CIRCUITO ELÉTRICO (ENGENHARIA)

CIRCUITO IMPRESSO
CIRCUITO INTEGRADO
CIRCUITO ELÉTRICO
CIRCUITO ELETRÔNICO

INTRODUÇÃO

De modo geral, em um contexto de Eletrônica e Engenharia Elétrica, um circuito é uma série ininterrupta de condutores de corrente elétrica, projetada e construída ou montada para executar uma determinada função prevista pelo seu projetista e fabricante. No contexto de Eletrônica, o circuito eletrônico é uma conexão entre componentes eletrônicos, geralmente fixados em uma placa de material composto, para desempenhar uma determinada função prevista em seu projeto. Os circuitos eletrônicos diferem dos circuitos elétricos por possuírem interligações entre diversos componentes eletrônicos, enquanto os circuitos elétricos somente têm conexões entre componentes elétricos, embora seja possível o uso de circuitos eletrônicos para controlar o funcionamento de circuitos elétricos.

O circuito impresso é um modelo moderno e atual de circuito eletrônico. Ele consiste em uma placa de material composto, com propriedades isolantes, como fibra de vidro, por exemplo, com trilhas de metal condutor de eletricidade, o cobre, por exemplo, imprimidos ou gravados na sua superfície por meio de um método específico, para completar um circuito após os componentes eletrônicos serem fixados sobre ela.

Já o circuito integrado ou chip é um tipo mais avançado de circuito eletrônico, geralmente miniaturizado. Ele é um chip de silício ou material equivalente, manufaturado como se fosse um único componente eletrônico, quando, na verdade, é um complexo conjunto de transistores, diodos, capacitores e resistores extremamente miniaturizados, combinados e fixados sobre uma pequena placa de silício ou material equivalente.

CRIAÇÃO E DESENVOLVIMENTO

Antigamente, a montagem de circuitos eletrônicos era executada de forma semiartesanal, sobre um chassi, no qual eram parafusadas pontes de ligações e nelas feitas as conexões entre os diversos componentes e a respectiva fiação, soldados de acordo com um diagrama pré-estabelecido pelo seu projetista. Com o passar dos anos e com a modernização das técnicas de produção dos circuitos eletrônicos, incluindo o advento da miniaturização, surgiu a necessidade de uma aglomeração mais compacta e mais acentuada entre os componentes e peças formadoras do circuito eletrônico, no sentido de aumentar sua eficiência e praticidade.

Essa então nova plataforma de montagem era totalmente diferente dos antigos chassis e suas pontes de conexão. Inicialmente os circuitos começaram a ser aglomerados em placas de materiais isolantes com furos nos quais de um lado se inseriam as pernas dos componentes eletrônicos e na outra face da plataforma eram soldados os fios das conexões. Esse processo, além de demorado, acabava por complicar a montagem, aumentando a probabilidade de erros, principalmente erros humanos.

Passou-se então a se utilizar um método de alta escala de produção chamado de circuito impresso, com probabilidade reduzida de erros. Os circuitos impressos utilizam componentes como resistores, capacitores, diodos e transistores, entre outros. O início de seu uso foi logo após a Segunda Guerra Mundial, quando foi inventada a solda por emersão.

Antes do processo da solda por emersão, os componentes eram soldados manualmente, um a um, nas pontes, com o uso de ferros de solda convencionais. Com o então novo método, os componentes eram dispostos numa placa de material isolante, onde numa das faces eram feitas as ligações através de um método de impressão e corrosão de uma fina película de cobre. Essa película ficava corroída com a fiação impressa exposta. Ao inserir os componentes nos furos feitos na placa isolante, suas pernas metálicas eram cortadas e a face de ligação onde estavam era imersa em estanho derretido. Após retirar o circuito que estava em contato com o estanho, os componentes já estavam presos ao cobre de forma fixa, rápida e praticamente perfeita.

Modernamente os circuitos eletrônicos são muito mais complexos. Além dos métodos normais de circuitos impressos existem outras formas muito mais avançadas de produção. O circuito eletrônico deixou de ser um circuito propriamente dito e passou a ser encarado como um componente eletrônico. Entre os exemplos de circuitos eletrônicos muito avançados estão os microprocessadores ou chips, entre outros.

