Elementos reais de circuitos

Os elementos de circuito discutidos no artigo anterior são elementos de circuito ideais. Os elementos de circuito do mundo real se aproximam dos modelos matemáticos ideais, mas inevitavelmente serão imperfeitos. Ser um bom engenheiro significa estar ciente das limitações de componentes reais comparados às suas abstrações ideais.

Uma variação simples do ideal é que componentes físicos como resistores, indutores e capacitores $(\text{R, L, C})$‍ têm algum grau de tolerância em torno do valor ideal (quanto menor a tolerância, mais caro você paga). Componentes reais nunca têm exatamente os valores especificados.

Elementos reais de circuitos desviam das equações ideais quando tensão ou corrente são levadas a extremos. A abstração matemática da linha reta de um resistor não vai até tensão $\mathrm{\infty }$‍ ou corrente $\mathrm{\infty }$‍ para resistores ideais. O modelo para em algum ponto e o componente pode ser destruído. Modelos abstratos de todos os componentes ideais e fontes têm um alcance limitado no mundo real.

Um componente real não é só aquele componente. Usando um resistor como um exemplo: como os fios ligados a um resistor geram um campo magnético ao redor, isso irá inevitavelmente expor algumas propriedades indutivas. Além disso, resistores são feitos de materiais condutores, e são geralmente dispostos perto de outros condutores. Juntos, esses condutores agem como as placas de um capacitor, então resistores também exibem algumas propriedades capacitivas.

Esses efeitos parasíticos podem ser relevantes em altas frequências, ou quando a tensão ou corrente têm uma variação drástica. Se isso importar, você pode modelar um componente como uma combinação de elementos ideais, como mostrado aqui para um resistor:

As propriedades dos componentes reais são sensíveis ao seu ambiente. A maioria dos componentes apresenta algum grau de sensibilidade à temperatura; os parâmetros variam para cima ou para baixo dependendo de quão quente ou frio está o componente. Se seu circuito tem que trabalhar sob uma grande variação de temperatura, você irá querer saber o comportamento com a temperatura do componente que você utiliza.

Nota: Nos temas de engenharia elétrica cobertos pela Academia Khan, você não terá que se preocupar com os efeitos parasíticos. Eles são mencionados aqui para você saber que eles existem. Quando você simular circuitos eletrônicos, não precisa complicar as coisas modelando todos os efeitos parasíticos potenciais, a não ser que você tenha (ou descubra) um motivo para achar que eles são importantes.

Ao se construírem resistores reais, o objetivo é criar um componente que chegue tão perto quanto possível do desempenho do resistor ideal da equação da Lei de Ohm: $v=i\text{R}$‍.

O valor da resistência de um resistor depende de duas coisas:

O material (de que ele é feito) afeta a dificuldade dos elétrons em fluir por ele. Você pode pensar em quantas vezes os elétrons se chocam com os átomos no material na medida em que tentam fluir por ele. Essa propriedade do material é chamada de resistividade. Você também vai ouvir falar em condutividade, que é justamente o inverso da resistividade.

Depois de selecionar o material com uma resistividade definida, a resistência do resistor é determinada pela sua forma. Um resistor mais longo tem uma resistência maior que um resistor mais curto porque os elétrons sofrem mais colisões ao passar através da "selva" de átomos do material. Um resistor com uma maior área de seção reta tem uma resistência menor que um resistor com uma área de seção reta menor, porque os elétrons têm um número maior de caminhos disponíveis para seguir.

Um resistor real quebra (ou seja, queima e é destruído) se a potência dissipada pelo resistor é maior que a que o material de que ele é feito pode suportar. Os resistores trazem um limite de potência que são deve ser excedido. Se você tentar dissipar $1$‍ watt em um resistor de $1/8$‍ de watt, você pode acabar com uma peça queimada que não é mais um resistor.

Exemplo de um resistor axial convencional:

As faixas coloridas indicam o valor e a tolerância do resistor. As faixas neste resistor são Laranja Laranja Marrom Dourado. Da tabela de cores dos resistores, as duas primeiras faixas correspondem aos dígitos do valor, $33$‍. A terceira faixa é o multiplicador, marrom é $\times {10}^1$‍. A quarta (última) faixa indica que a tolerância, ouro é $\pm 5\mathrm{\%}$‍. O valor do resistor é $330\mathrm{\Omega }\pm 5\mathrm{\%}$‍.

Este é um resistor de precisão com 5 faixas de cores:

Leia as faixas da esquerda para a direita: Vermelho Vermelho Azul Marrom Marrom $=22611$‍. As três primeiras faixas $(226)$‍ são o valor. A quarta faixa é o multiplicador $(\times {10}^1)$‍, a quinta (última) faixa indica a tolerância, marrom é $1\mathrm{\%}$‍. O valor do resistor é $2260\mathrm{\Omega }\pm 1\mathrm{\%}$‍.

Este é um resistor de montagem superficial

O valor da resistência é codificado no código de $3$‍ dígitos: $102$‍, ou seja, $10\times {10}^2=1000\mathrm{\Omega }$‍. A especificação de tamanho deste resistor é "0603 métrico", indicando que seu tamanho é $0,6\text{mm}\times 0,3\text{mm}$‍.

Exemplo de um resistor em um circuito integrado:

O projetista seleciona uma das camadas do circuito integrado com alta resistividade e cria (desenha) um padrão de serpentina para atingir a resistência desejada.

