Conhecendo o Arduino Uno - Aula 10 – Acionando um carga com o uso de relê (parte 1)

Voltamos com nossa sequência de aulas sobre o Arduino Uno. Acompanhe.

Por | @oficinadanet Hardware

Como já foi falado as portas de um Arduino fornecem uma quantidade muito pequena de energia, ou seja uma corrente muito baixa, suficiente apenas para alimentar um LED ou polarizar a base de um transistor. Sendo assim é necessário o uso de um circuito auxiliar para acionar cargas maior e é isto que será mostrado a seguir. 

Se você chegou agora, não deixe de conferir as primeiras aulas acessando a seção do Arduino.

Mas, antes de se partir para o circuito propriamente dito existe a necessidade de se conhecer três novos elementos que são:

  • Relê;
  • Diodo;
  • Transistor.

Se você fez todas as aulas até agora deve ter notado que Arduino obriga a um conhecimento bastante amplo e que envolve:

  • Programação;
  • Elétrico;
  • Eletrônico;
  • Mecânico;
  • Internet e Intranet.

Sendo assim, nesta aula vamos estudar um pouco mais de eletromecânica que é o relê e eletrônica envolvendo um conhecimento sobre semicondutores que são os diodos e transistores. 

Conhecendo um pouco mais sobre Relê

É um dispositivo comutador e eletromecânico usado pelo homem a muito tempo, e com toda a certeza o mais antigo dos três a ser estudado nesta aula.

A figura abaixo nos mostra uma figura simplificada de um relê, observe-a com atenção.

Conhecendo o Arduino Uno - Aula 10 – Acionando um carga com o uso de relê (parte 1)

Um relê é composto por um núcleo de material ferroso (2 da figura acima) que recebe uma bobina (1 da figura acima) de fio de cobre, note que bobina nada mais é que uma sequência de voltas deste fio em torno do núcleo.

Ao ser percorrida por uma corrente elétrica a bobina gera um campo magnético que irá transformar o seu núcleo em um imã temporário, ou seja será imã enquanto tiver corrente percorrendo a bobina. Este núcleo transformado em imã pela corrente que percorre a bobina atrai a armadura do relê (3) que irá fechar os contados(4) e os manterá fechado enquanto o núcleo exercer atração sobre a armadura(3), ou seja enquanto existir corrente percorrendo a bobina(1).

A figura abaixo mostra a ligação de um relê com a bobina energizada, observe-a com atenção.

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Ao ser interrompida a corrente que percorre a bobina(1) o núcleo (2) deixa de se comportar como imã e libera a armadura(3) interrompendo assim o contato(4), observe com atenção a figura abaixo.

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Note que desta forma podemos comandar a carga que no caso é uma lâmpada, mas claro, poderia ser outra qualquer cujo consumo seja suportado pelo relê com uma chave que suporte apenas o consumo da bobina que maneira geral é menor que o consumo da carga principal, mas, na maioria dos casos o relê ainda pode oferecer algum risco a placa de Arduino por seu consumo, então é interessante ainda usar um sistema independente para energizar esta bobina que será mostrado detalhadamente na próxima aula.

Relê de Três Pontos

Difere do rele acima por ter dois contatos:

O normalmente fechado: que se mantem um contado fechado enquanto a bobina não está energizada e se abre quando esta é energizada.

O normalmente aberto: que se fecha quando a bobina é energizada ao mesmo tempo em que o contado normalmente fechado passa a se abrir. 

A figura abaixo mostra um relê deste tipo, que aliás é mais comum de ser encontrado em lojas especializadas. Note que mostrado tanto no estado em que a bobinas esta energizada quanto no estado em que a bobinas está sem energia percorrendo sua bobina.

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Note que enquanto o primeiro relê oferecia a possibilidade de ligar ou desligar uma carga este oferece a possibilidade de ao mesmo tempo que liga uma carga simultaneamente outra carga seja desligada.

A seguir iremos entrar no estudo dos outros dois componentes usados no circuito que são os diodos e os transistores, mas para um melhor entendimento e aprendizado sobre este componente é importante relembrarmos o que é condutor, semicondutor e isolante, vamos lá.

Materiais condutores

 São os materiais que oferecem uma resistência muito baixa à passagem de uma corrente elétrica, resistência esta que pode ser considerada como inexistente quando a fonte está a alguns metros da carga.

Materiais isolantes

 São os materiais que oferecem um resistência muito alta à passagem de uma corrente elétrica, resistência esta que impede a passagem da corrente, ou seja não permitem a passagem de corrente elétrica.

Semicondutores

 Resumidamente podemos dizer que um semicondutor é algo que está entre um material condutor e um material isolante, ou seja, é um material que possui valor típico de condutibilidade e de resistência elétrica que se posiciona entre a condutibilidade de um material condutor e a não condutibilidade e um material considerado isolante.

O cristal de silício que é de longe o mais utilizado na eletrônica é encontrado na natureza de maneira não pura e sendo assim fica difícil controlar a natureza destes cristais, então, é aplicado um processo de purificação deste cristal.

Uma vez atingido o nível de pureza desejado é injetada de maneira controlado impurezas neste cristal com a intenção de se gerar elétrons livres ou lacunas. A este processo é dado o nome de dopagem.  A impurezas que se utiliza em uma dopagem podem ser de natureza doadora ou de natureza aceitadora.

Natureza doadora: é inserido átomos de matéria que tenha 5 elétrons em sua camada de valência (fósforo e antimônio), desta forma criar um cristal negativo (N) pois a impureza inserida no cristal produz um elétron livre na camada de valência quando submetido a uma pequena diferença de potencial.