COMPONENTES BÁSICOS

O circuito impresso, conhecido também como placa de circuito impresso, é um conjunto de componentes eletrônicos dispostos sobre uma placa de material composto, geralmente plástico reforçado com fibra de vidro, em que a ligação dos componentes eletrônicos fixados na placa é feita por trilhas de metal, cobre, por exemplo: 

Todo circuito eletrônico é constituído de no mínimo três componentes:

• Fonte de alimentação, que fornece energia para o circuito trabalhar.
• Dispositivo de saída, que realiza trabalho útil, como, por exemplo, um LED ou um alto-falante, entre outros.
• Condutores, que interligam os componentes do circuito, como, por exemplo, os fios e trilhas e, algumas vezes, a carcaça metálica do equipamento.

Contudo, somente circuitos muito simples funcionam sem um quarto componente, um dispositivo de entrada, que pode converter outra forma de energia em eletricidade, que será utilizada pelo circuito, um microfone, por exemplo, ou oferecer ao usuário meios de controle sobre o comportamento do circuito, um potenciômetro, por exemplo.

O CIRCUITO IMPRESSO

O circuito impresso é um conjunto de componentes eletrônicos dispostos sobre uma base plana, delgada e firme de material composto, como fibra de vidro, por exemplo, sobre a qual são utilizadas trilhas de metal condutor de energia elétrica, como o cobre, por exemplo, para possibilitar a interligação entre os componentes eletrônicos. Atualmente, é muito comum a fixação de circuitos integrados sobre os circuitos impressos, por isso a necessidade de não confundir o circuito impresso e o circuito integrado, já que o circuito integrado passou a ser um dos componentes do circuito impresso.

Ambos são tipos modernos de circuitos eletrônicos, mas o circuito impresso foi criado para substituir as antigas pontes de terminais nas quais se fixavam os componentes eletrônicos, em montagem conhecida, no jargão da Eletrônica, como montagem "aranha", devido à aparência final que o circuito tomava, principalmente onde existiam as antigas válvulas eletrônicas e seus múltiplos pinos terminais do soquete de fixação.

O circuito impresso consiste em uma placa isolante de material composto, como, por exemplo, fenolite, fibra de vidro, fibra de poliéster, filme de poliéster ou filmes específicos à base de diversos polímeros, que possuem a superfície com uma ou duas faces por fina película de cobre, constituindo as trilhas condutoras, revestidas por ligas à base de metal, como, por exemplo, ouro ou níquel, que representam o circuito onde serão soldados e interligados os componentes eletrônicos.

Os circuitos impressos também podem ser constituídos de 4, 6, 8 ou mais faces condutoras, chamados de "multilayers" ou "multicamadas ".

PRODUÇÃO INDUSTRIAL

É importante não confundir o circuito eletrônico com o circuito elétrico. Embora sejam análogos, eles não são idênticos. Por exemplo, um automóvel possui um circuito elétrico necessário para o funcionamento de seus sistemas, como, por exemplo, o sistema de iluminação, composto por faróis, lanternas e luzes internas. Esse mesmo automóvel pode possuir circuitos eletrônicos, como, por exemplo, a trava central elétrica, a unidade de comando da injeção eletrônica e o computador de bordo.

Até mesmo a rede interna de energia elétrica de sua residência pode ser considerada uma espécie de circuito elétrico, pois por meio dela é realizada a distribuição de energia para os eletrodomésticos e eletroeletrônicos de sua casa. 

No caso específico dos circuitos eletrônicos, os sistemas modernos de produção industrial utilizam os métodos seguintes de produção em larga escala:

• Serigrafia, onde são impressas as pistas por método serigráfico;
• Processos fotográficos de gravação, nos quais a placa é banhada numa solução fotossensível, que após queimada é revelada em meio corrosivo, à semelhança das formas antigas de revelação e impressão de fotografias.
• Processos de jatos abrasivos, nos quais se usam jatos de microesferas lançadas contra uma máscara resistente interposta entre o fluxo e a placa.
• Processos de deposição metálica, nos quais são normalmente utilizados os métodos semelhantes à cromagem ou niquelação, por galvanoplastia.
• Processos de transferência de imagem, nos quais se usam filmes com as imagens do circuito. A partir do filme é feita a exposição na expositora e então o filme é transferido para o circuito. Esse método é parecido com serigrafia, mas são utilizados raios ultravioleta para fazer essa transferência, com revelação em banhos químicos.
• Processos de transferência térmica da imagem, no qual é utilizada imagem impressa a laser em papel próprio para transferência térmica, utilizando uma prensa térmica regulada para temperatura em torno de 200° Celsius ou centígrados, em tempo que pode variar, em torno de dois ou três minutos.