Ao se fazerem capacitores reais, o objetivo é criar um componente que se aproxime o melhor possível em desempenho da equação do capacitor ideal, $i=\text{C}\text{d}v/\text{d}t.$‍

Um capacitor é construído a partir de duas superfícies condutoras colocadas próximas uma da outra. Entre as placas pode existir ar ou qualquer outro tipo de material isolante. O valor da capacitância depende de uma série de fatores: a área das placas, a distância entre elas (a espessura do isolante) e as propriedades físicas do material isolante.

Você pode aprender mais sobre capacitores e capacitância e como/porque eles funcionam na seção da matéria capacitores e capacitância da Khan Academy de Física.

Capacitores reais:

Capacitores cilíndricos (preto, azul escuro ou prata, no alto a esquerda) são feitos de duas placas finas de metal enroladas para maximizar a área das placas para atingir valores de grande capacitância em um pacote compacto.

Os capacitores de formato circular (azul claro e laranja, em baixo) são apenas dois discos de metal separados por um isolante.

Capacitores ajustáveis (branco, à direita) usam o ar como isolante. Um conjunto de placas gira para sobrepor uma área maior ou menor do conjunto de placas estacionárias. Capacitores variáveis com núcleo de ar são usados para sintonizar rádios, por exemplo.

A saída mais provável da equação do capacitor ideal acontece se a tensão do capacitor se torna tão grande que o isolamento entre as placas se rompe. Com isso, uma faísca pode queimar através do isolamento e pular entre as placas. Não há mais capacitor. Capacitores reais tem uma taxa de tensão que não deveria ser excedida.

Visto que o capacitor tem fios de conexão, ele inevitavelmente tem uma pequena resistência parasitária e indutância. A indutância parasitária pode ser importante se o capacitor deve fornecer repentinas descargas de corrente, como quando está conectado ao pino de um chip digital de potência. Proporcionar um aumento repentino de corrente para o chip digital significa que a indutância dos cabos do capacitor deve ser muito baixa.

O material que separa as placas do capacitor é supostamente isolante (permitir corrente zero). Mas nem todos os isolantes são perfeitos, então pequenas correntes podem passar através deles. Esses chamados vazamentos de correntes parecem fluir direto através do capacitor, mesmo se a tensão não está mudando (quando $\text{d}v/\text{d}t=0)$‍. Caminhos para o vazamento de corrente também acontecem se o circuito não é limpo, e as correntes fluem ao redor do capacitor, ao longo da superfície do componente.

Um capacitor de montagem de superfície é mostrado aqui:

Correntes de fuga podem fluir entre as extremidades metálicas através do resíduo deixado durante o processo de solda, se a placa de circuito não é limpa.

Um capacitor de montagem de superfície é feito pelo entrelaçamento de muitas camadas de placas de eletrodo condutivo e camadas de isolamento cerâmico.

Quando criamos um indutor, o objetivo é ir mais perto possível da equação do indutor ideal, $v=\text{L}\text{d}i/\text{d}t.$‍

Uma análise completa de como um indutor realmente funciona é um tópico avançado e além do escopo desse artigo. Para aprender mais sobre indutores e campos magnéticos, veja a seção de campos magnéticos na Física da Khan Academy.

Qualquer condutor carregando uma corrente gera um campo magnético na região ao redor, como representado pelas linhas vermelhas nessas imagens. O campo magnético ao redor de um fio enrolado em forma de bobina torna-se concentrado no interior desta.

A indutância é análoga à massa em um sistema mecânico. A energia magnética é armazenada em um indutor da mesma maneira que a energia cinética é armazenada em uma massa em movimento. Pense em um volante rotativo (uma roda com um aro pesado). Você não consegue parar instantaneamente um volante girando. Da mesma forma uma corrente em um indutor não para instantaneamente. O campo magnético continua fazendo com que ela flua.

Fazendo indutores: para alcançar níveis mais elevados de indutância (alto $\text{L}$‍), indutores são feitos enrolando fio numa bobina. O campo magnético pode ser intensificado ainda mais colocando um material magnético adequado dentro da bobina. Este é o indutor em forma toroidal enrolado em torno de um núcleo de um material ferro/cerâmico chamado ferrita. (Você não pode ver o núcleo de ferrita na forma de uma rosquinha, ele é coberto pelo fio de cobre).

O núcleo da ferrita concentra e intensifica o campo magnético, o que aumenta o valor da indutância, $\text{L}$‍.

Indutores reais diferem da equação ideal em alguns aspectos importantes. Como os indutores são feitos de longos fios, eles frequentemente têm uma resistência parasita significativa.

A outra característica inevitável de indutores é que eles ocupam muito espaço. O campo magnético existe no espaço ao redor e dentro do indutor, e a bobina de fio tem que ser grande o suficiente para cercar uma grande quantidade de campo magnético, para que possa atingir uma indutância significativa. É por isso que é raro ver um indutor projetado dentro de um circuito integrado.

Terminamos com essa surpreendente foto de um indutor de núcleo de ar. Essa enorme bobina de cobre (um indutor) era parte de uma estação de telégrafo sem fio construída em Nova Jersey em 1912. Ela podia enviar uma mensagem a uma distância de 6400 quilômetros, cruzando o Oceano Atlântico até a Alemanha. Uau. Desnecessário dizer que a maioria dos indutores são muito menores.