Apostilha Eletrônica Analógica, Manuais, Projetos, Pesquisas de Eletrônica Analógica

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A n a l ó g i c a

Aluno: _____________________________________________

Eletrônica

I

A Estrutura do átomo

O átomo é formado basicamente por 3 tipos de partículas elementares: Elétrons, prótons

e nêutrons. A carga do elétron é igual a do próton, porém de sinal contrário. Os elétrons giram em

torno do núcleo distribuindo-se em diversas camadas, num total de até sete camadas. Em cada

átomo, a camada mais externa é chamada de valência, e geralmente é ela que participa das

reações químicas

Todos os materiais encontrados na natureza são formados por diferentes tipos de

átomos, diferenciados entre si pelos seus números de prótons, elétrons e nêutrons. Cada material

tem uma infinidade de características, mas uma especial em eletrônica é o comportamento à

passagem de corrente. Pode-se dividir em três tipos principais:

Condutores, isolantes e semicondutores:

Denomina-se condutor as substâncias nas quais os elétrons se locomovem com

facilidade por estarem fracamente ligados aos átomos. Nos condutores, os elétrons mais distantes

do núcleo abandonam o átomo adquirindo liberdade de movimento: são os elétrons livres.

Num condutor eletrizado as cargas elétricas se locomovem na superfície.

Materiais isolantes: Substâncias que conduzem muito pouca ou nenhuma corrente

elétrica; substância de elevada resistividade.

Uma substância cuja condutividade está situada entre o dos condutores e dos isolantes é

um semicondutor (Exemplo: Silício, Germânio).

CRISTAIS

Os raio X e outros métodos revelam que a maioria dos metais e semicondutores

possuem estrutura cristalina. Um cristal consiste em um conjunto de átomos ou moléculas (íons

1 ,

se falarmos rigorosamente) construído por uma repetição regular em três dimensões de alguma

unidade estrutural fundamental.

Um átomo de silício isolado possui quatro elétrons na sua órbita de valência; porém para

ser quimicamente estável, precisa de oito elétrons nesta órbita. Poderá, por isso, combinar-se com

outros átomos, de forma a completar os oito elétrons da sua órbita de valência.

Quando os átomos de silício combinam-se para formar um sólido, eles se arranjam numa

configuração ordenada chamada cristal. As forças que mantêm os átomos unidos são conhecidas

como ligações covalentes. O átomo de silício posiciona-se entre outros quatro átomos de silício.

Cada vizinho compartilha então um elétron com o átomo central. Dessa forma, o átomo central

apanha quatro elétrons, o que lhe dá um total de oito elétrons na órbita de valência

2 .

Os oito elétrons não pertencem exclusivamente ao átomo central; eles são

compartilhados pelos quatro átomos de volta. Como as estruturas internas adjacentes possuem

carga positiva líquida, elas atraem os elétrons em comum, criando forças iguais e opostas. Essa

atração mútua em sentidos opostos é a ligação covalente, a cola que mantém os átomos unidos.

Semicondutor intrínseco : aquele no qual cada átomo que forma o cristal é do mesmo

elemento.

Semicondutor extrínseco : apresenta átomos de impurezas na estrutura do cristal.

1 Átomo ou grupamento de átomos com excesso ou com falta de carga elétrica negativa. 2 O número de ligações que um átomo ou um radical pode efetuar com outros átomos, ou outros radicais, sob forma

estável, para constituir uma molécula ou outro radical.

LACUNAS

Quando a energia externa eleva um elétron de valência para um nível mais alto (órbita

maior), o elétron que sai deixa um vazio na órbita mais externa. Chamamos esse vazio lacuna.

Estas lacunas constituem uma das razões que fazem os diodos e os transistores trabalhar da

forma como o fazem.

Em temperaturas muito baixas (por exemplo 0 K) a estrutura cristalina é semelhante à

estrutura ideal mostrada na Fig. 1, e o cristal comporta-se como um isolante, pois não possui

portadores livres de eletricidade; contudo, em temperatura ambiente, algumas das ligações

covalentes são “quebradas” devido a energia térmica fornecida ao cristal, podendo então ocorrer

condução. Esta situação está ilustrada na Fig. 2. Nesta figura vemos um elétron, que fazia parte

de uma ligação covalente, deslocando-se randomicamente através da rede cristalina. A energia

EG necessária para “quebrar” essa ligação covalente é aproximadamente 0,72 eV para o

germânio e 1,1 eV para o silício em temperatura ambiente. A ausência de elétron na ligação

covalente é representada pelo pequeno círculo na Fig. 2, e uma tal ligação covalente incompleta é

chamada lacuna. A importância da lacuna está em poder ser usada, efetivamente como portador

de eletricidade, comparável ao elétron livre.

