Apostila de Eletrônica I - UNISANTA

VDVR

ID

IR

Polarização

direta

Polarização

reversa

Tensão de

ruptura

(breakdown)

Tensão de

barreira de

potencial

Anodo

(A)

Catodo

(K)P N

A K

N P N

B

E C

B

E C

VDVR

ID

IR

Polarização

direta

Polarização

reversa

Tensão de

ruptura

(breakdown)

Tensão de

barreira de

potencial

Anodo

(A)

Catodo

(K)P N

A K

B

E C

N P N

B

E C

ORIENTAÇÕES AO ALUNO – ELETRÔNICA I 1º Semestre de 2016

Prof. Daniel ([email protected])

A SEGUIR SERÃO FORNECIDAS DIVERSAS INFORMAÇÕES SOBRE O CURSO DE ELETRÔNICA I. ESPERA-SE QUE O ALUNO TOME CONHECIMENTO DELAS E, EM CASO DE DÚVIDA, PROCURE O PROFESSOR.

Objetivos

Fornecer aos alunos o conhecimento dos dispositivos eletrônicos básicos (diodos e transistores),

desde seus princípios de funcionamento até o dimensionamento para utilização em circuitos simples.

1- Será utilizada a apostila de Eletrônica I que está disponibilizada no site da faculdade. Ela contém toda a teoria e os exercícios que serão vistos. A apostila também está disponível no D.A. de Engenharia, onde poderá ser impressa e encadernada.

2- Também está sendo fornecida, apenas no site da Faculdade, uma apostila básica e um conjunto de arquivos de simulação do aplicativo EWB – Electronics Workbench, um simulador de circuitos eletrônicos, para auxiliar na compreensão dos conceitos de Eletricidade e Eletrônica.

3- Não é necessário entregar nenhum relatório de Laboratório. Os resultados obtidos nas experiências devem auxiliar o aprendizado, confirmando os conceitos vistos na teoria. Muitos dos exercícios (da apostila e das avaliações) podem ser mais facilmente compreendidos quando se tem uma visão prática do assunto. Essa visão é obtida no Laboratório ou com o uso do EWB ou programas similares.

4- A nota bimestral é função apenas da nota da avaliação teórica, que pode também conter questões sobre as experiências de laboratório.

5- A verificação da presença dos alunos será feita sempre no final das aulas, e sempre duas vezes, antes e depois do intervalo.

6- É aconselhável que todos os alunos pesquisem provas anteriores do ENADE, bem como testes de admissão em grandes empresas, que estão disponíveis na Internet. A resolução desses testes permite ao aluno conhecer outras formas de questionamento diferente das vistas na faculdade.

7- É essencial que o material fornecido (apostilas de teoria e laboratório e simulações com o EWB) seja ESTUDADO e COMPREENDIDO, para que seja obtido um aproveitamento adequado da disciplina e consequente aprovação.

8- Sobre as avaliações (P1, P2, P3 e P4): a. serão permitidas APENAS calculadoras científicas simples nas provas; modelos como HP50 e

outras similares que tenham capacidade de armazenamento de textos e/ou de comunicação (via infravermelho, bluetooth etc) estão proibidas; os alunos devem se adaptar à essa exigência; não serão aceitas justificativas posteriores;

b. o uso de celulares de qualquer tipo é PROIBIDO durante a prova, mesmo que seja para uso como calculadora ou simplesmente para ver as horas;

c. o material básico para uso em prova (salvo orientações e necessidades específicas) será: caneta, lápis/lapiseira, borracha, régua e calculadora científica simples; não será permitido o empréstimo de material durante as provas;

d. é necessário portar o crachá da faculdade ou documento com fotografia para identificação; e. a forma de apresentação das respostas numéricas deve se basear na Notação de Engenharia,

conforme documento disponível para os alunos (Formas de Representação Numérica), com as devidas unidades de medida; respostas em formatos diferentes ou com falta de unidade medida estão sujeitas a perda de pontos;

f. segundo ordem expressa da DIREÇÃO, divulgada na reunião de início de semestre (30/01/2015), caso um aluno seja flagrado colando (de outro aluno, de fontes escritas ou eletrônicas ou por qualquer outro meio), o professor deve encaminhar o fato diretamente à direção, que aplicará a punição (suspensão, que pode ocorrer durante o período de provas), além disso será atribuída pelo professor nota zero ao(s) aluno(s) envolvido(s).

9- Este documento (Orientações ao Aluno) está sendo disponibilizado no início do semestre, e será comentado em classe nas primeiras semanas de aula. Subtende-se que TODOS os alunos terão conhecimento dele.

Plano de Ensino

Noções de física dos semicondutores – junções PN

Diodos semicondutores – princípios de funcionamento e características

Retificação de ½ onda e onda completa sem e com filtragem capacitiva

Diodo Zener – princípios de funcionamento e características

Diodos Emissores de Luz – LED- princípios de funcionamento e características

Transistores bipolares de junção – princípios de funcionamento e características

Circuitos básicos com transistores

Projeto de fontes de alimentação estabilizadas

Reguladores integrados de tensão – séries 78XX E LM317

Circuitos de estabilização de polarização em transistores

Laboratório

Características básicas dos diodos semicondutores

Retificação de ½ onda e onda completa sem e com filtragem capacitiva

Características básicas dos diodos Zener – fontes estabilizadas simples

Circuitos com transistores

Bibliografia

Boylestad, Nashelsky – Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos, 2009, Pearson

Halkias, Millman – Eletrônica vol. 1 e 2, 1981; Ed. Mc Graw Hill

Prof. José Daniel S. Bernardo Formas de Representação Numérica

1/16 1

FORMAS DE REPRESENTAÇÃO NUMÉRICA

Quando se deseja fornecer uma informação ou a resposta de um problema em formato numérico, podem ser utilizadas várias maneiras. Vejamos os exemplos abaixo: FÍSICA O comprimento de onda da luz vermelha é de cerca 0,000.000.740m a 0,000.000.625m e sua freqüência situa-se entre 405.000.000.000.000Hz e 480.000.000.000.000Hz. O compri-mento de onda λ (lambda) é determinado dividindo-se a velocidade da luz (300.000.000m/s) pela freqüência da onda. ASTRONOMIA A distância entre a Terra e o Sol é de cerca de 150.000.000 de quilômetros. Já a dis-tância do Sol até a estrela mais próxima, Proxima Centauri, é de cerca de 40.000.000.000.000Km. As formas utilizadas para representação dos valores numéricos acima não estão erra-das, mas não são empregadas em trabalhos técnicos e científicos. Além da dificuldade de leitura, os cálculos envolvendo valores expressos nessas formas seriam muito trabalhosos. Tente calcular a freqüência da luz vermelha dividindo a velocidade da luz (300.000.000m/s) pelo comprimento de onda (0,000.000.740m)! Para a representação de valores muito grandes como distâncias astronômicas, ou mui-to pequenos como comprimentos de ondas de luz, utiliza-se a Potência de Dez, que elimina os zeros antes ou depois da vírgula decimal e os substitui pelo expoente da base 10:

40.000.000.000.000Km = 40x1012Km 300.000.000m/s = 300x106m/s 0,000.000.625m = 625x10-9m

405.000.000.000.000Hz = 405x1012Hz

Na ciência, em geral se utiliza a chamada Notação Científica, que usa a Potência de Dez escrita de uma forma específica:

m x 10e

onde m é a mantissa e e a ordem de grandeza do valor a ser representado. A mantissa, que

representa os algarismos significativos do número, em módulo, sempre terá um valor entre 1 e 10. Utilizando Notação Científica, a representação anterior será um pouco diferente:

40.000.000.000.000Km = 4,0x013Km 300.000.000m/s = 3,0x108m/s 0,000.000.625m = 6,25x10-7m

405.000.000.000.000Hz = 4,05x1014Hz


1/16 2

Já em Engenharia, utiliza-se a Notação de Engenharia, semelhante à Notação Científi-ca, mas que usa os expoentes da potência de 10 em múltiplos de três, positivos e negativos, sen-do que cada um deles têm um nome específico, como pode ser visto na tabela a seguir, que mos-tra os múltiplos e submúltiplos mais utilizados.

