Apost Eletronica Analogica

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE SERGIPEUNIDADE DE ENSINO DESCENTRALIZADA DE LAGARTO

COORDENADORIA DO CURSO TÉCNICO DE INDÚSTRIA COM HABILITAÇÃO EM ELETROMECÂNCIA

APOSTILA

DE

ELETRÔNICA ANALÓGICA

Prof. Ivanildo de Souza Maciel Júnior

2006 / 2

SUMÁRIO

CAPÍTULO 1.........................................................................................................................1DIODO SEMICONDUTOR......................................................................................................1

1.1. INTRODUÇÃO...........................................................................................................11.2. ESTRUTURA QUÍMICA DOS MATERIAIS SEMICONDUTORES......................................11.3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DO DIODO............................................................21.4. REGIMES MÁXIMOS DO DIODO EM CC.....................................................................41.5. TESTE DE DIODOS SEMICONDUTORES....................................................................51.6. EXERCÍCIOS PROPOSTOS.........................................................................................51.7. DIODO EMISSOR DE LUZ E FOTODIODO..................................................................71.7.1. LED..........................................................................................................................71.7.2. FOTODIODO.............................................................................................................71.8. DIODO ZENER..........................................................................................................71.8.1. CARACTERÍSTICAS DO DIODO ZENER......................................................................8CAPÍTULO 2.........................................................................................................................9PARÂMETROS DA CORRENTE ALTERNADA..........................................................................92.1. INTRODUÇÃO...........................................................................................................92.2. ONDA SENOIDAL......................................................................................................92.3. O TRANSFORMADOR................................................................................................9CAPÍTULO 3.......................................................................................................................11RETIFICADORES DE MEIA ONDA E ONDA COMPLETA........................................................113.1. RETIFICAÇÃO DE MEIA ONDA.................................................................................113.1.1. RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM DIODO SEMICONDUTOR..................................113.1.2. RETIFICAÇÃO DE MEIA ONDA COM TRANSFORMADOR..........................................133.2. RETIFICAÇÃO DE ONDA COMPLETA.......................................................................143.2.1. RETIFICAÇÃO DE ONDA COMPLETA COM TRANSFORMADOR EM CENTER-TAP.......153.2.2. RETIFICAÇÃO DE ONDA COMPLETA EM PONTE......................................................163.3. COMPARAÇÃO ENTRE OS TIPOS DE RETIFICAÇÃO.................................................183.4. EXERCÍCIOS PROPOSTOS.......................................................................................18CAPÍTULO 4.......................................................................................................................20FILTRAGEM CAPACITIVA....................................................................................................204.1. FILTROS CAPACITIVOS PARA FONTES RETIFICADORAS..........................................204.2. CAPACITOR............................................................................................................204.2.1. CARGA E DESCARGA DO CAPACITOR.....................................................................214.3. RETIFICADORES COM FILTRO CAPACITIVO.............................................................254.4. CORRENTE DE SURTO............................................................................................274.5. EXERCÍCIOS PROPOSTOS.......................................................................................27CAPÍTULO 5.......................................................................................................................29REGULADORES.................................................................................................................295.1. ESTABILIZAÇÃO.....................................................................................................295.2. REGULADOR EM CIRCUITO INTEGRADO.................................................................305.3. EXERCÍCIOS RESOLVIDOS......................................................................................315.4. EXERCÍCIOS PROPOSTOS.......................................................................................32CAPÍTULO 6.......................................................................................................................34TRANSISTORES BIPOLARES...............................................................................................346.1. INTRODUÇÃO.........................................................................................................346.2. ESTRUTURA BÁSICA E SIMBOLOGIA.......................................................................346.3. ENCAPSULAMENTO DO TRANSISTOR.....................................................................356.4. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO............................................................................366.5. CONTROLE DA CORRENTE DE BASE SOBRE A CORRENTE DE COLETOR................376.6. O CIRCUITO DE COLETOR......................................................................................386.7. REGIÕES DE OPERAÇÃO DO TRANSISTOR.............................................................40BIBLIOGRAFIA...................................................................................................................42ANEXOS............................................................................................................................43ANEXO A: TABELA DE DIODOS..........................................................................................43

Capítulo 1 – Diodo Semicondutor

CAPÍTULO 1

DIODO SEMICONDUTOR

1.1. INTRODUÇÃO

Antes de falarmos do diodo semicondutor vamos entender o conceito de:Materiais Semicondutores: São aqueles que apresentam características de isolação e condução da

corrente elétrica, dependendo de sua estrutura química. Exemplo de material semicondutor: Carbono.As duas formas bem conhecidas de matéria formada por átomos de carbono são: Diamante – que possui seu arranjo de átomos de carbono em forma de estrutura cristalina e é

eletricamente isolante.Grafite – que possui seu arranjo de átomos de carbono em forma triangular e é condutor de

eletricidade.

1.2. ESTRUTURA QUÍMICA DOS MATERIAIS SEMICONDUTORES

Os materiais semicondutores se caracterizam por serem constituídos de átomos que tem 4 elétrons na camada de valência (tetravalentes).

Através de um processo conhecido como “dopagem” os cristais de silício e de germânio ganham características elétricas, ou seja, condutor ou isolante.

Dopagem Tipo P- Introduzindo-se átomos de substancias trivalente, o cristal de silício ou germânio passa a ter característica de isolante pela falta 1 (um) elétron para que o cristal ganhe estabilidade atômica, formando assim o que denominamos de lacuna.

Dopagem Tipo N- Introduzindo-se átomos de sustâncias pentavalentes, o cristal de silício ou germânio passa a ter característica de condutor pelo excesso de elétron , sobra um elétron formando o se chama “elétron livre” no cristal.

A união do cristal dopado N com o P forma uma junção P-N, dando origem assim ao diodo semicondutor. A figura 1.1 representa uma junção P-N. O lado positivo da junção denomina-se ANODO e o negativo CATODO (algumas literaturas técnicas grafam KATODO)

Figura 1.1: Junção PN

Devemos observar que após a formação da junção P-N ocorre um processo de acomodamento químico ente os cristais dopados, vamos então entendê-lo, pois aí esta o ponto chave para a compreensão do principio de funcionamento do diodo semicondutor.

Na região da junção alguns elétrons (bolinhas pretas da figura 1.2) livres saem da do material N e passam a desloca-se para o material P, recombinando-se com as lacunas (bolinhas brancas) existentes nas proximidades.

Figura 1.2: Movimento dos elétrons

O mesmo ocorre com algumas lacunas que passam do material P para o material N e se recombinam com os elétrons livres (Figura 1.3).

1

P + N -

P + N -

NPA B


Figura. 1.3: Movimento das lacunas

Com estes deslocamentos forma-se na junção do diodo uma região onde não existem portadores de carga, porque estão todos recombinados, neutralizando-se assim. Esta região é denominada de região de “depleção” como representa a figura 1.4.

Figura 1.4: Região de Depleção

Como conseqüência da passagem de cargas de um cristal para outro se cria um desequilíbrio elétrico na região da junção. Os elétrons que se movimentaram do material N para o P geram um pequeno potencial elétrico negativo. As lacunas que se movimentaram para o material N geram um pequeno potencial elétrico positivo.

Pode-se então verificar que na região da junção existe uma diferença de potencial, proporcionado pelo movimento da lacunas e elétrons de um cristal para o outro.

Este desequilíbrio elétrico e denominado de “Barreira de Potencial” vista na figura 1.5.Figura 1.5: Barreira de Potencial

No funcionamento do diodo esta barreira funciona como uma pequena resistência em forma de tensão elétrica, que devera ser vencida para que o diodo entre em condução.

Esta barreira de potencial apresenta dois valores dependendo do tipo de cristal usado para a fabricação do diodo.

Germânio = 0,2 a 0,3 voltsSilício = 0,6 a 0,7 volts

Obs.: Não é possível medir a barreira de potencial com um voltímetro enquanto o diodo não estiver conectado a um circuito elétrico, pois esta tensão existe apenas internamente ao componente.

1.3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DO DIODO

O principio de funcionamento do diodo baseia-se em sua polarização direta ou inversa, uma vez que o componente apresenta polaridade definida.

a) Polarização direta - denomina-se polarização direta do diodo, quando a tensão positiva é aplicada ao material P (anodo) e a tensão negativa é aplicada ao material N(catodo). Observe o circuito da figura 1.6.

Figura 1.6: Polarização Direta

2

Região de depleção

P + N -

P + N -

+

P -

-

+

N


Veja como o diodo se comporta:1. Ele conduz quando aplicado sobre seus terminais a tensão mínima da Bp.2. A corrente flui entre anodo e catodo. 3. Assemelha-se a uma chave fechada.

O circuito de funcionamento é mostrado na figura 1.7.