Natureza aceitadora: é inserido átomos de matéria que tenha 3 elétrons em sua camada de valência (alumínio e gálio), desta forma criar um cristal positivo (P) pois a impureza inserida no cristal produz uma lacuna na camada de valência que irá aceitar um elétron livre quando submetido a uma pequena diferença de potencial.

É exatamente a junção do cristal positivo com o cristal negativo que possibilita toda está eletrônica que existe nos dias atuais, com toda a certeza não fosse isto estaríamos parados na época da válvula e ainda impossibilitado de tudo o que ai está.

Abaixo temos a figura de uma junção de cristais P e N que nada mais que um diodo que iremos estudar a seguir.

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Não se preocupe se tudo isto lhe parece um pouco confuso, ao avançar em seu estudos verá que tudo ficará mais claro. Tudo o que foi dito sobre semicondutores e para que tenha a noção de como polarizar um diodo para que conduza corrente ou a polarização correta de um transistor para que este funcione como uma chave interruptora para a energização da bobina de um relê como será na próxima aula. 

Conhecendo um pouco mais sobre Diodo

O diodo é o mais simples exemplo de uso de cristal positivo e negativo, ou seja, nada mais é que a junção de um cristal negativo com um cristal positivo como é mostrado na figura abaixo. É um dispositivo no estado sólido simples: o diodo semicondutor de junção.

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Note que quando o diodo é polarizado inversamente, ou seja o cristal tipo P é ligado do lado negativo da fonte e o cristal tipo N do lado positivo da fonte não irá permitir a passagem de corrente elétrica, já, quando invertemos a situação ligando o cristal tipo P do lado positivo da fonte e o cristal tipo N do lado negativo da fonte dizemos estar polarizado diretamente e irá permitir a passagem de corrente elétrica.

É esta característica que faz do diodo um dos componentes mais utilizados no mundo da eletrônica, pois ele atua como retificador de corrente, ou seja, transforma a corrente alternada em corrente continua permitindo assim que se possa ligar um  computador na tomada de sua casa, a televisão, enfim todo e qualquer aparelho eletrônico por pequeno que possa ser depende de diodos para que possa ser ligado à rede elétrica que alimenta as casas, comércios e industrias existentes em qualquer lugar do mundo.

Conhecendo um pouco mais sobre Transistor Bipolar

Fazendo uma analogia podemos dizer que um transistor bipolar seria como a se ligássemos dois diodos, mas, Catodo com Catodo e ou Anodo com Anodo.

Na figura 1 temos um sanduiche de cristal formando a estrutura de transistor PNP onde temos dois cristais positivos e de recheio um cristal negativo, por isto PNP. Mas vale dizer que isto é apenas uma analogia não funcionário como transistor de maneira alguma. Pois, o transistor mesmo tem o cristal de sua base muito  mais estreito que os cristais que formam o emissor e o coletor, como um sanduiche mesmo, onde de maneira geral o recheio é sempre mais fino.

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A figura 2 mostrada abaixo faz uma analogia dos diodos ligados Anodo com Anodo representando um transistor bipolar NPN e as explicações aqui são as mesmas dadas acima. Olhe com atenção a figura e será fácil de entender.

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A seguir temos a imagem mais realista de um sanduiche de cristal representando primeiramente o transistor NPN e depois o PNP e como pode ser notado a base é muito mais fina que o emissor e o coletor.

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Abaixo temos um dos símbolos mais usados para representar estes dois tipos de transistores bipolares e de maneira geral é estes símbolos que encontrará nos digramas.

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Polarização de transistores bipolares

O transistor é um componente polarizado, ou seja, tem maneira certa de ligar para que funcione corretamente como será mostrado a seguir.

Polarização de um transistor NPN

O emissor base: deve ser polarizado no sentido direto, ou seja o emissor deve estar ligado ao terminal negativo da fonte e a base ao terminal positivo da fonte.

Base coletor: deve ser polarizado no sentido inverso, a base deve estar negativa em relação ao coletor e este deve estar ligado ao terminal positivo da fonte.

Note que este processo de colocar a base positiva em relação ao emissor e negativa em relação ao coletor consiste no processo de ligar a base no terminal positivo da fonte através de um resistor. 

Observe com atenção a figura abaixo que mostra esta ligação:

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Polarização de um transistor PNP

O emissor base: deve ser polarizado no sentido direto, ou seja o emissor deve estar ligado ao terminal positivo da fonte e a base ao terminal negativo da fonte.

Base coletor: deve ser polariza no sentido inverso, a base deve estar positiva em relação ao coletor e este deve estar ligado ao terminal negativo da fonte.

Note que este processo de colocar a base negativa em relação ao emissor e positiva em relação ao coletor consiste no processo de ligar a base no terminal negativo da fonte através de um resistor. 

Observe com atenção a figura abaixo que mostra esta ligação:

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Obs.: Note que o foco deste curso é estudar a polarização de um transistor como chave interruptora e nada mais, e esta é apenas uma das funções que transistor bipolar pode desempenhar, mas, este é foco que nos interessa neste momento.

Não se preocupe se tudo isto parece um pouco confuso na próxima aula irá partir para prática com relação polarização de transistor bipolar para que funcione como chave interruptora e verá que tudo ficar muito mais claro.

Esta aula chegou ao final, até a próxima e bom estudo.

Mais sobre: hardware, arduino, relê
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