, unifilar, multifilar e de blocos, e um caso central da eletrónica, as fontes de tensão. A seguir treinamos a leitura de esquemas complexos com a metodologia dos manuais de serviço. Por fim dominamos a ferramenta (layers, comandos de desenho e de edição, procedimentos do software) e fechamos com a simulação do circuito. No fim, deves conseguir desenhar um esquema correto e normalizado e comprovar o seu comportamento por simulação.

Objetivos de aprendizagem (referencial): executar esquemas unifilares e multifilares de circuitos elétricos e eletrónicos em ferramenta digital; e simular o funcionamento de circuitos elétricos e eletrónicos em ferramenta digital. Tudo respeitando os métodos e procedimentos da aplicação informática, cumprindo as normas de representação e adequando as representações aos elementos a representar.

1. Do desenho técnico ao esquema eletrónico

Um circuito real é um conjunto de componentes ligados por condutores. Para o projetar, comunicar, montar e reparar, não desenhamos o objeto físico: desenhamos um esquema, uma representação gráfica normalizada que mostra o que liga a quê. O esquema é um mapa lógico do circuito, não uma fotografia.

Há três formas de representar um circuito, com finalidades diferentes:

Esta UC foca o esquema e a sua simulação. O layout da placa é uma etapa posterior, tratada noutra unidade, mas parte sempre do mesmo esquema. A grande vantagem do esquema é ser universal: dois técnicos em países diferentes leem o mesmo esquema da mesma maneira, porque ambos seguem a mesma norma de símbolos.

2. Normalização e a norma IEC 60617

Normalizar é seguir regras comuns para que o desenho seja inequívoco. Sem normas, cada projetista desenharia à sua maneira e os esquemas seriam ilegíveis para os outros. A normalização define símbolos, espessuras de linha, formatos de folha, referências e legendas.

Os organismos de normalização relevantes são a IEC (internacional), a CENELEC (europeu) e o IPQ com as normas NP (Portugal). Para os símbolos gráficos de esquemas, a norma de referência é a IEC 60617, "Graphical symbols for diagrams", que cobre condutores, componentes passivos e ativos, fontes, comutadores e ligações à terra.

Regras gerais de representação

• Traçado com linhas de espessura uniforme; condutores a direito, com ângulos retos.
• Ligações: um ponto (nó) marca um cruzamento com ligação; sem ponto, os fios cruzam sem ligar.
• Cada componente tem uma referência (R1, C2, D3, Q1, U1) e um valor (220 Ω, 100 µF).
• Leitura da esquerda para a direita e de cima para baixo; entradas à esquerda, saídas à direita.
• Legenda (cartucho) com título, autor, data, versão e escala.

A regra do ponto de ligação é a fonte de metade dos erros de leitura: ponto = ligado; cruzamento sem ponto = não ligado. Interioriza-a bem.

Regra da casa: um esquema, uma norma. Não se misturam símbolos IEC (europeus) com ANSI/IEEE (americanos) no mesmo desenho. Nesta UC usamos sempre a IEC 60617.

3. Simbologia eletrotécnica (IEC 60617)

Os símbolos são o alfabeto dos esquemas. Sem os conhecer, não se lê um circuito. Os essenciais:

Repara em dois pontos que confundem os principiantes:

• A orientação não é decorativa. Um díodo ao contrário não conduz onde devia; a barra indica o cátodo.
• A massa de sinal (GND, 0 V) não é o mesmo que a terra de proteção (PE). A primeira é a referência elétrica do circuito; a segunda é uma ligação de segurança que leva correntes de defeito à terra física.

4. Bibliotecas de componentes

Nos programas de desenho, os símbolos não se desenham um a um: escolhem-se das bibliotecas, coleções de componentes prontos a usar. Cada componente traz o símbolo (para o esquema) e, quando aplicável, o footprint (o encapsulamento, para a placa).

