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Universidade de Sorocaba Engenharia de Controle e Automação

Mateus Djanikian Arrobas Martins

Circuitos & Experimentos para Iniciantes: Acendendo um LED

Sorocaba/SP 2017


Resumo Esse trabalho tem o intuito de ensinar ao aluno ou aluna como dimensionar corretamente um resistor, a fim de proteger do diodo emissor de luz (LED) utilizado no circuito, e também como realizar a montagem de um circuito eletrônico muito simples, que acende um LED. É ensinado como dimensionar o resistor através da Lei de Ohm, como interpretar uma tabela de cores de resistores, e também como saber se o valor desejado de resistor existe na série de resistores E24. No final do trabalho, o aluno ou aluna estará apto a dimensionar com sucesso o valor do resistor, independente da fonte de tensão utilizada para alimentar o circuito. Estará apto também a descobrir o valor de um resistor apenas pelo seu código de cores e determinar se esse valor se encontra na série comercial de resistores E24. Palavras-chave: Resistor. Dimensionamento. LED.


Sumário

1. Objetivo: .......................................................................................................... 4 2. Material Necessário: ....................................................................................... 4 3. Apresentação dos Componentes: ................................................................. 4 4. Procedimento Experimental: ......................................................................... 5 5. Como funciona? ............................................................................................. 7 6. Matemática no circuito: .................................................................................. 8 i)

Como o resistor foi determinado? ............................................................. 8

ii) Como foi determinada a queda de tensão no resistor? ........................... 9 iii) Tolerância................................................................................................... 10 iv) Série E24 .................................................................................................... 11 v) Qual o valor mínimo para o resistor? ...................................................... 11 vi) Qual a potência dissipada pelo resistor? ................................................ 11 vii) Qual a potência dissipada pelo LED? ...................................................... 12 viii) Qual a potência gerada pela fonte de tensão? ....................................... 12 ix) Considerações finais da Matemática no Circuito: .................................. 13 7. Conclusão: .................................................................................................... 14 8. Informação Adicional I: Tabela de Cores dos Resistores ......................... 15 9. Informação Adicional II: Série E24 .............................................................. 16


1. Objetivo: Montar um circuito eletrônico que acenda um diodo emissor de luz (LED). 2.

Material Necessário: 1 LED comum 1 Resistor de 560Ω 1 Matriz de contato (ou protoboard) de qualquer tamanho Alimentação do circuito: Para alimentar o circuito, pode-se utilizar 4 pilhas de 1.5V com um suporte de pilhas ou então uma fonte reguladora de tensão, regulada para 6V.

3.

Apresentação dos Componentes:

Figura 1 - LED Vermelho utilizado no experimento

Figura 2 - Matriz de Contato de 170 pontos

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Figura 3 - Resistor de 560Ω

4. Procedimento Experimental: Abaixo temos o diagrama do circuito que será montado:

Figura 4 - Diagrama do Circuito

Vale lembrar que é muito importante prestar atenção à polaridade do LED. Se o LED for inserido ao contrário na matriz, o circuito não funcionará. Repare que o LED possui dois terminais, ou duas “perninhas” metálicas. Como saber qual é o terminal negativo, e qual o terminal positivo? O terminal negativo do LED possui um pequeno chanfro, ou achatamento, conforme pode-se ver na página a seguir:

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Figura 5 - LED e seu chanfro

O resistor não possui polarização, então pode ser inserido na matriz de contato sem preocupações. Como é possível ver na figura abaixo, o resistor possui uma listra dourada (ao lado direito da listra marrom). Vamos usá-la como referência na montagem do circuito.