O mecanismo qualitativo pelo qual uma lacuna contribui para a condutividade é o

seguinte quando uma ligação é incompleta, tal que existe uma lacuna, é relativamente fácil de ser

preenchida por um elétron de valência que deixa uma ligação covalente de um átomo vizinho, este

elétron, ao sair da ligação covalente, deixa outra lacuna. Assim, efetivamente, a lacuna se move

na direção oposta à direção do elétron. Esta lacuna, nesta nova posição, pode agora se

preenchida por um elétron oriundo de outra ligação covalente, e a lacuna se movera na direção

oposta ao movimento do elétron. Temos, assim, um mecanismo para a condução da eletricidade

que não envolve elétrons livres.

Como vimos as lacunas num semicondutor também produzem uma corrente. Isto é o que

faz os semicondutores serem sensivelmente diferentes de um fio de cobre. Em outras palavras,

um semicondutor oferece dois trajetos para a corrente, um através da banda de condução (órbitas

maiores) e outro da banda de valência (órbitas menores).

Ocasionalmente, a órbita da banda de condução de um átomo pode interceptar a órbita

da lacuna de outro. Por isso é que é tão freqüente um elétron da banda de condução passar para

uma lacuna. Este desaparecimento de um elétron livre e de uma lacuna é chamado de

recombinação. Quando ocorre a recombinação a lacuna não se desloca mais para lugar algum,

ela desaparece.

A recombinação está constantemente acontecendo num semicondutor. Isto poderia

eventualmente preencher todas as lacunas e estas só não são preenchidas porque a energia

térmica incidente mantém a produção de novas lacunas elevando os elétrons de valência até a

banda de condução. O tempo médio entre a criação e o desaparecimento de um par elétron-

lacuna é chamado tempo de vida. O tempo de vida varia de uns poucos nanossegundos até vários

microssegundos, dependendo de quão perfeita é a estrutura do cristal e de outros fatores.

DOPAGEM

Impurezas aceitadoras e doadoras

Se ao silício ou ao germânio intrínseco, for adicionada uma pequena quantidade

(percentagem) de átomos trivalentes (boro, gálio ou índio) ou pentavalentes (antimônio, fósforo e

arsênico), teremos um semicondutor dopado, impuro ou extrínseco,

Doadores (Semicondutor Tipo-n) : Para se conseguir mais elétrons na banda de

valência, podemos acrescentar átomos pentavalentes; estes átomos tem cinco elétrons na órbita

de valência. Depois de acrescentarmos átomos pentavalentes a um cristal de silício puro, ainda

teremos uma grande quantidade de átomos de silício. Mas de vez em quando encontramos um

átomo pentavalente entre quatro vizinhos, como mostra a Fig. 3a. O átomo pentavalente tinha

inicialmente cinco elétrons na sua órbita de valência. Depois de formar ligações covalentes com

os quatro vizinhos, este átomo central tem um elétron a mais que sobra. Como a órbita de

valência não pode conter mais de oito elétrons, o elétron que sobra precisa viajar numa órbita da

banda de condução.

A Fig. 3b mostra as bandas de energia de um cristal que foi dopado com uma impureza

pentavalente. Temos um grande número de elétrons da banda de condução produzido principal-

mente pela dopagem. Existem apenas algumas lacunas, criadas pela energia térmica. Chamamos

os elétrons de portadores majoritários e as lacunas de portadores minoritários. O silício dopado

dessa forma é conhecido como um semicondutor do tipo-n, onde o n significa negativo.

Para terminar, os átomos pentavalentes são chamados freqüentemente átomos doadores

porque eles produzem elétrons de banda de condução. Exemplos de impurezas doadoras são o

arsénio, o antimônio e o fósforo.

Aceitadores (Semicondutor Tipo-p) : Usando uma impureza trivalente (uma com três

elétrons na órbita mais externa) podemos dopar um cristal para obter lacunas adicionais. Depois

de adicionarmos a impureza, verificamos que cada átomo trivalente está cercado por quatro

vizinhos como mostra a Fig. 4a. Como cada átomo trivalente traz com ele somente três elétrons

na órbita de valência, apenas sete elétrons viajarão na sua órbita de valência. Em outras palavras,

aparece uma lacuna em cada átomo trivalente. Controlando-se a quantidade de impureza

adicionada, pode-se controlar o número de lacunas no cristal dopado.

