Baixe Apostila de Eletrônica e outras Notas de estudo em PDF para Eletrônica, somente na Docsity!
ÍNDICE
- 1 DIODO SEMICONDUTOR E RETIFICAÇÃO
- 1.1 FÍSICA DOS SEMICONDUTORES
- A ESTRUTURA DO ÁTOMO
- ESTUDO DO SEMICONDUTORES
- 1.2 DIODO
- POLARIZAÇÃO DO DIODO
- CURVA CARACTERÍSTICA DE UM DIODO
- RESISTOR LIMITADOR DE CORRENTE
- 1.3 DIODO EMISSOR DE LUZ E FOTODIODO
- 1.4 APROXIMAÇÕES DO DIODO
- 1.5 RETIFICADORES DE MEIA ONDA E ONDA COMPLETA
- RETIFICADOR DE MEIA ONDA
- RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA
- RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE
- 1.6 CAPACITOR
- 1.7 FILTRO PARA O RETIFICADOR
- 1.8 DIODO ZENER
- CORRENTE MÁXIMA NO ZENER
- REGULADOR DE TENSÃO COM ZENER
- CÁLCULO DO RESISTOR DE CARGA RS
- 1.9 CIRCUITO COM DIODOS
- MULTIPLICADORES DE TENSÃO
- LIMITADORES
- G RAMPEADOR CC
- 1.10 EXERCÍCIOS
- 2 TRANSISTOR BIPOLAR
- 2.1 FUNCIONAMENTO DE TRANSISTORES BIPOLARES
- POLARIZAÇÃO DO TRANSISTOR NPN
- T RANSISTOR PNP
- AS CORRENTES NO TRANSISTOR
- MONTAGEM BÁSICA COM TRANSISTOR
- 3 POLARIZAÇÃO DE TRANSISTORES
- 3.1 RETA DE CARGA
- 3.2 O TRANSISTOR COMO CHAVE
- 3.3 O TRANSISTOR COMO FONTE DE CORRENTE
- 3.4 O TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR
- CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO EM EMISSOR COMUM
- POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO
- REGRAS DE PROJETO
- 3.5 EXERCÍCIOS
- 4 AMPLIFICADORES DE SINAL
- 4.1 AMPLIFICADORES DE SINAL EMISSOR COMUM
- T EOREMA DA SUPERPOSIÇÃO PARA AMPLIFICADORES
- CIRCUITOS EQUIVALENTES CA E CC.
- RESISTÊNCIA CA DO DIODO EMISSOR
- βCA - GANHO DE CORRENTE ALTERNADA
- 4.2 AMPLIFICADOR COM EMISSOR ATERRADO
- 4.3 REALIMENTAÇÃO
- 4.4 AMPLIFICADOR COM REALIMENTAÇÃO PARCIAL
- I MPEDÂNCIA DE ENTRADA
- ESTÁGIOS EM CASCATA
- 4.5 AMPLIFICADOR BASE COMUM
- 4.6 AMPLIFICADOR COLETOR COMUM
- 4.7 EXERCÍCIOS
- 5 AMPLIFICADORES DE POTÊNCIA
- 5.1 CLASSE A
- 5.2 CLASSE B
- 5.3 CLASSE AB
- 6 OSCILADOR DE BAIXA FREQÜÊNCIA
- 6.1 OSCILADOR POR DESLOCAMENTO DE FASE
- 7 TRANSISTORES ESPECIAIS
- 7.1 JFET
- POLARIZAÇÃO DE UM JFET
- T RANSCONDUTÂNCIA
- A MPLIFICADOR FONTE COMUM
- A MPLIFICADOR COM REALIMENTAÇÃO PARCIAL
- A MPLIFICADOR SEGUIDOR DE FONTE
- 7.2 MOSFET
- MOSFET DE MODO DEPLEÇÃO
- MOSFET DE MODO CRESCIMENTO OU INTENSIFICAÇÃO
- 7.3 FOTOTRANSISTOR E ACOPLADOR ÓPTICO
- 7.4 EXERCÍCIOS
- 8 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
Figura 1-
Se nas estruturas com germânio ou silício não fosse possível romper a ligações covalentes, elas seriam materiais isolantes. No entanto com o aumento da temperatura algumas ligações covalentes recebem energia suficiente para se romperem, fazendo com que os elétrons das ligações rompidas passem a se movimentar livremente no interior do cristal, tornando-se elétrons livres.