SÍMBOLO NOME POTÊNCIA VALOR

MÚLTIPLOS (VALORES

MAIORES QUE 1)

T Tera 1012 1.000.000.000.000

G Giga 109 1.000.000.000

M Mega 106 1.000.000

K Kilo 103 1.000

UNIDADE 100 1,0

m mili 10-3 0,001 SUBMÚLTIPLOS

(VALORES MENORES QUE 1)

µ micro 10-6 0,000.001

n nano 10-9 0,000.000.001

p pico 10-12 0,000.000.000.001

A representação dos valores mostrados anteriormente ficaria assim:

40.000.000.000.000Km = 40x012

Km 300.000.000m/s = 300x10

6m/s (300.000Km/s)

0,000.000.625m = 625x10-9

m = 625nm (625 nanômetros) 405.000.000.000.000Hz = 405x10

12Hz = 405THz (405 Tera Hertz)

Em algumas unidades de medida nem todos os múltiplos são utilizados. Para o metro e o grama, por exemplo, apenas o Kilo (K) é normalmente usado: raramente se usa Mm (Mega metro = 1000Km) o Mg (Mega grama = 1t). Para a representação de distâncias astronômicas utiliza-se, entre outras unidades, o ano-luz, que é a distância que a luz percorre em um ano. Observe que, nos cálculos abaixo, a utiliza-ção de potência de 10 facilita em muito o trabalho de digitação em uma calculadora.

velocidade da luz c = 300.000Km/s = 3x105Km/s

segundos em um ano = 365 dias x 24 horas x 60 min. x 60 seg. = 31.536.000s = 3,1536x107s

distância percorrida pela luz em um ano = 3x105Km/s x 3,1536x10

7s = 9,4608x10

12Km

distância entre a Terra e Proxima Centauri = 40.000.000.000.000Km = 40x1012

Km

distância entre a Terra e Proxima Centauri em anos-luz = 40x10

12Km/9,4608x10

12Km = 4,2279 anos-luz

As representações da página anterior ficariam, agora, mais fáceis de serem interpretadas e utilizadas em cálculos:

FÍSICA O comprimento de onda da luz vermelha é de cerca 740nm a 625nm e sua freqüência situ-a-se entre 405THz e 480THz.

ASTRONOMIA A distância entre a Terra e o Sol é de cerca de 150x10

6 quilômetros. Já a distância do Sol

até a estrela mais próxima, Proxima Centauri, é de cerca de 40x1012

Km, ou 4,2279 anos-luz.

É conveniente notar que as formas demonstradas acima, são utilizadas em ciência e En-genharia. Caso essas informações fossem veiculadas em um jornal ou revista para o público em geral, seria utilizada a forma que mostra todos os zeros do número.


1/16 3

MÉTODOS DE ARREDONDAMENTO O valor exato da distância entre a Terra e Proxima Centauri é de 4,2279722645 , obtido em uma calculadora científica. Na grande maioria das vezes, não é necessária uma represen-tação tão exata. Geralmente duas casas decimais após a vírgula são suficientes. Para isso, é necessário eliminar as casas decimais excedentes, através de um processo denominado ar-redondamento, o que deve obedecer a regras específicas. A ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) entidade que define os padrões em todas as áreas de estudo em nosso país, normalizou esse procedimento através da norma NBR 5891:2014, Regras de arredon-damento na numeração decimal. Em resumo, essa norma diz o seguinte:

1- Se o último algarismo a ser conservado for seguido de um algarismo inferior a cinco, os algarismos após o que queremos conservar devem ser eliminados.

9,4648x1012

Km 9,46x1012

Km

2- Se o algarismo a ser conservado for seguido de um algarismo superior a cinco, ou igual a cinco seguido de no mínimo um algarismo diferente de zero, aumenta-se de uma u-nidade o último algarismo a ser conservado e eliminam-se os demais.

4,2269 anos-luz 4,23 anos-luz

1,235.001 1,24

3- Se o algarismo a ser conservado for ímpar, seguido de um algarismo igual a cinco e posteriormente de zeros, aumenta-se de uma unidade o algarismo a ser conservado e eliminam-se os demais.

2,335.000 2,34

4- Se o algarismo a ser conservado for par, seguido de um algarismo igual a cinco e pos-teriormente de zeros, permanece o algarismo a ser conservado e eliminam-se os de-mais.

2,345.000 2,34

ÚLTIMO ALGARISMO A SER CONSERVADO

ALGARISMO SEGUINTE MENOR QUE 5

→

→ ÚLTIMO ALGARISMO A SER CONSERVADO

ALGARISMO SEGUINTE MAIOR QUE 5

ALGARISMO SEGUINTE IGUAL A 5

ÚLTIMO ALGARISMO A SER CONSERVADO

→


ÚLTIMO ALGARISMO A SER CONSERVADO É IMPAR

→


ÚLTIMO ALGARISMO A SER CONSERVADO É PAR

→


1/16 4

É preciso ressaltar que, em uma especificação, laudo, projeto ou qualquer outro documento técnico que deva se submeter às normas da ABNT, as quatro regras devem ser observadas e seguidas.

Por último, é importante que os métodos de arredondamento apresentados sejam apli-cados apenas no resultado final dos cálculos, como demonstrado abaixo.

34

7 +

23

11 −

51

13

Em algumas situações, os arredondamentos das parcelas podem levar a erros signifi-cativos no resultado final.

ATENÇÃO

Algumas calculadoras podem ser configuradas para arredondar automaticamente os resultados. É melhor que esse procedimento (arredondamento) seja feito pelo próprio aluno. Outras permitem apresentar os resultados em Notação de Engenharia com certo número de casas decimais. Para esse tipo de dispositivo é conveniente ajustar a quantidade de casas decimais em pelo menos quatro. O aluno deve se familiarizar bem com a calculadora ANTES das avaliações, sob pena de arredondamento excessivo e erro significativo no resultado final.

34/7 4,85714285714 → 4,86

+

+ 23/11 2,09090909091 → 2,09

-

- 51/13 3,92307692308 → 3,92

=

=

3,02497502498

3,03

↓

3,02

RESULTADO COM ARREDONDAMENTO

DAS PARCELAS

RESULTADO COM ARREDONDAMENTO APENAS NO FINAL

ARREDONDAMENTO DAS PARCELAS


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EXEMPLOS DE UTILIZAÇÃO DOS CONCEITOS APRESENTADOS

1- Determinar a corrente que circula por um resistor de 3,3KΩ submetido a uma tensão de

10V.

𝐼 = 𝑉

𝑅=

10𝑉

3,3 𝑥 103Ω⟹ 𝐼 = 𝟎,𝟎𝟎𝟑.𝟎𝟑𝟎… 𝑨

Obviamente a sugestão de duas casas decimais após a vírgula não funciona neste ca-so, pois o resultado seria zero. É necessário, antes de tudo, converter a resposta para Notação de Engenharia:

𝐼 = 0,003.030…𝐴 = 3,030.30 𝑥 10−3𝐴 = 3,03 𝑥 10−3𝐴 ⟹ 𝐼 = 𝟑,𝟎𝟑𝒎𝑨

2- Determinar a potência dissipada no resistor do exemplo 1

𝑃 = 𝑉 𝑥 𝐼 = 10𝑉 𝑥 0,003.030…𝐴 = 0,030.300…𝑊 = 30,3 𝑥 10−3𝑊⟹ 𝑃 = 𝟑𝟎,𝟑𝒎𝑾

3- Determinar o período e o comprimento de onda da frequência da estação de FM da Universidade.

𝑓 = 107,7𝑀𝐻𝑧 ⟹ 𝑓 = 107,7 𝑥 106𝐻𝑧

𝑇 = 1

𝑓=

1

107,7 𝑥 106𝐻𝑧= 9,28505 𝑥 10−9𝑠 ⟹ 𝑻 = 𝟗,𝟐𝟗𝒏𝒔

𝜆 =𝑐

𝑓=

300 𝑥 106𝑚/𝑠

107,7 𝑥 106𝐻𝑧 = 2,78552𝑚 ⟹ 𝝀 = 𝟐,𝟕𝟗𝒎

4- Um resistor de 6,8KΩ dissipa uma potência de 18µW. Determinar a corrente que circu-

la por esse resistor

𝑃 = 𝑅 𝑥 𝐼2 ⟹ 18 𝑥 10−6𝑊 = 6,8 𝑥 103 Ω 𝑥 𝐼2

⟹ 𝐼 = 18 𝑥 10−6𝑊

6,8 𝑥 103 Ω = 0,000.051.449.6𝐴 = 51,45 𝑥 10−6𝐴 ⟹ 𝑰 = 𝟓𝟏,𝟒𝟓𝝁𝑨

5- Sendo a distância da Terra ao Sol de cerca de 150 milhões de quilômetros, quanto

tempo demora a luz emitida por ele para chegar até nós?

velocidade da luz c = 300.000Km/s = 3x105Km/s

distância Terra-Sol d = 150.000.000Km = 150x106Km

𝑣 =𝑑

𝑡 ⟹ 3 x 105Km/s =

150 x 106Km

t ⟹ 𝑡 =

150 x 106Km

3 x 105Km/s ⟹ 𝒕 = 𝟓𝟎𝟎𝒔

A luz do Sol demora pouco mais de 8 minutos para chegar até nós.