Figura 1.7: Funcionamento de circuito com diodo polarizado diretamente

Nesta polarização o diodo semicondutor comporta-se como um condutor de corrente elétrica. Retirando-se a tensão ele volta a “cortar”, deixando de fluir corrente entre seus terminais. Obs.: a simbologia do diodo aponta o sentido convencional da corrente, ou seja, fluindo do positivo para o negativo da fonte de alimentação.

b) Polarização inversa - denomina-se polarização inversa do diodo, quando a tensão positiva é aplicada ao material N (catodo) e a tensão negativa é aplicada ao material P(anodo). Observe o circuito da figura 1.8.

Figura 1.8: Polarização Inversa (reversa)

Veja como o diodo se comporta:1. Ele não conduz quando aplicado sobre seus terminais.2. A corrente não flui entre anodo e catodo. 3. Assemelha-se a uma chave aberta.

O circuito de funcionamento é mostrado na figura 1.9.

Figura 1.9: Funcionamento de circuito com diodo polarizado inversamente

Nesta polarização o diodo semicondutor comporta-se como isolante da corrente elétrica, até a tensão de ruptura inversa.

3

KA

I

+

P

-

-

+

N

I

Carga ativa

+

P

-

-

+

N

KA

I+

P

-

-

+

N

I

Carga inativa


1.4. REGIMES MÁXIMOS DO DIODO EM CC

Os regimes máximos do diodo em CC estabelecem os limites da tensão e corrente que podem ser aplicados ao componente em circuitos de corrente contínua, sem provocar danos a sua estrutura.

Analisando o comportamento do diodo em condução e bloqueio verifica-se que os fatores dependem diretamente do circuito ao qual o diodo está conectado são:

a) Corrente de condução (I F);b) Tensão reversa (V R).

A tensão de condução VD não depende do circuito (0,7 para Si e 0,2 para Ge), e a corrente de fuga também depende do material do diodo (na faixa de alguns microampéres).

a) Corrente de condução (IF) “Corrente máxima de condução”

A corrente de condução máxima de cada tipo de diodo é dada pelo fabricante em folhetos e manuais de dados técnicos. Nestes a corrente máxima de condução aparece designada pela sigla IF .

Exemplo com os diodos comerciais abaixo:

b) Tensão reversa máxima (VR)

As tensões reversas colocam o diodo em bloqueio. Nesta condição toda a tensão reversa superior ao especificado para cada diodo a corrente de fuga aumenta excessivamente e o diodo danifica-se, ou seja, entra em curto.

Na tabela 1.1r estão colocados alguns tipos de diodos com suas respectivas tensões reversas máximas, também denominadas de tensão de ruptura.

Tabela 1.1: Tensão reversa de alguns diodosTIPO VR

1N4007 1000VBY 127 800VSKE 1/12 1200V

4

TIPO - SKE 1 / 12 IF = 1,0 A

TIPO- 1N 4004 IF = 1,0 A

VR TENSÃO REVERSA MÁXIMA EM REGIME CONTÍNUO

CORRENTE MÁXIMA DE CONDUÇÃO EM REGIME CONTINUO

CORRENTE

(FORWARD) DE CONDUÇÃO

I F


1.5. TESTE DE DIODOS SEMICONDUTORES

Podemos verificar as condições de funcionamento de um diodo através da medição da resistência através de um multímetro. Na realidade os testes com o ohmímetro resumem-se a uma verificação da resistência do componente nos sentidos de condução e bloqueio, através da tensão presente na bateria do multímetro.

TESTEO diodo pode apresentar-se nos seguintes estados:

Para uma análise mais precisa é necessário que seja observado se o diodo encontra-se em curto ou em aberto quando danificado. Se o diodo estiver em curto deduzir-se que a causa foi uma sobretensão que ultrapassou o limite de VR. Caso contrário, estando o diodo em aberto, a causa deverá ter sido uma sobrecarga de corrente que ultrapassou o limite de IF. Estas observações ajudam bastante na análise de defeitos.

1.6. EXERCÍCIOS PROPOSTOS

1. Desenhe o símbolo de um diodo semicondutor, identificando o anodo e o catodo.

2. Qual a tensão típica da barreira de potencial nos diodos:a) Sib) Ge

3. O que acontece com o diodo quando ele recebe uma tensão superior a VR ?

4. Indique a polaridade da fonte para que se estabeleçam as condições necessárias para o esquema abaixo.

5. De que depende a condução ou bloqueio do diodo?

6. Quais os dados técnicos mais importantes para a especificação do diodo?

5

I

V

Condições normais

Condução

Bloqueio

baixa resistência interna(em torno de 50 ohm)

altíssima resistência interna (vários K ohm)

+ -

- +

diretamente “baixa resistência” (conduz)

inversamente “alta resistência, infinita” (não conduz)Diodo “bom”

diretamente “baixa resistência” (conduz)

inversamente “baixa resistência” (conduz)Diodo “em curto”

diretamente “alta resistência, infinita” (não conduz)

inversamente “alta resistência, infinita” (não conduz)Diodo “aberto”


7. No teste de diodos foram encontradas as seguintes medições abaixo, relacione as colunas de forma a determinar os estados dos diodos.

a) Alta resistência – alta resistência ( ) Diodo bomb) Baixa resistência – baixa resistência ( ) Diodo em curtoc) Baixa resistência – alta resistência ( ) Diodo aberto

8. Identifique a condição das lâmpadas (I, II ou III) no circuito abaixo:Condições:I - Lâmpada acendeII - Lâmpada não acendeIII - Lâmpada acende com sobrecarga de tensão podendo danificar.

Especificações das lâmpadas: VL = 6V; PL = 12mW

9. Determine Eo na figura abaixo:

10. Supondo os diodos do circuito da figura 1 ideais, determine a leitura do voltímetro para as posições das chaves A e B, conforme a tabela 1.

Figura 1

Tabela 1

Chave A

Chave B

Voltímetro

1 1

1 2

2 1

2 2

6


1.7. DIODO EMISSOR DE LUZ E FOTODIODO

1.7.1. Led

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 1.10.

Figura 1.10: Polarização do LED

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 dada pela equação 1.1:

(1.1)

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.

1.7.2. 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.

1.8. DIODO ZENER

O diodo zener é um tipo particular de diodo possuindo algumas características especiais. Confeccionado em material com alto nível de dopagem, quando está polarizado diretamente o diodo zener se comporta como um diodo comum, porém, quando polarizado inversamente, devido as suas características especiais, uma tensão reversa específica denominada “Tensão Zener” provoca o chamado efeito zener ou efeito avalanche, causando uma súbita ruptura na junção, fato esse que leva o dispositivo a atuar como um ESTABILIZADOR DE TENSÃO. Por isso, é bastante utilizado em fontes de alimentação, com o objetivo de manter a tensão de saída estabilizada.

O símbolo padrão que é usado para identificar o diodo zener nos circuitos eletrônicos e a sua curva características são mostrados na figura 1.11 e 1.12, respectivamente.

Figura 1.11: Símbolo do diodo zener

7


Figura 1.12: Curva característica do diodo zener

A região de operação do diodo zener é chamada “Região Zener” e está indicada na curva.Através desta curva, no primeiro quadrante observa-se o comportamento normal, da polarização

direta. Com a polarização direta o diodo zener comporta-se como um diodo retificador, entrando em condução e assumindo uma queda de tensão típica.

Na polarização inversa, terceiro quadrante, a corrente é mínima até atingir o nível da tensão zener. Na região zener, devido a acentuada redução na resistência da junção, ocorre uma rápida elevação na corrente que, como conseqüência assegura um valor estável de tensão nos terminais do diodo. Esta tenssão estável é conhecida com tensão Zener. Deste ponto em diante o diodo entra em condução, apesar de polarizado inversamente. A corrente inversa aumenta rapidamente e a tensão sobre o zener mantêm-se praticamente constante.

1.8.1. Características do Diodo Zener

As características elétricas importantes são:1.8.2. Tensão Zener: VZ. Tensão que será mantida constante entre catodo e anodo, quando

o diodo alcançar a região tiver a região zener.1.8.3. Potência Zener: Pz1.8.4. Corrente Zener Máxima: IZM = PZ/VZ. Esta corrente não deve ser ultrapassada para

que o diodo não seja danificado.1.8.5. Corrente Zener Mínima: IZm. È a corrente mínima necessária para que o diodo Zener

entre na região de condução, ou região Zener. Quando não especificado no manual do fabricante, utiliza-se como igual a 10% do valor da corrente máxima IZM.

8

Capítulo 2 – Parâmetros da Corrente Alternada

CAPÍTULO 2

PARÂMETROS DA CORRENTE ALTERNADA

2.1. INTRODUÇÃO

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.

