Circuitos Eletrônicos: Análise e Aplicações, Notas de estudo de Eletrônica

Baixe Circuitos Eletrônicos: Análise e Aplicações e outras Notas de estudo em PDF para Eletrônica, somente na Docsity!

DEPARTAMENTO DE ELETRO-ELETRÔNICA

COLÉGIO TÉCNICO DE CAMPINAS

UNICAMP

ELELEETTRRÔÔNNIICCAA

Prof. Roberto Angelo Bertoli V3 setembro, 00

ÍNDICE

11 DIDIOODDOO SSEEMMIICCOONNDDUUTTOORR EE RREETTIIFFIICCAAÇÇÃÃOO

1.1 FÍSICA DOS SEMICONDUTORES

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 pelo 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:

MATERIAIS CONDUTORES DE ELETRICIDADE

São materiais que não oferecem resistência a passagem de corrente elétrica. Quanto menor for a oposição a passagem de corrente, melhor condutor é o material. O que caracteriza o material bom condutor é o fato de os elétrons de valência estarem fracamente ligados ao átomo, encontrando grande facilidade para abandonar seus átomos e se movimentarem livremente no interior dos materiais. O cobre, por exemplo, com somente um elétron na camada de valência tem facilidade de cedê-lo para ganhar estabilidade. O elétron cedido pode tornar-se um elétron livre.

MATERIAIS ISOLANTES

São materiais que possuem uma resistividade muito alta, bloqueando a passagem da corrente elétrica. Os elétrons de valência estão rigidamente ligados aos seu átomos, sendo que poucos elétrons conseguem desprender-se de seus átomos para se transformarem em elétrons livres. Consegue-se isolamento maior (resistividade) com substâncias compostas (borracha, mica, baquelita, etc.).

MATERIAL SEMICONDUTOR

Materiais que apresentam uma resistividade elétrica intermediária. Como exemplo temos o germânio e silício

ESTUDO DO SEMICONDUTORES

Os átomos de germânio e silício tem uma camada de valência com 4 elétrons. Quando os átomos de germânio (ou silício) agrupam-se entre si, formam uma estrutura cristalina, ou seja, são substâncias cujos átomos se posicionam no espaço, formando uma estrutura ordenada. Nessa estrutura, cada átomo une-se a quatro outros átomos vizinhos, por meio de ligações covalentes, e cada um dos quatro elétrons de valência de um átomo é compartilhado com um átomo vizinho, de modo que dois átomos adjacentes compartilham os dois elétrons, ver Figura 1-1.

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

num semicondutor tipo n , os elétrons são chamados portadores majoritários e as lacunas, portadores minoritários.

S EMICONDUTOR TIPO P

O cristal que foi dopado com impureza aceitadora é chamado semicondutor tipo p, onde p está relacionado com positivo. Como as lacunas excedem em número os elétrons livres num semicondutor tipo p, as lacunas são chamadas portadores majoritários e os elétrons livres, portadores minoritários.

1.2 DIODO

A união de um cristal tipo p e um cristal tipo n, obtém-se uma junção pn , que é um dispositivo de estado sólido simples: o diodo semicondutor de junção.

Figura 1- Devido a repulsão mútua os elétrons livres do lado n espalham-se em todas direções, alguns atravessam a junção e se combinam com as lacunas. Quando isto ocorre, a lacuna desaparece e o átomo associado torna-se carregado negativamente. (um íon negativo)

Figura 1- Cada vez que um elétron atravessa a junção ele cria um par de íons. Os ions estão fixo na estrutura do cristal por causa da ligação covalente. À medida que o número de ions aumenta, a região próxima à junção fica sem elétrons livres e lacunas. Chamamos esta região de camada de depleção. Além de certo ponto, a camada de depleção age como uma barreira impedindo a continuação da difusão dos elétrons livres. A intensidade da camada de depleção aumenta com cada elétron que atravessa a junção até que se atinja um equilíbrio. A diferença de potencial através da camada de depleção é chamada de barreira de potencial. A 25º, esta barreira é de 0,7V para o silício e 0,3V para o germânio. O símbolo mais usual para o diodo é mostrado a seguir:

Catodo material tipo n

Anodo material tipo p

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).

Não se pode ultrapassar a potência máxima, especificada pelo fabricante, pois haverá um aquecimento excessivo. Os fabricantes em geral indicam a potência máxima ou corrente máxima suportada por um diodo.

Ex.: 1N914 - PMAX = 250mW

1N4001 - I (^) MAX = 1A

Usualmente os diodos são divididos em duas categorias, os diodos para pequenos sinais (potência especificada abaixo de 0,5W) e os retificadores ( P (^) MAX > 0,5W).

RESISTOR LIMITADOR DE CORRENTE

Num diodo polarizado diretamente, uma pequena tensão aplicada pode gerar uma alta intensidade de corrente. Em geral um resistor é usado em série com o diodo para limitar a corrente elétrica que passa através deles.

RS é chamado de resistor limitador de corrente. Quanto maior o RS , menor a corrente que atravessa o diodo e o RS.

RETA DE CARGA

Sendo a curva característica do diodo não linear, torna-se complexo determinar através de equações o valor da corrente e tensão sobre o diodo e resistor. Um método para determinar o valor exato da corrente e da tensão sobre o diodo, é o uso da reta de carga. Baseia-se no uso gráfico das curvas do diodo e da curva do resistor.