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CRITÉRIOS DE CORREÇÃO DE AVALIAÇÕES

A tabela abaixo mostra alguns exemplos de respostas inadequadas e adequadas. Su-pondo que os cálculos estão certos e que o valor da esquerda seja a resposta correta da questão, esse valor deve ser convertido para o formato de Engenharia mais adequado, que é o da direita. A resposta da esquerda, mesmo correta, está sujeita a perda de pontos. A falta de unidade de medida é outro item que também pode levar à diminuição da no-ta, como mostrado nas duas últimas linhas da tabela.

RESPOSTA INADEQUADA RESPOSTA ADEQUADA

I = 0,000.001.58A I = 1,58µA

R = 2.358.935,598Ω R = 2,36MΩ

V = 218,3759V V = 218,38V

P = 0,003.219.4W P = 3,22mW

V = 125 V = 125V

R = 8200 R = 8,2KΩ

SUJEITA A PERDA DE PONTOS

EM RESUMO, EM ENGENHARIA DEVE-SE:

1- USAR NOTAÇÃO DE ENGENHARIA 2- EFETUAR CORRETAMENTE OS ARREDONDAMENTOS 3- UTILIZAR SEMPRE AS UNIDADES DE MEDIDA

ATENÇÃO: NÃO SERÁ PERMITIDO O USO DE CALCULADORAS PROGRAMAVEIS SEMELHANTES À HP 50g NAS AVALIAÇÕES, BEM COMO QUALQUER TIPO DE CALCULADORA QUE POSSA

ARMAZENAR ARQUIVOS OU TENHA ALGUM MEIO DE COMUNI-CAÇÃO (INFRAVERMELHO, WIFI, BLUE TOOTH ETC.)

Prof. José Daniel S. Bernardo Eletrônica I

ELETRÔNICA I

ÍNDICE

1 MATERIAIS SEMICONDUTORES 1.1 - Condutores, Isolantes e Semicondutores ......................................................... 1.2 - Dopagem ........................................................................................................... 1.3 - Junções PN .......................................................................................................

2 O DIODO SEMICONDUTOR 2.1 - Polarizações Direta e Reversa .......................................................................... 2.2 - Curva característica de um Diodo ..................................................................... 2.3 - Características e Limitações de Diodos ............................................................ 2.4 - Traçado da Reta de Carga ................................................................................ EXERCÍCIOS .....................................................................................................

3 RETIFICAÇÃO E FILTRAGEM DE SINAIS ALTERNADOS 3.1 - Retificação de Meia Onda ................................................................................. 3.2 - Retificação de Onda Completa .......................................................................... 3.3 - Filtragem do Sinal Retificado ............................................................................. 3.4 - Projeto Básico de Uma Fonte Linear de Tensão Contínua ................................ 3.5 - Revisão de Sinais Alternados Senoidais ........................................................... EXERCÍCIOS .....................................................................................................

4 REGULAÇÃO (ESTABILIZAÇÃO) DA TENSÃO 4.1 - O Diodo Zener ................................................................................................... 4.2 - Dimensionamento de Diodos Zener ..................................................................

EXERCÍCIOS .....................................................................................................

5 INTRODUÇÃO AOS DISPOSITIVOS ÓPTICOS 5.1 - O Diodo LED ...................................................................................................... 5.2 - Displays de LED ................................................................................................. 5.3 – Polarização de LEDs ........................................................................................

EXERCÍCIOS ..................................................................................................... 6 O TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNÇÃO – TBJ

6.1 - Princípio de Funcionamento .............................................................................. 6.2 - Tipos de Ligação de Transistores Bipolares ...................................................... 6.3 - Limitações e Características dos Transistores .................................................. 6.4 - Regiões Limite de Trabalho de um Transistor ...................................................

EXERCÍCIOS ..................................................................................................... 7 APLICAÇÕES COM O TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNÇÃO

7.1 - O Transistor Como Chave- Utilizando o .......................................................... 7.2 - O Transistor Como Chave – Utilizando a Reta de Carga ................................... EXERCÍCIOS ...................................................................................................... 7.3 - Configuração Darlington ...................................................................................... EXERCÍCIOS ...................................................................................................... 7.4 - Ponte H com Transistores ................................................................................... EXERCÍCIOS ...................................................................................................... 7.5 - Fonte de Tensão Estabilizada ............................................................................. 7.6 - Folha de Características Resumidas de Transistores .........................................

1 2 3 5 6 7 10 11 15 16 18 19 23 24 28 29 34 35 39 41 42 45 46 50 57 59 61 68 69 75 83 85 89 90 94


7.7 - Reguladores Integrados de Tensão Contínua ..................................................... 7.8 - Projeto Básico de Uma Fonte Linear de Tensão Contínua Estabilizada ............. EXERCÍCIOS ....................................................................................................... 7.9 - Estabilizando a Polarização de um Transistor .....................................................

EXERCÍCIOS ....................................................................................................... 8 - Consolidando o Conhecimento .............................................................................

EXERCÍCIOS .......................................................................................................

LABORATÓRIO

EXP. 1 - Características do Diodo Semicondutor ..................................................... EXP. 2 - Retificação e Filtragem ............................................................................... EXP. 3 - Características do Diodo Zener ..................................................................

97 103 105 107 112 114 118

119 124 133


1

ELETRÔNICA I

1- Materiais Semicondutores

1.1- Condutores, Isolantes e Semicondutores

Já foram vistos anteriormente dois tipos de características elétricas de materiais: conduto-res e isolantes.

Os condutores são os que permitem a passagem da corrente elétrica quando se aplica a eles uma diferença de potencial; os isolantes não permitem a passagem de corrente na con-dição exemplificada anteriormente. Na verdade, não existem nem condutores nem isolantes perfeitos, mas sim materiais que possuem baixa resistência elétrica (condutores) ou alta resis-tência elétrica (isolantes). Quando se estuda teoricamente os fenômenos elétricos, muitas vezes as características dos dispositivos são simplificadas para melhor compreensão, criando modelos ideais, ou seja, que não apresentam os inconvenientes dos modelos reais. Abaixo são mostrados exemplos ideais de condutor e isolante.

ICondutor ideal

Resistência elétrica nula

(0 ohm)

A corrente elétrica será máxima

V

Isolante ideal

Resistência elétrica infinita

(∞ ohm)

A corrente elétrica será zero

V

Corrente elétrica é o movimento ordenado de elétrons em um determinado material. Os e-

létrons que se movimentam são os que se situam na última das camadas de partículas que envolvem o núcleo, denominada camada de valência e se chamam elétrons livres. Essa mo-vimentação – a corrente elétrica, só é possível quando os elétrons não estão rigidamente li-gados ao átomo e podem se desprender dele. A nível de estrutura atômica, é a quantidade de elétrons da última camada de um átomo que define em qual das categorias de condutibili-dade ele se encaixa. Os materiais condutores têm, geralmente, poucos elétrons na última ca-mada: Cobre e Prata possuem um; o Alumínio possui três. Os isolantes possuem na última camada um número de elétrons próximo a oito e são, na quase totalidade, substâncias com-postas como borracha, vidro, teflon e mica, e não elementos químicos puros. Os elétrons des-ses materiais dificilmente podem ser deslocados para constituir uma corrente elétrica, o que só é possível quando grandes diferenças de potencial (tensões elevadas) são utilizadas.

Os materiais semicondutores apresentam características que os posicionam entre os iso-lantes e os condutores, ou seja, possuem uma resistência elé-trica intermediária. Os dois semicondutores mais utilizados em eletrônica, o Germânio (Ge) e o Silício (Si) apresentam na úl-tima camada eletrônica quatro elétrons.

Quando átomos individuais se unem formam-se diversos tipos de ligações entre eles. No caso de materiais semicondu-tores, essas ligações são as covalentes, onde os quatro elé-trons da última camada de um átomo se unem, cada um de-les, a elétrons da última camada de outros quatro átomos. Cada átomo ficaria, portanto com oito elétrons na última ca-mada (quatro seus e quatro “emprestados” dos átomos vizi-nhos), o que representa estabilidade para o material. Ao lado é mostrado esse arranjo para átomos de Silício, o que é

Si- -

-

-

Si- -

-

-

Si- -

-

-

Si- -

-

-

Si- -

-

-

Ligações

covalentes


2

chamado de rede cristalina. A estabilidade gerada (oito elétrons na última camada) faz com que esses materiais se tornem maus condutores.