Figura 1-
Com a quebra das ligações covalentes, no local onde havia um elétron de valência, passa a existir uma região com carga positiva, uma vez que o átomo era neutro e um elétron o abandonou. Essa região positiva recebe o nome de lacuna, sendo também conhecida como buraco. As lacunas não tem existência real, pois são apenas espaços vazios provocados por elétrons que abandonam as ligações covalentes rompidas.
Sempre que uma ligação covalente é rompida, surgem, simultaneamente um elétron e uma lacuna. Entretanto, pode ocorrer o inverso, um elétron preencher o lugar de uma lacuna, completando a ligação covalente (processo de recombinação). Como tanto os elétrons como as lacunas sempre aparecem e desaparecem aos pares, pode-se afirmar que o número de lacunas é sempre igual a de elétrons livres.
Quando o cristal de silício ou germânio é submetido a uma diferença de potencial, os elétrons livres se movem no sentido do maior potencial elétrico e as lacunas por conseqüência se movem no sentido contrário ao movimento dos elétrons.
I MPUREZAS
Os cristais de silício (ou germânio. Mas não vamos considera-lo, por simplicidade e também porque o silício é de uso generalizado em eletrônica) são encontrados na natureza misturados com outros elementos. Dado a dificuldade de se controlar as
características destes cristais é feito um processo de purificação do cristal e em seguida é injetado através de um processo controlado, a inserção proposital de impurezas na ordem de 1 para cada 10^6 átomos do cristal, com a intenção de se alterar produção de elétrons livres e lacunas. A este processo de inserção dá-se o nome de dopagem.
As impurezas utilizadas na dopagem de um cristal semicondutor podem ser de dois tipos: impureza doadoras e impurezas aceitadoras.
I MPUREZA DOADORA
São adicionados átomos pentavalentes (com 5 elétrons na camada de valência. Ex.: Fósforo e Antimônio). O átomo pentavalente entra no lugar de um átomo de silício dentro do cristal absorvendo as suas quatro ligações covalentes, e fica um elétron fracamente ligado ao núcleo do pentavalente (uma pequena energia é suficiente para se tornar livre).
Figura 1-
I MPUREZA ACEITADORA
São adicionados átomos trivalentes (tem 3 elétrons na camada de valência. Ex.: Boro, alumínio e gálio). O átomo trivalente entra no lugar de um átomo de silício dentro do cristal absorvendo três das suas quatro ligações covalentes. Isto significa que existe uma lacuna na órbita de valência de cada átomo trivalente.
Figura 1-
Um semicondutor pode ser dopado para ter um excesso de elétrons livres ou excesso de lacunas. Por isso existem dois tipos de semicondutores:
S EMICONDUTOR TIPO N
O cristal que foi dopado com impureza doadora é chamado semicondutor tipo n, onde n está relacionado com negativo. Como os elétrons livres excedem em número as lacunas
POLARIZAÇÃO DO DIODO
Polarizar um diodo significa aplicar uma diferença de potencial às suas extremidades. Supondo uma bateria sobre os terminais do diodo, há uma polarização direta se o pólo positivo da bateria for colocado em contato com o material tipo p e o pólo negativo em contato com o material tipo n.
P OLARIZAÇÃO DIRETA
No material tipo n os elétrons são repelidos pelo terminal da bateria e empurrado para a junção. No material tipo p as lacunas também são repelidas pelo terminal e tendem a penetrar na junção, e isto diminui a camada de depleção. Para haver fluxo livre de elétrons a tensão da bateria tem de sobrepujar o efeito da camada de depleção.
