Guia de Introdução à Eletrônica

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Introdução

Antes de sair programando sua placa Arduino você precisa entender alguns conceitos básicos para saber como que algumas linhas de código podem fazer um LED piscar, um buzzer emitir um som ou um motor girar. Esse é o objetivo desse primeiro capítulo. Preparado? Vamos lá!

O que é Arduino?

Segundo o site dos próprios criadores, o Arduino.cc“Arduino é uma plataforma eletrônica de código aberto baseada em hardware e software fáceis de usar” (entenda hardware como as placas e software como o programa de computador). Então Arduino é um conjunto de ferramentas para facilitar o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos. Nessa plataforma estão incluídos o software de programação, a IDE do Arduino (ou ambiente de desenvolvimento de códigos), e as placas que serão programadas para serem usadas no projeto, como o Arduino Uno. Além disso, todas essas ferramentas são de código aberto, ou seja, qualquer pessoa pode replicá-las ou contribuir para o seu aperfeiçoamento (com algumas regras). Isso é o que permite o surgimento de diversas placas compatíveis, melhoradas e para as mais diversas aplicações (nota: o nome Arduino, o logo e algumas são outras informações são propriedade intelectual da empresa Arduino e não podem ser usadas sem o consentimento dela). Um grande fruto desse movimento Open Source é a linha de placas Compatível com Arduino, que traz placas mais robustas, de alta qualidade, com um bom custo x benefício. Inclusive utilizaremos uma placa Compatível com Arduino nos circuitos dessa apostila, mas você a utiliza como se fosse um Arduino.
São todas essas ferramentas que nos permitem interagir com uma série de componentes eletrônicos para desenvolver uma infinidade de projetos. Ao longo deste material você aprenderá um pouco mais a fundo sobre essa plataforma que vem revolucionando o aprendizado de eletrônica desde 2005.

Agora que você já tem uma ideia do que seja Arduino, resta saber como ele realmente interage com os componentes eletrônicos. E para isso, vamos aprender um pouco sobre eletrônica básica.

Corrente, tensão e resistência

Você já parou pra pensar porque que uma pequena lâmpada acende quando conectada à uma fonte de energia (uma pilha, por exemplo)? A lâmpada acende porque quando conectamos ela à bateria, um fluxo de partículas portadoras de energia (elétrons) é criado entre o terminal positivo e negativo da bateria. Esse fluxo é denomidado corrente elétrica e ocorre devido a diferença de potencial elétrico entre os terminais da bateria. A diferença de potencial elétrico também é conhecida como tensão elétrica.

Para que fique mais fácil de entender, vamos fazer uma analogia e comparar a bateria aos dois tanques de água da figura abaixo. Imagine que a água é a energia (ou elétrons), o tanque à esquerda é o terminal positivo e à direita é o negativo. Quando conectamos os dois tanques com um cano, a água fluirá entre eles até que os níveis fiquem iguais. Podemos então dizer que a tensão (V) pode ser representada pela diferença de pressão que força a água através do cano. A água fluindo pelo cano representa a corrente (A): quanto mais pressão, mais corrente. Já a resistência (R) é representada pelo diâmetro pequeno do cano, que restringe o fluxo de água, podendo ser comparado a um resistor que restringe o fluxo de corrente em um circuito.

Essas três grandezas são relacionadas pela lei de Ohm. Ela determina que, para um condutor mantido à temperatura constante, a razão entre a tensão entre dois pontos e a corrente elétrica é igual a resistência elétrica. Em termos matemáticos, isso pode ser representado pela seguinte equação:

Essa lei é base para quase todos os outros estudos e aplicações da eletricidade. Ao longo desse material você poderá vivenciar uma série de exemplos que utilizarão regras que são derivadas dessa equação. E como essa equação representa matematicamente um fenômeno físico, suas grandezas devem apresentar uma unidade física. É aí que o SI (Sistema Internacional de Unidades) entra e define as unidades de cada uma delas. A resistência elétrica é medida em ohms e é simbolizado pela letra grega ômega (Ω). Já a tensão elétrica é medida em volts e representada por uma letra V maíscula. E por último, a unidade da corrente elétrica é o ampere e seu símbolo é uma letra A maíscula.