A rede cristalina, da forma apresentada não constitui, a princípio, um material semicondutor que possa ser utiliza-do. Mas, se esse material estiver na temperatura ambiente (25ºC) ou acima dela alguns dos elétrons das ligações covalentes podem adquirir energia suficiente para quebrar essas ligações e se tornarem elétrons livres, que poderiam conduzir a corrente elétrica. Esse é o motivo pelo qual a maioria dos dispositivos semicondutores não suporta tem-peraturas elevadas e apresenta características térmicas inversas às dos metais: em um metal, a resistência elétri-ca aumenta com o aumento da temperatura; em um semi-condutor, ocorre o contrário. Os metais possuem coefici-ente de temperatura positivo (aumento da resistência com o aumento da temperatura), enquanto que nos semicondutores o coeficiente de temperatura é negativo (diminuição da resistência com o aumento da temperatura).

A saída do elétron da ligação covalente cria um fenômeno novo: no lugar dele passa a e-xistir uma lacuna (ou buraco, do inglês hole). Agora, temos nos semicondutores dois portado-res de carga (elementos que podem constituir a corrente elétrica): elétrons, de carga negativa e lacunas, de carga positiva (ausência da carga negativa do elétron). O fluxo de corrente em um semicondutor desse tipo pode ser observado a seguir.

Podemos então notar que existirão dois fluxos opostos de portadores de carga dentro de

um semicondutor: o de elétrons, do negativo da fonte (onde há excesso de elétrons) para o positivo (onde há falta de elétrons) e o de lacunas, do positivo para o negativo da fonte.

1.2- Dopagem

Como já foi dito, os cristais semicondutores puros (ditos intrínsecos) não têm aplicação na

confecção de dispositivos eletrônicos. É necessário criar, de forma controlada, portadores de carga nesses cristais. A maneira de

se conseguir isso é inserindo impurezas no cristal de forma a gerar ou lacunas ou elétrons. A esse processo dá-se o nome de dopagem (do inglês dopping).

Os cristais semicondutores produzidos atualmente já apresentam impurezas, visto ser ain-da impossível obter materiais intrinsecamente puros. Essas imperfeições são da ordem de um átomo de impureza para 109 átomos do semicondutor. A dopagem faz com que essa relação aumente para um átomo de impureza para 106 átomos do semicondutor.

Existem duas formas de dopar um cristal semicondutor: com impurezas doadoras, que possuem cinco elétrons na camada de valência ou impurezas receptoras (ou aceitadoras), que possuem três elétrons na última camada.

- Si

-

-

-

-

Si -

-

-

Si- -

-

-

Si- -

-

-

Si- -

-

-

Ligações

covalentesElétron livre

Lacuna

- - - - - -

+ - + -+ -

-- - - - -- - - - - -Corrente de elétrons

do negativo para o positivo

(é a corrente real)

Corrente de lacunas

do positivo para o negativo

(equivale ao sentido da

corrente convencional)


3

Quando uma impureza receptora como o Índio, o Alumínio (Al), o Gálio (Ga) ou o Boro (B),

todos com três elétrons, é utilizada na dopagem, um elétron ficará faltando na ligação cova-lente, gerando um portador de carga positiva (uma lacuna). Isso gera um semicondutor do tipo P (de positivo). As lacunas são os portadores majoritários no material tipo P, e os elétrons que eventualmente estejam livres no material, os minoritários.

Quando uma impureza doadora como o Fósforo (P), o Antimônio (Sb) ou o Arsênio (As), todos com cinco elétrons, é utilizada na dopagem, um elétron irá sobrar na ligação covalente, gerando um portador de carga negativa. Isso gera um semicondutor do tipo N (de negativo). Os elétrons são os portadores majoritários no material tipo N, e as lacunas que eventualmen-te estejam livres no material, os minoritários.

A tendência dos elétrons livres é a de ficar se movimentando randomicamente pelo cristal;

a tendência das lacunas é a de serem completadas por um eventual elétron livre. Semicondutores do tipo N terão, portanto, átomos que perderam elétrons e que se torna-

ram positivos. Semicondutores do tipo P terão átomos que precisam de elétrons (para com-pletar a ligação covalente) e que se tornarão negativos quando receberem esses elétrons.

1.3- Junções PN Ao lado são mostradas as representações

adotadas para os semicondutores tipo P e N, com seus respectivos portadores de carga, la-cunas e elétrons.

Quando as duas regiões, P e N, são criadas em um mesmo bloco de cristal intrínseco, temos a chamada junção PN, que constitui o dispositi-vo semicondutor mais simples, o diodo.

Na região da junção, os elétrons livres do material tipo N são atraídos pelas lacunas do material tipo P, num processo chamado difusão de cargas.

Forma-se então, ao redor da junção, uma região ionizada denominada região ou camada de depleção ou mais correntemente barreira de potencial, cuja po-laridade é oposta à do material respectivo.

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

Átomo da impureza doadora

Elétron livre

Semicondutor tipo N

Lacuna

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

Átomo da impureza aceitadora

Semicondutor tipo P

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

Junção PN

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

P N

+ +-

+-

+ +-

+-

+ +-

+-

Barreira de potencial

-+

-+

-

-+

-+

-

-+

-+

-

P N

+-

Ga -

-

-

Si -

-

-

Si- -

-

-

Si- -

-

-

Si- -

-

-

Ligações

covalentes

Lacuna

Semicondutor tipo P dopado com Gálio

P

-

-

-

-

Si -

-

-

Si- -

-

-

Si- -

-

-

Si- -

-

-

Ligações

covalentesElétron livre

-

Semicondutor tipo N dopado com Fósforo


4


5

2- O Diodo Semicondutor

O diodo semicondutor nada mais é que a união de um material semicondutor tipo P com

outro do tipo N, formando uma junção PN, como já foi visto. Esse dispositivo, o diodo, pode ser polarizado de duas maneiras, mostradas a seguir.

2.1- Polarizações direta e reversa Na polarização direta, o positivo da fonte é li-

gado ao material tipo P e o negativo ao material tipo N. As lacunas do lado P são repelidas pelo positivo da fonte, enquanto que os elétrons do lado N são repelidos pelo negativo. Isso empurra lacunas e elétrons (portadores majoritários) em direção à região da junção e, desde que a tensão aplicada seja superior à tensão de barreira de po-tencial, lacunas e elétrons se recombinam na jun-ção, formando uma corrente elétrica. Em outras palavras, um diodo semicondutor polarizado dire-tamente (VD significa tensão direta, e ID corrente direta) permite a passagem da corrente elétrica.

Na polarização reversa, o oposto em relação

ao caso anterior, lacunas e elétrons são atraídos pela fonte externa, agora chamada de VR. Isso faz com que a barreira de potencial aumente, limitando a passagem da corrente. Uma peque-na corrente de fuga existe (formada pelos porta-dores minoritários), chamada de corrente rever-sa IR, que pode aumentar caso a temperatura do semicondutor aumente, em função da geração de mais portadores de carga livres.

O símbolo do diodo semicondutor é mostrado a seguir com sua correspondência com os materiais P e N da junção.

Os nomes dos terminais têm a ver com o tipo de portador existente em cada material. Quando átomos perdem ou recebem elétrons tornam-se íons, que podem ser de dois tipos, ânions ou cátions. Anodo (A) vem de ânion, que é um átomo que recebeu elétrons e se tornou negativo. É isso que acontece quando os átomos do material P recebem elétrons para ocupar as lacunas existentes. Catodo (K) vem de cátion (ou kátion), que é um átomo que perdeu elé-trons e ficou positivo. Como o material tipo N tem elétrons livres e vai perdê-los para que uma corrente circule pelo semicondutor, os átomos desse material ficarão positivos.

+ +-

+-

+ +-

+-

+ +-

+-


-+

-+

-

-+

-+

-

-+

-+

-

P N

+-

VD

ID

+ + +-

+ + +-

+ + +-


-+

- -

-+

- -

-+

- -

P N

+-

VR

IR

Anodo

(A)

Catodo

(K)P N

A K


6

A partir de agora utilizaremos apenas o símbolo do diodo apresen-tado. É conveniente notar que a seta do símbolo representa o sentido convencional de corrente elétrica (do positivo para o negativo) quando o dispositivo é polarizado diretamente.

Na polarização direta, o diodo permite a passagem da corrente. A tensão direta sobre o diodo (tensão da barreira de potencial) em diodos de Silício (os mais comuns) é da ordem de 0,7V. A tensão sobre a carga (resistor) será, portanto, a diferença entre a tensão de alimentação (V) e a tensão direta sobre o diodo (VD = 0,7V).

Na polarização reversa não existe corrente apreciável através do diodo (apenas a corren-te de fuga, que é muito pequena). A tensão sobre o diodo (VR). será a tensão da fonte, e a tensão sobre a carga será praticamente zero.