As bibliotecas organizam-se por famílias: passivos, semicondutores, conectores, circuitos integrados. Podem ser as de fábrica do programa, as do fabricante (muitas vêm com o datasheet ou de portais como o SnapEDA) ou criadas pelo utilizador quando o componente não existe.

Boas práticas com bibliotecas:

• Usar sempre a biblioteca normalizada IEC e confirmar o pinout na ficha técnica (datasheet).
• Ao criar um símbolo novo, definir com rigor os terminais, o nome e o valor.
• Manter as bibliotecas junto do projeto e com nomes claros, para não "perder" símbolos.

Um símbolo mal criado (com um terminal errado) propaga o erro por todo o projeto. O rigor começa na biblioteca.

5. Esquemas unifilares

O esquema unifilar representa o circuito com uma única linha por conjunto de condutores, mesmo quando há vários. É uma visão simplificada e de conjunto, muito usada em instalações elétricas (quadros e distribuição).

Numa linha unifilar, uma marca (por exemplo, três traços curtos com o número 3) indica o número de condutores representados por aquela linha. O unifilar mostra a estrutura e a hierarquia da instalação sem detalhar cada ligação.

Exemplo resolvido, quadro de habitação

[Contador]──[Disjuntor geral]──┬──[Diferencial]──[Disj. Iluminação]
                               ├──[Disj. Tomadas]
                               └──[Disj. Cozinha]

Lê-se assim: a energia entra pelo contador, passa pelo disjuntor geral, depois pelo diferencial (proteção de pessoas), e distribui-se por três circuitos terminais. Cada linha é uma "via" da instalação. Este formato é ideal para dimensionar e documentar, mas não chega para montar: para isso precisamos do multifilar.

6. Esquemas multifilares

O esquema multifilar (ou desenvolvido) mostra cada condutor e cada ligação individualmente. É o esquema de detalhe, o que se usa para montar e reparar. Cada fio é uma linha e cada componente aparece com todos os terminais. É o formato típico dos esquemas eletrónicos.

O que o unifilar resume, o multifilar detalha: permite seguir o percurso do sinal passo a passo.

Exemplo resolvido, LED com resistência

Circuito: um LED alimentado por 5 V, com resistência limitadora.

+5V ──[R1 220Ω]──►|── (LED D1) ── GND

Análise passo a passo:

1. A fonte impõe 5 V entre o nó +5V e o nó GND.
2. O LED, ligado corretamente (ânodo para R1), cai cerca de 1,8 V quando conduz.
3. A resistência R1 limita a corrente. Pela lei de Ohm:

I = (V_fonte − V_LED) / R1 = (5 − 1,8) / 220 ≈ 0,0145 A = 14,5 mA.

1. O nó GND fecha o circuito.

Sem a R1, o LED receberia corrente a mais e queimaria. Se a fonte fosse de 12 V e quiséssemos os mesmos ~15 mA, recalcularíamos R1 = (12 − 1,8) / 0,015 ≈ 680 Ω. Cada elemento tem referência, valor e ligação explícita: isto é o multifilar.

7. Esquemas de blocos

O esquema de blocos representa o sistema por caixas funcionais ligadas por setas, sem o detalhe interno de cada uma. Cada bloco é uma função (amplificar, filtrar, retificar, regular) e as setas indicam o fluxo do sinal ou da energia.

Serve para compreender o funcionamento global antes de olhar o detalhe. Se o multifilar é o texto do livro, o esquema de blocos é o índice.

Exemplo, cadeia de uma fonte de alimentação

[Rede 230V] → [Transformador] → [Retificador] → [Filtro] → [Regulador] → [+Vcc estável]

A grande vantagem prática do esquema de blocos é o diagnóstico de avarias: mede-se a saída de cada bloco, do início para o fim, até encontrar o ponto onde o sinal desaparece ou fica errado. Só então se desce ao esquema multifilar do bloco suspeito. É a lógica de dividir para conquistar.

8. Esquemas de fontes de tensão

As fontes de alimentação são um dos circuitos mais comuns e um bom caso de estudo, porque combinam vários blocos. Há dois grandes tipos.