Para os processos semelhantes à serigrafia, fotografia ou desenho direto, é necessária a corrosão da superfície metalizada da placa por mergulhamento ou por jato de solução química. A corrosão somente ocorrerá na superfície nua, isto é, na superfície que não está coberta por tinta ou emulsão fotográfica queimada e revelada.

Também existem outros processos menos utilizados e de baixa produtividade.

O CIRCUITO ELÉTRICO

Um circuito elétrico é uma interconexão de componentes elétricos de tal forma que a carga elétrica flua ao longo de um caminho fechado, ou seja, ao longo de um circuito, geralmente com o objetivo de transferir-se energia e executar alguma tarefa útil. A principal utilidade da eletricidade é originar outros tipos de energia, como a energia mecânica, a energia térmica, o som e a luz, por exemplo.

Ele é a ligação de elementos elétricos, tais como resistores, indutores, capacitores, diodos, linhas de transmissão, fontes de tensão, fontes de corrente e interruptores, de modo que formem pelo menos um caminho fechado para a corrente elétrica. Um circuito elétrico simples, alimentado por pilhas, baterias ou tomadas, sempre apresenta uma fonte de energia elétrica, um aparelho elétrico, fios ou placas de ligação e um interruptor para ligar e desligar o aparelho. Estando ligado, o circuito elétrico está fechado e uma corrente elétrica passa por ele. Esta corrente pode produzir vários efeitos: óticos, cinéticos, térmicos, acústicos e mecânicos. Circuitos elétricos são conjuntos formados por um gerador elétrico, um condutor em circuito fechado e um elemento capaz de utilizar a energia produzida pelo gerador.

Um exemplo bem simples e didático de circuito elétrico é o circuito de iluminação de uma residência popular, baseada em fios que conduzem eletricidade do padrão até o interior da residência, com um interruptor fixado na parede, uma lâmpada e um soquete de lâmpada. Quando a dona de casa aciona o interruptor diz-se que o circuito foi completado, fechado ou ativado, o que significa que a corrente está circulando e a lâmpada está ligada, portanto consumindo energia. Essa terminologia utilizada pode até confundir um pouco uma pessoa leiga, que não entende do assunto, então é necessário deixar bem claro aqui o seguinte: Quando se diz que o circuito está fechado, na verdade a energia está circulando, ou seja, o dispositivo, neste caso a lâmpada, está ligado, portanto está consumindo energia.

Um circuito elétrico é uma interligação esquematizada de componentes elétricos de forma a realizar um trabalho útil, ou seja, para desempenhar uma função específica. Nos circuitos elétricos, os terminais positivo e negativo são ligados a caminhos condutores, como, por exemplo, fios ou cabos de condução elétrica. O fluxo de energia elétrica através de um circuito elétrico é chamado de corrente, com o símbolo I, medido em ampères (A). Já a diferença de energia potencial entre os terminais positivo e negativo é conhecida como voltagem (V). A resistência é uma espécie de oposição ou semi-oposição, digamos, à passagem de corrente elétrica por um meio, ela é medida em ohms (Ω). A base física do fluxo da energia elétrica em um meio condutor é o movimento dos elétrons negativamente carregados (é isso mesmo que você está lendo, negativamente carregados) através de um circuito, partindo do polo negativo para o polo positivo (sim, é isso mesmo que você está lendo, do negativo para o positivo).

Existem componentes elétricos dos mais variados tipos e utilidades, encontrando-se em um circuito elétrico não raro peças como resistores, capacitores, indutores, transformadores e interruptores. Os componentes elétricos mais simples são chamados passivos ou lineares, embora possam armazenar temporariamente energia, eles não constituem fontes da mesma, e apresentam respostas lineares aos estímulos elétricos aos quais são aplicados.

A corrente que circula por um circuito elétrico pode ser contínua ou alternada. Na corrente contínua o fluxo de energia tem apenas uma direção e na corrente alternada a direção ou sentido do fluxo de corrente varia de forma alternada. A corrente alternada ou CA – Current Alternating é uma corrente elétrica cuja magnitude e direção da corrente varia ciclicamente, ao contrário da corrente contínua cuja direção permanece constante e que possui polos positivo e negativo definidos. A forma de onda usual em um circuito de potência de corrente alternada é senoidal por ser a forma de transmissão de energia mais eficiente. Entretanto, em certas aplicações, diferentes formas de ondas são utilizadas tais como triangular ou ondas quadradas.