2.2. ONDA SENOIDAL

A onda senoidal é um sinal elétrico básico. Sinais mais complexos podem ser representados por uma soma de sinais senoidais. Uma forma de onda senoidal é mostrada na figura 2.1

Figura 2.1: Forma de onda senoidal

A equação que representa a curva da Figura 2.1 é dada por:

V(t) = VP.sen (w.t) (1)onde:(VP) - Tensão de pico positivo (-VP) – Tensão de pico negativa(T/2) – Meio período (T) – Período completo

Algumas maneiras de se referir aos valores da onda:

Valor de pico VP - Valor máximo que a onda atinge; Valor de pico a pico ( VPP ) - Diferença entre o máximo e mínimo que a onda atinge VPP = VP - (- VP ) = 2

VP; Valor eficaz ( VRMS) ( 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 VP (2)

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.

2.3. 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. A figura 2.2 mostra um exemplo de transformador:

9

VP

-VP

V(t

)

tT/2

T

Capítulo 2 – Parâmetros da Corrente Alternada

Figura 2.2: Exemplo de um transformador

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 tem-se a equação 3.

(3)

Onde:U1 - tensão no primárioU2 - tensão no secundárioN1 - número de espiras no enrolamento primárioN2 - número de espiras no enrolamento secundário

A corrente elétrica no transformados ideal é dada pela equação 4.

(4)

Exemplo 1: 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?

Solução:

obs.: a potência elétrica de entrada e de saída num transformador ideal são iguais.

10

VCC = 0,45 x VCA

Capítulo 3 – Retificadores de Meia Onda e Onda Completa

CAPÍTULO 3

RETIFICADORES DE MEIA ONDA E ONDA COMPLETA

3.1. RETIFICAÇÃO DE MEIA ONDA

Denomina-se retificação o processo de transformação da corrente alternada em corrente contínua.A retificação é utilizada nos equipamentos eletrônicos com a finalidade de permitir que

equipamentos de corrente continua sejam alimentados a partir da rede elétrica alternada.A retificação de meia onda é um processo de transformação de CA em CC que permite o

aproveitamento de apenas um semiciclo da tensão de entrada na carga. A figura 3.1 mostra o funcionamento de um retificador de meia onda.

Figura 3.1: Retificação de meia onda

A retificação de meia onda proporciona um baixo rendimento CC, em conseqüência de aproveitar apenas um semiciclo da CA de entrada. O rendimento CC fica em torno de 45% da CA aplicada. Ou seja:

(3.1)

3.1.1. Retificador de meia onda com diodo semicondutor

Pelo principio de funcionamento do diodo, ou seja, condução ou bloqueio pode-se obter uma retificação de meia onda a partir da corrente alternada da rede elétrica.

O circuito mostrado na da figura 3.2 funciona como um retificador de meia onda.Figura 3.2: Cicuito retificado de meia onda

1° Primeiro semiciclo

Durante o primeiro semiciclo a tensão é positiva no ponto A, com relação ao ponto B. Esta polaridade da tensão de entrada coloca o diodo em condução, permitindo a circulação de corrente. A tensão sobre a carga assume a mesma forma da tensão de entrada. Observe a figura 3.3.

11

B

-+

Carga RL

A

CA

semiciclo

tensão na carga

Retificador de meia

onda

1 ciclo


Figura 3.3: Saída de retificador de meia onda positivo com entrada no semiciclo positivo

Devemos atentar para o fato de que a tensão sobre a carga ser menor que o valor do pico da tensão de entrada devido a queda de tensão causada pela barreira de potencial do diodo VD (tensão direta), que é de 0,7 para o silício e 0,2 para o germânio. Conforme assinala os gráficos da figura 3.4.

Figura 3.4: Gráfico de saída e de diodo não ideal para retificador de meia onda com entrada no semiciclo positivo

Na maioria dos casos a queda de tensão do diodo pode ser desconsiderada devido ao seu valor pequeno em relação a tensão de pico da CA à ser retificada. Deve-se considerar a queda de tensão apenas quando ao circuito retificador for aplicado a tensões pequenas menores que 10V.

2° Segundo semiciclo

Durante o segundo semiciclo a tensão de entrada é negativa no ponto A com relação ao ponto B. Esta polaridade da tensão de entrada coloca o diodo em bloqueio, impedindo a circulação de corrente. Observe a figura 3.5.

Figura 3.5: Saída de retificador de meia onda positivo com entrada no semiciclo negativo

Nesta condição toda a tensão de entrada está aplicada sobre o diodo, que não permite a circulação de corrente atuando como uma chave aberta, fazendo com que a tensão sobre a carga seja nula. Observe a representação gráfica na figura 3.6.

Figura 3.6: Gráfico de saída e de diodo não ideal para retificador de meia onda com entrada no semiciclo negativo

Pode-se observar que para cada ciclo completo da tensão de entrada apenas um semiciclo passa para a carga, enquanto o outro semiciclo fica sobre o diodo. Nos gráficos mostrados na figura 3.7 podemos observar o descrito.

A tensão encontrada na carga tem uma forma de onda denominada tensão continua pulsante, porque a corrente flui sempre no mesmo sentido e pulsante porque a circulação ocorre em forma de pulsos.

12

VRL

B

-+

Carga RL

A

CA

V ENTRADA VDIODO VRL = VENTRADA - VDIODO

VRL

B

+-

Carga RL

A

CA

V ENTRADA VDIODO VRL


Figura 3.7: Formas de onda do retificador de meia onda

3.1.2. Retificação de meia onda com transformador

A retificação de meia onda pode ser feita também com o uso de um transformador. Este tipo de configuração além de fazer um isolamento da rede elétrica também proporciona a adequação da tensão que se quer retificar. A figura 3.8 mostra um circuito retificado de meia onda com transformador.

Figura 3.8: Circuito retificador de meia onda positivo com transformador

Invertendo-se o diodo, a polaridade da tensão de saída também é invertida, como observado na

13

-+

VCA

+

-

VSAÍDAVCC

Positiva

- +

VCA

+

-VSAÍDA

VCC

Negativa

CONDUÇÃO

VP

VENTRADA

t

VDIODO

-VP

-VP

VCARGA

VP - VD

VD

BLOQUEIO

t

t

ICC = V CC RL

VCC = 45% X VCACA

RMSPCC 0,45.V

3,1415

2.V

π

VV


figura 3.9.Figura 3. 9: Retificador de meia onda negativo com tranformador

A Tensão de saída contínua (VCC) é dada pela equação (3.2).

(3.2)

Já a Corrente de saída é dada pela equação (3.3).

(3.3)

Deve-se considerar muito importante o cálculo da corrente média de saída , pois servirá como base para a escolha do diodo retificador.

O circuito de meia onda apresenta a desvantagem de que a tensão de saída é pulsante e não contínua pura como pode ser visto na figura 3.10.

Figura 3.10: Retificação não produz uma onda contínua pura

O rendimento é baixo (45%) da tensão aplicada na entrada CA.

3.2. RETIFICAÇÃO DE ONDA COMPLETA

É a transformação da corrente alternada em contínua através do aproveitamento dos dois semiciclos da tensão CA de entrada. Observe os gráficos da figura 3.11.

Figura 3.11: Forma de Onda de retificador de onda completa positivo

O circuito retificador de onda completa é o mais utilizado nos equipamentos eletrônicos porque realiza um melhor aproveitamento da tensão CA aplicada na entrada. Podemos ter a retificação de onda completa em duas configurações básicas:

1ª Com transformador de derivação central e dois diodos. 2ª Empregando 4 diodos em ponte retificadora.

3.2.1. Retificação de onda completa com transformador em Center-Tap

A figura 3.12 mostra um circuito retificador de onda completa com transformador.

14

VP

Sinal contínuo puro

Sinal contínuo pulsante

1 ciclo

RETIFICADOR ONDA

COMPLETA

VCARGA

VENTRADA

RETIFICAÇÃO110 VCA 49,5 VCC médio


Figura 3.12: Circuito retificador de onda completa positivo com transformador em Ceter-Tap

Princípio de funcionamentoVamos analisar o funcionamento dos dois semiciclos nos extremos do transformador. Quando chega o semiciclo positivo da rede o diodo fica polarizado diretamente, por isso entra em

condução. A tensão sobre a carga é positiva. O diodo comporta-se como uma chave fechada, permitindo a circulação de corrente pela carga, como demonstra o circuito da figura 3.13.

Figura 3.13: Saída de retificador de onda completa positivo com entrada no semiciclo positivo

O valor da tensão sobre a carga é a mesma tensão existente entre o terminal central e o extremo superior do transformador (desconsiderando a queda de tensão do diodo). Quando ocorre a inversão da alimentação, temos a condição mostrada no circuito da figura 3.14.