Fontes e blocos de alimentação convencionais (lineares)

A fonte linear segue a cadeia de blocos clássica:

1. Transformador: baixa a tensão alternada da rede.
2. Retificador (ponte de díodos): converte AC em DC pulsante.
3. Filtro (condensador): alisa a tensão pulsante.
4. Regulador (ex.: 7805): entrega tensão contínua estável (5 V).

São simples e com pouco ruído, mas volumosas e com rendimento baixo (o regulador dissipa em calor a diferença de tensão, daí aquecer).

Fontes comutadas (switching)

A fonte comutada converte a energia através de comutação a alta frequência, controlada por realimentação. É mais eficiente, mais leve e mais compacta que a linear (a alta frequência permite transformadores minúsculos). Está em quase todos os carregadores e computadores modernos. Em contrapartida, o desenho é mais complexo e gera mais ruído a filtrar.

Segurança: nas fontes comutadas há zonas ligadas diretamente à rede. Nunca mexer com tensão aplicada.

9. Técnicas de leitura de esquemas complexos

Um aparelho real traz, no manual de serviço, um esquema grande, com várias páginas. Lê-lo sem se perder exige método.

Metodologia do manual de serviço

1. Começar pelo esquema de blocos (visão global do aparelho).
2. Identificar as entradas (alimentação, sinal) e as saídas.
3. Seguir o fluxo do sinal, bloco a bloco.
4. Descer ao multifilar apenas do bloco em análise.
5. Usar as referências e as coordenadas de folha (grelha A1, B3) para saltar entre páginas.

Componentes e blocos de um circuito

• Componentes: identificar cada um pela referência (R, C, D, Q, U) e valor.
• Blocos: agrupar componentes por função (fonte, amplificador, oscilador).
• Reconhecer padrões repetidos: divisor de tensão, filtro RC, andar amplificador.
• Cruzar o esquema com a lista de materiais (BOM) e com a placa física.

Quem reconhece os blocos e os padrões lê qualquer esquema muito mais depressa. Ler um esquema grande é navegar, não decorar.

10. A ferramenta layer

As layers (camadas) organizam o desenho em níveis independentes que se sobrepõem, como folhas de acetato. É a arrumação do projeto. Quatro capacidades definem o seu valor:

• Organização: separar sinal, alimentação, anotações, cotas e contorno em camadas próprias.
• Controlo de visibilidade: ligar/desligar camadas para focar só o que interessa (por exemplo, esconder anotações para imprimir).
• Propriedades: cada camada tem cor, espessura e estilo próprios.
• Edição independente: mexer numa camada sem afetar as outras e bloquear as que não se querem alterar.

Boas práticas: definir uma convenção de camadas no início, bloquear as camadas de referência para não as mexer por engano, e usar cores distintas para leitura rápida. No editor de placa (PCB), as camadas ganham significado físico (cobre do topo e do fundo, máscara de solda, serigrafia). Uma boa gestão de layers é sentido de organização, uma das atitudes avaliadas na UC.

11. Comandos de desenho

São as ferramentas para criar elementos no esquema:

• Colocar componente (place): inserir símbolos da biblioteca.
• Fio / ligação (wire): unir terminais.
• Barramento (bus): agrupar vários sinais numa só linha (por exemplo, D0 a D7).
• Etiqueta de nó (net label): nomear um nó, ligando por nome sem fio visível.
• Porta de alimentação (power port): colocar GND, +Vcc.
• Texto, linhas e retângulos: anotações e delimitação de blocos.

Grelha, snap e precisão

A grelha (grid) alinha os elementos e o snap faz os terminais "colarem" a ela. Trabalhar sempre com o snap ligado garante que os fios ligam mesmo aos terminais. As ferramentas de zoom e pan permitem trabalhar ao detalhe.

Erro clássico: um fio que termina um pixel ao lado do terminal parece ligado mas não está. O snap resolve, e o realce do nó permite confirmar. Rigor visual é rigor elétrico.

