Eletrônica, Notas de estudo de Eletrônica

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Eletrônica

Copyright © 2014 Editora etb Ltda.

2ª edição

Todos os direitos reservados.

Diretora acadêmica: Simone Savarego

Coordenadora editorial: Rosiane Aparecida Marinho Botelho

Produção editorial: lab

Projeto gráfico: Alexandre Ponzetto

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Impresso no Brasil

Printed in Brazil

Esse livro está catalogado na CIP.

Palavra a Abril Educação

Desenvolver uma geração de profissionais capazes de estar à frente de um mercado de trabalho desafiador, que exige cada vez mais eficiência e competências comprovadas, é uma das preocupações mais evidentes dos Governos Federal, Estaduais e Municipais, dos gestores de políticas públicas e dos desenvolvedores de programas implementados.

Com o objetivo de conquistar esse desafio e contribuir para a formação de profissionais competentes e eficazes, o Sistema etb de ensino técnico apresenta uma proposta de apoio ao processo de ensino-aprendizagem, a partir de um material didático desenvolvido especificamente para programas de formação profissional – Cursos Profissionalizantes de Nível Médio – na modalidade Subsequente e Concomitante.

Abrangendo mais de 12 eixos de conhecimento e com mais de 50 coleções de “cadernos de conteúdo”, o Sistema etb cobre mais de 90% das demandas de formação profissional por todo o Brasil, contando com o endosso da Abril Educação, cuja trajetória bem-sucedida já atravessa cinco décadas.

O Sistema etb tem ao seu dispor a experiência e a abrangência de um dos maiores expoentes no setor educacional, com destaque para metodologias diferenciadas e recursos educacionais exclusivos para a educação profissional.

A oferta de programas de formação profissional, baseada em um material didático de qualidade e focado no desenvolvimento de habilidades e competências, associada à sequência de políticas públicas que estimulam o investimento no setor da educação profissional compõem uma proposta aos cidadãos para que consigam entrar no mercado de trabalho pela porta da frente, como convidados a exercer suas atividades de maneira segura e eficiente em empresas que clamam por profissionais diferenciados.

Este livro é mais um convite na direção da real compreensão da expressão SER PROFISSIONAL. O objetivo deste curso é a formação de profissionais que não só tenham conhecimento profundo e capacidade de resolver problemas, mas também sejam criativos, éticos e preocupados com ações e processos sustentáveis.

A reunião de autores renomados na área do ensino fortalece o caráter criterioso e responsável dos capítulos componentes desta obra, para que, com eles, o aluno esteja provido do material necessário para iniciar sua carreira profissional, a qual será repleta de conquistas e outras lições.

Ivan Sartori Diretor de Novos Negócios da Abril Educação Mantenedora do etb – Editora Técnica do Brasil

