Conhecendo o Arduino - Aula 4: Corrente, tensão, resistor e diodo emissor de luz

Note que até agora você utilizou o led existente na placa e conectado à porta digital 13, e, funcionou perfeitamente, mas, convenhamos, não existe sentido em apagar e ascender um led interno, ou seja conectado à placa, o real interesse é o acesso a dispositivos externos à placa e ao computador.

Por | @oficinadanet Hardware

Sendo assim, a partir de agora você vai ascender e apagar um led externo conectado a outra porta digital, como por exemplo a porta digital 12.

Para que possa executar tal procedimento com segurança antes deve conhecer o que é corrente e tensão assim como dois componentes eletrônicos dos mais usados em qualquer circuito que são: Resistores e Leds, são componentes bastante barato e largamente utilizado a muito tempo.

Antes de seguir, não esqueça de conferir os três primeiros artigos sobre o Arduino. Você encontra todos eles aqui na Tag Arduino.

Observe que muito poderia ser dito sobre estes quatros tópicos que serão abordados nesta aula, mas, este não é o foco do nosso curso, sendo assim, será dado foco ao necessário e de maneira bastante prática para que possa dar continuidade aos seus estudos em computação física com Arduino.

Corrente

Nada mais é que o fluxo de elétrons que passa por um determinado circuito. Quanto maior o número de elétrons maior a corrente e quanto maior a corrente maior deve ser o diâmetro dos condutores que formam o caminho para este circuito.

O nome corrente eletrônica já é derivado de elétrons e temos que 1 coulomb é igual a 6,28 x 1018 elétrons, mas, até ai temos um unidade de medida estática, parada, é como se pegássemos grande quantidade de elétrons puséssemos dentro e uma caixa e a guardássemos em uma prateleira, teríamos estes elétrons, mas guardados e parados, não existindo trabalho algum.

Agora, se em um determinado circuito passa um Coulomb por segundo temos uma corrente elétrica de um Ampere e seu símbolo é a letra “A”, esta sim é dinâmica, está em movimento, produzindo algum trabalho.

Para o que irá estudar a seguir esta unidade de medida, o Ampere(A) é muito grande, por isto a unidade de corrente que comumente irá utilizar a partir deste momento é o mA que é a milésima parte de um ampere.

Corrente Convencional

No final do século XIX e início do século XX a concepção atômica era equivocada e em função disto a corrente elétrica era considerada como saindo do polo positivo e dirigindo-se para o polo negativo.

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Corrente Real

A partir do momento que o mundo científico passou a adotar o modelo atômico usado até os dias atuais o sentido desta corrente passou a ser considerado como partindo do polo negativo e se dirigindo ao polo positivo, e esta passou a ser considerada como corrente real.

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Sendo assim, hoje temos duas correntes a convencional, e se observar a seta existentes nos diodos indicam a corrente convencional, ou seja aquela que sai do polo positivo e caminha para polo negativo. Mas a corrente real (o fluxo de elétrons) circula exatamente no sentido contrário indicado por esta seta. Ou seja, o fluxo de elétrons sai do polo negativo e caminha para o polo positivo.

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Tensão

Tensão nada mais é que a diferença de potencial entre dois polos, como os de uma bateria por exemplo, e é ela que obriga a corrente de elétrons acontecer, ou seja, é ela que proporciona a corrente, o movimento dos elétrons, e, quando maior a tensão maior será a corrente.

A unidade usada para medir tensão é o Volt e sua abreviação em circuitos eletrônicos e elétrico é o “V ” e quanto maior for esta tensão maior será a corrente em um dado circuito.

Watts

Nada mais é que o consumo real de qualquer aparelho eletro eletrônico, ou seja de qualquer carga presente em um circuito, e, é o produto da tensão pela corrente;

Volt x Ampere = Watts

Logo mais, quando for estudar um pouco sobre resistor verá que este é cálculo interessante e necessário a todo momento.

Resistor

Como já foi dito anteriormente este é o componente mais barato e mais usado em circuitos eletrônicos. Abaixo temos a imagem deste componente.

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A figura acima mostrou a imagem de um resistor, já, a figura abaixo mostra a forma com que estes componentes são representados em diagramas eletrônicos, são duas as formas de representação que serão encontradas em diagramas, aqui usaremos a segunda forma.

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Código de cores dos resistores

Existe um código para representar o valor de um resistor que são os anéis coloridos que se encontram em seu corpo e deve ser interpretado como mostrado na figura a seguir.

A figura abaixo mostra a tabela com o valor das cores para cada anel. Observe-a com atenção.

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Exemplo: Lendo o valor do resistor abaixo.