Figura 3.14: Saída de retificador de onda completa positivo com entrada no semiciclo negativo

15

D1

D1 D2

D2

VCA

Saída

I

I ID1

D2

VCA

+

-

-

+

+

-

D1 D2+

+

-

-

+

-

VCA

ICC = V CC RL

VCC = VCA x 90%

CARMSP

CC 0,9.V3,1415

2.V.2

π

V.2V


A Tensão de saída contínua (VCC) é definida pela equação (3.4).

(3.4)

E a corrente de saída definida pela equação (3.5):

(3.5)

3.2.2. Retificação de onda completa em Ponte

A figura 3.15 mostra um circuito retificador de onda completa em ponte.

Figura 3.15: Circuito retificador de onda completa positivo em ponte

Princípio de funcionamento

Vamos analisar o funcionamento dos dois semiciclos nos extremos do transformador. No semiciclo positivo da rede os diodos D2 e D3 ficam polarizados diretamente, comportando-se

como chaves fechadas, permitindo a circulação da corrente I1 pela carga. Já os diodos D1 e D4, reversamente. A tensão sobre a carga é positiva, como mostra o circuito da figura 3.16.

16

D1

D4

+

-

VO

D2

D3


Figura 3.16: Saída de retificador em ponte com entrada no semiciclo positivo

O gráfico da tensão sobre a carga é a mesma da tensão existente entre as extremidades do transformador, desconsiderando as quedas de tensão dos diodos (Figura 3.17).

Figura 3.17: Gráfico da tensão Vo sobre a carga

Quando ocorre a inversão da alimentação, temos a condição mostrada no circuito da figura 3.18. No semiciclo negativo da rede os diodos D1 e D4 ficam polarizados diretamente, comportando-se como chaves fechadas, permitindo a circulação da corrente I2 pela carga. Já os diodos D2 e D3, reversamente. A tensão sobre a carga é também positiva, como mostra o circuito da figura 3.18.

Figura 3.18: Saída de retificador de onda em ponte com entrada no semiciclo negativo

+

+

+

- --

VO

++

--

I1

I1

I1

I1

I1

I1

I1

D1D2

D4D3

17

D2 e D3

VO

-

-

+

+ +-

VO

++

--

I2

I2

I2

I2

I2

I2

I2

D1 D2

D4D3


O gráfico da tensão sobre a carga é agora invertido com relação a tensão existente entre as extremidades do transformador, desconsiderando as quedas de tensão dos diodos (Figura 3.19).

Figura 3.19: Gráfico da tensão Vo sobre a carga

As equações da tensão de saída contínua (VCC) e da corrente de saída são as mesmas da configuração em Center-Tap, ou seja, equações (3.4) e (3.5).

O que irá diferenciar entre o resultado obtido entre o circuito em Center-Tap e o em ponte é que a queda de tensão para o circuito em Center-Tap é devido a apenas um diodo por semiciclo, já para o em ponte será devido a dois diodos em cada semiciclo.

3.3. COMPARAÇÃO ENTRE OS TIPOS DE RETIFICAÇÃO

Na tabela 1 é mostrada uma comparação entre os tipos de retificação descritos anteriormente, sendo considerado os diodos idéias.

Tabela 1: Comparação entre os tipos de retificação

MEIA ONDAONDA COMPLETA

Center-Tap

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


1. Defina retificação eletrônica.

2. O que caracteriza a retificação de meia onda em relação a CA aplicada ?

3. Qual é a equação da tensão e corrente média na saída de uma retificação de meia onda ?

4. Cite as desvantagens da retificação de meia onda.

5. Desenhe a forma de onda presente sobre a carga em uma retificação de onda completa.

6. Esquematize um circuito retificador de onda completa definindo a função de cada elemento do circuito.

7. O que aconteceria na saída de uma fonte retificadora de onda completa se um dos diodos abrir?

8. Qual o procedimento correto antes de substituir um fusível aberto em uma fonte de alimentação?

9. Com que finalidade associaríamos diodos em paralelo em uma retificação?

10. O que aconteceria em circuito retificador de onda completa se um dos diodos entrasse em curto?

18

D1 e D4

VO


11. Utilizando-se um transformador de com as seguintes especificações: 127V – 12V+12V, determine a tensão DC de saída, obtida sobre uma carga de 100, e através da utilização de: (Considere que os diodos são ideais).

a) Retificador de meia onda;b) Retificador de onda completa utilizando a configuração em ponte.c) Determine as vantagens e desvantagens obtidas por cada configuração empregada para a retificação;

12. O que acontece com a ondulação quando transformamos uma retificação de meia onda em onda completa? Por que?

13. Qual a potência dissipada num diodo de silício com polarização direta se a tensão de diodo for de 0,7V e a corrente de 100mA?

Considere o circuito da figura a seguir para responder as questões 14, 15, 16 e 17.

14. No circuito é medido 0V através do diodo. A seguir testa-se a tensão da fonte, e ela indica uma leitura de +5V com relação ao terra (-). O que há de errado com o circuito?

15. Considerando que a tensão da fonte é de 5V e o valor da resistência Rs igual a 1KΩ. Calcule a corrente através do diodo.

16. Se agora a tensão da fonte for de 100V e a resistência Rs igual a 220Ω. Quais os diodos relacionados na tabela 1 a seguir podem ser utilizados? Explique.

Tabela 1DIODO VRuptura VMáx

1N914 75 V 200 mA1N4001 50 V 1 A1N1185 120 V 35 A

17. Qual deverá ser o valor de Rs para se obter uma corrente de diodo de 10mA? (suponha VS=5V).

18. Alguns sistemas como alarme contra roubo, computadores, etc. utilizam uma bateria auxiliar no caso da fonte de alimentação principal falhar. Descreva como funciona o circuito abaixo.

19

Capítulo 4 – Filtragem Capacitiva

CAPÍTULO 4

FILTRAGEM CAPACITIVA

4.1. FILTROS CAPACITIVOS PARA FONTES RETIFICADORAS

As fontes retificadoras possuem em suas saídas tensões contínuas pulsantes, que na maioria das vezes tornam-se impróprias para alimentar circuitos de tensão continua pura. Por isso, torna-se necessário a introdução de um componente de filtragem, ou seja, capaz de transformar a tensão continua pulsante em continua pura. Este componente é o capacitor, que pela sua propriedade de carga e descarga consegue realizar esta transformação.

4.2. CAPACITOR

O capacitor é um componente eletrônico, constituído por duas placas condutoras, separadas por um material isolante como mostrado na figura 4.1.

Figura 4.1: Símbolo de um capacitor

Quando se conecta um capacitor descarregado a uma bateria, haverá uma distribuição de cargas. Com esta distribuição de cargas uma corrente elétrica é gerada devido a diferença de potencial existente entre a tensão sobre o capacitor (inicialmente igual a zero) e a tensão da bateria. Esta corrente irá, então, carregar o capacitor que, aos um certo tempo, estará com a mesma tensão da bateria (figura 4.2).

Figura 4.2: Carga capacitiva

Após a carga total, a corrente elétrica cessará. Se o capacitor for desconectado da bateria, as cargas elétricas acumuladas permaneceram no capacitor, mantendo-se a diferença de potencial no capacitor (figura 4.3).

Figura 4.3: Capacitor mantendo a carga após a retirada da bateria

Sendo assim podemos dizer que:

20

VDC


O capacitor pode armazenar carga elétrica e; O capacitor se opõe a variação de tensão elétrica.A capacidade que tem um capacitor para armazenar cargas depende da sua capacitância, que é

dada pela equação 4.1.

(4.1)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 usam-se submúltiplos do Farad: µF, nF, pF

Os capacitores podem ser de diversos tipos, tais como: papel, cerâmica, mica, eletrolítico, Tântalo, variável (distância / área).

As placas paralelas do capacitor separadas pelo dielétrico podem ser dispostas de acordo com a figura 4.4.

Figura 4.4: Disposição das placas de um capacitor

4.2.1. Carga e Descarga do Capacitor

CARGA CAPACITIVATomando com exemplo o circuito da figura 4.5, para explicar a carga capacitiva e considerando-se

que o capacitor esteja descarregado inicialmente.

Figura 4.5: Circuito RC

A partir do instante inicial (t=0 segundos) a chave S do circuito da figura 4.5 é fechada.Observando a tensão sobre o capacitor e sobre o resistor teremos os gráficos mostrados na figura

4.6.

Figura 4.6: Tensões no capacitor (a) e no resistor (b)

21

S

VDC

(a) (b)

VDC VDC


A equação matemática que regem a curva de carga capacitiva mostrada na figura 3.20 (a) é dada pela equação (4.2).

(4.2)Já a equação representante da tensão

sobre o resistor, cuja curva foi mostrada na figura 4.6 (b) é dada pela equação (4.3).

(4.3)

Nas equações (4.2) e (4.3) a constante de tempo determina o tempo em que a tensão no capacitor atinge 63% da tensão da fonte (VDC) e a tensão sobre o resistor cai a 37% do valor da tensão da fonte.