Figura 6 - Listra dourada do Resistor

Abaixo segue a ilustração de como o circuito deve ser montado:

Figura 7 - Circuito Pronto

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Se a montagem foi bem sucedida, então o LED acendeu e o circuito funcionou perfeitamente. Caso não tenha funcionado, sugere-se que desligue o circuito, e analise onde está o erro, sem retirar os componentes da matriz. Se o problema persistir, então deve se retirar os componentes e tentar a montagem do circuito novamente. 5. Como funciona? A bateria ou fonte de tensão do circuito fornece a corrente elétrica para o circuito. No polo negativo existe uma quantia maior de elétrons (cargas elétricas negativas) do que no polo positivo. Por questões de equilíbrio, os elétrons no polo negativo são atraídos para o polo positivo para que haja um equilíbrio entre as cargas elétricas. Essa atração cria um fluxo de elétrons que percorrerá o circuito passando pelos componentes eletrônicos (resistor e LED) e também pelos fios que foram usados, até chegarem ao polo positivo. Esse fluxo recebe o nome de corrente elétrica. Entretanto, a passagem da corrente elétrica pelo circuito tem algumas consequências. Ao fluir pelo resistor, a corrente elétrica encontra certa resistência, oposição ou dificuldade, e para vencer essa oposição, a corrente elétrica libera energia em forma de calor (Efeito Joule). Seria a mesma coisa que uma pessoa adulta empurrar um carro, e liberar energia em forma de suor. A força que empurra o carro é a tensão elétrica. O peso do carro seria a resistência, e o suor seria o calor produzido pela passagem da corrente elétrica pelo resistor. Entretanto, o calor é pequeno demais para ser sentido através do tato. Ao passar pelos fios, uma quantia de calor também é liberada, mas nesse caso, é pequena demais para ser medida ou sentida, sendo no nosso caso, irrelevante. Ao passar pelo LED, a energia elétrica é convertida em energia luminosa (energia não é criada nem destruída, mas sim transformada), produzindo o brilho do LED (quanto maior a intensidade da corrente, maior será a intensidade do brilho). É muito importante lembrar que a cor do LED é determinada pelas impurezas contidas dentro do LED, e não pela cor do encapsulamento plástico (em alguns casos, esse encapsulamento é transparente). Após passar pelo LED, os elétrons chegam ao polo positivo da bateria ou da fonte de tensão. Entretanto, existe uma última parte de teoria à qual devemos prestar atenção.

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Para que exista corrente elétrica, é preciso existir uma diferença na quantidade de elétrons nos polos positivos e negativos da fonte de tensão (diferença de potencial elétrico). Se a quantia de elétrons for igual nos dois polos, a corrente cessa. Para evitar que a corrente cesse, a bateria realiza um processo químico chamado oxirredução. Através dessa reação química, a bateria transfere elétrons do polo positivo para o negativo, para que haja essa diferença de potencial e, portanto, corrente elétrica. Porém, para realizar esse processo, a bateria gasta energia (por isso que as pilhas e baterias acabam; elas não têm mais energia para realizar o processo de oxirredução), o que não acontece se utilizarmos uma fonte de tensão regulada, pois essa está ligada diretamente à rede elétrica. 6. Matemática no circuito: É importante notarmos que existe matemática por trás desse circuito, e é de grande importância conhece-la para melhor entender o funcionamento do circuito. i)

Como o resistor foi determinado? Para determinar o resistor, é importante sabermos qual a corrente que fluirá no circuito. Uma corrente muito baixa não acenderá o LED, e uma corrente muito alta irá danificar o componente, levando-o a sua queima. A folha de dados do componente (ou datasheet) fornece informações vitais para quem quiser projetar o circuito (a tensão nominal do LED, a corrente máxima suportada e a corrente nominal). Para o modelo de LED utilizado, temos que a tensão nominal é de 1.7V e a corrente máxima de operação é de 20mA. Isso significa que uma corrente acima de 20mA danificará o componente. Podemos então, utilizando o bom senso, determinar a intensidade da corrente que trará a melhor intensidade de brilho. É muito importante sempre trabalhar com uma margem de segurança. No nosso caso, foi escolhida uma corrente de 15mA. Sabendo que a corrente é de 15mA, e que a tensão do LED é de 1.7V, podemos através da Lei de Ohm determinar o valor do resistor que será utilizado. É preciso saber a queda de tensão no resistor para poder determinar qual o valor comercial mais apropriado para o circuito.