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  • Primeiro anel é o amarelo = 4
  • Segundo anel é violeta     = 7
  • O terceiro anel é vermelho indicando que deve ser acrescentado 2 zeros.
  • E o quarto anel é ouro indicando a tolerância que é 5%, ou seja este resistor pode ter 5% a mais ou a menos no seu valor final.

Então o valor do nosso resistor fica em 4700 ohm e que pode ser representado de diversas formas, abaixo é mostrado alguma delas.

  • 4700Ω ou 4700R
  • 4,7k Ω ou 4k7 Ω

Uso de resistor de maneira isolada

A presença de um resistor de maneira isolada em um circuito tem a função de limitar a passagem de corrente, ou seja, ele apenas oferece um certa oposição a passagem da corrente como é mostrado na figura abaixo.

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Obs.: Não se preocupe se tudo isto te parece muito complicado no momento, é normal, e a medida que avançar e praticar tudo lhe ficará mais claro. Note ainda que tudo isto deve ser considerado como fonte de consulta e não para decorar, sendo assim, anote de alguma forma, em caderno como se fazia antigamente ou digitalmente para que tenha esta fonte de consulta.

Associação de dois ou mais resistores

Podemos dizer que temos duas associações possíveis para resistores, pois a terceira que você pode encontrar em alguns livros ou tutoriais nada mais é que a mistura das duas que será mostrado a seguir e, sendo assim, conhecendo as duas primeiras fica fácil resolver esta terceira.

Associação em Série

Com este tipo de associação que é mostrado na figura abaixo obtemos um divisor de tensão, o seja a mesma corrente passara por todos os resistores da série, mas a cada um será aplicado uma tensão diferente.

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Neste tipo de associação a resistência total é igual à soma individual de cada resistor e sendo assim a corrente presente será a tensão aplicada dividida pela resistência total. Já a tensão aplicada a cada resistor é o produto da corrente presente no circuito pela resistência de cada um dos resistores desta associação. Por isto dizemos que associação em série é um divisor de tensão. Deve ser notado que soma das tensões aplicada a cada resistor deve ser exatamente a mesma que a tensão aplicada ao circuito.

Obs.: Independente do número de resistores que se encontre na associação a regra acima é válida.

Fórmula para se achar a resistência total presente no circuito:

Rtotal = R1 + R2 +... +RN

Associação em Paralelo

Com está associação mostrada na figura a seguir obtemos um divisor de corrente, ou seja, a tensão aplicada a cada resistor e exatamente a mesma, mas a corrente é proporcional a resistência de cada um, sendo assim teremos correntes diferentes passando por cada resistor que forma a associação em paralelo.

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Neste tipo de associação a corrente presente no circuito é igual à soma das correntes individuais presentes em cada resistor e estas são encontradas dividindo-se a tensão aplicada pelo valor de cada resistor. Uma vez encontrada a corrente total basta dividir a tensão aplicada ao circuito pela corrente encontrada para que tenhamos a resistência total deste. Por isto dizemos que este tipo de associação é um divisor de corrente, pois, a corrente presente em cada resistor é proporcional ao seu valor enquanto a tensão aplicada a todos eles é exatamente a mesma.

Obs.: Independente do número de resistores que se encontre na associação a regra acima é válida.

Uma regra bastante prática para se encontrar a resistência total nesta associação quando se trata de dois resistores apenas é a divisão do produto de seus valores pela soma de seus valores.

Rtotal = (R1 * R2) / (R1 + R2)

Obs 1: Embora esta regra seja válida apenas para dois resistores em paralelo caso a associação seja composta por mais de dois resistores basta ir encontrando a resistência equivalente de dois a dois e ir substituindo até que este circuito se encontre reduzido a penas um resistor, está será a resistência total.

Obs 2: Uma outra regra bastante prática é quando todos os resistores tiverem o mesmo valor, basta pegar o valor de um deles e dividir pelo número total de resistores presentes na associação e note que esta regra é válida para qualquer número de resistores.

É importante notar que neste tipo de associação a resistência total ou resistência equivalente sempre será menor que a resistência de menor valor presente na associação.

Led

O LED é um semicondutor, ou seja, um diodo emissor de luz (Light emitter diode). A figura abaixo mostra o seu símbolo, observe-a com atenção.

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Nestes, a transformação da energia elétrica em energia luminosa é realizada na matéria. Sendo assim chamado de Estado sólido (Solid State).

Enquanto o resistor mostrado logo acima é um componente não polarizado, e sendo assim, os terminais positivo ou negativo da fonte podem ser ligados em qualquer um de seus terminais o LED, é polarizado, ou seja, se não for ligado corretamente não irá emitir luz de forma alguma. O terminal positivo da fonte deve estar ligado ao seu terminal positivo do LED e o negativo ao seu terminal negativo. Observe com atenção a figura abaixo.