DESCARGA CAPACITIVANa descarga capacitiva a equação matemática que a representa é dada pela equação (4.4).

(4.4)

Considerando duas situações com o capacitor carregado teremos:

a) Resistor em série com o capacitorO circuito da figura 4.7 exemplifica a configuração em que o resistor encontra-se em série com o capacitor.

Figura 4.7: Circuito com resistor em série com o capacitor

As tensões sobre o capacitor e sobre o resistor obtidas do circuito da figura 4.7 são mostradas na figura 4.8.

22

VDCS


Figura 4.8: Tensões sobre capacitor e resistor em circuito série

Como inicialmente o capacitor encontra-se carregado, enquanto a chave S não for fechada a corrente do circuito fica igual a zero não havendo diferença de potencial sobre o resistor (VR=0).

Quando a chave S for fechada (instante t), é dado um curto na fonte (o que na prática não o faremos) e toda a tensão sobre o capacitor é descarregado pelo resistor.

b) Resistor em paralelo com o capacitorO circuito da figura 4.9 exemplifica a configuração em que o resistor encontra-se em paralelo com o capacitor.

Figura 4.9: Circuito com resistor em paralelo com o capacitor

As tensões sobre o capacitor e sobre o resistor obtidas do circuito da figura 4.9 são mostradas na figura 4.10.

23

t

t

VD

C

VD

C

S

VDC


Figura 4.10: Tensões sobre capacitor e resistor em circuito paralelo

Para o circuito com o capacitor em paralelo com o resistor (figura 4.9), a chave encontra-se inicialmente fechada. Sendo assim, a fonte estará também, em paralelo com os dois. Logo a tensão inicial sobre o resistor e sobre o capacitor serão iguais a da fonte (VDC)

Quando a chave S for aberta (instante t), toda a tensão carregada sobre o capacitor será da mesma forma do circuito em série descarregado pelo resistor.

Considerando por último o circuito da figura 4.11, em que o resistor encontra-se em série com o capacitor e com um gerador de onda quadrada teremos como tensões sobre o capacitor e sobre o resistor os gráficos mostrados na figura 4.12.

Figura 4.11: Capacitor em série com um resistor e fonte de onda quadrada

24

t

t

VDC

VDC


Figura 4.12: Tensões sobre o Capacitor e Resistor em série com uma fonte de onda quadrada

4.3. RETIFICADORES COM FILTRO CAPACITIVO

No circuito retificador com o filtro capacitivo, o capacitor é conectado diretamente nos terminais da carga na saída do circuito retificador. Observe a figura 4.13.

MEIA ONDA ONDA COMPLETA

Figura 4.13: Circuito com filtro capacitivo

Principio de funcionamentoDurante os intervalos de tempo em que o diodo conduz circula corrente através da carga e do

capacitor. Neste período o capacitor armazena energia. Observe a figura 4.14.

25

-

+

Carga

FiltroI

VDC

VDC

VDC

VDC


Figura 4.14: Circuito com filtro capacitivo dom o diodo conduzindo

Nos intervalos de bloqueio do diodo o capacitor tende a descarregar a tensão armazenada através da carga, pois não é possível a descarga através da retificação porque o diodo está em bloqueio. Observe a figura 4.15.

Figura 4.15: Circuito com filtro capacitivo dom o diodo aberto

Como o capacitor está em paralelo com a carga, a tensão das armaduras do capacitor é aplicada à carga. Logo a corrente absorvida pela carga é fornecida pelo capacitor, que com o passar do tempo diminui a tensão em suas placas devido a descarga (figura 4.16).

GRÁFICO DA DESCARGA

Figura 4.16: Descarga Capacitiva

O capacitor permanece descarregado até que o diodo conduza novamente, realizando uma recarga em suas armaduras.

Com a introdução do capacitor no circuito retificador a carga passa a receber tensão durante todo tempo de funcionamento do circuito. Observe a figura 4.17.

Figura 4.17: Gráfico de saída de retificador de meia onda positivo com filtro capacitivo

A colocação de um filtro aumenta o valor da tensão média de saída de um circuito retificador.Mesmo com a colocação do filtro existe uma ondulação (fator ripple) sobre a carga, a que faz com

que a tensão de saída não seja uma tensão continua pura.

26

-

+

Filtro

Carga

VC = VRL

t

Diodo Aberto

Capacitor em descarga

Diodo ConduzindoCapacitorem carga

TENSÃO SOBRE A CARGA

Diodo ConduzindoCapacitorem carga

t


4.4. CORRENTE DE SURTO

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 (impulsiva).

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 dada por:

(4.5)

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.


1. Encontre a capacitância de um capacitor de placas paralelas se a dimensão de cada placa retangular é de 1x0,5 cm, a distância entre as placas é 0,1mm e o dielétrico é o ar. Depois, encontre a capacitância tendo a mica como dielétrico.

εAr=8,85x10-12 F/m εmica=5xεar

2. Um capacitor possui como dielétrico um disco feito de cerâmica com 0,5 cm de diâmetro e 0,521 mm de espessura. Esse disco é revestido dos dois lados com prata, sendo esse revestimento as placas. Encontre a capacitância.

εcerâmica = 7500 x εar

3. Ao que se deve a existência de ondulação na saída de uma fonte retificadora com filtro capacitivo?

4. No instante t=0s, uma fonte de 100V é conectada a um circuito série formado por um resistor de 1kΩ e um capacitor de 2µF descarregado. Qual é:a) A tensão inicial do capacitor?b) A corrente inicial?c) O tempo necessário para o capacitor atingir a tensão de 63% do seu valor máximo?

5. Ao ser fechada, uma chave conecta um circuito série formado por uma fonte de 200V, um resistor de 2MΩ e um capacitor de 0,1µF descarregado. Encontre a tensão no capacitor e a corrente no instante t=0,1s após o fechamento da chave.

6. Um retificador em ponte com um filtro capacitivo de entrada tem uma tensão de pico na saída de 25V. Se a resistência de carga for de 220Ω e a capacitância de 500µF, qual a ondulação de pico a pico (Ripple)?

27


7. A figura abaixo mostra uma fonte de alimentação dividida. Devido à derivação central aterrada, as tensões de saída são iguais e com polaridade oposta. Quais as tensões de saída para uma tensão do secundário de 17,7Vac e C=500µF? Qual a ondulação de pico a pico? Qual polaridade de C1 e C2?

28

minmin

LZmáx

ZEmáxS II

VVR

Zmáx

ZEmáxS I

VVR

min

)0( min LI

ZZmáxSEmáx VIRV .

Capítulo 5 – Reguladores

CAPÍTULO 5

REGULADORES

5.1. ESTABILIZAÇÃO

A estabilização eliminará a ondulação do sinal após a filtragem capacitiva é a de estabilização ou regulação. Esta etapa consiste em projetar um circuito que mantenha constante a tensão de saída para uma tensão de entrada oscilando em torno de um valor. Portanto, o circuito de estabilização deve ser projetado de acordo com tensão de ripple do sinal a ser estabilizado.

Um circuito regulador com diodo Zener é mostrado na figura 5.1. O sinal de entrada VE é aquele obtido na saída do filtro capacitivo apresentando variações de ± ΔVE.

Figura 5.1: Circuito estabilizador com carga

O circuito regulador dever ser projetado de forma que, havendo variações na tensão de entrada, a tensão de saída VL deverá permanecer constante e igual à tensão zener VZ. Observa-se que a corrente total do circuito IS = IZ + IL é constante para uma carga fixa RL. As variações da corrente IS (variação da tensão de entrada) e da corrente IL serão compensadas pela corrente IZ limitada por IZmin e IZmáx.

No circuito da figura 5.1 o resistor RS tem como função limitar a corrente no diodo zener. A corrente sobre o diodo zener será máxima (IZmáx) quando a carga for infinita (IL=0) e a tensão de entrada for máxima (VEmáx = VE + ΔVE). Para este a resistência RS será mínima e definida pela equação 5.1.

(5.1)

O valor máximo para RS, definido pela equação 5.2, será aquele que irá impor sobre o diodo zener uma corrente mínima (IZmin). Esta corrente pode ser considerada igual a 10% do valor da corrente máxima quando não for especificada no manual do fabricante. Para assegurar esta corrente a tensão de entrada é considerada como mínima (VEmin = VE - ΔVE).

(5.2)

Escolhido o valor da resistência RS, pode-se encontrar o valor máximo da corrente que poderá ser fornecida para a carga através da equação 5.3.

(5.3)

Para finalizar, poderemos calcular os valores mínimo e máximo que a tensão de entrada poderá apresentar para que a tensão sobre uma carga RL fixa mantenha-se estável. Desta forma tem-se as equações 5.4 e 5.5:

(5.4)

(5.5)

29


5.2. REGULADOR EM CIRCUITO INTEGRADOCom o avanço tecnológico passou-se a usar reguladores de tensão em forma de circuito integrado.