Você perceberá que muitas vezes os valores de resistência, tensão e corrente são muito pequenos ou muito grandes dependendo do circuito que você estará montando. Então é provável você se deparar com 10.000 Ω ou 0,002 A. Para facilitar a leitura desses valores, o Sistema Internacional de Unidades também criou multiplicadores que são adicionados junto à unidade de cada valor. Você pode encontrar uma lista completa deles aqui, mas os principais multiplicadores para o nosso contexto de estudo você encontra na tabela abaixo:

Está um pouco complicado? Vamos pensar em um exemplo simples: para escrevermos uma resistência de 1 milhão e meio de ohms utilizaríamos 1.500.000Ω. Mas, graças aos multiplicadores, podemos apenas escrever 1,5 MΩ, que e a mesma coisa já que ao calcularmos teríamos: 1,5 x 106 = 1.500.000 Ω.
Fique tranquilo, com o tempo você se familiarizará com todas essas unidades e multiplicadores. Até lá você pode utilizar as tabelas de conversão abaixo que fizemos para evitar que você precise fazer vários cálculos, esse não é o nosso objetivo.

Polaridade

A corrente elétrica percorre os circuitos eletrônicos passando pelos componentes que, por sua vez, desempenhem suas funções. Por convenção, assumimos que ela flui do terminal positivo para o negativo da sua fonte de energia. Esse sentido é importante para sabermos como ligar alguns determinados componentes, pois alguns deles possuem polaridade, ou seja, seu funcionamento depende do sentido que a corrente passa pelos seus terminais. Existe também os componentes que não possuem polaridade e seu funcionamento não depende do sentido da corrente, como é o caso dos resistores.
A polaridade dos componentes é indicada das mais diversas formas, desde marcações do terminal positivo ou negativo, uma diferença no tamanho nas pernas ou em um esquema detalhado em sua documentação.
No LED, por exemplo, os terminais são indicados de duas maneiras: na diferença entre as duas pernas (o terminal negativo tem comprimento menor que o terminal positivo) e em um chanfro no corpo que indica o terminal de polaridade negativa. Identifique em um dos LEDs do seu kit qual é o terminal positivo e qual é o negativo de acordo com a imagem ao lado.
Obedecer essa característica dos componentes na hora de montar o circuito pode ser a diferença entre o projeto funcionar ou não. Existe também a possibilidade de você queimar o componente ou até mesmo sua fonte de energia se ligar um componente com sua polaridade invertida.

Você deve observar a polaridade de cada componente antes de ligá-lo ao seu circuito!

Curto-circuito

Assim como inverter a polaridade de um componente, criar um curto-circuito é uma prática proibida para quem quer evitar danos aos seus componentes ou até causar um acidente mais grave!
Damos o nome de curto-circuito para um circuito que possui uma resistência pequena o suficiente para elevar a corrente que passar por ele a níveis acima do suportado por seus componentes e/ou fonte. Isso normalmente ocorre quando conectamos um fio, ou qualquer condutor elétrico de resistência desprezível, entre os terminais de uma fonte de energia, como os pinos 5V e GND de seu Arduino. Isso é o mesmo que colocar uma resistência nula no circuito e, pela lei de Ohm, teremos que para qualquer tensão aplicada, a corrente tenderá ao infinito.
Na prática isso causa um fluxo de energia muito maior que os componentes podem suportar. Essa energia é então transformada em calor até que os componentes literalmente queimem.

Fique bastante atento e sempre verifique suas ligações antes de energizar o circuito!

Ao longo desse material aprenderemos muitos conceitos sobre eletrônica através de vários projetos práticos e divertidos. Inclusive, que tal montarmos nosso primeiro circuito e fixar os conceitos aprendidos nesse capítulo? 😉

Hardware

Para esse experimento vamos basicamente utilizar LEDs e resistores, e os detalhes sobre o funcionamento sobre esses dois componentes vamos deixar para os capítulos seguintes. A nossa placa Arduino atuará apenas como uma fonte de energia, portanto não iremos programá-la ainda.
Lembre-se da seção anterior na hora de identificar os terminais dos LEDs e que os resistores não tem polaridade, portanto não importa a ordem de seus terminais no circuito. Além disso, você pode visualizar a diferença entre os dois tipos de resistores pelas cores dos anéis em seu corpo (utilize a imagem ao lado abaixo como referência).

Lista de materiais

Você precisará dos seguintes materiais para o desenvolvimento dessa atividade:

  • 1x Placa Arduino + Cabo USB
  • 2x LED 5mm
  • 1x Resistor 300 Ω
  • 1x Resistor 10 kΩ
  • 1x Protoboard
  • Jumpers

Circuito

Esse provavelmente é o primeiro circuito que você irá montar, e mesmo que não seja, temos algumas dicas que vão te ajudar na montagem dos seus circuitos ao longo do kit:

  • Dica 1: antes de montar qualquer circuito em seu Arduino, certifique-se que o cabo USB está desconectado do computador. Assim você evitará queimar seus componentes ou sua placa Arduino durante a montagem.
  • Dica 2: sempre verifique a polaridade dos componente antes de conectá-lo ao seu circuito. Você não quer queimar seus LEDs antes de vê-los piscar né?
  • Dica 3: não se importe com as cores dos fios na hora de fazer as ligações, o importante é fazer a ligação correta! Preste bastante atenção ao fazer as ligações, pois apenas um fio no lugar errado pode comprometer todo o experimento.
  • Dica 4: sempre revise o seu circuito antes de energizar sua placa Arduino pela USB de seu computador. Lembre-se que você pode ter criado um curto-circuito mesmo sem perceber.
  • Dica 5: Divirta-se! Mais que estudar e aprender.