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ii) Como foi determinada a queda de tensão no resistor? Sabemos que a soma da queda de tensão nos componentes Ê igual à queda de tensão da fonte. Como nossa fonte tem 6V: Vfonte = VLED + Vresistor Substituindo por valores numÊricos: 6V = 1.7V + Vresistor Subtraindo 1.7 dos dois lados da equação: 6 – 1.7 = 1.7 – 1.7 + Vresistor 4.3 = 0 + Vresistor Vresistor = 4.3V Sabemos então a queda de tensão no resistor. Aplicando a Lei de Ohm, temos: R=

đ?‘‰đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘ đ??ź

Onde: R = Valor do resistor (â„Ś) Vres = Queda de tensĂŁo no resistor (V) I = Corrente elĂŠtrica que atravessa o resistor (A) Temos portanto: 4.3

R = 0.015 R = 286.67â„Ś Podemos tambĂŠm encontrar a resistĂŞncia utilizando o valor da corrente em mA, e obteremos o mesmo valor de resistĂŞncia: 4.3

R = (15 đ?‘Ľ 10−3 ) R = 286.67â„Ś 9


Não é possível encontrar comercialmente uma resistência de 286Ω, portanto utilizaremos o valor comercial mais próximo do encontrado. Para determinar o valor ideal para o resistor é só observarmos as seguintes regras: 1. Determinar o valor da resistência (286Ω). 2. Pesquisar pela série E24 de resistores, qual o valor mais próximo do encontrado e que seja superior ao valor calculado. Pela série E24 teríamos os seguintes valores: 240Ω 270Ω 300Ω 330Ω Nosso valor encontrado é de 286Ω, portanto, os valores mais recomendados são os de 300Ω ou de 330Ω. Apesar do valor teórico mais indicado ser o resistor de 330Ω, o valor de 560Ω foi escolhido por questões de segurança, para garantir o melhor funcionamento do circuito. A mudança de 330Ω para 560Ω acarretará somente em uma levíssima diminuição do brilho do LED. Caso haja a curiosidade, o leitor ou leitora pode utilizar sem problemas o resistor de 330Ω, conforme calculado. iii) Tolerância A série E24 possui uma tolerância de ±5%. Isso significa que o valor pode variar 5% para mais ou para menos no valor final da resistência. Por exemplo: Vamos supor que temos um resistor de 1000Ω (1kΩ) com uma tolerância de ±5%. Sabemos que 5% de 1000Ω equivale a 50Ω. Portanto nosso resistor teria uma variação de 50Ω para mais ou para menos. Seu valor final ficaria na faixa de 950Ω e 1050Ω. Nosso resistor encontrado pelos cálculos é de 286Ω. Se fossemos utilizar o resistor de 300Ω, teríamos uma resistência entre 285Ω e 315Ω. Se o resistor fosse de 330Ω, as resistência ficaria entre 313.5Ω e 346.5Ω, o que é mais seguro para nosso caso, uma vez que desejamos trabalhar com uma certa margem de segurança.

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iv) Série E24 A série E24 de resistores é a série mais popular e difundida em termos de eletrônica. Grande parte dos resistores comprados e utilizados no dia a dia é dessa série, por isso ela foi citada. No final do experimento é ensinado ao leitor como interpretar a tabela da série E24. v) Qual o valor mínimo para o resistor? Para calcular o valor mínimo para o resistor, devemos considerar a corrente do circuito como sendo a corrente máxima suportada pelo LED. Nesse caso Imáx = 20mA. Portanto: 4.3

R = 0.020 R = 215Ω O valor comercial que melhor se adapta a esse caso é o de 220Ω. Valores menores do que 220Ω podem vir a danificar o LED, até mesmo levando-o à queima. vi) Qual a potência dissipada pelo resistor? Em primeiro lugar, devemos saber que potência é a capacidade de se realizar um trabalho em função do tempo. Quanto maior a potência, mais trabalho é realizado ao longo do tempo. Para sabermos a potência dissipada, podem-se seguir alguns caminhos diferentes: 1. Através da queda de tensão no resistor Potência = Tensão x Corrente Elétrica Potência = 4.3 x 15mA Potência = 0.645W ou 64.5mW