Eles apresentam vantagens em relação ao controle da tensão à ser estabilizada, além de valores mais precisos na estabilização.

O regulador mais conhecido é o da família 78 e 79. A nomenclatura utilizada por estes reguladores é mostrada na tabela 5.1.

Tabela 5.1: Nomenclatura de reguladores da série 78 e 79

Série 78_XX

78 regulador de tensão positiva e;

XX valor da tensão estabilizada fornecida.

Exemplos:

7805: regulador para + 5V na saída

7812: regulador para + 12V na saída

Série 79_XX

79 regulador de tensão negativa e;

XX valor da tensão estabilizada fornecida.

Exemplos:

7905: regulador para – 5V na saída.

7912: regulador para – 12V na saída.

O espaço preenchido pelo underline ‘_’ é utilizado para indicar a capacidade de corrente fornecida pelo regulador tendo-se os seguintes valores:

L: corrente de saída máxima de 100mA. Ex. 78L05, 79L05; M: corrente de saída máxima de 500mA. Ex. 78M05, 79M05; Sem letras: corrente de saída máxima de 1A. Ex. 7805, 7905;

Para utilizar estes circuitos integrados em reguladores deve-se levar em consideração os capacitores indicados no manual do fabricante. Desta forma, a configuração a ser utilizada e indicada no manual, é mostrada na figura 5.2.

Figura 5.2: Configuração de regulador da família LM. Os capacitores C1 e C2 mantêm o nível DC e filtram os sinais de

freqüências altas.

Um outro regulador muito utilizado é o LM317, que diferentemente do da família 78 e 79 a sua tensão de saída pode ser regulada a valores de saída positivos e entre 1,2 e 37V. Estes valores são escolhidos utilizando resistores externos. A configuração utilizada e a relação entre os resistores de saída necessária para a obtenção da tensão de saída é mostrada na figura 5.3.

LM317: saída regulável em valores positivos; VREF = 1,25V e IAjust=100μA

Figura 5.3: Configuração do LM317

5.3. EXERCÍCIOS RESOLVIDOS

1. CIRCUITOS COM Vi E R FIXOS:

30

78_XXVi Vo

GNDC1 C2 VoVi

++ +--

+

_ _

VREF

VoVi

2.

1

21. RAjust

IR

RREF

Vo

V


Procedimento para resolver o circuito:a) Determinar o estado do diodo zener, removendo este do circuito e calculando a tensão através

do circuito aberto resultante.

Se: Zener está ligado;

Zener está desligado.

b) Substituir o circuito equivalente, e resolver:

quando o zener está ligado teremos a seguinte situação:

Ex. 1: No circuito abaixo determine:a) VL, VR, IZ, PZ;b) Repita o item a com RL=5K.

DADOS:

RESOLUÇÃO:

a) determinação do estado do diodo:

Como o zener está desligado.

b) Com RL=5K

como o zener está ligado, então teremos:

31

ZZZ

LRR

ZL

IVP

III

VV

R

VV

R

VI

R

VI

LiRR

L

LL


Ex. 2: No circuito abaixo determine:a) VL, IR, IZ, IL se RL=180;b) Repita o item a se RL=470;c) Determine o valor de RL que estabelece as condições de máxima potência para o diodo zener;d) Determine o valor mínimo de RL que assegura que o diodo zener está no estado ligado.

DADOS:

RESOLUÇÃO:

a)

como V<VZ o diodo está desligado.

Então: IZ=0 IR=IL

b) como V>VZ o diodo está ligado.

c) Máxima potência PZmáx=400mW

d) Temos que determinar a corrente mínima do zener:

32



1. Projete um regulador zener que preencha as seguintes especificações: tensão da carga é de 6,8V, tensão da fonte de 20V ± 20%, e corrente de carga é de 30mA ± 50%. Considere o uso de um diodo Zener de 6,8V e PZ = 2W.

2. Um regulador zener tem Vz = 15V e Izmax=100mA. VS pode variar de 22 a 40V. RL pode variar de 1kΩ a 50kΩ. Qual o maior valor que a resistência série pode assumir?

33

Transistores

CAPÍTULO 6

TRANSISTORES BIPOLARES

6.1. INTRODUÇÃO

O transistor, inventado em 1947 por cientistas da Bell Telephone, para substituir as válvulas apresentava diversas vantagens. Dentre as vantagens tem-se: menor e mais leve; mais robusto; mais eficiente; não necessita de período de aquecimento. Após o transistor outros dispositivos foram inventados, tendo em sua constituição básica a presença de milhares de transistores, como é o caso do circuito integrado (CI).

O transistor bipolar funciona como um dispositivo controlador de corrente sendo utilizado em circuitos amplificadores de sinais ou em circuitos de chaveamento eletrônico, possibilitando assim uma ampla variedade de aplicações, tais como:

equipamentos de som, imagem e de controle industrial; circuitos de alarmes residenciais e industriais; controle de motores.

6.2. ESTRUTURA BÁSICA E SIMBOLOGIA

O transistor bipolar é um dispositivo eletrônico formado através da junção de materiais semicondutores. As junções, em número de duas, podem ser formadas por dois semicondutores do tipo P e um do tipo N e denominado de “transistor PNP”, ou por dois semicondutores do tipo N e um do tipo P denominado de “transistor NPN”.

A configuração da estrutura de um transistor, em forma de sanduíche, apresenta duas junções, uma PN e outra NP, daí o nome de bipolar, sendo a junção central mais fina como observado nas figuras 6.1a e 6.1b.

(a) (b)

Figura 6.1: Tipos de transistores: a) NPN; b) PNP

Os dois tipos de transistores NPN e PNP apresentam as mesmas características de construção diversificando um do outro apenas pelo fato de que as corrente que circulam pelas junções encontram-se com polaridades invertidas.

Cada um dos materiais semicondutores, que formam o transistor, é conectado a um terminal através do qual realiza-se o contato e a ligação nos circuitos eletrônicos. Estes terminais (figura 6.2) encontram-se definidos como:

base (B): terminal conectado ao material semicondutor central P (NPN) ou N (PNP); emissor (E): terminal conectado a um dos materiais semicondutores externos; coletor (C): o outro terminal conectado a um dos materiais semicondutores externos.

Figura 6.2: Terminais do transistor

Embora os terminas do coletor e do emissor estejam conectados a um material semicondutor do mesmo tipo, não é possível trocar as ligações de um terminal com o outro nos circuitos eletrônicos, porque existe diferença de volume de material semicondutor e de intensidade de dopagem entre os materiais.

Os transistores são graficamente simbolizados de acordo com a figura 6.3, que difere entre os dois tipos apenas na seta indicativa do sentido da corrente convencional do emissor.

34

N NP P PN

C N NP E

B

C P PN E

B

Transistores

Figura 6.3: Simbologia do transistor

Alguns transistores, fabricados para aplicações específicas, são dotados de blindagem. Esta blindagem consiste em um invólucro metálico ao redor das pastilhas semicondutoras, que tem por finalidade evitar que o funcionamento do transistor seja afetado por campos elétricos ou magnéticos do ambiente. Estes transistores apresentam um quarto terminal, ligado à blindagem para que esta possa ser ligada ao terra do circuito eletrônico. Observe que a simbologia deste tipo de transistor (figura 6.4) apresenta um quarto terminal.

Figura 6.4: Transistor com um terminal para blindagem

6.3. ENCAPSULAMENTO DO TRANSISTOR

Os transistores podem se apresentar nos mais diversos encapsulamentos, que variam em função do fabricante, do tipo de montagem e da potência.

Para se identificar os terminais de um transistor, deve sempre ser feita uma consulta ao manual técnico do fabricante e através de um multímetro realizar as medições entre os terminais para detectar algum defeito. A figura 6.5 exibe a identificação dos terminais de um transistor obtida do manual técnico do fabricante.

Pino Descrição

1 emissor

2 base

3 coletor

Figura 6.5: Identificação dos terminais do BC337

Teste de Transistores

Existem equipamentos destinados especificamente ao teste de transistores, que fazem os mais diversos testes no componente. Entretanto, pode-se realizar um teste nos transistores, usando um multímetro, que permite detectar os seus defeitos mais comuns.

Da mesma forma, que em um diodo, o teste de transistores com o multímetro não é definitivo. Um diodo pode “passar” no teste som o multímetro e mesmo assim apresentar fuga quando funcionando com tensões elevadas. O teste com o multímetro detecta apenas os defeitos mais comuns nos transistores e diodos:

curto em uma junção PN;

abertura de uma junção NP.

Analisando-se a estrutura de um transistor observa-se uma junção PN entre a base e o coletor que para fins de teste pode ser tratada como um diodo (figura 6.6).