P OLARIZAÇÃO REVERSA
Invertendo-se as conexões entre a bateria e a junção pn , isto é, ligando o pólo positivo no material tipo n e o pólo negativo no material tipo p , a junção fica polarizada inversamente.
No material tipo n os elétrons são atraídos para o terminal positivo, afastando-se da junção. Fato análogo ocorre com as lacunas do material do tipo p. Podemos dizer que a bateria aumenta a camada de depleção, tornando praticamente impossível o deslocamento de elétrons de uma camada para outra.
CURVA CARACTERÍSTICA DE UM DIODO
A curva característica de um diodo é um gráfico que relaciona cada valor da tensão aplicada com a respectiva corrente elétrica que atravessa o diodo.
P OLARIZAÇÃO DIRETA
Figura 1-7 Figura 1-
Nota-se pela curva que o diodo ao contrário de, por exemplo, um resistor, não é um componente linear. A tensão no diodo é uma função do tipo:
U R I
kT q
ln
I I F^1 S
= + +
Eq. 1- 1
TENSÃO DE JOELHO
Ao se aplicar a polarização direta, o diodo não conduz intensamente até que se ultrapasse a barreira potencial. A medida que a bateria se aproxima do potencial da barreira, os elétrons livres e as lacunas começam a atravessar a junção em grandes quantidades. A tensão para a qual a corrente começa a aumentar rapidamente é chamada de tensão de joelho. ( No Si é aprox. 0,7V).
P OLARIZAÇÃO REVERSA DO DIODO
Figura 1-9 Figura 1-
o diodo polarizado reversamente, passa uma corrente elétrica extremamente pequena, (chamada de corrente de fuga).
Se for aumentando a tensão reversa aplicada sobre o diodo, chega um momento em que atinge a tensão de ruptura (varia muito de diodo para diodo) a partir da qual a corrente aumenta sensivelmente.
* Salvo o diodo feito para tal, os diodos não podem trabalhar na região de ruptura.
GRÁFICO COMPLETO.
Figura 1-
E SPECIFICAÇÕES DE POTÊNCIA DE UM DIODO
Em qualquer componente, a potência dissipada é a tensão aplicada multiplicada pela corrente que o atravessa e isto vale para o diodo:
P = U∗I Eq. 1- 2
Figura 1- (I=0A,U=2V) - Ponto de corte !Corrente mínima do circuito (I=20mA,U=0V) - Ponto de saturação !Corrente máxima do circuito (I=12mA,U=0,78V) - Ponto de operação ou quiescente!Representa a corrente através do diodo e do resistor. Sobre o diodo existe uma tensão de 0,78V.
1.3 DIODO EMISSOR DE LUZ E FOTODIODO
O diodo emissor de luz (LED) é um diodo que quando polarizado diretamente emite luz visível (amarela, verde, vermelha, laranja ou azul) ou luz infravermelha. Ao contrário dos diodos comuns não é feito de silício, que é um material opaco, e sim, de elementos como gálio, arsênico e fósforo. É amplamente usada em equipamentos devido a sua longa vida, baixa tensão de acionamento e boa resposta em circuitos de chaveamento. A polarização do LED é similar ao um diodo comum, ou seja, acoplado em série com um resistor limitador de corrente, como mostrado na Figura 1-14. o LED é esquematizado como um diodo comum com seta apontando para fora como símbolo de luz irradiada. A corrente que circula no LED é:
R
V V
I D S D
= Eq. 1- 5
Para a maioria dos LED’s disponíveis no mercado, a queda de tensão típica é de 1,5 a 2,5V para correntes entre 10 e 50mA.
