Eletrônica Básica Inicial, Notas de aula de Controle de Automação. Universidade Estácio de Sá (Estácio)
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Eletrônica Básica Inicial, Notas de aula de Controle de Automação. Universidade Estácio de Sá (Estácio)

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Apostila de eletrônica básica com conceitos iniciais
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APOSTILA DE ELETRONICA

DEPARTAMENTO DE ELETRO-ELETRÔNICA COLÉGIO TÉCNICO DE CAMPINAS UNICAMP

ELETRÔNICA

Prof. Roberto Angelo Bertoli V3 setembro, 00

Colégio Técnico de Campinas ELETRÔNICA 2

Prof. Roberto A. Bertoli set-00

ÍNDICE

1 DIODO SEMICONDUTOR E RETIFICAÇÃO 4 1.1 FÍSICA DOS SEMICONDUTORES 4

A ESTRUTURA DO ÁTOMO 4 ESTUDO DO SEMICONDUTORES 4

1.2 DIODO 7 POLARIZAÇÃO DO DIODO 8 CURVA CARACTERÍSTICA DE UM DIODO 8 RESISTOR LIMITADOR DE CORRENTE 10

1.3 DIODO EMISSOR DE LUZ E FOTODIODO 11

1.4 APROXIMAÇÕES DO DIODO 12

1.5 RETIFICADORES DE MEIA ONDA E ONDA COMPLETA 14 RETIFICADOR DE MEIA ONDA 16 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA 17 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE 19

1.6 CAPACITOR 20

1.7 FILTRO PARA O RETIFICADOR 24

1.8 DIODO ZENER 26 CORRENTE MÁXIMA NO ZENER 27 REGULADOR DE TENSÃO COM ZENER 28 CÁLCULO DO RESISTOR DE CARGA RS. 28

1.9 CIRCUITO COM DIODOS 29 MULTIPLICADORES DE TENSÃO 29 LIMITADORES 30 GRAMPEADOR CC 32

1.10 EXERCÍCIOS 32

2 TRANSISTOR BIPOLAR 39 2.1 FUNCIONAMENTO DE TRANSISTORES BIPOLARES 39

POLARIZAÇÃO DO TRANSISTOR NPN 40 TRANSISTOR PNP 42 AS CORRENTES NO TRANSISTOR 42 MONTAGEM BÁSICA COM TRANSISTOR 43

3 POLARIZAÇÃO DE TRANSISTORES 47 3.1 RETA DE CARGA 47

3.2 O TRANSISTOR COMO CHAVE 49

3.3 O TRANSISTOR COMO FONTE DE CORRENTE 50

3.4 O TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR 51 CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO EM EMISSOR COMUM 51 POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO 51 REGRAS DE PROJETO 52

3.5 EXERCÍCIOS 53

4 AMPLIFICADORES DE SINAL 55

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4.1 AMPLIFICADORES DE SINAL EMISSOR COMUM 55 TEOREMA DA SUPERPOSIÇÃO PARA AMPLIFICADORES 57 CIRCUITOS EQUIVALENTES CA E CC. 57 RESISTÊNCIA CA DO DIODO EMISSOR 58 βCA - GANHO DE CORRENTE ALTERNADA 60

4.2 AMPLIFICADOR COM EMISSOR ATERRADO 60

4.3 REALIMENTAÇÃO 63

4.4 AMPLIFICADOR COM REALIMENTAÇÃO PARCIAL 63 IMPEDÂNCIA DE ENTRADA 65 ESTÁGIOS EM CASCATA 66

4.5 AMPLIFICADOR BASE COMUM 68

4.6 AMPLIFICADOR COLETOR COMUM 70 IMPEDÂNCIA DE ENTRADA 71

4.7 EXERCÍCIOS 73

5 AMPLIFICADORES DE POTÊNCIA 76 5.1 CLASSE A 76

5.2 CLASSE B 78

5.3 CLASSE AB 80

6 OSCILADOR DE BAIXA FREQÜÊNCIA 81 6.1 OSCILADOR POR DESLOCAMENTO DE FASE 82

7 TRANSISTORES ESPECIAIS 83 7.1 JFET 83

POLARIZAÇÃO DE UM JFET 83 TRANSCONDUTÂNCIA 87 AMPLIFICADOR FONTE COMUM 88 AMPLIFICADOR COM REALIMENTAÇÃO PARCIAL 89 AMPLIFICADOR SEGUIDOR DE FONTE 89

7.2 MOSFET 90 MOSFET DE MODO DEPLEÇÃO 90 MOSFET DE MODO CRESCIMENTO OU INTENSIFICAÇÃO 91

7.3 FOTOTRANSISTOR E ACOPLADOR ÓPTICO 92

7.4 EXERCÍCIOS 93

8 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA 96

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1 DIODO SEMICONDUTOR E RETIFICAÇÃO

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.

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Figura 1-1

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 1-2

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.

IMPUREZAS 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

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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 106 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.

IMPUREZA 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 1-3

IMPUREZA 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 1-4

Um semicondutor pode ser dopado para ter um excesso de elétrons livres ou excesso de lacunas. Por isso existem dois tipos de semicondutores:

SEMICONDUTOR 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

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

SEMICONDUTOR 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 1-5

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 1-6

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

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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.