Utilizando uma fonte de 12V e uma lâmpada como carga, teremos a situação mostrada a

seguir. Como se pode ver, na polarização direta a lâmpada acenderá, mas haverá uma queda de tensão sobre o diodo que resultará em uma diminuição na tensão entregue à lâmpada; na polarização reversa a lâmpada permanecerá apagada, e toda a tensão da fonte estará sobre o diodo.

Quando se utilizam diodos ideais (apenas como modelos teóricos), a tensão direta será de zero volt (VD = 0V), e a tensão na lâmpada será igual à da fonte.

2.2- Curva característica de um diodo

Um componente eletrônico linear como um resistor não necessita de uma curva característica para representá-lo, já que a relação entre corrente e tensão nele será sempre constante, ou seja, sua resistência possui um valor fixo. Já um semicondutor, por ser um componente não linear, apre-senta variações em sua resistência interna em função da tensão ou corrente de polarização, sendo necessário, para uma análise mais detalhada, que se use uma curva que ex-presse as características do componente.

A curva característica básica para diodos semiconduto-res é apresentada ao lado. Na região de polarização direta, o diodo começa a conduzir a partir da tensão de barreira de potencial (para o Silício, 0,7V). Antes disso a corrente direta é muito baixa.

Na polarização reversa, a corrente no diodo é extremamente baixa enquanto a tensão sobre ele fica abaixo do limite de ruptura. Quando alcançamos essa tensão (de ruptura ou breakdown) ocorre um fenômeno chamado avalanche (dos portadores de carga do semicondutor), a corrente aumenta bruscamente e a junção quase sempre é destruída (existe uma tipo de diodo denomina-do Zener, que será estudado posteriormente, que trabalha de forma controlada dentro da região de ruptura).

A K

ID

V V- VD

VD

ID V V = 0

VR = V

IR = 0

Polarização direta Polarização reversa

12V 11,3V

0,7V

ID V = 0

12V

IR = 0

Polarização direta Polarização reversa

12V

Lâmpada

acesaLâmpada

apagada

VDVR

ID

IR

Polarização

direta

Polarização

reversa

Tensão de

ruptura

(breakdown)

Tensão de

barreira de

potencial


7

2.3- Características e limitações de diodos Estudaremos as características básicas de diodos semicondutores através das folhas de

informação (datasheets) fornecidas pelos fabricantes. São apresentados a seguir dois tipos de diodos, para aplicações diferentes, a série 1N400X e o 1N4148. O primeiro é na verdade uma família de diodos de uso geral (General Purpose Rectifiers) para trabalhos em baixa freqüên-cia e o outro um modelo para freqüências mais elevadas e baixa potência (Small Signal Dio-de).

Os dois principais limites operacionais de um diodo são a máxima corrente direta que ele suporta (ID ou IF onde o F representa Forward, ou Direta) e a máxima tensão reversa (VR) que pode ser aplicada sobre ele.

A família 1N400X, que vai do 1N4001 até o 1N4007, apresenta para cada um dos últimos dígitos do código (de 1 a 7) uma tensão reversa máxima diferente, mas uma mesma corrente direta máxima para todos eles (ver os itens VRRM e IF). Esses dois valores são para si-nais alternados, visto ser este um componente utilizado normalmente em retificação de sinais senoidais de 60Hz (assunto que será visto posteriormente). Em resumo, a família 1N400X suporta tensões reversas máximas de 50V a 1000V e correntes diretas máximas de 1A.

Alguns dos outros parâmetros do componente são definidos em certas condições opera-cionais. O componente pode dissipar no máximo 3W (PD) e a tensão direta (VF) sobre ele será de 1,1V, quando a corrente direta (IF) for de 1A. A corrente reversa (IR), como já foi visto, de-penderá da temperatura. Nas tensões limites de cada modelo, para 25ºC será de 5µA e para 100ºC será de 50µA.

Finalmente, a capacitância da junção (todos os dispositivos elétricos apresentam, além da resistência, capacitâncias que podem afetar seu funcionamento, principalmente quando traba-lham em sinais de freqüências elevadas). Para uma tensão reversa de 4V e uma freqüência de sinal de 1MHz, a capacitância da junção (CT) será de 15pF (15.10-12F).

O 1N4148 é um tipo de diodo conhecido como de chaveamento, termo que indica que ele trabalhará com sinais elétricos que variam rapidamente, como sinais quadrados. Para poder trabalhar dessa forma, sua capacitância deve ser baixa, o que se confirma, com os valores de 2 a 4pF. Outra indicação da resposta rápida do diodo é o seu tempo de recuperação reversa, trr, que indica quanto tempo o dispositivo demora em parar de conduzir quando a polaridade sobre ele se inverte da tensão direta (aonde o diodo conduz) para reversa (aonde ele deve se comportar como um isolante). Esse tempo no 1N4148 é de 4ns (4.10-9s). Outras característi-cas máximas como tensão reversa, corrente direta e potência dissipada mostram que este dispositivo foi desenvolvido para trabalhar realmente com pequenos sinais (baixa potência).

As folhas de informações mostradas estão incompletas, pois os gráficos que as acompa-nham não aparecem. Eles podem ser obtidos no site do fabricante (Fairchild), lembrando que existem várias outras empresas que produzem e comercializam esses componentes, utilizan-do os mesmos nomes comerciais (1N400X e 1N4148).

Existem muitos outros parâmetros desses componentes. Apenas os principais e mais u-sados foram comentados.


8


9


10

2.4- Traçado da Reta de Carga Quando um componente não apresenta uma característica linear, não é possível equacioná-lo

de uma forma simples como foi feito com os resistores. É necessário levar em conta como ele varia para alterações de tensão, corrente, temperatura, etc. As curvas do dispositivo expressam essas variações, e a forma de associá-las ao circuito que se deseja projetar é através do traçado da reta de carga desse circuito.

Em seguida é apresentado um roteiro para o traçado e a utilização da reta de carga em dio-dos.

Suponha a situação ao lado, onde é pedida a tensão sobre o resistor do circuito. Como o diodo é um componente não linear, não sabemos qual o valor de sua resistência interna. Apenas utili-zando a curva característica do dispositivo, poderemos determi-nar (com as aproximações criadas pelo traçado da reta de carga no gráfico) os valores de VD e ID, para em seguida obter o valor desejado (VRes).

Método para o traçado da reta de carga

1º passo- Considerar o diodo um curto (Vd = 0) e determinar a corrente no circuito; marcar o valor encontra-do no gráfico (Id = 0,2A; Vd = 0).

𝐼𝑑 = 𝑉

𝑅=

10

50 ⟹ 𝐼𝑑 = 0,2𝐴

2º passo – Considerar o diodo um circuito aberto (Vd = Vcc =10V).e determinar a tensão sobre ele; marcar o valor encontrado no gráfico (Id = 0; Vd = 10V).

𝑉𝑑 = 𝑉 = 10𝑉 3º passo- Unir os dois pontos por uma reta, que será a reta de carga do circuito. 4º passo- O ponto onde a reta de carga intercepta a curva do diodo é denominado ponto quiescente (ou de

repouso), que é o ponto de operação ou de funcionamento do circuito. A partir desse ponto, desenhando uma linha vertical até o eixo das tensões, determinamos VdQ; desenhando outra linha, agora horizontal, até o eixo das correntes, determinamos IdQ. Os valores encontrados, VdQ = 0,8V e IdQ = 0,18A são os valores quiescentes ou de funcionamento do circuito.

Sabendo os valores de corrente e tensão no circuito, podemos determinar a tensão no resistor de duas maneiras:

𝑉𝑅𝑒𝑠 = 𝑅. 𝐼𝑑𝑄 = 50.0,18 ⟹ 𝑉𝑅𝑒𝑠 = 9𝑉 ou 𝑉𝑅𝑒𝑠 = 𝑉 − 𝑉𝑑𝑄 = 10 − 0,8 ⟹ 𝑉𝑅𝑒𝑠 = 9,2𝑉

A diferença entre os dois resultados (cerca de 2%) deve-se às imperfeições do traçado da reta no gráfico e às consequentes leituras dos valores obtidos.

OBS.: Na maioria das vezes, quando se utilizam diodos, é considerada a tensão de barreira (VD= 0,7V, para o Silício) para os cálculos.