De modo geral, os circuitos elétricos podem ser projetados a terem ligações em série ou paralelas. Um exemplo típico de ligações paralelas são as fiações de iluminação residencial, pois caso uma das lâmpadas do circuito queime não haverá interrupção do fluxo de energia para as demais lâmpadas também conectadas.

O resistor é o componente mais simples entre os componentes passivos de um circuito elétrico. Como o nome sugere, o resistor limita a corrente que pode fluir através do circuito, ele transforma toda a energia elétrica que recebe em energia térmica, essa transferida ao ambiente que o cerca via calor. Ao passo que o nome resistor designa geralmente o componente em si, a resistência elétrica é uma propriedade dos resistores que busca mensurar o efeito resistivo. Mostra-se diretamente relacionada à oposição e à forma como os portadores de carga elétrica se movem no interior de um condutor ou semicondutor. Nos metais, por exemplo, a resistência é principalmente atribuída às colisões entre os elétrons e os íons. Impurezas e imperfeições na estrutura contribuem em muito para o aumento da resistência a ponto de justificar o processo de purificação ou refinamento pelo qual os metais são submetidos antes da confecção de estruturas condutoras como os fios ou barramentos elétricos.

Aliás, a prata e o ouro são alguns dos metais com melhor condutividade elétrica que existem, porém têm preço mais elevado pois estão disponíveis em menor quantidade no planeta Terra. Já o cobre é um ótimo condutor elétrico e está disponível em boa quantidade no planeta em que vivemos, por isso tem boa relação custo benefício e é usado em larga escala na fabricação de fios e cabos elétricos. Para transmissão de eletricidade a longas distâncias são utilizados cabos de alumínio e aço.

O capacitor é um dispositivo capaz de armazenar temporariamente carga elétrica bem como energia elétrica no campo elétrico resultante. Conceitualmente, ele é composto por duas placas condutoras paralelas separadas por uma fina camada isolante. Na prática, são compostos por duas lâminas finas de metal separadas por uma lâmina de material isolante, todas enroladas juntas de forma a aumentar a área de superfície por unidade de volume e, portanto, a capacitância. Um capacitor não é uma bateria, eles são componentes diferentes.

O indutor é um condutor, geralmente uma bobina ou enrolamento de fio encapado, que armazena energia no campo magnético que surge em resposta à corrente que flui através dele. Quando a corrente altera-se o campo magnético também altera-se, e há, nesse momento, em consequência da lei da indução de Faraday, a indução de uma tensão elétrica entre os terminais do indutor. Verifica-se que a tensão induzida é proporcional à taxa de variação da corrente, sendo tanto maior quanto mais rápido se der a mudança na corrente.

HISTÓRIA

Em 1845, quando ainda era um estudante, Gustav Kirchhoff contribuiu muito no campo dos circuitos elétricos, na espectroscopia, na emissão de radiação dos corpos negros e na teoria da elasticidade. Ele foi o autor de duas leis fundamentais da teoria clássica dos circuitos elétricos, pois formulou as leis dos nós e das malhas. Ele propôs a lei da emissão de radiação térmica em 1859, comprovando-a em 1861. Em 1854 transferiu-se para a Universidade de Heidelberg, onde colaborou em trabalhos sobre espectroscopia com Robert Bunsen, descobrindo juntamente com este os elementos césio e rubídio em 1861, estudando a composição química do Sol através do seu espectro.

No fim da década de 1880 viveu-se nos Estados Unidos um período conhecido como a Guerra das Correntes. Nessa época já existia uma rede elétrica pública, usada principalmente para acender lâmpadas incandescentes e alimentar motores elétricos simples. A exploração dessa rede elétrica revertia grandes benefícios a Thomas Edison que tinha obtido várias patentes pela invenção da lâmpada e outros dispositivos para gerar corrente contínua.