FOTODIODO
É um diodo com encapsulamento transparente, reversamente polarizado que é sensível a luz. Nele, o aumento da intensidade luminosa, aumenta sua a corrente reversa Num diodo polarizado reversamente, circula somente os portadores minoritários. Esses portadores existem porque a energia térmica entrega energia suficiente para alguns elétrons de valência saírem fora de suas órbitas, gerando elétrons livres e lacunas, contribuindo, assim, para a corrente reversa. Quando uma energia luminosa incide numa junção pn , ela injeta mais energia ao elétrons de valência e com isto gera mais elétrons livres. Quanto mais intensa for a luz na junção, maior será corrente reversa num diodo.
Figura 1-
1.4 APROXIMAÇÕES DO DIODO
ao analisar ou projetar circuitos com diodos se faz necessário conhecer a curva do diodo, mas dependendo da aplicação pode-se fazer aproximações para facilitar os cálculos.
1ª APROXIMAÇÃO (DIODO IDEAL)
Um diodo ideal se comporta como um condutor ideal quando polarizado no sentido direto e como um isolante perfeito no sentido reverso, ou seja, funciona como uma chave aberta.
I
U
sentido direto
sentido reverso
Figura 1-
2ª APROXIMAÇÃO
Leva-se em conta o fato de o diodo precisar de 0,7V para iniciar a conduzir.
I
U
sentido direto
sentido reverso
0 7V
0,7V
rb
rb
Figura 1- Pensa-se no diodo como uma chave em série com uma bateria de 0,7V.
3ª APROXIMAÇÃO
Na terceira aproximação considera a resistência interna do diodo.
RS2 = 75/5μA = 15MΩ A resistência reversa diminui à medida que se aproxima da tensão de ruptura.
1.5 RETIFICADORES DE MEIA ONDA E ONDA COMPLETA
É comum em circuitos eletrônicos o uso de baterias de alimentação. Devido ao alto custo de uma bateria se comparado com a energia elétrica, torna-se necessário a criação de um circuito que transforme a tensão alternada de entrada em uma tensão contínua compatível com a bateria. O diodo é um componente importante nesta transformação. É que se verá neste item.
O NDA SENOIDAL
A onda senoidal é um sinal elétrico básico. Sinais mais complexos podem ser representados por uma soma de sinais senoidais.
Figura 1- A equação que representa a curva da Figura 1-19 é a seguinte:
U = U senP θ Eq. 1-
onde: U! tensão instantânea Up! tensão de pico Algumas maneiras de se referir aos valores da onda: Valor de pico UP! Valor máximo que a onda atinge Valor de pico a pico ( UPP )! Diferença entre o máximo e mínimo que a onda atinge Upp = Up - (- Up ) = 2 Up Valor eficaz ( URMS ) ( Root Mean Square ) O valor rms é valor indicado pelo voltímetro quando na escala ca. O valor rms de uma onda senoidal, é definido como a tensão cc que produz a mesma quantidade de calor que a onda senoidal. Pode-se mostrar que: VRMS = 0,707 Up Eq. 1- Valor médio O valor médio é quantidade indicada em um voltímetro quando na escala cc. O valor médio de uma onda senoidal ao longo de um ciclo é zero. Isto porque cada valor da primeira metade do ciclo, tem um valor igual mas de sinal contrário na segunda metade do ciclo.
O TRANSFORMADOR
As fontes de tensões utilizadas em sistemas eletrônicos em geral são menores que 30V (^) CC enquanto a tensão de entrada de energia elétrica costuma ser de 127V (^) RMS ou 220VRMS. Logo é preciso um componente para abaixar o valor desta tensão alternada. O componente utilizado é o transformador. O transformador é a grosso modo constituído por duas bobinas (chamadas de enrolamentos). A energia passa de uma bobina para outra através do fluxo magnético. Abaixo um exemplo de transformador:
Figura 1-
A tensão de entrada U 1 está conectada ao que se chama de enrolamento primário e a tensão de saída ao enrolamento secundário.