10V 50

VD

ID


11

Exercícios

2.1- Dada a forma de onda (f. o.) do gerador G ao lado, determi-ne as f. o. sobre os diodos e resistores dos circuitos abaixo. Con-siderar VD = 0,7V para todos os casos. (É CONVENIENTE IMPRIMIR ESTE EXERCÍCIO EM UMA FO-LHA A4 PARA FACILITAR O TRAÇADO DOS SINAIS)

0 1 2t (s)

vd (V)5

5

vRes (V)

0 1 2t (s)

5

5

G B

G A

0 1 2t (s)

vd (V)5

5

vRes (V)

0 1 2t (s)

5

5

G C

G D

0 1 2t (s)

vd (V)5

5

vRes (V)

0 1 2t (s)

5

5

0 1 2t (s)

vd (V)5

5

vRes (V)

0 1 2t (s)

5

5

G E

G F

0 1 2t (s)

vd (V)5

5

vRes (V)

0 1 2t (s)

5

5

0 1 2t (s)

vd (V)5

5

vRes (V)

0 1 2t (s)

5

5

G G

G H

0 1 2t (s)

vd (V)5

5

vRes (V)

0 1 2t (s)

5

5

0 1 2t (s)

vd (V)5

5

vRes (V)

0 1 2t (s)

5

5

0 1 2t (s)

VG (V)5

5


12

2.2- Quais as possíveis utilidades para os arranjos de diodos nos circuitos C, D e E/F do exer-cício anterior ?

2.3- Complete a tabela com informações das pág. 8 e 9.

IF VR VF@IF=1A VF@IF=20mA IR@VR=VDIODO

T=100ºC IR@VR=20V

T=150ºC CT

ENCAP-SULAM.

1N4001

1N4007 1N4148

1N4448 Os próximos exercícios devem ser feitos através do traçado da reta de carga, utilizando o

gráfico da próxima página.

2.4- Determinar a potência dissipada na lâmpada. Considerar a resistência da lâmpada constante para qualquer tensão.

Resp.: PL = 5,08W

2.5 - Dado o circuito, complete a tabela com os valores pedidos. O valor rid é a resistência in-terna do diodo, que é variável e depende da polarização no circuito. Esse valor é o quociente dos valores de VdQ e IdQ, encontrados no gráfico. Analise os resultados obtidos. Em seguida, adote valores para V e R no item e, de forma a obter o maior valor de rid da tabela.

VRes

V R IdQ VdQ R.IdQ V-VdQ rid

a 6 10 b 10 10 c 6 20 d 10 20 e V A V V V

12V 12V

6W

V R


13


14


15

3 - Retificação e Filtragem de Sinais Alternados

Praticamente todos os equipamentos eletrônicos funcionam alimentados com tensões contí-nuas, que podem ser obtidas de baterias ou de fontes de alimentação Estas últimas, transformam a tensão alternada da rede elétrica em tensão contínua. A distribuição de energia elétrica é feita através de tensão alternada senoidal (ver revisão de sinais alternados senoidais no final deste capítulo, pág. 23), por ser esta mais fácil de gerar e transformar para valores maiores ou menores de tensão. O processo de aumentar ou rebaixar tensões alternadas é feito com dispositivos induti-vos denominados transformadores.

Existem basicamente dois tipos de fontes de alimentação: lineares e chaveadas. As cha-veadas são bem mais complexas e necessitam de conhecimentos adicionais para serem compre-endidas. Vamos estudar, aqui e nos capítulos seguintes, os princípios básicos das fontes de ali-mentação lineares, cujos módulos constituintes são: transformador, retificador(es), filtro e regula-dor (ou estabilizador) de tensão.

3.1- Retificação de Meia Onda

Os transformadores são dispositivos constituídos de indutores (bobinas), que se utilizam da indução eletromagnética para transformar uma tensão alternada aplicada ao enrolamento deno-minado primário (Vpri) em outra tensão maior ou menor que a anterior e que será obtida no enro-lamento secundário (Vsec).

Um exemplo simples: quando se deseja uma fonte de 12V, tensão contínua (Vdc ou Vcc), é necessário um transformador que abaixe a tensão da rede elétrica (geralmente 110V, 127V ou 220V) para um valor bem menor, de forma a se obter a tensão (Vdc) desejada na saída da fonte.

O diodo, como já foi visto, permite a passagem da corrente em

apenas um sentido. No exemplo mostrado, apenas o semiciclo posi-tivo do sinal senoidal será transferido para a carga (resistor RL). O semiciclo negativo será barrado pelo diodo. Ao lado podem ser vis-tas as formas de onda antes do diodo (Vsec) e após este (Vdc). A tensão, que era alternada, transformou-se em uma tensão contínua pulsante. Ainda não é a ten-são que a maioria dos equipamentos necessita para funcionar, pois falta, pelo menos, a etapa de filtragem que será vista mais adiante. Se essa tensão for medida por um voltímetro para sinais contínuos, será encontrado o valor médio do sinal pulsante, subtraindo, do valor de pico, a queda de tensão sobre o diodo (0,7V para o Silício):

𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑚 = 𝑉𝑝 − 𝑉𝑑

𝜋

As correntes na carga (Idc) e no diodo (Id) serão:

𝐼𝑑𝑐 = 𝐼𝑚 =𝑉𝑑𝑐

𝑅𝐿 𝐼𝑑 = 𝐼𝑑𝑐

E a tensão reversa sobre o diodo, durante o semiciclo negativo, será:

𝑉𝑅 = 𝑉𝑝 (𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑜 𝑠𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑎𝑙𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑑𝑜)

Esta forma de retificação (meia onda) não é muito usada por ser ineficiente, pois perde a energia disponível em um dos semiciclos (no exemplo, o negativo), que não é utilizado.

t

Vdc

0 2p t

Vsec

3p 4pp

0 2p 3p 4pp

RL

Transformador

Primário Secundário

D

Vpri Vsec Vdc

Id

Idc


16

3.2- Retificação de Onda Completa

Existem duas formas de se obter uma retificação de onda completa, onde os dois semici-clos do sinal alternado serão utilizados: com transformadores especiais, que possuem uma derivação do enrolamento denominada Center Tap CT , ou com pontes de diodos.

3.2.1- Retificação de Onda Completa com Transformadores de CT

O transformador de CT (Center Tap ou derivação central) apresenta dois enrolamentos secundários idênticos, que fornecem tensões iguais, mas com fases opostas (defasadas de 180º), que podem ser vistas nos gráficos (Vsec1 e Vsec2).

No intervalo de 0 a p o diodo D1 conduz o semiciclo positivo de Vsec1, enquanto D2 está

cortado (não conduz); no intervalo de p a 2p o diodo D2 conduz o semiciclo positivo de Vsec2, enquanto D1 está cortado. As correntes que passam por cada um dos diodos retornam ao transformador pelo CT. Esta sequência prossegue nos ciclos seguintes. Agora, os dois semiciclos do sinal alternado aparecem na carga e a retificação é de onda completa.

Se essa tensão for medida por um voltímetro para si-nais contínuos, será encontrado o valor médio do sinal pulsante:

𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑚 =2(𝑉𝑝 − 𝑉𝑑)

𝜋


𝐼𝑑𝑐 = 𝐼𝑚 =𝑉𝑑𝑐

𝑅𝐿 𝐼𝑑 =

𝐼𝑑𝑐

2

A tensão reversa sobre o diodo será o dobro do valor de pico. Para entender por que, su-

ponhamos que o valor de pico das tensões do secundário seja de 10V. Quando D1 conduz, a tensão de pico de Vsec1 (+10V) aparece no catodo de D2, que esta cortado (não conduzindo); no anodo de D2 temos nesse instante o semiciclo negativo de Vsec2 (-10V). A tensão sobre D2 será a diferença de potencial entre seu anodo e catodo, ou seja: [(-10V) - (+10V)], que resul-ta em -20V. Portanto:

𝑉𝑅 = 2𝑉𝑝

t

Vdc

t

Vsec1

t

Vsec2

0 2p 3p 4pp

0 2p 3p 4pp

0 2p 3p 4pp

RL

D1

Center Tap

CTVpri

Vsec1

Vsec2

Id1

Id2

D2

Vdc

Idc


17

3.2.2- Retificação de Onda Completa com Ponte de Diodos (Retificação em Ponte)

Uma ponte de diodos é um arranjo que utiliza quatro destes dispositivos montados como no diagrama abaixo. Para entender seu funcionamento é preciso lembrar que uma tensão é sempre medida em relação a um determinado ponto (referência). O semiciclo é positivo no lado A do enrolamento em relação ao lado B deste, que assume valor zero. Quando no lado A temos o semiciclo negativo ele também é referenciado ao lado B, que é zero. Mas podemos pensar de outra forma: o lado A é zero e o B é positivo ou negativo (onda tracejada). Isso não muda em nada a polaridade da onda, mas auxilia na análise do circuito. As setas de corrente pintadas de vermelho são referentes ao semiciclo positivo no lado A do transformador; as em azul representam a corrente no momento em que o semiciclo é negativo no lado A (ou positi-vo no B) do transformador. Podemos notar que as setas de corrente antes da ponte se apre-sentam nos dois sentidos (sinal alternado), enquanto que após a ponte o sentido é único (si-nal contínuo). A corrente do semiciclo positivo (em vermelho) passa pelos diodos D1 e D3, en-quanto que a do semiciclo negativo (em azul) passa por D2 e D4.