Um semicondutor dopado com uma impureza trivalente é conhecido como um semi-

condutor do tipo-p; a letra p significa positivo. Como mostra a Fig. 4b, as lacunas de um

semicondutor tipo-p excedem de longe os elétrons da banda de condução. Por esta razão, as

lacunas são os portadores majoritários num semicondutor tipo-p, enquanto os elétrons de banda

de condução constituem os portadores minoritários.

Os átomos trivalentes também são conhecidos como átomos aceitadores porque cada

lacuna que eles fornecem pode aceitar um elétron durante a recombinação. Exemplos de

impurezas aceitadoras são o alumínio, o boro e o gálio.

Figuras

Fig.1 Fig. 2

Fig. 3 Fig. 4

BARREIRA DE POTENCIAL

Além de um certo ponto, a camada de depleção age como uma barreira impedindo a

continuação da difusão de elétrons livres através da junção. Por exemplo, imagine um elétron livre

na região n difundindo para a esquerda para o interior da camada de depleção (veja a Fig. 1 b).

Aqui ele encontra uma parede negativa de íons que o repele de volta para a direita. Se o elétron

livre tiver energia suficiente, ele pode romper a parede e penetrar na região p, onde encontra uma

lacuna e cria um outro íon negativo.

A intensidade da camada de depleção continua aumentando com cada elétron que a

atravessa até que se atinja um equilíbrio. Neste ponto a repulsão interna da camada de depleção

interrompe a difusão dos elétrons livres através da junção.

A diferença de potencial através da camada de depleção é chamada barreira de

potencial. A 25

º C, esta barreira de potencial é aproximadamente igual a 0,7 V para os diodos de

silício. (O diodo de germânio tem uma barreira de potencial de 0,3 V.)

POLARIZAÇÃO DIRETA

A Fig. 2 mostra uma fonte cc aplicada através de um

diodo. O terminal positivo da fonte está ligado ao material tipo-p, e

o terminal negativo ao material tipo-n. Chamamos uma ligação

desse tipo de polarização direta.

CORRENTE DIRETA ALTA

A polarização direta pode produzir uma alta corrente-direta. O terminal negativo da fonte

repele os elétrons livres da região n em direção à junção. Estes elétrons com energia adicional

podem atravessar a junção e encontrar as lacunas. A recombinação ocorre em distâncias

variáveis a partir da junção, dependendo de até onde um elétron livre pode evitar encontrar uma

lacuna.

As chances de que a recombinação ocorra perto da junção são altas.

A medida que os elétrons encontram as lacunas, eles se tornam elétrons de valência.

Então, caminhando como elétrons de valência, continuam a se deslocar para a esquerda através

das lacunas no material p. Quando os elétrons de valência atingem a extremidade esquerda do

cristal, eles abandonam o cristal e escoam para o terminal positivo da fonte.

POLARIZAÇÃO REVERSA

Se você reverter a polarização da fonte cc, reverterá a

polarização do diodo, como mostra a Fig. 3. Agora o + é ligado ao

lado n e o – ao lado p.

CAMADA DE DEPLEÇÃO

A polarização reversa da Fig. 3 força os elétrons livres na

região n a se afastarem da junção em direção ao terminal positivo

da fonte; as lacunas da região p também se deslocam da junção

para o terminal negativo. Os elétrons que saem deixam mais íons positivos próximos à junção, e

as lacunas ao se afastarem deixam mais íons negativos. Portanto a camada de depleção fica mais

larga. Quanto maior a polarização reversa, maior torna-se a camada de depleção. A camada de

depleção para de aumentar quando a sua diferença de potencial se iguala à tensão da fonte.

A Fig. 3 é uma forma alternativa de se visualizar a mesma idéia. Logo que se aplica a

polarização reversa, os elétrons da banda de condução e as lacunas deslocam-se afastando-se

da junção. A camada de depleção torna-se maior até que a sua diferença de potencial se iguale à

tensão da fonte. Quando isto ocorre, os elétrons livres e as lacunas param os seus movimentos.

CORRENTE DE PORTADORES MINORITÁRIOS

A corrente reversa produzida pelos portadores minoritários é chamada corrente de

saturação (IS). A corrente de saturação somente sofre influência da temperatura.

CORRENTE DE FUGA SUPERFICIAL

Corrente extremamente pequena produzida por impurezas da superfície que criam um

trajeto ôhmico para a corrente (IFS).

CORRENTE REVERSA

As folhas de dados informativos sobre diodos englobam IS e IFS numa única corrente

chamada corrente reversa IR; geralmente ela é especificada para um dado valor de tensão reversa

VR e à temperatura ambiente TA.

