Conceitos básicos de eletrônica

Condutores e isolantes

Quanto à capacidade de transferir cargas elétricas, os materiais podem ser classificados como condutores ou isolantes. Outras categorias como supercondutores e afins não interessam para nosso estudo e, portanto, fogem ao escopo deste texto.

Sobre os semicondutores, falaremos brevemente dos transistores e diodos de silício, no contexto de amplificadores operacionais, fonte de alimentação e componentes reguladores de tensão.

Condutor

O condutor é um tipo de material que oferece baixa resistência à passagem de corrente elétrica. Via de regra, materiais com elétrons facilmente desprendidos da camada de valência são bons condutores elétricos.

Exemplos de bons condutores:

  • ouro
  • prata
  • cobre
  • ferro
  • latão
  • alumínio

Os condutores podem ser classificados quanto a sua condutividade por volume ou por peso. O alumínio é um bom condutor por unidade de peso, enquanto que cobre têm melhor condutividade por volume.

Em amplificadores valvulados os condutores mais utilizados são fios de cobre ou prata, o primeiro sendo mais comum. Pontes de terminais de latão, ferro (aço de baixo carbono) ou cobre estanhados são muito utilizados para os soquetes e barras de ligação. Os terminais de ferro são inferiores, porém aqueles feitos de latão ou cobre puro estanhado têm se tornado mais raros devido ao custo elevado desses metais quando comparados ao ferro. Terminais de prata e ouro são utilizados apenas em amplificadores de “boutique”: esses metais preciosos não são encontrados em amplificadores fabricados em série.

Isolante

Material que não conduz, ou que oferece alta resistência ao fluxo de cargas elétricas. Sinônimo de dielétrico.

Exemplos de dielétricos usados em capacitores:

  • Pasta eletrolítica
  • Mica
  • Papel
  • Cerâmica
  • Poliéster
  • Polipropileno
  • Óleo mineral

Outros isolantes comuns em amplificadores:

  • Borracha termo-retrátil
  • Fita isolante (não recomendado*)
  • Capas dos fios
  • Plásticos diversos em jacks, tomadas, e outros
  • Cerâmica nos soquetes de válvulas
  • Placas de circuito impresso de fenolite, fibra de vidro e afins

* A fita isolante pode ser substituída por isolantes termo-retráteis, os quais oferecem acabamento superior, vedação completa em torno dos contatos e são facilmente removidos.

Tensão

Tensão é o nome dado à diferença de potencial elétrico entre 2 pontos. Também denominada “forca eletromotriz”. Conforme essa última denominação (“eletro-motriz”) sugere, a tensão elétrica entre dois pontos propicia o movimento de cargas entre os mesmos.

  • Unidade: Volts
  • Sufixo: V

Sem diferença de potencial (tensão) entre dois pontos não haverá corrente elétrica pois se encontram em equilíbrio energético.

Na válvula, a alta tensão positiva aplicada à placa atrai e acelera elétrons emitidos pelo catodo. Esse fenômeno é responsável pelo “ganho” de tensão das válvulas. Sem aplicação de alta tensão, os elétrons que deixam o catodo não seriam acelerados, e a válvula não passaria de um diodo.

Corrente elétrica

Corrente elétrica é o fluxo de cargas elétricas através de um material condutor. A intensidade da corrente é medida em Amperes, unidade convencional que equivale ao fluxo da carga equivalente a 6 x 1018 elétrons passando por um material condutor durante o período de um segundo.

Nas válvulas termiônicas ocorre apenas o fluxo de elétrons (cargas negativas) emitidos pelo catodo, os quais são atraídos pela tensão positiva do anodo.

Usa-se, informalmente, o termo “amperagem” para referir-se à corrente elétrica.

Correntes Convencional e Real

Durante seus experimentos com eletricidade, Benjamin Franklin buscava observar faíscas elétricas geradas ao aproximar polos opostamente carregados. Franklin concluiu, com base em observações a olho nu, que as cargas positivas fluíam do lado mais positivo em direção ao negativo (ZHOU, Shu-Ang. 1999. p. 101).

Mais de cem anos após a morte de Franklin, J.J. Thomson evidenciou, em laboratório, a existência do elétron (DAVIS. 1997. p. xi). Em 1895, dois anos antes da descoberta do elétron, Jean Baptiste Perrin havia determinado que a carga de raios originados no catodo de tubos a vácuo era negativa (WIKIPEDIA. Jean Baptiste Perrin.). Perrin foi laureado com o prêmio Nobel de Física de 1926 por suas pesquisas sobre estrutura da matéria.

Thomson ligou o trabalho de Perrin ao seu próprio e sugeriu que os raios catódicos (ou seja, frutos da emissão de catodo) eram, na verdade, formados por um fluxo de elétrons – partículas de carga negativa. Ficou, portanto, demonstrado que a corrente elétrica acontece do terminal negativo (o catodo, no caso das válvulas) para o terminal mais positivo (anodo da válvula).

