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Introdução ao uso do Arduino e circuitos eletroeletrônicos

Circuito elétrico

Segundo o dicionário Oxford, circuito é um substantivo masculino, que corresponde a uma ‘linha fechada que limita uma superfície, um espaço; contorno, perímetro’. A chave para nossa compreensão é a ‘linha fechada’. Quando falamos de eletricidade/ eletrônica, nosso circuito será representado por uma ou mais linhas que sejam ‘fechadas’. Isto quer dizer que, se você sair andando de um ponto qualquer, após realizar todo o percurso do circuito, você voltará ao ponto em que começou (é como se fosse caminhar em cima de um círculo).

Precisamos que a linha seja fechada para que a corrente elétrica possa circular. Vamos ver exemplos:

1. não circula corrente, pois não há conexão elétrica:

2. circula corrente; mas não tem como desligar:

3. circula ou não corrente, dependendo do interruptor:

Este exemplo é parecido com ligar ou desligar a iluminação da casa usando um interruptor.

Grandezas envolvidas no circuito elétrico

Ao longo da evolução dos estudos da Física / Eletricidade, vários cientistas fizeram e divulgaram suas descobertas. Os nomes ou sobrenomes deles ficaram ligados às unidades das grandezas que eles pesquisaram. Para compreensão de um circuito elétrico precisamos conhecer algumas dessas grandezas. Começaremos com as três: a TENSÃO, cuja unidade de medida é o VOLT; a CORRENTE, cuja unidade de medida é o AMPERE; e a RESISTÊNCIA, , cuja unidade de medida é o OHM (com estas podemos calcular uma outra, a POTÊNCIA, cuja unidade de medida é o WATT, mas… vamos com calma).

Quando temos um circuito elétrico ABERTO, mesmo que exista TENSÃO, não existe CORRENTE.

Veja o caso que testamos há pouco: a bateria possui TENSÃO, mas não circula CORRENTE se o LED não estiver encostado nela, ou se o interruptor não estiver fechado. Em sua casa é igual: na tomada existe TENSÃO (cuidado, são 127 Volts que podem provocar queimaduras ou paradas cardio respiratórias em casos de choque elétrico), mas, enquanto você não fechar o circuito, não haverá circulação de corrente.

Quando o circuito está fechado, circula uma CORRENTE elétrica pelo mesmo. A CORRENTE vai da fonte de energia para todo o circuito e depois retorna para a fonte de energia (portanto, ‘circula’).

A TENSÃO está sempre disponível, em seu valor total (medida em VOLT, abreviada pela letra V). A quantidade de CORRENTE que circula por um circuito depende da facilidade que ela encontrar para passar por ele (e é medida em AMPERE, e representada pela letra A). Se for fácil circular, a corrente será alta; se for difícil, ela será baixa. A facilidade, ou dificuldade, para a passagem da CORRENTE elétrica por um circuito depende de sua RESISTÊNCIA (que é medida em OHM, e representada pela letra Ω – sim, é uma letra; é o ômega maiúsculo, e vem do alfabeto grego). Imagine que alguém está empurrando você. Se você ‘resistir’ você quase não será movimentado. Se você não ‘resistir’ poderá ser facilmente empurrado para outra posição. No circuito elétrico temos a figura da resistência, a qual vai facilitar ou impedir a circulação da corrente.

Quando a corrente consegue passar com facilidade temos a figura de um CONDUTOR (como, por exemplo, os fios elétricos que vemos fazendo conexão de aparelhos eletrônicos, que possuem baixa resistência para a passagem de corrente); quando precisamos que a corrente não passe de um local para outro, utilizamos um material que impede a circulação da corrente, que recebe o nome de ISOLANTE (pois ele ‘isola’ partes dos circuitos umas das outras; um exemplo são os plásticos, que possuem alta resistência para a passagem da corrente, e que formam muitos ‘plugues’ que utilizamos para ligar nossos equipamentos nas tomadas: os pinos são de metal, que é condutor, e eles são envoltos em plásticos, que são isolantes; assim, não levamos ‘choque’ ao inserir um plugue em uma tomada).

Mas, haverá momentos em que queremos que exista alguma corrente elétrica circulando, que não seja nem a máxima nem a mínima. Desta forma, inserimos no circuito uma resistência, que afetará a quantidade de corrente que vai circular. Por exemplo, podemos ter um controle da iluminação que permite que regulemos a quantidade de luz (um ‘dimmer’); ou, podemos ter um chuveiro elétrico que possui três posições em seu interruptor de controle: desligado, ligado para a posição ‘verão’ (com uma corrente média) e, ligado para posição ‘inverno’ (na qual a resistência é menor, e, portanto, a corrente é mais alta).