35

CB

E

CB

E

NPN PNP

Blindagem

C

B

E

Transistores

Figura 6.6: Junção base-coletor do transistor

Da mesma forma, entre a base e o emissor forma-se outra junção PN, que para fins de teste pode ser tratada também como um diodo (figura 6.7).

Figura 6.7: Junção base-emissor do transistor

Desta forma verifica-se que o transistor, para fins de teste com o multímetro pode ser tratado como dois diodos ligados em oposição como pode ser observado na figura 6.8.

Figura 6.8: Configuração do transistor

Portanto, a realização do teste do transistor com o multímetro e feita com o objetivo de se verificar se existe um curto ou uma abertura entre as junções BC (base-coletor) e BE (base-emissor).

6.4. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

O princípio básico de funcionamento, que explica a origem das correntes no transistor é o mesmo para os transistores NPN e PNP. Por esta razão, estudando-se apenas um tipo a análise do outro pode ser similarmente realizada, bastando inverter o sentido de circulação das correntes.

A aplicação de tensões externas ao transistor provoca o movimento dos elétrons livres e lacunas no interior da estrutura cristalina.

O movimento dos portadores livres dá origem a três correntes que circulam nos três terminais do transistor. Estas correntes são representadas pelas notações IE (corrente de emissor), IB (corrente de base) e

36

B

E

P

N

N

B

E

N

P

P

CB

E

PNP

CB

E

NPN

B

C

P

N

N

B

C

N

P

P

Transistores

IC (corrente de coletor), como indicado na figura 6.9.

Figura 6.9: Correntes que circulam pelos terminais do transistor

Uma tensão aplicada entre a base e o emissor (VBE) do transistor do tipo PNP polarizará a junção BE diretamente. Haverá um movimento de portadores majoritários do emissor (P) para a base (N). Chegando na base estes portadores passarão a ser portadores minoritários, devido a mudança da região de P para N e, devido a alta resistência que encontrarão uma pequena quantidade saíra pelo terminal de base do transistor , enquanto que a maioria será injetada, através da junção NP, no material tipo P conectado ao terminal de coletor.

Com a aplicação da lei das correntes de Kirchhoff ao transistor, e de acordo com a explicação dada no parágrafo anterior, as correntes de base (IB), emissor (IE) e coletor (IC) estão relacionadas através da seguinte equação:

IE = IC + IBO valor da corrente de base e tipicamente da ordem de microampéres, enquanto que as correntes de

emissor e coletor apresentam valores da ordem de miliampéres. Devido a diferença na ordem de grandeza entre a corrente de base e as correntes de emissor e coletor, e a relação entre elas dada pela equação anterior a aproximação a seguir é satisfeita:

IC = IE

6.5. CONTROLE DA CORRENTE DE BASE SOBRE A CORRENTE DE COLETOR

A principal característica do transistor reside no fato de que a corrente de base exerce um controle sobre a corrente de coletor. Ao aumentar a tensão base emissor (VBE) e conseqüentemente aumentando a corrente de base, verifica-se também um amento na corrente de coletor. Desta forma, conclui-se que:

VBE aumenta IB aumenta IC aumenta

Por analogia, pode-se afirmar:

VBE diminui IB diminui IC diminui

Desta forma, através de um transistor é possível, através de uma pequena corrente (IB), controlar a circulação de uma corrente de valor bem maior (IC).

A corrente de coletor e a corrente de base estão relacionadas através da equação a seguir:

IC = ß.IBO fator ß é definido como ganho de corrente contínua entre base e coletor podendo ser também

representado por hFE.O valor de ß pode ser obtido no manual de especificação do transistor e depende das características

do transistor e da temperatura de trabalho. O valor de ß se manterá fixo enquanto a temperatura de trabalho do transistor se manter estável e os limites de operação do transistor, indicados no manual, não

37

ControlaPequena correnteIB

Corrente muito maior IC

B

E

EIB

Transistores

forem extrapolados.

6.6. O CIRCUITO DE COLETOR

Na grande maioria dos circuitos transistorizados o coletor do transistor é conectado a fonte de alimentação através de um resistor, denominado de “resistor de coletor”, geralmente abreviado por Rc como visto na figura 6.10.

Figura 6.10: Circuito a transistor com resistor de coletor

O resistor de coletor completa o circuito ou malha de coletor, composto pelo grupo de componentes onde circula a corrente de coletor como indicado na figura 6.11.

Figura 6.11: Malha do coletor

Ainda na figura 6.11 se verifica que a malha de coletor é composta pelo resistor de coletor Rc em série com o transistor (Coletor-emissor), aos quais está aplicada a tensão Vcc. Utilizando a Segunda Lei de Kirchhoff, a equação da malha de coletor é dada por:

VCC – RC.IC – VCE = 0 VCC = VRC + VCE

Onde:Vcc – É a tensão fornecida pela bateria ao circuito. Desconsiderando-se a influência da resistência interna

pode-se admitir que Vcc tem um valor constante, independente da corrente que o circuito solicitar.VRC – É a queda de tensão no resistor de coletor. O valor desta queda de tensão, segundo a Lei de Ohm,

depende de dois fatores: do valor do resistor (RC) e da corrente que está circulando (Ic) e é dada por: VRC = RC.IC.

VCE – a tensão coletor emissor.

38

IC

IB

Transistores

Ex.1: Para o circuito da figura 6.12, determine a queda de tensão do resistor de coletor (VRC) e a tensão coletor-emissor (VCE).

Figura 6.12

Solução:

VRC = RC x IC VRC = 680 x 6.10-3 VRC = 4,1 Volts

VCE = VCC –VRC VCE = 12 - 4,1 VCE = 7,9 Volts

A queda de tensão no resistor de coletor RC pode ser determinada através de outra equação equivalente, que dependerá da corrente de base IB. Desenvolvendo a equação da queda de tensão no resistor de coletor tem-se:

VRC =RC x IC VRC = RC x ( ß x IB) (IC = ß x IB)

Nesta equação os valores de Rc e ß são constantes, logo se pode dizer que o valor da queda de tensão no resistor de coletor depende diretamente da corrente de base.

Calculando-se os parâmetros de um circuito a transistor para dois valores diferentes de corrente de base, pode-se verificar a relação entre os valores de IB, IC, VRC e VCE.

Ex.2: Para o circuito da figura 6.13, determine os valores da corrente de coletor (IC), da queda de tensão no resistor de coletor (VRC) e a queda de tensão coletor-emissor, admitindo-se primeiro uma corrente de base de 40µA e depois para uma corrente de base de 70µA e compare os resultados encontrados.

Figura 6.13

Solução:

a) para IB = 40µAIC = ß x IB IC = 100 x 40.10-6 IC = 4mA

VRC = RC x IC VRC = 4.10-3 x 820 VRC = 3,3V

VCE = VCC - VRC VCE = 10 – 3,3 VCE = 6,7V

39

6mA

β= 100

Transistores

b) para IB = 70µAIC = ß x IB IC = 100 x 70.10-6 IC = 7mA

VRC = RC x IC VRC = 7.10-3 x 820 VRC = 5,8VVCE = VCC - VRC VCE = 10 – 5,8 VCE = 4,2V

Os valores obtidos são mostrados na tabela 6.1.

Tabela 6.1: Resultados obtidos Corrente de base

IB

Corrente de coletorIC

Tensão no resistor de coletor (VRC)

Tensão coletor emissor (VCE)

40µA 4mA 3,3V 6,7V70µA 7mA 5,8V 4,2V

Comparando-se os valores obtidos, nas duas situações, e mostrados na tabela 6.1 conclui-se que:- Se IB aumenta IC aumenta - Se IC aumenta VRC aumenta;- Se VRC aumenta VCE diminui.

6.7. REGIÕES DE OPERAÇÃO DO TRANSISTOR

No circuito da figura 6.14, variando-se as tensões VBB e VCC, diferentes valores de tensões e correntes podem ser obtidos. Medindo-se os valores de IC e VCE para uma dada corrente de base IB, obtém-se a curva IC

x VCE como mostrada na figura 6.15. Observe que para cada valor de IB ter-se-á uma curva diferente.Figura 6.14: Circuito Emisssor comum

40

VCC

Transistores

Figura 6.15: Curva Característica de transistor

Definindo-se um valor de trabalho para a corrente de base o transistor poderá ser configurado para trabalhar em três regiões de operação, dependendo dos valores da corrente de coletor e da tensão coletor-emissor VCE. Estas regiões são denominadas de:

- Região Ativa;- Região de Corte e;- Região de Saturação.

Na figura 6.15, estas regiões estão demarcadas segundo as linhas tracejadas. Além destas três regiões, existe uma quarta região de operação, chamada região de ruptura, onde o transistor não pode trabalhar para não ser danificado. Esta região ocorre quando a tensão VCE do transistor ultrapassar o seu valor nominal máximo indicado na folha de especificação do transistor. Na figura 6.15 esta região é delimitada pela linha tracejada vertical para VCE maior que 19 V.