No entanto, em boa parte dos materiais didáticos de engenharia elétrica, manteve-se a convenção de Franklin, de que a corrente elétrica flui do eletrodo positivo rumo ao negativo. Assim coexistem os conceitos de corrente convencional, e aquele de corrente elétrica real. A corrente convencionada pode também ser chamada de corrente de Franklin (RAND-PAUL. 2011. p. 115).

Via de regra, quanto mais próximos nos encontramos ao estudo da Física, e portanto do estudo dos fenômenos elétricos que ocorrem no interior dos componentes, fala-se de corrente real. E quando tendemos para a engenharia elétrica aplicada, mais lidaremos com a corrente convencional. Quando o tipo de corrente não é especificado, espera-se que o observador efetue dedução em função do contexto. Sempre que considerar-se positiva a corrente do terminal positivo para o negativo, estaremos usando a corrente convencional como referência.

Na válvula termiônica, em funcionamento normal, é praticamente impossível existir corrente elétrica real do anodo para o catodo. Assim, considerando-se apenas o anodo e o catodo, temos o que se chama de “diodo”, ou componente de dois eletrodos. O diodo conduz corrente elétrica real do catodo para o anodo, e não no sentido inverso. Esquemas elétricos podem apresentar setas indicando o fluxo de corrente do anodo para o catodo: neste caso está sendo indicada a corrente convencional (ver ilustração ao início desta seção).

De fato, para fins de engenharia, não há qualquer diferença em considerar cargas positivas fluindo do anodo para o catodo, ou cargas negativas fluindo na direção inversa, desde que a mesma convenção seja mantida durante toda a análise do circuito. A polaridade das cargas torna-se relevante apenas aos que estudam os fenômenos físicos relacionados a essas partículas. Assim, pode-se analisar um circuito sem necessitar ingressar em menores detalhes da Física.

Nas válvulas o único elemento portador de carga é o eletron proveniente do catodo aquecido.

Não existe “Tensão Convencional”

Diferente do estudo da corrente elétrica, não existe tensão ou voltagem convencional. “Voltagem positiva” indicará sempre uma diferença de potencial positiva em relação a um outro potencial de referência. A tensão positiva sempre causará atração às cargas negativas dos elétrons.

A tensão positiva sempre atrairá para si a corrente real, e causará repulsão à corrente convencional. Por exemplo, a tensão aplicada ao anodo das válvulas deve ser positiva em relação ao catodo de modo que possa atrair e acelerar elétrons, tornar possível a corrente elétrica real do catodo à placa. Caso o catodo se encontre em potencial mais positivo que o anodo, não haverá corrente através da válvula. Assim funcionam as válvulas retificadoras, ou válvulas diodo: essas não possuem a grade de controle, apenas anodo e catodo.

AC: Corrente Alternada

A corrente alternada(AC) é a forma utilizada para transmissão de energia a longas distâncias, devido à facilidade de sua conversão em tensões mais altas ou mais baixas através de transformadores. Inventada por Nikola Tesla (WEISSENBACHER. 2009. pg. 222), a transmissão de AC mostrou-se mais eficiente que a transmissão de DC defendida por seu rival, Thomas Edison. De fato, a fonte de alimentação de um amplificador valvulado efetua elevação e rebaixamento da tensão AC para níveis adequados ao funcionamento das válvulas. A tensão AC RMS equivale à tensão DC que seria capaz de realizar o mesmo trabalho. Nas ondas senoidais a tensão RMS têm magnitude aproximada a VPico * 0,707

DC: Corrente Contínua

DC é uma sigla na lingua inglesa que significa “Direct Current” ou corrente contínua

A corrente contínua flui em apenas uma direção e possui polaridade definida, enquanto que AC alterna a sua polaridade com uma certa frequência. A tensão DC não possui medida RMS, e sua magnitude é utilizada diretamente no cálculo do trabalho que pode ser realizado por essa tensão.

Nos amplificadores, a alimentação de alta tensão para as válvulas de pré-amplificação e de potência é efetuada por meio de corrente contínua. Pode-se, também, retificar a tensão AC da calefação visando a redução de ruídos nesse circuito.

Demais componentes eletrônicos de um amplificador

Resistores

O resistor é um componente passivo que têm a propriedade de se opor ao fluxo de corrente elétrica. A Lei de Ohm estabelece a relação entre queda de tensão no resistor em função da corrente que flui através dele (V = R * I, V = tensão em Volts, R = resistência em Ohms, I = corrente em Amperes).

A unidade de medida de resistência é o Ohm. Os resistores são fabricados a partir de diversos materiais que oferecem resistência à corrente elétrica.

Os materiais mais usados como resistores incluem:

  • fio resistivo
  • composto de carbono
  • filme resistivo, feito de carbono
  • filme resistivo, feito de metal