Em nossos circuitos, o uso mais comum que teremos para a resistência será para o controle da corrente que circula por um LED (para isto, utilizaremos um componente chamado resistor, que veremos na sequência).

O LED

LED é a abreviatura de Light-Emitting Diode, que traduzido do Inglês para o Português quer dizer diodo emissor de luz.

Até este momento falamos de circuitos elétricos e não falamos de direção da corrente no circuito. Agora é um bom momento. Nos circuitos que temos em casa a corrente é ALTERNADA, ela assume vai de zero até um valor máximo positivo, depois volta a zero e vai até um valor máximo negativo, retornado depois para zero e reiniciando o ciclo. Em nossas residências, a corrente oscila entre valores máximos positivos e negativos 60 vezes por segundo (esta oscilação é chamada de FREQUÊNCIA, é medida em HERTZ, e representada por Hz; assim, dizemos que nossa corrente alternada é de 60 Hz).

A maioria dos circuito eletrônicos que utilizaremos em nossas aulas funciona com corrente CONTÍNUA. Ou seja, ela não varia: quando ligamos o circuito (‘fechamos’ a circulação de corrente) ela vai a um valor máximo e permanece neste valor enquanto o circuito estiver fechado (ou enquanto houver tensão, se for alimentado por baterias, por exemplo). A corrente contínua possui um SENTIDO de circulação: ela vai de um PÓLO para outro, e existem dois, o POSITIVO e o NEGATIVO. Ao longo dos estudos realizados em eletricidade foram propostos dois sentidos possíveis: do pólo positivo para o pólo negativo (que é chamado de sentido ELETRÔNICO) e do pólo negativo para o pólo positivo (que é chamado de sentido REAL de circulação da corrente). Você estudará isso em aulas de Ciências e de Física, e verá que tem a ver como o movimento de ELÉTRONS nos átomos.

Como temos que usar um dos dois, usaremos o sentido REAL (para nós, a corrente irá do pólo negativo para o pólo positivo). Mas, mais importante do que isso, neste momento, é que isso nos força a trabalhar com alguns componentes que são POLARIZADOS: os pólos negativo e positivo não podem ser invertidos, sob pena de queima.

O DIODO é um componente polarizado, que permite a passagem da corrente elétrica em somente um sentido. O LED é um DIODO; ou seja, o LED é POLARIZADO: há uma forma correta de ligá-lo.

Além da forma correta de ligar o LED, temos que saber que ele possui características elétricas próprias: ele é um componente de baixa tensão e baixa corrente. Conforme os materiais que são utilizados em sua construção ele terá CORES de emissão de luz diferentes, e também terá características elétricas diferentes. Vejamos alguns exemplos:

Também existem LEDs bicolores (por exemplo verde e vermelho) e tricolores (RGB, do Inglês Red, Green Blue – Vermelho, Verde, Azul):

Podemos construir vários dispositivos de iluminação e indicação utilizando LEDs. Alguns podem ser encontrados no comércio. Veja a seguir alguns exemplos:

Existem vários exemplos e não temos aqui como ver todos, mas podemos simplificar dizendo que se você aprender a controlar um LED poderá realizar muitos experimentos com LEDs dispostos de outras formas, como as apresentadas, pois todos tem o mesmo tipo de controle: um LED, ou um conjunto de LEDs, corretamente polarizados (negativo e positivo ligados corretamente).

Características elétricas dos LEDs e uso de resistores

Já sabemos que os LEDs possuem cores de emissão de luz diferentes, dependendo dos materiais utilizados em sua fabricação. Em função de tais materiais o comportamento elétrico será ligeiramente diferente. A seguir temos os casos típicos (mas é fundamental verificar com seu fornecedor quais as características do componente que você está utilizando – normalmente tais informações são fornecidas nas folha de dados (datasheet).

Os valores exibidos acima tem tolerâncias (ou seja, podem variar), e correspondem a um mínimo de tensão ou corrente a fornecer para que o LED funcione com um brilho razoável: se você aumentar a corrente o brilho aumenta (se aumentar demais, queima o LED). Há valores máximos, que variam de um LED para outro em função de sua cor e do fabricante. Se os valores máximos forem excedidos o LED queimará. Devemos observar que fizemos um experimento ligando um LED em uma bateria que usualmente possui uma tensão de 3 Volts e é capaz de fornecer algumas dezenas de miliamperes, e o LED não queimou. Por quê? A resposta é que a maioria dos LEDs resiste a até uns 3V se a intensidade de corrente for pequena. MAS, não abuse: use um resistor para limitar a corrente.