A região ativa é toda região compreendida entre as duas linhas verticais tracejadas. Nesta região a junção Base-Emissor encontra-se diretamente polarizada e a junção Base-Coletor encontra-se reversamente polarizada. É a região normal de operação do transistor onde o mesmo é configurado para trabalhar como amplificador. Observa-se que nesta região a corrente de coletor é praticamente constante para uma variação de VCE entre 1 V e 19 V.

As outras duas regiões, de saturação e de corte, são regiões em que o transistor é configurado para trabalhar como chave, aberta ou fechada.

A região de corte é a região abaixo da linha tracejada horizontal. Nesta região, diz-se que o transistor está no corte. O transistor estará funcionando nesta região como uma chave aberta, devido a não se ter corrente circulando pelo coletor, já que a corrente de base IB é igual a zero. Desta forma, quase toda a tensão de alimentação VCC estará sobre o coletor (VC ≈ VCC), visto que a corrente de coletor é aproximadamente igual a zero. Para o circuito exemplo, como o terminal de emissor encontra-se aterrado, VCE = VC = VCC. Portanto, a tensão de coletor-emissor máxima para o circuito será alcançada quando o transistor estive no corte.

Na região de saturação o transistor funciona como chave fechada, onde a tensão coletor-emissor VCE apresenta um valor abaixo de 1V. Na figura 6.15 é a região à esquerda da linha tracejada vertical mais á esquerda. Os manuais técnicos informam a tensão de saturação de coletor-emissor (VCESAT). Dependendo dos parâmetros do circuito a corrente de saturação (ICSAT) irá se modificar, não podendo ultrapassar a corrente máxima permitida pelo transistor e indicada no manual.A corrente de saturação é a máxima corrente possível fornecida para o circuito podendo ser determinada, através da malha coletor-emissor, fazendo-se a tensão VCE aproximadamente igual a zero (tensão de saturação). Na figura 6.15, a equação da malha coletor-emissor é dada por:

VCC – RC x IC – VCE – VE = 0

como VE = 0 e fazendo VCE = 0 (saturação), a equação anterior se resumirá em:

VCC – RC x ICSAT = 0

logo a corrente de saturação, ou seja, a corrente de coletor máxima para o circuito pode ser calculada como:

41

1 4 7 10 13 16 19

10

20

30

40

50

60

5

10

15

20

25

VCE (V)

IC (mA)

IB (μA)

Transistores

Ex.1: Para o circuito da figura 6.16, responda:

a) qual é o valor da corrente de saturação (ICSAT) e da tensão de corte do coletor. (Considere que o manual indique uma tensão de saturação coletor-emissor VCESAT = 0,3V e uma corrente de corte de coletor ICcorte=0)

b) em que região de operação o transistor se encontra (corte, saturação ou ativa)

c) Caso o transistor não esteja nem no corte nem na saturação, quais mudanças poderiam ser realizadas para que o transistor fosse para o corte e para a saturação.

Figura 6.16

BIBLIOGRAFIA

[1] BOYLESTAD, Robert. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos, Editora Prentice/Hall do Brasil, 8ª Edição, 2004, Rio de Janeiro – RJ.

[2] MARKUS, Otavio. Ensino Modular - Sistemas Analógicos e Circuitos com Diodos e Transistores. 5ª Ed, Editora Érica.

[3] ALMEIDA, José Luiz Antunes. Dispositivos Semicondutores. Ed. Érica. 1996.

42

β=50

Anexos A – Tabela de Diodos

ANEXOS

ANEXO A: TABELA DE DIODOS

1. DIODOS ZENERSZENER ZENER TENSÃO (V) POTÊNCIA (W)1N746A BZX79C3V3 3,3 0,51N747A BZX79C3V6 3,6 0,51N748A BZX79C3V9 3,9 0,51N750A BZX79C4V7 4,7 0,51N751A BZX79C5V1 5,1 0,51N752A BZX79C5V6 5,6 0,51N753A BZX79C6V2 6,2 0,51N754A BZX79C6V8 6,8 0,51N755A BZX79C7V5 7,5 0,51N756A BZX79C8V2 8,2 0,51N757A BZXT9C9V1 9,1 0,51N758A BZX79C10 10 0,51N962B BZX79C11 11 0,51N759A BZXT9C12 12 0,51N964B BZX79C13 13 0,51N965B BZX79C15 15 0,51N966B BZX79C16 16 0,51N967B BZX79C18 18 0,51N968B BZX79C20 20 0,51N969B BZX79C22 22 0,51N970B BZX79C24 24 0,51N971B BZX79C27 27 0,51N972B BZX79C30 30 0,51N973B BZX79C33 33 0,51N4728A BZX81C3V3 3,3 11N4729A BZX81C3V6 3,6 11N4730A BZX81C3V9 3,9 11N4731A BZX81C4V3 4,3 11N4732A BZX81C4V7 4,7 11N4733A BZX81C5V1 5,1 11N4734A BZX81C5V6 5,6 11N4735A BZX81C6V2 6,2 11N4736A BZX81C6V8 6,8 11N4737A BZX81C7V5 7,5 11N4738A BZX81C8V2 8,2 11N4739A BZX81C9V1 9,1 11N4740A BZX81C10 10 11N4741A BZX81C11 11 11N4742A BZX81C12 12 11N4743A BZX81C13 13 11N4744A BZX81C15 15 11N4745A BZX81C16 16 11N4746A BZX81C18 18 11N4747A BZX81C20 20 11N4748A BZX81C22 22 11N4749A BZX81C24 24 11N4750A BZX81C27 27 11N4751A BZX81C30 30 11N4752A BZX81C33 33 1

TENSÃO(V)

ZENER0,5W

ZENER1W

ZENER5W

2,4 1N5221B ------------ -----------2,7 1N5223B ------------ -----------3.0 1N5225B ------------ -----------3.3 1N5226B 1N4728A 1N5333B3,6 1N5227B 1N4729A 1N5334B

43

Anexos A – Tabela de Diodos

3,9 1N5228B 1N4730A 1N5335B4,3 1N5229B 1N4731A 1N5336B4,7 1N5230B 1N4732A 1N5337B5,1 1N5231B 1N4733A 1N5338B5,6 1N5232B 1N4734A 1N5339B6,0 1N5233B ------------- 1N5340B6,2 1N5234B 1N4735A 1N5341B6,8 1N5235B 1N4736A 1N5342B7,5 1N5236B 1N4737A 1N5343B8,2 1N5237B 1N4738A 1N5344B8,7 ----------- ------------- 1N5345B9,1 1N5239B 1N4739A 1N5346B10 1N5240B 1N4740A 1N5347B11 1N5241B ------------- 1N5348B12 1N5242B 1N4742A 1N5349B13 1N5243B 1N4743A 1N5350B14 ----------- ------------- 1N5351B15 1N5245B 1N4744A 1N5352B16 1N5246B 1N4745A 1N5353B18 1N5248B 1N4746A 1N5355B20 1N5250B 1N4747A 1N5357B22 1N5251B 1N4748A 1N5358B24 1N5252 1N4749A 1N5359B27 1N5254B 1N4750A 1N5361B28 ----------- ------------- 1N5362B30 1N5256B 1N4751A 1N5363B33 1N5257B 1N4752A 1N5364B36 1N5258B 1N4753A 1N5365B39 1N5259B 1N4754A 1N5366B43 1N5260B 1N4755A 1N5367B47 1N5261B 1N4756A 1N5368B51 1N5262B 1N4757A 1N5369B56 1N5263B 1N4758A 1N5370B62 1N5265B 1N4759A 1N5372B68 1N5266B 1N4760A 1N5373B75 1N5267B 1N4761A 1N5374B82 1N5268B 1N4762A 1N5375B91 1N5270B 1N4763A 1N5377B100 ----------- 1N4764A 1N5378B120 ----------- ------------- 1N5380B150 ----------- ------------- 1N5383B200 ----------- ------------- 1N5388B

2. DIODOS GERAISTIPO USO CORRENTE TENSÃO REVERSA MÁXIMA

1N914 detetor/alta velocidade

75ma 75 volts

1N4148 detetor/alta velocidade

200mA 75 volts

BB119 varicap usado em CAF ------------- -------------BB809 varicap usado em VHF ------------- -------------

1N4001 retificador 1 A 50 volts1N4002 retificador 1 A 100 volts1N4003 retificador 1 A 200 volts1N4004 retificador 1 A 400 volts1N4005 retificador 1 A 600 volts1N4006 retificador 1 A 800 volts1N4007 retificador 1 A 1000 volts

44

ANOTAÇÕES

Noções de Eletrônica Analógica – Ivanildo Maciel

Apost Eletronica Analogica

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