Sumário

Eletrônica

• Associação de Resistores ................................................................................................................................. Christovam Paschoal Filho
• Leis de Kirchhoff .................................................................................................................................................
• Estudo dos Geradores – Geradores de Tensão e de Corrente
• Divisores de Tensão e de Corrente............................................................................................................
• Ponte de Wheatstone
• Física do Semicondutor.................................................................................................................................
• Cristais do tipo N e do tipo P
• Junção PN...........................................................................................................................................................
• Junção PN com polarização inversa e polarização direta
• Estrutura Interna dos Transistores............................................................................................................
• Diodos Semicondutores
• Circuitos Retificadores
• Capacitores
• Filtragem
• Diodo Zener
• Fonte de Tensão Estabilizada
• Parâmetros e Configurações dos Transistores Bipolares
• Polarização de Transistores Bipolares......................................................................................................
• Transistor como Amplificador
• Exercícios 1.........................................................................................................................................................
• Sistemas de Numeração
• Álgebra de Boole..............................................................................................................................................
• Portas Lógicas
• Combinação de Portas Lógicas - Portas NE e NOU
• Combinação de Portas Lógicas - Portas OU Exclusivo e NOU Exclusivo
• Portas com Múltiplas Entradas e Portas Controladas
• Minimização de Funções Booleanas
• Implementação de Funções Lógicas
• Família de Circuitos Lógicos (I)
• Família de Circuitos Lógicos (II) ...............................................................................................................
• Transistores de Efeito de Campo - FET..................................................................................................
• Polarização de Transistores de Efeito de Campo - FET ....................................................................
• Família MOS (Metal-Oxide-Semicondutor = Metal-Óxido-Semicondutor)
• Resumo das Características Gerais das Famílias Lógicas
• Dispositivos Especiais – Tri-State e Schimitt-Trigger .....................................................................
• Método de Análise de Circuitos...............................................................................................................
• Efeitos da Corrente Elétrica no Corpo Humano – Choque Elétrico..........................................
• Exercícios 2.......................................................................................................................................................
• Atividade Complementar 1 – Divisor de Corrente ...........................................................................
• Atividade Complementar 2 – Divisor de Tensão...............................................................................
• Atividade Complementar 3 – Retificador de Meia Onda ..............................................................
• Atividade Complementar 4 - Cálculo de um Circuito de Polarização .....................................
• Gabarito - Exercícios 1 ................................................................................................................................
• Gabarito - Exercícios 2 ................................................................................................................................

Substituindo-se na igualdade acima, temos:

R.i = R 1 .i + R 2 .i + R 3 .i

Concluímos que:

R = R 1 + R 2 + R 3

Portanto, a resistência equivalente para a associação de resistores em série, é o somatório das mesmas.

Associação em Paralelo

Uma associação de resistores é um paralelo, quando todos estiverem submetidos à mesma diferença de potencial.

Figura 2 -Associação em parelelo.

A tensão total entre os pontos A e B do circuito é U.

A intensidade total da corrente i subdivide-se por todos os resistores.

i = i 1 + i 2 + i 3

Aplicando-se a primeira lei de ohm para o circuito, com raciocínio análogo à associação em série, temos:

1 =

1 +

1 +

1 R R 1 R 2 R 3

Quando apenas dois resistores de resistências R 1 e R 2 , estiverem associados em paralelo, a resistência equivalente será:

R=

R 1. R 2 (R 1 + R 2 )

Eletrônica

Associação Mista

Como o próprio nome diz, é a combinação das duas associações. Não existe uma maneira específica para resolvê-la. Devemos considerar os tipos de associação de forma separada.

No exemplo a seguir, temos os resistores de 20 Ω e 30 Ω associados em paralelo, em série com o resistor de 50 Ω.

A resistência equivalente da associação em paralelo é:

20.30/(20 + 30) = 12 Ω

12 Ω em série com 50 Ω é:

12 + 50 = 62 Ω

Portanto, a resistência equivalente do circuito é 62 Ω.

Leis de Kirchhoff

As leis de Kirchhoff, juntamente com a primeira lei de Ohm, permitem analisar um circuito elétrico, isto é, calcular as correntes, tensões e potências em seus componentes.

D

A B C

F E

6V

12V (^) 6V

3V

7 Ω (^) 3V 2 Ω

2 Ω 1 Ω

9 Ω

Figura 3 -Circuito elétrico.

Rede Elétrica

Definições

- Rede Elétrica: é qualquer conjunto de elementos de circuito, associados – na figura acima temos um exemplo de rede elétrica, com geradores, receptores e resistores associados.

O receptor ainda não foi estudado, entretanto é bom lembrar que no gerador a corrente elétrica sai do seu pólo positivo e entra no seu pólo negativo. Quando ocorre o inverso, o elemento não atua como gerador, mas sim, como receptor, que será objeto de estudo nos próximos capítulos.

Eletrônica

I 3 = I 1 + I 2 (eq. 1)

Temos assim a primeira equação. Como são três incógnitas (I 1 , I 2 e I 3 ) precisamos de mais duas equações.