POLARIZAÇÃO 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.

POLARIZAÇÃO 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.

POLARIZAÇÃO DIRETA

Figura 1-7 Figura 1-8 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

1F 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).

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POLARIZAÇÃO REVERSA DO DIODO

Figura 1-9 Figura 1-10 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 1-11

ESPECIFICAÇÕES 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:

IUP ∗= Eq. 1- 2

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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 - IMAX = 1A Usualmente os diodos são divididos em duas categorias, os diodos para pequenos sinais (potência especificada abaixo de 0,5W) e os retificadores ( PMAX > 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 complex de equações o valor da corrente e tensão sobre o diodo e resisto determinar o valor exato da corrente e da tensão sobre o diodo, é o u 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

= = −

No circuito em série a corrente é a mesma no diodo e no resisto tensão da fonte e a resistência RS, então são desconhecidas a corre diodo. Se, por exemplo, no circuito da Figura 1-12 o US =2V e RS = 1

mA20U*01,0 100

U2I DD +−= −=

Se UD=0V ! I=20mA. Esse ponto é chamado de ponto de saturaç valor que a corrente pode assumir. E se I=0A !UD=2V. Esse ponto é chamado corte, pois representa a atravessa o resistor e o diodo. A Eq. 1-4 indica uma relação linear entre a corrente e a tensão ( y = esta curva com a curva do diodo tem-se:

Figura 1-12

set-00

o determinar através r. Um método para so da reta de carga.

Eq. 1- 3

r. Se forem dados a nte e a tensão sob o 00Ω, então:

Eq. 1- 4

ão, pois é o máximo

corrente mínima que

ax + b). Sobrepondo

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Figura 1-13

(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 VV

I DSD −

= 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 1-14

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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 1-15

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 1-16

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.

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I

U

sentido direto

sentido reverso

0,7V

0,7V

rb

rb

Figura 1-17

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

mAD RS RS

S

S D

S

= = = −

= − =10 0 7 5

186, ,

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 1-18

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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.

ONDA SENOIDAL A onda senoidal é um sinal elétrico básico. Sinais mais complexos podem ser representados por uma soma de sinais senoidais.

Figura 1-19

A equação que representa a curva da Figura 1-19 é a seguinte:

U U senP= θ Eq. 1-6

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. 1-7 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.

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O TRANSFORMADOR As fontes de tensões utilizadas em sistemas eletrônicos em geral são menores que 30VCC enquanto a tensão de entrada de energia elétrica costuma ser de 127VRMS 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 1-20

A tensão de entrada U1 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. 1-8

Onde: U1 tensão no primário U2 tensão no secundário N1 número de espiras no enrolamento primário N2 número de espiras no enrolamento secundário

A corrente elétrica no transformados ideal é:

I I

= N N

1

2

2

1

Eq. 1-9

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 115

= 1 9

2 ! U2 = 12,8 VRMS

U2PP=12,8/0,707=18VPP

I I

= N N

1

2

2

1

! I

1,5 = 1

9 1 !I1 = 0,167ARMS

obs.: a potência elétrica de entrada e de saída num transformador ideal são iguais. P=U*I=115*0,167=12,8*1,5=19,2W

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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 1-21

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 1-22

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.

VALOR CC OU VALOR MÉDIO A tensão média de um retificador de meia onda mostrada por um voltímetro é dado por:

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VCC = 0.318 UP diodo ideal Eq. 1-10

VCC = 0.318 (UP - Vσ) diodo 2ª aproximação Eq. 1-11

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 1-23

As duas tensões denominadas de U2/2 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 U2/2 é positiva, D1 está diretamente polarizado e conduz mas D2 está reversamente polarizado e cortado. Analogamente, quando U2/2 é negativa, D2 conduz e D1 cortado. Considerando os dois diodos ideais, temos a curva de tensão sobre o resistor de carga mostrada na Figura 1-24.

VALOR 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. 1-12

VCC = 0.636 (UP/2 - Vσ) diodo 2ª aproximação Eq. 1-13

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

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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 1-24

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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 U2, o diodo D3 recebe um potencial positivo em seu anodo, e o D2 um potencial negativo no catodo. Dessa forma, D2 e D3 conduzem, D1 e D4 ficam reversamente polarizado e o resistor de carga R recebe todo o semiciclo positivo da tensão U2. Durante o semiciclo negativo da tensão U2, o diodo D4 recebe um potencial positivo em seu anodo, e o diodo D1 um potencial negativo no catodo, devido à inversão da polaridade de U2. Os diodos D1 e D4 conduzem e os diodos D2 e D3 ficam reversamente polarizado.

Figura 1-25

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 1-1

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 fent 2 fent 2 fent

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

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Figura 1-26

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.

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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

= ε . Eq. 1-15

onde:

ε = constante dielétrica (F/m) S = área de uma das placas (são iguais) (m2) 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

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CARGA E DESCARGA DO CAPACITOR Suponha que o capacitor esteja descarregado e em t=0s a chave do circuito abaixo é fechada.