12. Comandos de edição

São as ferramentas para alterar o que já existe:

• Selecionar, mover (move), copiar (copy) e colar (paste).
• Apagar (delete) e anular/refazer (undo/redo).
• Rodar (rotate) e espelhar (mirror) símbolos, para arrumar sem cruzar fios.
• Duplicar blocos repetidos.
• Editar propriedades: valor, referência, footprint.
• Alinhar e distribuir para um esquema limpo.

Erro comum: mover um símbolo e deixar os fios "para trás", desligados. Verifica sempre as ligações depois de mover.

Verificação elétrica de regras (ERC)

Antes de dar o esquema por terminado, corre-se o ERC (Electrical Rule Check). Deteta terminais por ligar, conflitos de saída e nós sem ligação, sinalizando avisos e erros com a sua localização. Um esquema que passa no ERC está pronto para simular. Não vale a pena simular um esquema com erros de ligação.

13. Procedimentos de software e simulação

Existem várias ferramentas de desenho e simulação, livres e do mercado. Interessa perceber que o fluxo de trabalho é o mesmo em todas; muda o programa, não a competência.

Fluxo comum: novo projeto → colocar componentes → ligar → definir valores → ERC → simular → documentar. Um projeto agrupa esquema, bibliotecas e (opcionalmente) o layout; guarda-se com nomes claros, em pasta própria, com cópias de segurança e com a BOM exportada.

O que é simular

Simular é o computador calcular o comportamento do circuito (correntes, tensões, formas de onda) antes de o construir. Poupa tempo e material, evita queimar componentes e permite ver o invisível (transitórios, formas de onda). O motor de cálculo é o SPICE, que resolve as equações do circuito. A simulação não substitui a montagem real, mas apanha a maioria dos erros de projeto.

Tipos de análise e instrumentos virtuais

• DC (ponto de funcionamento): tensões e correntes em regime contínuo.
• Transitória (transient): evolução no tempo (formas de onda).
• AC (frequência): resposta em frequência (filtros, amplificadores).
• Instrumentos: multímetro, osciloscópio, gerador de sinal e sondas.

Passos: definir a fonte → colocar sondas → escolher a análise → correr → ler os resultados.

14. Do esquema à placa

O esquema validado (que passou no ERC e na simulação) segue para o layout / PCB, onde os componentes ganham posição física e se traçam as pistas de cobre. A ligação entre as duas fases é a lista de materiais (BOM) e a netlist (lista de ligações), geradas pelo programa a partir do esquema. Esta fase é aprofundada noutra UC, mas é importante perceber que parte sempre de um esquema correto e normalizado: um erro no esquema propaga-se à placa.

Erros comuns

• Cruzar fios sem marcar o nó (ou marcar onde não há ligação): cria ligações "fantasma".
• Fio que não liga ao terminal por estar 1 pixel ao lado: trabalhar com o snap ligado.
• Misturar normas (IEC com ANSI) no mesmo esquema.
• Símbolo com pinout errado vindo da biblioteca: confirmar sempre o datasheet.
• Díodo ou condensador polarizado ao contrário: rever a orientação.
• Esquecer a resistência limitadora de um LED e queimá-lo.
• Ignorar os avisos do ERC e simular na mesma.
• Confundir massa (GND) com terra de proteção (PE).
• Confiar cegamente na simulação: o modelo é uma aproximação da realidade.