Lei da Malhas

Numa malha, a soma algébrica das tensões é igual à soma algébrica dos produtos das resistências pelas respectivas intensidades de corrente.

6V

12V (^) 6V

3V

7 Ω (^) 3V 2 Ω

2 Ω 1 Ω

9 Ω

I I (1) (2) I

Figura 5 -Circuito elétrico.

Percorrem-se cada uma das malhas, segundo um sentido arbitrário (horário ou anti-horário). Quando o sentido de percurso entra pelo pólo positivo do gerador ou receptor, atribui-se um sinal negativo à tensão. O produto das resistências pelas correntes será positivo quando o sentido de percurso coincidir com o sentido da corrente. Caso contrário, o produto será negativo.

Comecemos pela malha (1):

-3 + 6 – 12 = -2.I 1 – 9.I 3 - 7.I 1

-9 = -9. I 1 – 9.I 3

1 = I 1 + I 3 (eq. 2)

Na malha (2):

-6 + 3 + 3 = 1.I 2 + 2.I 2 + 9.I 3

0 = 3. I 2 + 9.I 3

0 = I 2 + 3.I 3 (eq. 3)

Temos agora, três equações e três incógnitas:

I 1 + I 2 = I 3

I 1 + I 3 = 1

I 2 + 3.I 3 = 0

Resolvendo, achamos:

I 1 = 4/5 = 0,8 A

I 2 = -3/5 = - 0,6 A

I 3 = 1/5 = 0,2 A

O fato de I 2 ter um valor negativo nos indica que o sentido arbitrário escolhido para I 2 , não coincide com o sentido real. Temos que voltar ao circuito e inverter I 2.

6V

12V 6V

3V

7 Ω (^) 3V 2 Ω

2 Ω 1 Ω

9 Ω

I1 I

I

I I2 = -3/5 A

I1 = 4/5 A I3 = 1/5 A

(G)

(R) (G)

(G)

(R)

Figura 6 -Circuito elétrico.

Podemos agora saber quais elementos são geradores (G), e quais são receptores (R).

Estudo dos Geradores – Geradores de Tensão e de Corrente

A presença do gerador é indispensável nos circuitos, para que a corrente elétrica circule permanentemente.

Gerador é qualquer bipolo cuja função seja fornecer energia potencial elétrica para as cargas que o atravessam, mantendo, dessa maneira, a corrente elétrica nos circuitos.

Pelo Princípio da Conservação da Energia , sabemos ser impossível a existência de um dispositivo que crie energia; de maneira que o gerador limita-se a transformar em energia potencial elétrica, algum outro tipo de energia.

Potência útil = Potência Total – Potência Dissipada

Pu = Pt – Pd

U.i = E.i – r.i²

Que nos leva à expressão:

U = E – r.i

Equação do Gerador

- A força eletromotriz e a resistência interna do gerador são constantes para um determinado gerador.

Um gerador é perfeitamente caracterizado por esses dois valores.

- A força eletromotriz pode ser definida como sendo a energia fornecida pelo gerador por unidade de carga para a corrente que o atravessa.

Representação dos Geradores

Os geradores são representados pelo seguinte símbolo:

E

- +

r

i

Figura 7 -Símbolo do Gerador Real.

A resistência interna r , é representada em série.

Quando quisermos representar um gerador ideal , omitiremos a resistência interna:

Nos geradores ideais, temos r = 0, daí U = E, qualquer que seja o valor da corrente i.

Figura 8 -Símbolo de gerador ideal

Eletrônica

Curva Característica do Gerador

A curva característica será a relação entre U e i, colocada num gráfico.

Como vimos, nos geradores, a relação entre a tensão e a corrente é da forma U = E – r.i.