Conforme já comentamos, muitas vezes queremos limitar a quantidade de corrente de um circuito e, para isso, aumentamos sua resistência à passagem da corrente. A forma usual de fazer isso na eletrônica é por meio do uso de um componente chamado de resistor. O tipo mais comum é o de carvão, que possui seu valor exibido por meio de um código formado por anéis coloridos.

É comum que os valores dos resistores seja da ordem de milhares ou milhões de ohms. Então, são utilizados múltiplos para representar os valores, em especial o ‘k’ (minúsculo), que representa milhares e o ‘M’ (maiúsculo), que representa milhões (e é chamado de ‘MEGA’). Assim, teremos um resistor de 1000 Ω representado por 1kΩ e um de 1000000 Ω representado por 1MΩ. Não é incomum que os valores não sejam exatos quanto usamos os múltiplos; por exemplo, um resistor de 2200 Ω será representado por 2,2kΩ, ou um de 1500 Ω por 1,5kΩ (é muito comum no comércio o valor do multiplicador estar no lugar da vírgula, então teríamos para os mesmos exemplos 2k2 Ω e 1k5 Ω, mas esta não é a nomenclatura oficial).

Como calcular o valor do resistor para um LED

Se você precisa ligar um LED no Arduino ou em outra fonte de energia, para fazer isso com segurança coloque um resistor em série com o LED. Em série quer dizer que a corrente elétrica tem que passar primeiro por um componente (por exemplo o resistor) e depois pelo outro (O LED): se a corrente passa pelos dois ao mesmo tempo a ligação é em paralelo, e não serve para este caso. Veja a figura:

Mas, como o valor do resistor foi escolhido?

O valor foi selecionado a partir de uma tabela de valores comerciais mais próximo do calculado. E o cálculo foi realizado por meio da ‘Lei de Ohm’: o cálculo é realizado utilizando-se uma função de 1º grau que possui 3 variáveis, sendo duas delas conhecidas.

O Arduino funciona com 5 Volts. Vamos ver cálculos de valores de resistores para diferentes LEDs. Lembre-se, precisamos de dois valores para calcular o terceiro; usaremos os valores de tensão e corrente do LED para calcular o valor do resistor.

1º passo, quanto o resistor deverá realizar de queda de tensão?

LEDs vermelho, amarelo, e laranja tem tensão típica de 1,7 V, então, para estes, teremos que fazer a tensão do Arduino (5 V) menos a tensão do LED (1,7 V); teremos a queda que o resistor deverá realizar

2º passo, dividir a queda de tensão pela corrente; para os LEDs vermelhos, amarelos e laranjas, uma corrente de 20 mA (miliAmperes, ou 0,02 Amperes) produz uma ótima luminosidade (a corrente pode ser diminuída para diminuir o brilho; a corrente máxima depende de cada componente – ATENÇÃO: as conexões das portas de comunicação do Arduino não suportam mais do que 40mA, e todas juntas não podem superar 200mA; não abuse da corrente).

Você sempre utilizará LEDs e resistores, então pode usar os valores padronizados a seguir, sem ter que calcular de cada vez (as correntes informadas são para brilho médio/ alto; se quiser menos brilho aumente o valor do resistor):

Para facilitar, você pode utilizar um resistor de valor único para qualquer cor de LED (haverá variação no brilho), por exemplo 300 Ω (laranja, preto, marrom) ou 330 Ω (laranja, laranja, marrom) para ligar no Arduino e 1000 Ω (1kΩ, marrom, preto, vermelho) para ligar em 9V. A propósito, ligar um LED no Arduino com um resistor de 1kΩ (marrom, preto, vermelho) também dará certo na maioria dos casos, pois os LEDs poderão funcionar com correntes menores. LEMBRE-SE: em caso de dúvida ou se o valor de resistor que você deseja não estiver disponível, não troque por um de menor valor e sim por um de maior valor (é melhor ter uma corrente menor mas com mais garantia).

Finalmente, vamos iniciar com o Arduino.

Arduino como ‘interruptor’ da luz do LED

Conecte o Arduino no computador por meio do cabo USB. Depois, inicie o ambiente de programação do Arduino. No ambiente de programação você poderá ir até o menu de Arquivo (File, se estiver em Inglês), e selecionar a opção de preferências (Preferences, se estiver em Inglês): na janela que se abre você poderá alterar o tamanho da fonte (e o idioma, se quiser modificar).

Depois, acesse Ferramentas, e selecione a Placa que está utilizando (por exemplo, Arduino Uno), e em qual Porta ela está conectada (Por exemplo, COM1). Esta útima questão pode dar trabalho, às vezes há muitas portas disponíveis. Você pode ver no Windows no Gerenciador de Dispositivos em qual delas o Arduino está conectado; ou, tentar de uma em uma… Se não for possível ao Arduino localizar a placa verifique o cabo de conexão e, se for o caso, instale ou reinstale o driver (é o CH340, você encontra na Internet, mas peça auxílio do professor ou monitor para isso).