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2. AtravĂŠs do valor da resistĂŞncia e da corrente PotĂŞncia = ResistĂŞncia x (Corrente ElĂŠtrica)2 PotĂŞncia = 286.67 x (0.015)2 PotĂŞncia = 64.5mW 3. AtravĂŠs da queda de tensĂŁo e da resistĂŞncia PotĂŞncia = PotĂŞncia =

(đ?‘‡đ?‘’đ?‘›đ?‘ ĂŁđ?‘œ đ??¸đ?‘™ĂŠđ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘?đ?‘Ž)2 đ?‘…đ?‘’đ?‘ đ?‘–đ?‘ đ?‘ĄĂŞđ?‘›đ?‘?đ?‘–đ?‘Ž (4.3)2 286.6

Potência = 0.6451 W ou 64.5mW vii) Qual a potência dissipada pelo LED? Para sabermos a potência dissipada, podemos encontra-la atravÊs da queda de tensão no LED. Potência = Tensão x Corrente ElÊtrica Potência = 1.7 x 15mA Potência = 25.5mW viii) Qual a potência gerada pela fonte de tensão? Basta realizar o mesmo procedimento realizado para o LED: Potência = Tensão x Corrente ElÊtrica Potência = 6 x 15mA Potência = 90mW É possível perceber ainda que: Potênciafonte = Potênciaresistor + PotênciaLED 90mW = 64.5mW + 25.5mW 90mW = 90mW

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ix) Consideraçþes finais da Matemåtica no Circuito: Realizados esses cålculos Ê possível levantar os seguintes questionamentos: 1. O que acontece se a tensão da fonte tiver seu valor aumentado? Resposta: Se isso acontecer, então devemos recalcular um novo valor para o resistor, utilizando a fórmula: Valor do resistor =

đ?‘‡đ?‘’đ?‘›đ?‘ ĂŁđ?‘œ đ?‘‘đ?‘Ž đ??šđ?‘œđ?‘›đ?‘Ąđ?‘’ − đ?‘‡đ?‘’đ?‘›đ?‘ ĂŁđ?‘œ đ?‘›đ?‘œđ?‘šđ?‘–đ?‘›đ?‘Žđ?‘™ đ?‘‘đ?‘œ đ??żđ??¸đ??ˇ đ??śđ?‘œđ?‘&#x;đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘›đ?‘Ąđ?‘’ đ?‘’đ?‘™ĂŠđ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘?đ?‘Ž

2. O que acontece se a tensão da fonte for exatamente igual à tensão nominal do LED? Resposta: Então não serå preciso um resistor para proteger o LED, entretanto, deve-se tomar nota de que o LED estarå trabalhando no limite e corre o risco de se danificar. 3. O que acontece se a tensão da fonte for menor do que a tensão nominal do LED? Resposta: Então o LED não precisarå de um resistor para se proteger da corrente elÊtrica, entretanto, não trabalharå com seu brilho måximo. Nota: É muito comum em lojas de componentes eletrônicos, ao se comprar um LED, ligå-lo diretamente em uma pilha de 1.5V para testar seu funcionamento. Isso garante que o LED estå em pleno funcionamento, sem danificå-lo. 4. O que acontece se trocarmos o valor do resistor por um maior? E por um menor? Nota: Considere a Vfonte = 6V. Resposta: Se o resistor for trocado por um valor maior então a corrente elÊtrica serå de menor intensidade. Isso provoca uma diminuição na potência do LED e consequentemente seu brilho ficarå reduzido. Se o resistor for trocado por um valor menor, dentro dos limites de segurança, então a corrente elÊtrica serå de maior intensidade. Isso provoca um aumento na potência do LED e consequentemente um aumento no seu brilho.