TENSÃO DE RUPTURA

Se você aumentar a tensão reversa, positivamente atingirá um ponto de ruptura,

chamado tensão de ruptura do diodo. Para diodos retificadores (aqueles otimizados para conduzir

melhor num sentido do que no outro), a tensão de ruptura é geralmente maior do que 50 V. Uma

vez atingida a tensão de ruptura, o diodo pode conduzir intensamente.

Na polarização reversa, o elétron livre produzido termicamente na camada de depleção é

empurrado para o terminal positivo. À medida que se desloca, ele ganha velocidade. Quanto

maior a polarização reversa, mais rápido desloca-se o elétron (o que equivale a ele ganhar mais

energia). Pouco depois o elétron livre pode colidir com um elétron de valência. Se o elétron livre

tiver energia suficiente, ele pode desalojar o elétron de valência, de modo a formar dois elétrons

livres. Agora os dois podem se acelerar e desalojar outros elétrons de valência até ocorrer a uma

avalanche total. Por causa do grande número de elétrons livres, o diodo conduzirá intensamente e

será danificado pela excessiva potência dissipada.

Não se permite na maioria dos diodos que cheguem ao rompimento. Em outras palavras,

através de um projeto conveniente, a tensão reversa através de um diodo retificador é sempre

mantida abaixo da sua tensão de ruptura. Não há nenhum símbolo padrão para a tensão de

ruptura. Tem sido simbolizada em várias folhas de dados de especificação de componentes da

seguinte forma:

V(BR): tensão de ruptura

PIV : tensão reversa de pico

BV : tensão de ruptura

VRWM: tensão reversa máxima de trabalho

PRV : tensão reversa de pico

VRM: tensão reversa máxima

e outras. Algumas delas são especificações cc e outras especificações ca. Você terá de

consultar folhas de dados individuais para as condições fixadas nestas especificações de

ruptura.

Resistência de Corpo

Um semicondutor dopado ainda possui resistência. Chamamos esta resistência de

resistência de corpo. Um semicondutor levemente dopado possui uma resistência de corpo alta. À

medida que a dopagem aumenta a resistência de corpo diminui. A resistência de corpo também é

chamada de resistência ôhmica porque ela obedece à lei de Ohm; isto é, a corrente através desta

resistência é proporcional à tensão aplicada. Assim, o gráfico da corrente versus tensão é linear.

O GRÁFICO DO DIODO

Montando o circuito da Fig. 1, podemos medir a corrente e a tensão de um diodo. Com a

polaridade da fonte conforme mostra a Fig. 1, o diodo está polarizado diretamente. Quanto maior

a tensão da fonte, maior a corrente do diodo. Variando-se a tensão da fonte, pode-se medir a

corrente do diodo (ligando um amperímetro em série) e a tensão do diodo (ligando um voltímetro

em paralelo com o diodo). Fazendo-se o gráfico das correntes e das tensões correspondentes,

obtêm-se o gráfico região direta da Fig. 2. Se

invertermos a tensão da fonte, obteremos

leituras para a região reversa. Estas leituras

serão extremamente pequenas abaixo do ponto

de ruptura.

Como podemos observar, o gráfico

mostrado na Fig. 2 não é linear, o que

caracteriza a não-linearidade do diodo,

contrastando com a linha reta que obtemos para

o resistor (componente linear).

Tensão de Joelho

Ao se aplicar a polarização direta, o

diodo não conduz intensamente até

que se ultrapasse a barreira de

potencial. À medida que nos

aproximamos do potencial da

barreira (por volta de 0,7 V para um

diodo de silício), os elétrons livres e

as lacunas começam a atravessar a

junção em grandes quantidades. A

partir daí a corrente começa a subir

rapidamente. Acima de 0,7 V,

pequenos acréscimos na tensão

produzem grandes aumentos na

corrente.

A tensão para o qual a corrente começa a aumentar rapidamente é chamada de tensão

de joelho ou tensão de limiar. Para um diodo de silício esta tensão é igual ao potencial da barreira,

em torno do 0,7 V (O diodo de germânio tem uma tensão de limiar de 0,3 V).

Resistência do Carregamento

Acima da tensão do joelho, a corrente do diodo aumenta rapidamente; pequenos

aumentos na tensão do diodo produzem grandes acréscimos na corrente do diodo. A razão é a

seguinte: depois de ultrapassado o potencial da barreira, tudo o que impede a corrente é a

resistência de corpo ou a resistência ôhmica das regiões p e n. Esta resistência é linear. Em

outras palavras, um diodo associa uma resistência altamente não-linear (a junção) a uma

resistência de corpo que é linear (as regiões p e n fora da camada de depleção). Abaixo de 0,7 V

predomina a não-linearidade da junção, acima de 0,7 V a linearidade da resistência de corpo.