Agora é só colocar os componentes conforme está sendo mostrado na imagem abaixo, bem como suas ligações. Note que os resistores possuem valores diferentes: em um dos LEDs é o 10kΩ e o do outro LED é de 300Ω. Pensando no conceito de tensão, corrente e resistência, você consegue imaginar o que vai acontecer com cada um dos LEDs?

O que deve acontecer

Depois de montar o circuito você pode conectar sua placa à porta USB de seu computador e, se você realizou todas as ligações corretas, perceberá os dois LEDs acesos com intensidades diferentes: o LED que tem um resistor de 300Ω brilha mais forte que o LED que tem um resistor de 10kΩ (10k = 10.000).
Será que isso faz sentido? Vamos analisar matematicamente os dois circuitos e verificar se faz sentido. Sabemos que a tensão total no circuito é de 5 V do Arduino, e, apenas para facilitar os cálculos, vamos assumir que a resistência e, consequentemente, a tensão do LED (sim, o LED oferece uma resistência à passagem dos elétrons) são nulas. Então teremos:

Note que a corrente elétrica que passa pelo LED 1 é mais de 30x maior que a do LED 2 e isso pode ser visualizado na intensidade luminosa de cada um dos LEDs.
Com isso podemos comprovar na prática a lei de Ohm e ainda descobrir uma característica interessante sobre os LEDs: a intensidade luminosa de um LED é proporcional à corrente elétrica que passa por ele.

Mais detalhes

Para facilitarmos o entendimento do cálculo da corrente do circuito, no primeiro momento adotamos uma situação ideal, onde a tensão do LED é nula. Na realidade, um LED provoca uma queda de tensão no circuito, conhecida como tensão direta (Vf). Existe uma enorme diversidade de LEDs no mercado e, apesar da tensão direta variar em função da cor e do tamanho, entre outros aspectos, ela pode ser considerada constante para o modelo escolhido.

“Mas onde esta tal de tensão do LED aparece?” Esta provavelmente é a pegunta que você deve estar fazendo neste momento. Para responder esta pergunta, precisamos saber que, segundo a lei de Kirchhoff, a soma das tensões do circuito é igual a zero. Ou seja, a tensão da fonte de alimentação (Vcc) é igual à soma da tensão sobre o resistor (Vr) mais a tensão sobre o LED (Vf), conforme a seguinte equação:

Quando unimos esta equação à primeira lei de Ohm, obtemos a seguinte equação:

Onde:

  • I = corrente do circuito (em Amperes)
  • Vcc = tensão de entrada (em Volts)
  • Vf = tensão sobre o LED (em Volts)

Adotando-se Vf = 2 V, para os dois exemplos anteriores obtemos os seguintes resultados:

Utilizando a tensão direta no dimensionamento do circuito, obtém-se um resultado mais preciso. No dia a dia, para cálculos rápidos, pode-se considerar a tensão sobre o LED como nula. Mas é importante reparar que o resistor é usado para controlar a corrente do circuito, e influencia assim na performance dos demais componentes (como o LED).

Indo além

E se ao invés de utilizarmos o pino de 5 V para alimentar o sistema, nós utilizarmos o pino de 3,3 V? O que aconteceria? Faça o teste e prove matematicamente! Depois é só comparar com os nossos cálculos aqui. Praticar é importante para fixar o conhecimento 😉

Se você ficou curioso para saber mais a fundo sobre os assuntos abordados até aqui, dê uma olhada nesses links:

Agora você está pronto para prosseguir para o próximo capítulo da nossa apostila e continuar aprendendo =)

Solução de problemas

O LED não acendeu

  • Dê uma olhada se você respeitou a polaridade do LED na hora de conectá-lo. Se ele estiver invertido, não irá acender.
  • Revise as ligações do LED que não acendeu, talvez seja apenas um fio fora do lugar.
  • Lembre-se de conectar sua placa Arduino ao computador, pois é a energia que vem da USB que alimentará sua placa e seu circuito.
  • É importante também que você tenha compreendido com clareza como funciona a protoboard. Se você ainda está com dúvidas, retorne ao capítulo anterior.

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