Para Tensão Nula

U = 0, então 0 = E – r.i - daí: i = E/r

Para Corrente Nula

I = 0, então U = E – r.0 - daí: U = E

Os dois pares de valores encontrados são suficientes para o traçado do gráfico, pois este é uma reta (equação do 1º grau):

Figura 9 -Curva característica do Gerador

O ponto B da curva característica, U = 0, é obtido através da união dos terminais do gerador por meio de um fio sem resistência (curto-circuito). Nessas condições, temos o gerador em curto-circuito, e a corrente é chamada de corrente de curto-circuito: icc = E/r

No ponto A da curva característica, i = 0 , ou seja, o gerador encontra-se desligado de qualquer circuito. Nesse caso, diremos que o gerador está num circuito aberto.

A tangente do ângulo formado no ponto B é numericamente igual à resistência interna do gerador.

Rendimento de um Gerador

O rendimento ( η ) é definido pelo quociente entre a potência útil e a potência total gerada:

η = Pu/Pt

Mas, Pu = U.i e Pt = E.i

Daí: η = U.i/E.i, então:

Eletrônica

Análise do Circuito

- Resistência equivalente: RT = R 1 + R 2 .RL(R 2 + RL)

Com o mesmo raciocínio utilizado para o divisor sem carga, temos:

- Tensão na saída: VS = U.R 2 /[(R 1 .R 2 /RL) + R 1 + R 2 ]

se R (^) L for muito maior do que R 1 e R 2 , o termo R 1 .R 2 /RL torna-se muito pequeno, então

V (^) S = U.R 2 /(R 1 + R 2 ) que é a expressão do divisor de tensão sem carga. Análise do Circuito

- Resistência equivalente: RT = R 1 .R 2 .(R 1 + R 2 )

Aplicando-se a primeira lei de Ohm:

I 1 = U/R 1

I 2 = U/R 2

Pela primeira lei de Kirchhoff

I = I 1 + I 2 = U/RT

Aplicando-se as leis da matemática, temos:

I 1 = I.R 2 .(R 1 + R 2 )

I 2 = I.R 1 .(R 1 + R 2 )

Portanto, conhecida a corrente total do gerador no circuito em paralelo, a corrente em cada resistor é o produto da corrente total pela razão entre a resistência do outro ramo e a soma das resistências do circuito em paralelo.

Aplicações do Divisor de Tensão

Uma das aplicações é o ajuste da tensão de saída de um circuito, antes de conectá-lo à entrada de outro.

Como exemplos, temos os voltímetros, que permitem que um instrumento de baixa tensão possa medir tensões elevadas; a obtenção de tensão baixa por meio de uma fonte de tensão elevada; o controle de volume de um rádio, permitindo que se varie a amplitude do sinal de saída de zero até o valor máximo.

Aplicações do Divisor de Corrente

Uma das aplicações é no amperímetro, no qual se associa um galvanômetro, que mede pequenas correntes, a um divisor de corrente, a fim de realizar a medida de elevadas amplitudes de corrente.

Ponte de Wheatstone

Para se determinar o valor de uma resistência desconhecida, utiliza-se uma montagem denominada “Ponte de Wheatstone”.

Quatro resistores, inclusive o de resistência desconhecida ( RX ), são ligados conforme esquema abaixo:

R1 R

R2 RX

I

I I

I

Ig

rg

C

D

E

I I

A G B

Figura 10 -Esquema da Ponte de Wheatstone.

Um galvanômetro de resistência interna rg nos indica a intensidade e o sentido da corrente Ig.

Modificando-se qualquer uma das resistências conhecidas ( R 1 , R 2 e R 3 ), nota-se alteração na intensidade Ig. Continuando essa modificação, num dado instante I (^) g se anula. Dizemos então que a “Ponte de Wheatstone” está em equilíbrio.

Como VCD = rg.Ig , com a ponte equilibrada conclui-se que VCD = 0.

Mas já que VCD = VC – VD , então VC = VD.

Temos então:

VA - VC = VA – VD ou R 1 .I 1 = R 2 .I 2 (eq. 1)

VC – VB = VD – VB ou R 3 .I 3 = Rx.I 4 (eq. 2)