Outras pessoas tentaram entrar nesse novo negócio milionário com as suas inovações, entre eles George Westinghouse, que já tinha tido sucesso comercializando as suas próprias patentes, e Nikola Tesla, um cientista brilhante, imigrante da Croácia, que, por sua vez, obteve uma patente pelo dispositivo para produzir e distribuir corrente alternada. A Guerra das Correntes acabaria por ser ganha pelo sistema de corrente alternada de Tesla e Westinghouse, pois uma das principais vantagens sobre o sistema de corrente contínua é a facilidade de poder aumentar ou diminuir a tensão por meio de transformadores e, por consequência, a facilidade de transmissão de energia elétrica por longas distâncias, embora atualmente já haja grandes sistemas de transmissão de eletricidade por meio de corrente contínua.

CIRCUITO INTEGRADO

O circuito integrado é um circuito eletrônico compactado, extremamente miniaturizado, geralmente um pedaço de material semicondutor utilizado para integrar e conectar componentes eletrônicos, principalmente transistores, diodos, resistores e capacitores. Um processador ou microchip é um exemplo de circuito integrado.

Geralmente, um circuito eletrônico possui componentes semicondutores e um circuito elétrico possui componentes elétricos. No caso específico, do circuito integrado, que, na prática, é um circuito eletrônico extremamente compactado, os componentes que o forma são semicondutores, como, por exemplo, transistores, diodos, capacitores e resistores.

O primeiro transistor de silício e germânio tecnicamente e economicamente viável que se tem conhecimento foi inventado em 1948 por John Bardeen e Walter Brattain, ele foi o substituto natural da válvula eletrônica de três polos, utilizada até então em larga escala nos rádios e nos sistemas de telecomunicações da época.

O transistor trouxe pelo menos cinco grandes vantagens sobre a válvula eletrônica: Miniaturização, grande redução de custo de fabricação, baixo consumo de energia, durabilidade e confiabilidade. Quando foi colocado no mercado na década de 1950, o transistor já era muito menor que a válvula eletrônica, apenas 1%, 2% ou 3%  do tamanho dela, dependendo de cada caso. Seu custo de produção em larga escala era apenas 10% do custo da válvula. Segundo algumas fontes, os primeiros protótipos de circuitos integrados foram criados no final da década de 1950 pelos engenheiros elétricos e eletrônicos Geoffrey Dummer, inglês, e Jack Kilby, americano. O passo seguinte da evolução da Eletrônica foi o início da fabricação em série do circuito integrado, em 1964, reunindo em uma placa de silício vários componentes, incluindo o diodo, o capacitor, o resistor, o indutor e o próprio transistor.

Em seguida veio o primeiro microprocessador ou chip de silício, isto é, a primeira unidade de processamento central fabricada em larga escala que se tem conhecimento, a chamada CPU – Central Processing Unit, em 1971, lançada por Robert Noyce, um dos fundadores da gigante norte-americana Intel.

A primeira grande fabricante de transistores e de computadores transistorizados foi a Bell Laboratories, na época uma subsidiária da gigante americana de telecomunicações AT&T, com a fabricação em série do Tradic, que era menor, mais leve, consumia menos eletricidade e produzia menos calor que todos os modelos anteriores de grandes computadores com válvulas eletrônicas, mesmo possuindo grande capacidade de processamento de dados.

Atualmente, os circuitos integrados estão presentes na grande maioria dos produtos eletrônicos modernos, incluindo smartphones / celulares, TV's e receptores de TV’s, computadores, videogames e roteadores de internet. A fabricação dos circuitos integrados é complexa e envolve alta tecnologia, com algumas fontes citando até 50 etapas de fabricação, que vão desde a seleção de matéria prima, como os cristais usados para servir de base física dos microprocessadores, por exemplo, chegando até o encapsulamento dos chips.

Eles podem realizar operações aritméticas, podem controlar o funcionamento de outros circuitos e podem executar programas de computador, por exemplo.

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REFERÊNCIAS E SUGESTÃO DE LEITURA

• Wikipédia: https://pt.wikipedia.org/wiki/Circuito_impresso

• Nova Enciclopédia Ilustrada Folha – Larousse / Cambridge / Oxford / Webster

• Manual do Mundo / YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=P08uX38rr7o

• Wikipédia: https://pt.wikipedia.org/wiki/Circuito_eletrônico

• Dicionário Michaelis – Consulte também a versão de Informática do Michaelis

• WR Kits / YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=DC0SQ--gb7M

• Wikipédia: https://pt.wikipedia.org/wiki/Circuito_el%C3%A9trico

• Dreamstime: Imagem 

• Wikimedia: Imagens

• Pinterest: Imagem