REGIÃO REVERSA

Quando você reverte a polarização do diodo da Fig. 1, obtém uma corrente reversa

extremamente pequena (às vezes chamada corrente de fuga). Se você aumentar a tensão reversa

o suficiente, eventualmente atingirá a tensão de ruptura do diodo (alguns diodos têm uma tensão

de ruptura de centenas de volts). Como já é de seu conhecimento, um diodo retificador deve

funcionar sempre abaixo da tensão de ruptura. Para estar seguro disto, o projetista

deliberadamente escolhe o tipo de diodo cuja tensão de ruptura seja maior do que a tensão

reversa máxima esperada durante o funcionamento normal.

ESPECIFICAÇÔES DE POTÊNCIA E DE CORRENTE

Um diodo retificador é otimizado para o seu funcionamento unilateral. Você pode pensar

num diodo como um condutor numa direção só porque ele apresenta uma baixa resistência direta

e uma resistência reversa alta. Uma forma de se destruir um diodo é excedendo a sua tensão

reversa de ruptura.

Uma outra forma de arruiná-lo é excedendo a sua especificação máxima de potência.

Qualquer componente dissipa uma certa potência dada pelo produto da sua tensão pela corrente.

Se essa potência dissipada for muito alta, o componente se queimará deixando-o em curto ou

aberto. Tipicamente, a tensão no ponto de destruição de um diodo é bem acima da tensão de

joelho, um volt ou mais. O produto dessa tensão pela corrente produz tanto calor que o diodo é

destruído.

Os fabricantes às vezes especificam a potência do diodo nas folhas de dados. Por

exemplo, o IN914 tem uma especificação máxima de potência de 250 mW. Mais freqüentemente,

as folhas de dados informam somente a corrente máxima que o diodo pode suportar. Isto é mais

conveniente para se medir e para se trabalhar.

Como exemplo, a folha de dados do IN4003 não inclui a especificação máxima de

potência, mas ela especifica uma corrente cc direta máxima de 1 A. Na verdade, estamos sendo

informados que se permitirmos uma corrente de regime maior do que 1 A através do IN4003, ele

poderá ser destruído ou terá a sua vida útil reduzida.

Geralmente as folhas de dados definem duas classes de diodos retificadores: diodos para

pequenos sinais (aqueles com uma especificação de potência menor do que 0,5 W) e retificadores

(aqueles com uma especificação de potência maior do que 0,5 W). O IN914 é um diodo de

pequeno sinal porque a sua especificação de potência é de 0,25 W; o IN4003 é um retificador

porque a sua potência especificada é de 1 W.

Resistor Limitador de Corrente

Voltando à Fig. 1, RS é chamado resistor limitador de corrente. Quanto maior for RS,

menor será a corrente do diodo. Em outros circuitos com diodos que serão discutidos, sempre

haverá um resistor limitador de corrente em série com o diodo. O projetista escolhe um valor de

RS que mantenha a corrente direta máxima abaixo da especificação da corrente máxima do diodo.

Mesmo em circuitos onde você pode não ver um resistor (como uma caixa preta ligada ao

diodo), a resistência Thevenin que se opõe ao diodo pode ser suficiente para manter a corrente

abaixo da especificação de corrente máxima do diodo. O caso é que sempre deverá haver

resistência suficiente em série com o diodo para limitar a sua corrente a um valor menor do que a

corrente máxima especificada.

A tensão pelo resistor em série é igual à diferença entre a tensão da fonte e a tensão

zener: VS - VZ_._

Portanto, a corrente que passa pelo resistor é:

S

S Z S R

V V

I

Pelo fato deste ser um circuito com uma malha, a corrente zener IZ é igual a I S

COMPONENTES OPTOELETRÔNICOS

Optoeletrônica é a tecnologia que associa a óptica com a eletrônica. Este campo inclui

vários componentes baseados na ação de uma junção pn. São exemplos de componentes

optoeletrônicos os diodos emissores de luz, os fotodiodos, os optoacopladores, etc.

DIODOS EMISSORES DE LUZ (LED)

Num diodo com polarização direta, os elétrons livres atravessam a

junção e combinam-se com as lacunas. À medida que esses elétrons caem de

um nível mais alto de energia para um mais baixo, eles irradiam energia. Nos

diodos comuns essa energia é dissipada na forma de calor. Mas no diodo

emissor de luz (LED), a energia é irradiada na forma de luz. Os LEDs

substituiram as lâmpadas de incandescência em várias aplicações devido a sua

baixa tensão, vida longa, e rápido chaveamento liga-desliga.