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Note ainda que existe a necessidade de um resistor ligado em série com o LED independentemente da tensão que o alimente, caso contrário este será danificado em menos de um segundo. Nunca, mas nunca mesmo alimente um LED sem este resistor limitador de corrente que deve ser ligado como mostrado na figura acima.

Cálculo do resistor necessário

De uma maneira prática devemos considerar que um LED suporta uma corrente de 20mA que é a mesma coisa que 0,02 A e que a formula para encontrar o valor do resistor necessário para atuar como limitador de corrente é simplesmente a divisão da tensão pela corrente suportada pelo LED como mostrado abaixo.

5v / 0,02A = 250Ω

Deve ser observado que o LED proporciona uma queda de tensão e que esta deveria ser subtraída da tensão de alimentação do circuito, mas na prática a formula indicada acima funciona muito bem, mesmo porque comercialmente não será encontrado um resistor no valor mostrado pelos cálculos e, sendo assim,  deve ser utilizado sempre um valor encontrado comercialmente acima deste e nunca menor, neste caso o ideal seria usar um resistor de 330Ω o que iria proporcionar uma corrente que pode ser encontrada usando a fórmula indicada abaixo.

5V / 330Ω = 0,01515A ou 15,15mA

Observe que a corrente limitada pelo resistor a ser usado é menor que a corrente suportado pelo LED que é de 20mA, não oferecendo assim risco de danificá-lo.

Geração de calor

Um resistor dentro de um circuito sempre irá limitar a corrente, e é esta limitação que irá gerar algum calor por pequeno que possa ser, sendo assim, é necessário que o componente utilizado tenha a capacidade de dissipar o calor a ser gerado que é calculado em Watts e, este cálculo nada mais é que o produto da tensão aplicada a este resistor pela corrente que o percorrerá, ou seja pela corrente que ele esta limitando. A fórmula abaixo mostra este cálculo.

5v * 0,01515 = 0,07575W

Segundo o valor encontrado na fórmula acima um resistor com capacidade de dissipação de 1/8 de Watts seria suficiente para este circuito, a divisão de 1 por 8 nos retornará 0,125 que é maior que o valor encontrado no cálculo acima.

Deve ser notado que valores a maior que o encontrado na fórmula podem ser usados tranquilamente, mas, quando o espaço físico assim o permitir, pois quanto maior a capacidade de dissipação de um resistor maior será o seu tamanho, agora, a menor nunca, pois isto danificará o resistor podendo danificar todo o resto dos componentes presentes no circuito e até sua placa de Arduino.

Abaixo desta matéria você encontrará o link para download de uma planilha do Excel para executar estes cálculos com muita facilidade.

Protoboard

Também conhecido como placa de ensaio ou matriz de contato irá auxiliar em muito em seus projeto, pois proporciona de maneira rápida e sem a necessidade de solda alguma a conexão entre os componentes existentes em um projeto, abaixo é mostrado uma imagem de Protoboard encontrada de maneira fácil no Mercado Livre ou em lojas especializadas.

De maneira geral os vendedores de Arduino no ML também vendem tanto o Protoboard como os Jumpers que serão explicados logo abaixo.

Usando o Protoboard

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Note que o Protoboard nos oferece linhas e colunas de orifícios onde devem ser introduzidos os componentes, mas, deve ser observado como estas linhas e colunas se encontram conectadas, ligadas entre si.

Na figura abaixo é mostrado os orifícios que se encontram conectados em linha que neste caso são quatro linhas normalmente utilizadas para a alimentação do circuito, ou seja da fonte externa que irá alimentar o circuito a ser montado no Protoboard.

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Tomemos por exemplo a primeira linha indicada na imagem acima onde todos seus orifícios estão interligados, mas não existe conexão alguma com o demais orifícios existentes nesta matriz de contato e o mesmo comportamento está presente nas outras três linhas indicadas nesta matriz. Observe com atenção a figura abaixo.

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O demais orifícios existentes nesta matriz se encontram interligado na forma de coluna como mostrado na figura abaixo.

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Deve ser notado que cada coluna indicada é completamente independente das demais colunas existentes.

Jumper

Nada mais é que um cabinho flexível e que tem em suas extremidades uma ponta rígida para fácil introdução nos furos presentes no Protoboard facilitando assim a ligação entre componentes e sua alimentação.

A figura abaixo mostra um conjunto de Jumpers facilmente encontrado no ML para venda e como já dito anteriormente normalmente os vendedores de Arduino também vendem estes jumpers.

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Também pode ser utilizado para as conexões fios rígidos e finos como o de telefone por exemplo, embora este seja um pouco fino a meu ver.