As tensões no capacitor e resistor seguem as seguintes equações:

VC=U*(1-e-t/τ) Eq. 1-16

VR=U*e-t/τ Eq. 1-17

onde τ=RC e é chamada de constante de tempo do circuito.

Quando t=τ, a tensão no capacitor atinge 63% da tensão da fonte

CIRCUITOS COM CAPACITOR E RESISTOR Resistor em série com o capacitor

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Resistor em paralelo com o capacitor

Resistor em série com capacitor e com um gerador de onda quadrada

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1.7 FILTRO PARA O RETIFICADOR

A tensão de saída de um retificador sobre um resistor de carga é pulsante como mostrador por exemplo na Figura 1-26. Durante um ciclo completo na saída, a tensão no resistor aumenta a partir de zero até um valor de pico e depois diminui de volta a zero. No entanto a tensão de uma bateria deve ser estável. Para obter esse tipo de tensão retificada na carga, torna-se necessário o uso de filtro. O tipo mais comum de filtro para circuitos retificadores é o filtro com capacitor mostrado na Figura 1-27. O capacitor é colocado em paralelo ao resistor de carga. Para o entendimento do funcionamento do filtro supor o diodo como ideal e que, antes de ligar o circuito, o capacitor esteja descarregado. Ao ligar, durante o primeiro quarto de ciclo da tensão no secundário, o diodo está diretamente polarizado. Idealmente, ele funciona como uma chave fechada. Como o diodo conecta o enrolamento secundário ao capacitor, ele carrega até o valor da tensão de pico UP.

Figura 1-27

Figura 1-28

Logo após o pico positivo, o diodo pára de conduzir, o que significa uma chave aberta. Isto devido ao fato de o capacitor ter uma tensão de pico UP. Como a tensão no secundário é ligeiramente menor que UP, o diodo fica reversamente polarizado e não conduz. Com o diodo aberto, o capacitor se descarrega por meio do resistor de carga. A idéia do filtro é a de que o tempo de descarga do capacitor seja muito maior que o período do sinal de entrada. Com isso, o capacitor perderá somente uma pequena parte de sua carga durante o tempo que o diodo estiver em corte. O diodo só voltará a conduzir no momento em que a tensão no secundário iniciar a subir e seja igual a tensão no capacitor. Ele conduzirá deste ponto até a tensão no secundário atingir o valor de pico UP. O intervalo de condução do diodo é chamado de ângulo de condução do diodo. Durante o ângulo de condução do diodo, o capacitor é carregado novamente até UP . Nos retificadores sem filtro cada diodo tem um ângulo de condução de 180°.

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Na Figura 1-28 é mostrada na tensão sob a carga. A tensão na carga é agora uma tensão cc mais estável. A diferença para uma tensão cc pura é uma pequena ondulação (Ripple) causada pela carga e descarga do capacitor. Naturalmente, quanto menor a ondulação, melhor. Uma forma de reduzir a ondulação é aumentar a constante de tempo de descarga (R.C). Na prática é aumentar o valor do capacitor. Outra forma de reduzir a ondulação é optar pelo uso de um retificador de onda completa, no qual a freqüência de ondulação é o dobro do meia onda. Neste caso é carregado duas vezes a cada ciclo da tensão de entrada e descarrega-se só durante a metade do tempo de um meia onda. Pode-se relacionar a tensão de ondulação na seguinte fórmula:

fC IUOND = Eq. 1-18

onde: UOND = tensão de ondulação pico a pico I = corrente cc na carga f = freqüência de ondulação C = capacitância

A escolha de um capacitor de filtro, depende, então, do valor da tensão de ondulação. Quanto menor, melhor. Mas não é viável que a tensão de ondulação seja zero. Como regra de projeto, o habitual é escolher a tensão de ondulação como sendo 10% da tensão de pico do sinal a ser retificado.

CORRENTE DE SURTO (IMPULSIVA) Instantes antes de energizar o circuito retificador, o capacitor do filtro está descarregado. No momento em que o circuito é ligado, o capacitor se aproxima de um curto. Portanto, a corrente inicial circulando no capacitor será muito alta. Este fluxo alto de corrente é chamado corrente de surto. Neste momento o único elemento que limita a carga é a resistência dos enrolamentos e a resistência interna dos diodos. O pior caso, é o capacitor estar totalmente descarregado e o retificador ser ligado no instante em que a tensão da linha é máxima. Assim a corrente será:

DIODOOENROLAMENT

P SURTO RR

U I

+ = Eq. 1-19

Esta corrente diminui tão logo o capacitor vá se carregando. Em um circuito retificador típico, a corrente de surto não é uma preocupação. Mas, quando a capacitância for muito maior do que 1000uF, a constante de tempo se torna muito grande e pode levar vários ciclos para o capacitor se carregar totalmente. Isto tanto pode danificar os diodos quanto o capacitor. Um modo de diminuir a corrente de surto é incluir um resistor entre os diodos e o capacitor. Este resistor limita a corrente de surto porque ele é somado ao enrolamento e à resistência interna dos diodos. A desvantagem dele é, naturalmente, a diminuição da tensão de carga cc.

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