Os diodos comuns são feitos de silício, um material opaco que bloqueia a

passagem da luz. Os LEDs são diferentes. Usando-se elementos como o gálio, o

arsênio e o fósforo, um fabricante pode produzir LEDs que irradiam no vermelho,

verde, amarelo, azul, laranja ou infravermelho (invisível). Os LEDs que produzem radiação visível

são úteis em instrumentos, calculadoras etc. Os LEDs infravermelhos encontram aplicação em

sistemas de alarme contra roubo e outras áreas que exijam radiação invisível.

Tensão e Corrente do LED

Os LEDs têm uma queda de tensão típica de 1,5 a 2,5 V para correntes entre 10 e

50 mA. A queda de tensão exata depende da corrente, da cor, da tolerância do LED. Se você tiver

que fazer algum projeto, precisa consultar as folhas de dados, porque as tensões do LED têm

uma grande tolerância.

FOTODIODO

Como foi discutido anteriormente, um elemento de

corrente reversa num diodo é o fluxo de portadores minoritários.

Estes portadores existem porque a energia térmica mantém os

elétrons de valência desalojados de suas órbitas, produzindo no

processo elétrons livres e lacunas. A vida média dos portadores

minoritários é curta, mas enquanto dura eles podem contribuir

para a corrente reversa.

Quando incide energia luminosa sobre uma junção pn, ela

também pode desalojar elétrons de valência. Colocando de outra forma, a quantidade de luz que

atinge a junção pode controlar a corrente reversa de um diodo. O fotodiodo é aquele que foi

otimizado na sua sensibilidade para a luz. Nesse diodo, uma janela permite que a luz passe

através do invólucro e chegue até a junção. A luz incidente produz elétrons livres e lacunas.

Quanto mais intensa a luz, maior o número de portadores minoritários e maior a corrente reversa.

As setas para dentro representam a luz incidente. De suma importância, a fonte e o resistor

em série revertem a polarização do fotodiodo. À medida que a luz se toma mais brilhante, a

corrente reversa aumenta. Com fotodiodos típicos, a corrente reversa situa-se na faixa de

dezenas de microampéres.

O fotodiodo é um exemplo de um fotodetetor , um componente optoeletrônico que converte a

luz incidente numa quantidade elétrica.

OPTOACOPLADOR

Um optoacoplador (também chamado optoisolador ou isolador opticamente acoplado)

associa um LED a um fotodetetor numa única embalagem. A tensão da fonte V 1 e o resistor em

série R 1 produzem uma corrente através do LED. Por sua vez, a luz que sai do LED atinge o

fotodiodo, e isto estabelece a corrente reversa I 2. Somando

as tensões ao longo da malha de saída temos:

Vsaída - V 2 + I 2 R 2 = 0 ou Vsaída = V 2 - I 2 R 2

Observe que a tensão de saída depende da corrente reversa

I 2. Se a tensão da entrada V 1 estiver variando, a quantidade

de luz estará flutuando. Isto quer dizer que a tensão de saída

está variando de acordo com a tensão de entrada. É por isso

que a associação de um LED com um fotodiodo é chamada optoacoplador; o dispositivo é capaz

de acoplar um sinal de entrada com um circuito de saída.

A principal vantagem de um optoacoplador é a isolação elétrica entre os circuitos de entrada e de

saída. Com um optoacoplador, o único contato entre a entrada e a saída é um feixe de luz. Por

causa disso, é possível ter uma resistência de isolação entre os dois circuitos na faixa dos

milhares de megohms. Uma isolação dessa vem a calhar em aplicações com alta tensão, onde os

potenciais dos dois circuitos podem diferir de vários milhares de volts.

Eliminando a Carga Armazenada

O diodo Schottky emprega um metal como o ouro, a prata ou a

platina em um lado da junção, e silício dopado (tipicamente do tipo n) do

outro lado. Quando um diodo Schottky (também chamado diodo portador

quente) está despolarizado, os elétrons livres do lado n estão em órbitas

menores do que os elétrons livres do lado do metal. Esta diferença no

tamanho das órbitas é chamada barreira de Schottky.

Quando o diodo está polarizado diretamente, os elétrons livres do lado n ganham

energia suficiente para ocupar órbitas grandes. Por causa disso, os elétrons livres podem

atravessar a junção e penetrar no metal, produzindo uma grande corrente direta. Como os

metais não possuem lacunas, não há armazenamento de carga e também não haverá tempo de

recuperação reversa.

A falta de armazenamento carga significa que o diodo Schottky pode se desligar mais

rápido do que um diodo comum. Na verdade, um diodo Schottky pode retificar facilmente

freqüências acima de 300 MHz.