Usando o Multímetro

Identificando os terminais de um LED

A seguir você irá aprender a identificar os terminais de um LED que são dois fazendo uso do multímetro. Claro que quando se adquire LEDS novos, de alguma maneira eles podem vir identificado, mas, você pode recuperar estes componentes em sucata de circuitos e gabinetes de computadores antigos que se encontrem encostado.

O uso do multímetro não é obrigatório para dar sequência aos estudos, mas de uma ou outra forma ele facilita e muito a nossa vida e em função do preço, que hoje pode ser encontrado a partir de R$ 20,00 no ML e com qualidade bastante razoável este se torna indispensável em nossa bancada de trabalho. A baixo é mostrado a imagem de um multímetro nesta faixa de preço, foi comprado por R$ 16,00 em junho de 2015 e seu custo benefício me surpreendeu muito.

Todo multímetro vem acompanhado de dois cabos para testes como os mostrados na figura abaixo, sendo que um é vermelho e outro preto.

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Obs.: Por convenção a cor preta representa o potencial negativo e o vermelho o potencial positivo.

Conecte a ponta preta para conexão no multímetro no local indicado na figura abaixo.

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Obs: Este é o Comum e negativo de todos os multímetros que conheço, eles podem até mudar de local mas existem e funcionam exatamente assim.

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Conecte a ponta vermelha para conexão no multímetro no local indicado na figura abaixo.

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Obs: Este é a conexão com o multímetro usada para medir Voltagem, Amperagem de até 200 mA, tensão alternada e continua, e resistência, mas, atenção a não ser que conheça bem o aparelho, não aconselho a sair testando tudo, pois o risco de estourá-lo é muito alto, faça apenas o que está sendo ensinado na aula. 

Uma vez conectado o cabo no multímetro coloque o LED que deseja identificar o terminal em um Protoboard, mas note que isto facilita a sua vida, nada impede que este LED se encontre em uma bancada de trabalho e solto.

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Gire a chave seletora do Multímetro de modos a posicioná-la como indicado na figura abaixo.

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Usando as duas pontas de prova, ou seja, a vermelha e preta encoste uma em cada terminal do LED e observe se ele ascendeu, se não acendeu inverta as pontas de prova até que o LED ascenda, quando isto acontecer ponta de prova Vermelha indica o terminal Anodo ( + ) e a ponta de prova preta indica o terminal negativo, ou seja o Catodo ( - ) . Observe com atenção a figura abaixo.

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Verificando o valor do resistor a ser usado

A seguir você irá aprender a usar o multímetro para conferir o valor do resistor a ser usado como limitador de corrente para proteção do LED.

Posicione o resistor de 330Ω como mostrado na figura abaixo.

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Posicione a chave seletora do multímetro como indicado na figura abaixo.

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Posicione as pontas de prova, uma em cada terminal do transistor, lembre este não é um componente polarizado, sendo assim não existe lado correto para entrada ou saída de corrente.

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A leitura apresentada deve ser algo como a apresentada abaixo, lembre-se que existe a faixa de tolerância, neste caso é 5%, ou seja 17Ω para mais ou para menos é aceitável.

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Cicuito proposto

Agora que você já conheceu o necessário monte o circuito como mostrado na figura abaixo.

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A seguir você tem a mesma montagem mostrada acima de uma maneira mais limpa para um melhor entendimento.

Abaixo é mostrado o mesmo circuito de uma maneira mais técnica, note que é desta forma que encontrará informações sobre circuitos eletrônicos, como em manuais por exemplo.

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Criando o Sketch necessário

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Vamos usar o mesmo sketch criado na aula passada com apenas uma pequena alteração que se encontra na linha 2 como pode ser observado na figura abaixo.

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Entendendo o código

Linha2:

Note que nesta linha está sendo atribuído à variável led o conteúdo 12 enquanto na aula anterior seu conteúdo era 13, sendo assim agora é a Porta digital 12 que irá comandar o led que você montou no protoboard.

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As demais linhas dispensam qualquer comentário por terem sido explicado na aula 3, caso tenha alguma dúvida volte e reveja o final desta aula.

Carregando o Sketch

Chegou a hora de transferir (carregar) o sketch para a placa de Arduino. Para tal basta clicar no botão Carregar como indicado na figura abaixo.

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Os dois leds, RX e TX deverão piscar indicando a comunicação. Observe com atenção a figura abaixo.

Ao final do carregamento um aviso passa a ser exibido na parte inferior da IDE como é mostrado na figura abaixo.

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E para finalizar observe que o LED montado no protoboard passa a piscar acendendo e apagando a cada 1 segundo.

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Assim, chega-se ao final desta terceira aula e se preparando para avançar um pouco mais no campo da computação física.

Faça o download da planilha que utilizamos aqui neste artigo:

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