Acesse o menu de Arquivo e selecione Exemplos; na lista ao lado selecione 01.Basics e ‘Blink’:

O ambiente do Arduino nos trás vários exemplos de programação, é uma ótima forma de aprender. O exemplo sugerido vai abrir o código do ‘blink’ (piscar), comentado a seguir.

Entre as linhas 1 e 23 temos um bloco de comentários dos autores (os blocos de comentários são colocados entre ‘/*’ e ‘*/’); a linha 24 está em branco. Vamos ver o código existente entre as linhas 25 e 37:

As linhas 25, 27 e 31 possuem comentários ‘até o final da linha’ (indicados por ‘//’); linha 30 está em branco.

A linha 26 tem a declaração da primeira função obrigatória, a função setup(), utilizada para informar as configurações para o Arduino. As instruções que fazem parte das funções ficam entre ‘chaves ( ‘{’ e ‘}’); no código mostrado a ‘chave’ abre na própria linha 26 e ‘fecha’ na linha 29. A única declaração que existe nesta função está na linha 28: pinMode infoma ao Arduino qual é e como será utilizada a porta de comunicação; neste caso, a informação é de que será utilizada a LED_BUILTIN (que é a porta de número 13) e ela será uma OUTPUT (uma saída). ATENÇÃO: os nomes/ termos/ verbos utilizados devem ser digitados de acordo com o que foi previsto na construção da linguagem. Termos em maiúsculos são diferentes de termos em minúsculo (ou seja, ‘A’ não é a mesma coisa que ‘a’ – isto ocorre porque o código que o computador utilizada para representar cada uma das letras é diferente). Chamamos isto de ‘case sensitive’. A função pinMode possui dois argumentos: o número da porta de comunicação (ou seu nome, como no exemplo), e o sentido em que ela vai funcionar (entrada ou saída). Os argumentos são comumente passados entre parênteses e separados por vírgulas.

Entre as linhas 32 e 27 temos a função que é executada enquanto houver energia: a função loop(), utilizada para informar os códigos de controle e decisão para o Arduino.

Na linha 33 temos a declaração de chamada de função de escrita digital digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH), a qual possui dois parâmetros: o primeiro é a porta de comunicação na qual será executado o envio do valor, que é o segundo parâmetro. Neste exemplo, a porta é LED_BUILTIN (nome da porta de comunicação digital número 13); o segundo, o valor, para este caso é HIGH (alto, ou nível 1 de energia – corresponde a dizer que será levado o potencial de ‘+5V’ para esta porta de comunicação). Quando o LED instalado na placa receber este valor de energia ele vai acender.

Na linha 34 temos a declaração delay(1000), a qual provoca uma espera de uma certa quantidade de milésimos de segundo. Esta função é chamada de bloqueante, pois impede que o processamento prossiga enquanto ela não terminar (enquanto o ‘tempo não passar’). O parâmetro da função é o tempo em milisegundos (ms): cada 1000 ms corresponde a um segundo; então, se você passar como parâmetro 2500 o Arduino ficará sem executar outras tarefas por 2500 ms/ 1000 = 2,5 segundos.

Nas linhas seguintes 35 e 36 são repetidos os últimos dois comandos, de escrita digital e de espera. Mas, na linha 35 um parâmetro mudou: digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW); agora estamos enviando um valor baixo (‘0’, ou GND, ou desligado) para a o LED que está instalado na placa. Então, ele vai apagar. E na linha 36 espera 1 segundo. A linha 37 fecha (‘}’) o bloco de códigos.

A função loop (que quer dizer laço) repete-se indefinidamente enquanto houver energia. Desta forma, a sequência de execução é:

– (linha 33) ‘acende’ o LED da placa

– (linha 34) aguarda 1 segundo (1000 ms)

– (linha 35) ‘apaga’ o LED da placa

– (linha 36) aguarda 1 segundo (1000 ms)

– retorna ao código da linha 33 e repete o ciclo enquanto houver energia

Note que o comportamento do Arduino é de um interruptor (só que repetitivo e baseado em tempos de espera – e os tempos e sequências de execução são ‘programáveis’, dando grande flexibilidade ao circuito).

Este conteúdo pode ser copiado, editado e distribuído livremente. PINTO, José Simão de Paula. Introdução ao uso do Arduino e circuitos eletroeletrônicos. Curitiba : Edição própria, 2024.