No transformador ideal:
U U
N
N
2 1
2 1
Eq. 1-
Onde:
U 1 tensão no primário U 2 tensão no secundário N 1 número de espiras no enrolamento primário N 2 número de espiras no enrolamento secundário
A corrente elétrica no transformados ideal é:
I I
N
N
1 2
2 1
Eq. 1-
Exemplo 1-2 Se a tensão de entrada for 115 (^) VRMS , a corrente de saída de 1,5ARMS e a relação de espiras 9:1. Qual a tensão no secundário em valores de pico a pico? E a corrente elétrica no primário?
SOL.
U U
N
N
2 1
2 1
U
2! U 2 = 12,8 VRMS
U2PP =12,8/0,707=18VPP
I
I
N
N
1 2
2 1
I
1 !I
1 = 0,167ARMS
obs.: a potência elétrica de entrada e de saída num transformador ideal são iguais.
P=UI=1150,167=12,8*1,5=19,2W
VCC = 0.318 UP diodo ideal Eq. 1-
VCC = 0.318 (UP - Vσ) diodo 2ª aproximação Eq. 1-
RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA
A Figura 1-23 mostra um retificador de onda completa. Observe a tomada central no enrolamento secundário. Por causa dessa tomada, o circuito é equivalente a dois retificadores de meia onda. O retificador superior retifica o semiciclo positivo da tensão do secundário, enquanto o retificador inferior retifica o semiciclo negativo da tensão do secundário.
Figura 1-
As duas tensões denominadas de U 2 /2 na Figura 1-23 são idênticas em amplitude e fase. O transformador ideal pode ser, portanto, substituído por duas fontes de tensão idênticas, como mostra a Figura 1-23 à direita, sem alteração no funcionamento elétrico da rede. Quando U 2 /2 é positiva, D 1 está diretamente polarizado e conduz mas D 2 está reversamente polarizado e cortado. Analogamente, quando U 2 /2 é negativa, D 2 conduz e D 1 cortado.
Considerando os dois diodos ideais, temos a curva de tensão sobre o resistor de carga mostrada na Figura 1-24.
V ALOR CC OU VALOR MÉDIO
A tensão média de um retificador de meia onda mostrada por um voltímetro é similar o do retificador de meia onda com a observação de que agora tem-se um ciclo completo e o valor será o dobro. É dado por:
VCC = 2*0.318 (UP /2) = 0,318UP diodo ideal Eq. 1-
VCC = 0.636 (UP /2 - Vσ) diodo 2ª aproximação Eq. 1-
FREQÜÊNCIA DE SAÍDA
A freqüência de saída de onda completa é o dobro da freqüência de entrada, pois a definição de ciclo completo diz que uma forma de onda completa seu ciclo quando ela
começa a repeti-lo. Na Figura 1-24, a forma de onda retificada começa a repetição após um semiciclo da tensão do secundário. Supondo que a tensão de entrada tenha uma freqüência de 60Hz, a onda retificada terá uma freqüência de 120Hz e um período de 8,33ms.
Figura 1-
Figura 1-
1.6 CAPACITOR
Componente eletrônico, constituído por duas placas condutoras, separadas por um material isolante.
Ao ligar uma bateria com um capacitor descarregado, haverá uma distribuição de cargas e após um certo tempo as tensões na bateria e no capacitor serão as mesmas. E deixa de circular corrente elétrica.
Se o capacitor for desconectado da bateria, as cargas elétricas acumuladas permanecem no capacitor, e portanto é mantida a diferença de potencial no capacitor.
O capacitor pode armazenar carga elétrica.
O capacitor se opõe a variação de tensão elétrica.
A capacidade que tem um capacitor para armazenar cargas depende da sua capacitância.
C
S
d
Eq. 1-
onde:
ε = constante dielétrica (F/m) S = área de uma das placas (são iguais) (m 2 ) d = Espessura do dielétrico em metro (m) C = Capacitância em Farads (F) em geral se usa submultiplos do Farad: μF, nF, pF
DETALHES SOBRE OS CAPACITORES
TIPOS DE CAPACITORES
papel cerâmica mica eletrolítico tântalo variável (distância / área) !(Padder; Trimmer)
DISPOSIÇÃO DAS PLACAS