Neste arranjo, a corrente passa sempre por dois diodos em série (D1 e D3 ou D2 e D4), portanto a queda de tensão sobre os diodos será o dobro das situações anteriores. A tensão contínua na saída da ponte será então:

𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑚 =2(𝑉𝑝 − 2𝑉𝑑)

𝜋


𝐼𝑑𝑐 = 𝐼𝑚 = 𝑉𝑑𝑐

𝑅𝐿 𝐼𝑑 =

𝐼𝑑𝑐

2

Analise o circuito e conclua por que a tensão reversa sobre os diodos será praticamente a

tensão de pico do secundário:

𝑉𝑅 = 𝑉𝑝

t

Vsec

t

Vdc

0 2p 3p 4pp

0 2p 3p 4pp

Vpri Vsec D1

D3

D2

D4

RL Vdc

Idc

A

B


18

3.3- Filtragem do Sinal Retificado

Como foi dito anteriormente, a maioria dos sistemas eletrônicos funciona com tensões

contínuas. No entanto, a rede de distribuição de energia é de tensão alternada, que precisa ser convertida em contínua. Os retificadores vistos até agora fazem exatamente isso, mas ainda não obtivemos uma tensão contínua pura, e sim uma contínua pulsante, como pode ser visto nos gráficos abaixo.

Para diminuir as ondulações do sinal retificado pulsante e tentar aproximá-lo de um sinal

contínuo puro, são geralmente utilizados filtros capacitivos, conectados como mostrado a se-guir. Como são necessárias capacitâncias elevadas, os capacitores utilizados são geralmente do tipo eletrolítico, com valores da ordem de centenas ou milhares de micro Farads (µF ou 10-6F).

Basicamente, o capacitor se carrega com o valor de pico do sinal pulsante e vai se

descarregando lentamente no intervalo entre os dois picos de tensão. Quanto maior for a capacitância do capacitor, mais carga elétrica ele terá para suprir de corrente a carga (RL). No entanto, se o valor da carga for alto (o que significa um baixo valor de resistência elétrica, com maior consumo de corrente), o capacitor pode não ser capaz de eliminar as ondulações, que aparecerão sobrepostas ao sinal contínuo. Essas ondulações são denominadas ripple e podem ser vistas a seguir.

É importante notar que a frequencia do ripple depende do tipo de retificação: em redes de

60Hz, como no Brasil, para meia onda será de 60Hz, enquanto que para onda completa será o dobro, ou 120Hz.

t

Vdc

t

Vdc

Tensão contínua pulsante Tensão contínua pura

0 2p 3p 4pp 0 2p 3p 4pp

Vpri Vsec D1

D3

D2

D4

RL VdcC+

t

Vdc

t

Vdc

Ripple baixo:

capacitância alta e/ou carga baixa

Ripple alto:

capacitância baixa e/ou carga alta

0 2p 3p 4pp 0 2p 3p 4pp


19

t

Vp’

Vr(pp)Vdc

0 2p 3p 4pp

3.4- Projeto Básico de Uma Fonte Linear de Tensão Contínua

AS FÓRMULAS A SEGUIR SÃO VÁLIDAS PARA RETIFICADORES DE ONDA COMPLETA COM FILTRO CAPACITIVO.

O valor da tensão de ripple ou de ondulação é expresso por:

𝑉𝑟 𝑒𝑓 = 𝐼𝑑𝑐

4. 10−3√3𝑓𝐶=

2,4𝐼𝑑𝑐𝐶

= 2,4. 103𝑉𝑑𝑐

𝑅𝐿𝐶

onde:

ATENÇÃO PARA OS SUBMÚLTIPLOS mA e µF DAS FÓRMULAS! *

O valor da tensão contínua na saída do filtro é dado por:

𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑝′ −𝐼𝑑𝑐

4. 10−3𝑓𝐶= 𝑉𝑝′ −

4,17𝐼𝑑𝑐𝐶

= 𝑉𝑝′

1 +4,17. 103

𝑅𝐿𝐶

onde: O fator de ripple será:

𝑟 =𝑉𝑟 𝑒𝑓

𝑉𝑑𝑐. 100% =

2,4𝐼𝑑𝑐𝐶𝑉𝑑𝑐

. 100% =2,4. 103

𝑅𝐿𝐶. 100%

onde:

A partir das equações acima e das mostradas nos itens anteriores, pode-se dimensionar fontes lineares simples. Três exemplos são mostrados a seguir.

*Obs.: No livro Dispositivos Eletrônicos (Boylestad), de onde foi extraído este método, os cálculos são feitos com RL em Kilo Ohms. Nesta apostila utilizamos RL em Ohms. Os fatores 103 e 10-3 nas fórmulas são para efetuar a conversão de Kilo Ohms para Ohms.

Vr é a tensão eficaz do ripple (em V eficazes)

Idc é a corrente contínua na carga (em mA)

f é a frequencia da rêde elétrica (60Hz)

C é o capacitor de filtro (em µF)

Vdc é a tensão continua na carga (em V)

RL é a resistência da carga (em Ω)

No gráfico ao lado podem ser vistos o valor de pico da tensão retificada (Vp’), o valor pico a pico do ripple (Vr(pp)) e o valor contínuo (Vdc), sobre a carga RL com o capacitor de filtro C instalado.

Vp’ é a tensão de pico do sinal senoidal APÓS os retificadores (em V)

para retificação com transformador de CT, Vp’ = Vp – Vd

para retificação em ponte, Vp’ = Vp – 2Vd

Vp é a tensão de pico no secundário do transformador

quando os diodos são considerados ideais (Vd = 0), Vp’ = Vp

r é o fator de ripple (em %)

Vpri Vsec D1

D3

D2

D4

RL C+

Vp

Vp’

RL

D1

Center Tap

CTVpri

Vsec1

Vsec2

D2

+

Vp’

C

Vp

Vp


20

Exemplo 1: Para o circuito abaixo, onde o fator de ripple da tensão na carga desejado é de 5%, deter-mine:

a tensão no secundário do transformador;

as características dos diodos (VRmáx e Idmáx) e os diodos da série 1N400X mais adequa-dos;

o valor do capacitor de filtro e sua tensão. Considerar o fator de segurança para dimensionamento dos componentes igual a 50%. Considerar a queda de tensão sobre cada diodo, na polarização direta, igual a 0,7V.

cálculo da corrente contínua na carga:

𝐼𝑑𝑐 = 𝑉𝑑𝑐

𝑅𝐿=

12𝑉

12Ω⟹ 𝐼𝑑𝑐 = 1𝐴

cálculo da tensão eficaz de ripple:

𝑟 = 𝑉𝑟(𝑒𝑓)

𝑉𝑑𝑐. 100% ⟹ 5% =

𝑉𝑟(𝑒𝑓 )

12. 100% ⟹ 𝑉𝑟(𝑒𝑓) = 0,6𝑉

cálculo do capacitor:

𝑉𝑟(𝑒𝑓) = 2,4𝐼𝑑𝑐

𝐶 ⟹ 0,6 =

2,4.1000

𝐶 ⟹ 𝐶 = 4000𝜇𝐹

cálculo da tensão de pico na carga:

𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑝′ − 4,17𝐼𝑑𝑐

𝐶 ⟹ 12 = 𝑉𝑝′ −

4,17.1000

4000 ⟹ 𝑉𝑝′ = 13,04𝑉

cálculo da tensão de pico no secundário do transformador: 𝑉𝑠𝑒𝑐 𝑝 = 𝑉𝑝′ + 2𝑉𝑑 = 13,04 + 2.0,7 ⟹ 𝑉𝑠𝑒𝑐 𝑝 = 14,44𝑉

cálculo da tensão eficaz no secundário do transformador:

𝑉𝑠𝑒𝑐 𝑒𝑓 = 𝑉𝑠𝑒𝑐 𝑝

√2=

14,44

√2 ⟹ 𝑉𝑠𝑒𝑐 𝑒𝑓 = 10,21𝑉

dimensionamento dos diodos:

𝐼𝑑(𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 ) ≥ 𝐼𝑑𝑐2

.1,5 =1

2 .1,5 ⟹ 𝐼𝑑(𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 ) ≥ 0,75𝐴

𝑉𝑅(𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 ) ≥ 𝑉𝑠𝑒𝑐 𝑝 .1,5 = 14,44.1,5 ⟹ 𝑉𝑅(𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 ) ≥ 21,66𝑉 diodo escolhido 1N4001 VRmáx = 50V e Idmáx = 1A dimensionamento do capacitor:

𝑉𝐶 ≥ 𝑉𝑑𝑐 . 1,5 = 12.1,5 ⟹ 𝑉𝐶 ≥ 18𝑉

Vpri Vsec D1

D3

D2

D4

12Ω 12VC+

O Fator de Segurança (FS) de 50% aparece sob a forma da constan-te 1,5 nas fórmulas ao lado. Esse fator se aplica no dimensionamento de componentes, geralmente para ten-são, corrente e potência, e NUNCA para resistência, capacitância e indu-tância. A função do FS é escolher um componente que suporte pelo menos 50% a mais de tensão e/ou corrente e/ou potência do que aparecerá sobre esse componente no circuito em estu-do. Outros FS, como 100% (2,0) ou 200% (3,0) podem ser necessários em outros tipos de projeto.