Uma aplicação importante dos diodos Schottky é nos computadores digitais. A velocidade

dos computadores depende da rapidez com que seus diodos e transistores conseguem se ligar e

desligar. É aí que entra o diodo Schottky. Pelo fato dele não ter armazenamento de carga, o diodo

Schottky tornou-se a peça fundamental da TTL Schottky de baixa potência, um grupo de

dispositivos digitais amplamente usado.

Queda de Tensão Direta

No sentido direto, um diodo Schottky tem uma tensão de trabalho de aproximadamente

0,25 V. Logo, outra aplicação importante do diodo Schottky é em retificadores de baixa tensão

porque você tem que subtrair somente 0,25 V em vez de 0,7 V para cada diodo utilizado no

circuito. Você verá freqüentemente diodos Schottky serem usados no lugar de diodos de silício em

fontes de alimentação de baixa tensão.

O VARACTOR

O varactor (também chamado capacitância de tensão variável, varicap, epicap e diodo de

sintonia) é muito usado em receptores de televisão, receptores de FM e outros equipamentos de

comunicação.

Capacitância do Diodo

Quando polarizado reversamente, um diodo de pequeno sinal tem uma resistência

reversa que se situa bem na faixa dos megohms. Em baixas freqüências, o diodo é

comparado a um circuito aberto. Mas em freqüências altas há um outro percurso para a

corrente que precisa ser levado em conta.

A camada de depleção está entre a região p e a região n. Quando polarizado

reversamente, um diodo de silício se assemelha a um capacitor; as regiões p e n são como as

placas do capacitor, e a camada de depleção se compara ao dielétrico. O circuito externo pode

carregar essa capacitância retirando elétrons de valência do lado p e adicionando elétrons livres

ao lado n. A ação é a mesma que retirar elétrons de uma placa do capacitor e depositá-los na

outra placa.

A capacitância do diodo que acabamos de ver acima é chamada capacitância de

transição , representada por CT. A palavra “transição” refere-se à transição do material tipo p para

o material tipo n_._ A capacitância de transição também é conhecida como capacitância da camada

de depleção, capacitância da barreira e capacitância da junção. O que torna a capacitância de

transição muito útil é o seguinte: como a camada de depleção fica mais larga quanto maior a

tensão reversa, a capacitância de transição torna-se menor. É como se você afastasse as placas

de um capacitor. A idéia chave é que a capacitância é controlada pela tensão.

DIODOS TUNEL

Aumentando-se o nível de dopagem de um diodo, podemos fazer a ruptura ocorrer

próximo de 0 V. Além disso, uma dopagem mais

pesada distorce a curva direta. Um diodo como

esse é conhecido como um diodo túnel ou diodo

de Esaki. A polarização direta produz condução

imediata. A corrente atinge um valor máximo IP,

(corrente de pico) quando a tensão do diodo

iguala-se a VP. A seguir a corrente diminui até um

valor mínimo IV (corrente de vale) a uma tensão

VV.

A região entre os pontos do pico e do vale é chamada região de resistência negativa.

Nessa região um aumento na tensão produz uma diminuição na corrente. A resistência negativa

dos diodos túnel é útil em circuitos de alta freqüência, chamados osciladores. Esses circuitos são

capazes de converter potência cc em potência ca.

VARISTORES

As descargas (relâmpagos), falhas na linha de alimentação, chaveamento de carga

reativa etc. podem poluir a tensão da linha pela superposição de picos, vales e outros transitórios

aos 220 Vca normais. Os vales são quedas de tensão violentas que duram cerca de

microssegundos ou menos. Os picos são sobretensões rápidas de 500 até mais de 2.000 V. Em

alguns equipamentos são usados filtros entre a linha de alimentação e o primário do

transformador para eliminar os problemas causados pelos transitórios da linha.

O varistor, em inglês VDR, voltage dependent resistor, é uma

resistência cujo valor nominal é uma função da própria tensão aplicada aos

terminais. A elevada não linearidade do varistor é comumente utilizada na

eliminação de picos de tensão introduzidos nas linhas de alimentação. Os

varistores são em geral ligados em paralelo com o circuito cuja proteção

garantem. Quando um transitório ocorre, o valor nominal da resistência reduz-se drasticamente,

absorvendo assim os eventuais picos de corrente que, caso contrário, seriam injetados no circuito.

Esse dispositivo semicondutor pode ser comparado a dois diodos zener, um de costas

para o outro com uma tensão de ruptura bem alta em qualquer sentido.