Na Figura 1-12, a corrente I através do circuito é a seguinte:

I

U

R

U U

R

R S

S D S

Eq. 1- 3

No circuito em série a corrente é a mesma no diodo e no resistor. Se forem dados a tensão da fonte e a resistência RS , então são desconhecidas a corrente e a tensão sob o diodo. Se, por exemplo, no circuito da Figura 1-12 o US =2V e RS = 100Ω, então:

0 , 01 *U 20 mA

2 U

I D^ =− D+

= Eq. 1- 4

Se UD =0V! I=20mA. Esse ponto é chamado de ponto de saturação, pois é o máximo valor que a corrente pode assumir.

E se I=0A !UD =2V. Esse ponto é chamado corte, pois representa a corrente mínima que atravessa o resistor e o diodo.

A Eq. 1-4 indica uma relação linear entre a corrente e a tensão ( y = ax + b). Sobrepondo esta curva com a curva do diodo tem-se:

Figura 1-

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-

I

U

sentido direto

sentido reverso

0,7V

0,7V

rb

rb

Figura 1-

Obs.:. Ao longo do curso será usada a 2ª aproximação.

Exemplo 1-1 Utilizar a 2ª aproximação para determinar a corrente do diodo no circuito da Figura 1-18:

SOL.: O diodo está polarizado diretamente, portanto age como uma chave fechada em série com uma bateria.

I I

U

R

U U

R k D RS RS mA S

S D S

RESISTÊNCIA CC DE UM DIODO

É a razão entre a tensão total do diodo e a corrente total do diodo. Pode-se considerar dois casos:

RD - Resistência cc no sentido direto

RR - Resistência cc no sentido reverso

RESISTÊNCIA DIRETA

É a resistência quando é aplicada uma tensão no sentido direto sobre o diodo. É variável, pelo fato do diodo ter uma resistência não linear.

Por exemplo, no diodo 1N914 se for aplicada uma tensão de 0,65V entre seus terminais existirá uma corrente I=10mA. Caso a tensão aplicada seja de 0,75V a corrente correspondente será de 30mA. Por último se a tensão for de 0,85V a corrente será de 50mA. Com isto pode-se calcular a resistência direta para cada tensão aplicada:

RD1 = 0,65/10mA = 65Ω

RD2 = 0,75/30mA = 25Ω

RD3 = 0,85/50mA = 17Ω

Nota-se que a resistência cc diminuí com o aumento da tensão

RESISTÊNCIA REVERSA

Tomando ainda como exemplo o 1N914. Ao aplicar uma tensão de -20V a corrente será de 25nA, enquanto uma tensão de -75V implica numa corrente de 5μA. A resistência reversa será de:

RS1 = 20/25nA = 800MΩ

Figura 1-

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.

RETIFICADOR DE MEIA ONDA

O retificador de meia onda converte a tensão de entrada (USECUNDÁRIIO ) ca numa tensão pulsante positiva UR. Este processo de conversão de AC para cc , é conhecido como “retificação”. Na Figura 1-21 é mostrado um circuito de meia onda.

Figura 1-

Considerando o diodo como ideal, as curvas são as mostrada na Figura 1-22. A saída do secundário tem dois ciclos de tensão: Um semiciclo positivo e um negativo. Durante o semiciclo positivo o diodo está ligado no sentido direto e age como uma chave fechada e pela lei das malhas toda a tensão do secundário incide no resistor R. Durante o semiciclo negativo o diodo está polarizado reversamente e não há corrente circulando no circuito. Sem corrente elétrica circulando implica em não ter tensão sob o resistor e toda a tensão do secundário fica no diodo. Este circuito é conhecido como retificador de meio ciclo porque só o semiciclo positivo é aproveitado na retificação.

Figura 1-

O resistor R indicado no circuito representa a carga ôhmica acoplada ao retificador, podendo ser tanto um simples resistor como um circuito complexo e normalmente ele é chamado de resistor de carga ou simplesmente de carga.

V ALOR CC OU VALOR MÉDIO

A tensão média de um retificador de meia onda mostrada por um voltímetro é dado por:

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

RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE

Na Figura 1-25 é mostrado um retificador de onda completa em ponte. Com o uso de quatro diodos no lugar de dois, elimina-se o uso da tomada central do transformador.

Durante o semiciclo positivo da tensão U 2 , o diodo D 3 recebe um potencial positivo em seu anodo, e o D 2 um potencial negativo no catodo. Dessa forma, D 2 e D 3 conduzem, D 1 e D 4 ficam reversamente polarizado e o resistor de carga R recebe todo o semiciclo positivo da tensão U 2.

Durante o semiciclo negativo da tensão U 2 , o diodo D 4 recebe um potencial positivo em seu anodo, e o diodo D 1 um potencial negativo no catodo, devido à inversão da polaridade de U 2. Os diodos D 1 e D 4 conduzem e os diodos D 2 e D 3 ficam reversamente polarizado.

Figura 1-

A corrente I percorre o resistor de carga sempre num mesmo sentido. Portanto a tensão UR é sempre positiva. Na Figura 1-26 é mostrado as formas de ondas sobre o resistor de carga e os diodos, considerando os diodos ideais.

Na Tabela 1-1 é feito uma comparação entre os três tipos de retificadores. Para diodos ideais.

Tabela 1-

MEIA ONDA ONDA COMPLETA PONTE

N.º de Diodos 1 2 4 Tensão Pico de Saída UP 0,5UP UP Tensão cc de Saída 0,318 UP 0,318 UP 0,636 UP

Tensão Pico Inversa no Diodo UP UP UP Freqüência de Saída f (^) ent 2 f (^) ent 2 f (^) ent

Tensão de saída (rms) 0,45 UP 0,45 UP 0,9 UP

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.