Glossário

• Esquema (schematic) · representação gráfica normalizada das ligações lógicas de um circuito.
• IEC 60617 · norma internacional dos símbolos gráficos para esquemas.
• Simbologia · conjunto de símbolos normalizados dos componentes.
• Biblioteca · coleção de símbolos (e footprints) prontos a usar no software.
• Unifilar · esquema com uma linha por conjunto de condutores (visão de conjunto).
• Multifilar · esquema com cada condutor e ligação individualizados (detalhe).
• Esquema de blocos · representação por caixas funcionais ligadas por setas.
• Fonte linear · fonte com transformador, retificador, filtro e regulador.
• Fonte comutada (switching) · fonte por comutação a alta frequência, eficiente e compacta.
• Layer (camada) · nível independente de desenho, com visibilidade e propriedades próprias.
• Net label · etiqueta que nomeia um nó, ligando por nome sem fio visível.
• Bus (barramento) · linha que agrupa vários sinais.
• ERC · Electrical Rule Check, verificação elétrica de regras do esquema.
• SPICE · motor de cálculo usado na simulação de circuitos.
• Análise transitória / DC / AC · tipos de simulação (tempo / contínuo / frequência).
• BOM · Bill of Materials, lista de materiais do circuito.
• Netlist · lista de ligações gerada a partir do esquema.
• GND / PE · massa de sinal (0 V) / terra de proteção (segurança).
• Footprint · encapsulamento físico do componente, para a placa.

Síntese

Desenhar e simular um circuito segue sempre a mesma ordem: dominar a linguagem (normalização + simbologia IEC 60617), escolher os componentes das bibliotecas, montar o esquema no tipo certo (unifilar para o conjunto, multifilar para o detalhe, blocos para a função), organizar com layers, desenhar e editar com os respetivos comandos, verificar com o ERC e por fim simular (DC, transitória, AC) para confirmar o comportamento. Cumpre-se sempre a norma, com rigor e sentido de organização, adequando a representação aos elementos a representar. Quem domina este fluxo numa ferramenta adapta-se a qualquer outra.

Exercícios resolvidos

1. Num esquema, dois fios cruzam-se. Como sabes se estão ligados?

Resolução: pela existência de um ponto (nó) no cruzamento. Com ponto, estão ligados; sem ponto, cruzam sem ligar. É a regra de ligação da IEC.

2. Diz qual o tipo de esquema mais adequado: (a) documentar o quadro elétrico de uma casa; (b) reparar uma placa; (c) explicar o funcionamento global de um rádio.

Resolução: (a) unifilar (visão de conjunto da instalação); (b) multifilar (detalhe de cada ligação); (c) esquema de blocos (funções e fluxo do sinal).

3. Um LED de queda 2 V deve funcionar a 10 mA numa fonte de 9 V. Calcula a resistência limitadora.

Resolução: R = (V_fonte − V_LED) / I = (9 − 2) / 0,010 = 7 / 0,010 = 700 Ω. Na prática usa-se o valor normalizado mais próximo (por exemplo, 680 Ω).

4. Ordena os blocos de uma fonte de alimentação linear, da rede à saída estável.

Resolução: Transformador → Retificador → Filtro → Regulador. O transformador baixa a tensão, o retificador converte AC em DC pulsante, o filtro alisa e o regulador estabiliza.

5. A saída de uma fonte tem ondulação (ripple) excessiva. Pela metodologia dos blocos, que bloco suspeitas e como confirmas?

Resolução: suspeita-se do filtro (condensador). Confirma-se medindo, com o osciloscópio, a saída de cada bloco: se antes do filtro há pulsos (normal) e depois do filtro continua muito ondulado, o condensador de filtragem está em falta ou degradado.

6. Antes de simular, o programa acusa "terminal por ligar" no ERC. O que fazes e porquê?

Resolução: localiza-se o terminal indicado e completa-se a ligação (ou marca-se como "sem ligação" se for intencional). Corrige-se antes de simular, porque um esquema com ligações em falta produz resultados de simulação errados ou inconclusivos.

7. Num circuito RC (R = 2,2 kΩ, C = 10 µF), quanto vale a constante de tempo e o que representa?

Resolução: τ = R·C = 2200 × 0,000010 = 0,022 s = 22 ms. Representa o tempo que o condensador leva a atingir cerca de 63% da tensão final; ao fim de ~5τ (110 ms) considera-se carregado. Na simulação transitória, a curva de tensão confirma este valor.