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5. O que aconteceria se mudássemos a cor do LED (usar um verde no lugar, por exemplo)? Resposta: O circuito funcionaria perfeitamente, desde que o resistor fosse corretamente dimensionado. Nota: Caso o leitor ou leitora deseje realizar uma substituição em algum componente, certifique-se de que o circuito está desligado antes de fazer a troca, para evitar que o componente venha a se danificar. Caso haja um desejo em aumentar o valor da tensão da fonte, é recomendado que os fios da fonte de tensão estejam desconectados do circuito, para evitar qualquer dano nos componentes em caso de tensão excessiva.

7. Conclusão: Nessa primeira montagem, foi possível ter um primeiro contato com circuitos eletrônicos e seus devidos cálculos iniciais. Foi explorada a Lei de Ohm e o cálculo de potência, já com sua definição inicial. Foi ensinado como dimensionar o resistor que evita com que o LED se danifique, e também como calcular a potência dissipada por cada um dos componentes do circuito. No próximo experimento será explorado como adicionar um interruptor ao circuito, para fazer o controle do acionamento do LED.

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8. Informação Adicional I: Tabela de Cores dos Resistores Abaixo é possível ver a tabela de cores dos resistores. Com ela é possível saber o valor de um resistor apenas pelas cores das listras, sem o uso de ferramentas de medição (multiteste, multímetro ou ohmímetro).

Fonte:http://www.audioacustica.com.br/exemplos/Valores_Resistores/Calculador a_Ohms_Resistor.html É muito simples utilizar essa tabela. O resistor é feito de 4 faixas sendo elas: 1º algarismo, 2º algarismo, fator multiplicativo e tolerância respectivamente. a. Vamos supor que nosso resistor possui as seguintes cores: marrom, preto, vermelho e dourado. De acordo com a tabela temos: marrom: 1 (1º algarismo) preto: 0 (2º algarismo) vermelho: x100 (fator multiplicativo) dourado: ±5% (tolerância) Temos portanto: 1000Ω ou 1kΩ b. Vamos supor que nosso resistor possui as seguintes cores: amarelo, violeta, marrom e dourado. De acordo com a tabela temos: amarelo: 4 (1º algarismo) violeta: 7 (2º algarismo) marrom: x10 (fator multiplicativo) dourado: ±5% (tolerância) Temos portanto: 470Ω

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c. Vamos supor que nosso resistor possui as seguintes cores: vermelho, vermelho, azul e dourado. De acordo com a tabela temos: vermelho: 2 (1º algarismo) vermelho: 2 (2º algarismo) azul: x1M(fator multiplicativo) dourado: ±5% (tolerância) Temos portanto: 22MΩ 9. Informação Adicional II: Série E24

Como dito anteriormente, a série de resistores E24 é a mais comum comercialmente. Ela possui uma tolerância de ±5% e é amplamente encontrada no mercado. Os valores disponíveis para a série E24 são: 1.0

1.1

1.2

1.3

1.5

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

2.7

3.0

3.3

3.6

3.9

4.3

4.7

5.1

5.6

6.2

6.8

7.5

8.2

9.1

Fonte: http://eletronicassim.blogspot.com.br/p/a-importancia-das-unidades-medidae.html Tendo esses números em mão, podemos multiplicá-los desde x1 até x100000000. Por exemplo, o resistor de base 1.2 pode ser encontrado com os seguintes valores: 1.2Ω 12Ω 120Ω 1200Ω (1k2Ω) 12000Ω (12kΩ) 120000Ω (120kΩ) 1200000Ω (1M2Ω) 12000000Ω (12MΩ) 120000000Ω (120MΩ)

Essa regra vale para qualquer valor da tabela mostrada acima.

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Experimentos Básicos de Eletrônica - Acendendo um LED  

Um experimento simples ssobre como acender um LED, passo a passo, com os cálculos inclusos. Com várias instruções, imagens e fórmulas, esse...

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