CIRCUITOS COM DIODOS

A maioria dos circuitos eletrônicos precisam de uma tensão cc para poder trabalhar

adequadamente. Como a tensão da linha é alternada, a primeira coisa a ser feita em qualquer

equipamento eletrônico é converter a tensão ac em tensão cc. Analisaremos circuitos retificadores

que realizam a conversão necessária de ac para cc. Incluiremos também filtros com capacitores

de entrada, multiplicadores de tensão, limitadores a diodo, grampeadores, detetores de pico a pico

e fonte regulada com diodo Zener.

A ONDA SENOIDAL

A onda senoidal é o mais básico dos sinais elétricos. Ela é usada freqüentemente, por

exemplo, para testar circuitos eletrônicos. Além disso, sinais complicados podem ser reduzidos a

uma superposição de várias ondas senoidais.

v = VP sen

v = tensão instantânea

VP = tensão de pico

 = ângulo em graus ou radianos

As funções seno e co-seno podem ser plotadas como funções do tempo (t) ao invés de .

Relação entre  e t:

A frequência (f) da onda senoidal é o número de ciclos por segundo e existem 2

rad/ciclos, logo o número de radianos explorados por segundo é 2f. Isto define a velocidade

angular () do vetor de rotação. Então:

 rad/s = 2 (rad). f (Hz) = 2f

Desde que o ângulo de varredura em um dado

tempo é dado por:

 =  (rad/s). t (s) = t = 2  f t = t

T

Se existe um defasamento angular , chamado de

ângulo de fase no instante zero (ou zero graus), o ângulo

resultante  no instante t é dado por:

 = t + 

A senoide será expressa na forma: v = Vp sen(  t +  )

Valor de Pico a Pico

O valor de pico a pico de qualquer sinal é a diferença entre o seu máximo e mínimo

algébrico: VPP = Vmax – Vmin

Para a senóide teremos: VPP = VP – (–VP) = 2VP

Valor Eficaz (RMS)

Se uma tensão alternada aparecer através de um resistor, ela produzirá uma corrente

alternada em fase através do resistor. O produto da tensão instantânea pela corrente dá a

potência instantânea, cuja média durante um ciclo resulta numa dissipação média de potência. Em

outras palavras, o resistor dissipa uma quantidade constante de calor, como se houvesse uma

tensão cc através dele.

O valor RMS (raiz média quadrática) de uma onda, também chamado valor eficaz ou

valor de aquecimento é definido como a tensão cc que produz a mesma quantidade de calor que a

onda alternada.

período

áreasobacurvadev (t) V

2

eficaz ^  v (t)dt t -t

V

2

1

t

t

2

2 1

eficaz  

Prova experimental: construindo dois circuitos: um com uma fonte cc seguida de um

resistor e outro com uma fonte ca ligada a um resistor de mesmo valor. Se a fonte cc for ajustada

para produzir a mesma quantidade de calor que a fonte ca, mediremos uma tensão cc igual a

tensão eficaz da fonte ca.

O valor RMS (raiz média quadrática) de uma onda senoidal, também chamado valor

eficaz ou valor de aquecimento, é definido como a tensão cc que produz a mesma quantidade de

calor que a onda senoidal.

VP = 2 Vrms ou Vrms = 0,707 VP

O RETIFICADOR DE MEIA ONDA

A figura abaixo mostra um circuito conhecido como retificador de meia onda_._ No semiciclo

positivo da tensão do secundário o diodo está polarizado diretamente para todas as tensões

instantâneas maiores do que a tensão de limiar (aproximadamente 0,7 V para os diodos de silício

e 0,3 V para os diodos de germânio); Isto produz aproximadamente uma meia onda senoidal de

tensão através do resistor de carga. O pico da tensão retificada é igual à tensão de pico do

secundário menos a queda de tensão na barreira de potencial do diodo_._ Na metade negativa do

ciclo, o diodo está com a polarização reversa. Ignorando as correntes de fuga (o mesmo que a

corrente reversa), a corrente de carga cai a zero; é por esta razão que a tensão da carga cai a

zero entre 180

o e 360

o .

Retificação

O retificador de meia onda converte a tensão de entrada ac numa tensão pulsante cc. A

tensão da carga é sempre positiva ou zero, dependendo de que metade do ciclo ela se encontra.

Este processo de conversão de ca para cc é conhecido como retificação_._

Tensão Média

A tensão média ou o valor cc do sinal de meia onda é:

Onde VP = V 2 (pico) – 0,

Tensão de pico reversa : Cada diodo num retificador de meia onda deve ter uma especificação

de PIV (tensão de pico inversa) maior que V 2 (pico).

P CC

V

V