21

Exemplo 2:

Para o circuito abaixo, determine:

a tensão contínua na carga

a tensão de ripple;

o fator de ripple;

as características dos diodos (VRmáx e Idmáx), do capacitor (tensão) e do resistor (resistência e potência).

Considerar o fator de segurança para dimensionamento dos componentes igual a 50%. Considerar a queda de tensão sobre cada diodo, na polarização direta, igual a 0,7V.

Verificar se algum dos diodos da série 1N400X pode ser utilizado nesta fonte. cálculo da tensão de pico na entrada do retificador:

𝑉𝑝 = 𝑉𝑒𝑓√2 = 220√2 ⟹ 𝑉𝑝 = 311,13𝑉

cálculo da tensão de pico retificada:

𝑉𝑝′ = 𝑉𝑝 − 2𝑉𝑑 = 311,13 − 2.0,7 ⟹ 𝑉𝑝′ = 309,73𝑉 cálculo da tensão contínua na carga:

𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑝′ − 4,17𝐼𝑑𝑐

𝐶 = 309,73 −

4,17.650

1000 ⟹ 𝑉𝑑𝑐 = 307𝑉

cálculo da tensão de ripple:

𝑉𝑟(𝑒𝑓 ) = 2,4𝐼𝑑𝑐

𝐶 =

2,4.650

1000 ⟹ 𝑉𝑟(𝑒𝑓 ) = 1,56𝑉

cálculo do fator de ripple:


𝑉𝑑𝑐. 100% =

1,56

307. 100% ⟹ 𝑟 = 0,5%

dimensionamento dos diodos:

𝐼𝑑(𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 ) ≥ 𝐼𝑑𝑐

2. 1,5 =

0,65

2 .1,5 ⟹ 𝐼𝑑(𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 ) ≥ 0,488𝐴

𝑉𝑅(𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 ) ≥ 𝑉𝑝 .1,5 = 311,13.1,5 ⟹ 𝑉𝑅(𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 ) ≥ 466,7𝑉

Pode ser utilizado o diodo 1N4005 cujas características são: VRmáx = 600V e Idmáx = 1A

dimensionamento do capacitor:

𝑉𝐶 ≥ 𝑉𝑑𝑐 . 1,5 = 307.1,5 ⟹ 𝑉𝐶 ≥ 461𝑉 dimensionamento do resistor:

𝑅 = 𝑉𝑑𝑐

𝐼𝑑𝑐=

307

0,65 ⟹ 𝑅 = 472,3Ω

𝑃𝑅 ≥ 1,5(𝑉𝑑𝑐 )2

𝑅= 1,5.

3072

472,3 ⟹ 𝑃𝑅 ≥ 299,3𝑊

220V

650mA 1000mF

+RL

Neste caso, os diodos poderiam ser conside-rados ideais (Vd = 0), pois a diferença por-centual entre Vp’ e Vp é muito pequena.


22

Exemplo 3:

Para o circuito abaixo, a tensão eficaz de cada secundário é de 80V, o capacitor é de 2200µF e a carga é de 120Ω. Determinar:

a- a tensão contínua na carga e o seu ripple %; b- as características dos diodos (indicar o 1N400X mais adequado) e do capacitor (ten-

são).

a- cálculo da tensão de pico na entrada do retificador:

𝑉𝑝 = 𝑉𝑒𝑓√2 = 80√2 ⟹ 𝑉𝑝 = 113,14𝑉

cálculo da tensão de pico retificada:

𝑉𝑝′ = 𝑉𝑝 − 𝑉𝑑 = 113,14 − 0,7 ⟹ 𝑉𝑝′ = 112,44𝑉 cálculo da tensão contínua na carga:

𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑝′

1 +4,17. 103

𝑅𝐿𝐶

= 112,44

1 +4,17. 103

120 . 2200

⟹ 𝑉𝑑𝑐 = 110,7𝑉

cálculo da tensão de ripple:

𝑉𝑟(𝑒𝑓 ) = 2400𝑉𝑑𝑐

𝑅𝐿𝐶 =

2400 . 110,7

120 . 2200 ⟹ 𝑉𝑟(𝑒𝑓 ) = 1,0𝑉

cálculo do fator de ripple:

𝑟 = 𝑉𝑟(𝑒𝑓 )

𝑉𝑑𝑐. 100% =

1,0

110,7. 100% ⟹ 𝑟 = 0,9%

b- dimensionamento dos diodos:

𝐼𝑑𝑐 = 𝑉𝑑𝑐

𝑅𝐿 =

110,7

120= 0,92𝐴

𝐼𝑑(𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 ) ≥ 𝐼𝑑𝑐

2. 1,5 =

0,92

2 .1,5 ⟹ 𝐼𝑑(𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 ) ≥ 690𝑚𝐴

𝑉𝑅(𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 ) ≥ 2 . 𝑉𝑝 . 1,5 ≥ 2 . 113,14 . 1,5 ⟹ 𝑉𝑅(𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 ) ≥ 339,4𝑉

Pode ser utilizado o diodo 1N4004 cujas características são: VRmáx = 400V e Idmáx = 1A

dimensionamento do capacitor:

𝑉𝐶 ≥ 𝑉𝑑𝑐 . 1,5 = 110,7 . 1,5 ⟹ 𝑉𝐶 ≥ 166,1𝑉

RL

D1

Vpri

Vsec1

Vsec2

D2

+C


23

3.5 – Revisão de Sinais Alternados Senoidais

As representações abaixo (valores de pico a pico, pico, eficaz e médio) servem tanto para tensão quanto para corrente e potência elétricas.

Obs.: As representações mostradas acima são diferentes na língua inglesa, como mos-tra a tabela comparativa abaixo (outras formas podem também ser encontradas):

PORTUGUÊS INGLÊS

pico a pico VPP VPK-PK Peak to Peak

pico VP VMAX ou VM ou VPK Maximum ou Peak

eficaz Vef VRMS Root Mean Square*

médio Vm VAV ou VAVG Average

Deve-se ter cuidado para, em manuais e data sheets em inglês, não confundir VM que significa tensão de pico com Vm que representa, para nós, a tensão média.

* RMS ou Root Mean Square indica o valor obtido a partir de um algoritmo que efetua a raiz quadrada (ROOT) da média aritmética (MEAN) de uma série de valores previamente elevados ao quadrado (SQUARE). A partir dele se obtêm o valor eficaz (ou RMS) de uma variável elétrica (tensão, corrente ou potência). Um valor eficaz de tensão, corrente ou potência equivale, em energia, a um valor con-tínuo: 10VCC aplicados a um resistor produzem, nesse resistor uma certa quantidade de calor i-dêntica a 10Vef ou 10VRMS.

𝑉𝑝 = 𝑉𝑝𝑝2

𝑉𝑒𝑓 = 𝑉𝑝

√2

𝑉𝑚 = 0

SINAL SENOIDAL

zeroVpp

+VpVef

-Vp0

2pp

zero

+Vp

VmVef

0 2pp


√2

𝑉𝑚 =2𝑉𝑝π

SINAL SENOIDAL RETIFICADO EM ONDA COMPLETA

+Vp

zeroVmVef

0 2pp

𝑉𝑒𝑓 = 𝑉𝑝2

𝑉𝑚 =𝑉𝑝π

SINAL SENOIDAL RETIFICADO EM ½ ONDA


24

Exercícios

3.1- Sabendo que:

- As lâmpadas acendem quando a tensão sobre elas excede 5Vef

- Os diodos são ideais

Determinar:

a- Quais as formas de onda sobre as lâmpadas?

b- Quais as tensões (valor eficaz) sobre as lâmpadas?

c- Quais lâmpadas acendem?

12V

L1 L2

L3

L4

L5

L6 L8

L7

t

Vi

t

VL1

t

VL2

t

VL3

t

VL4

t

Vi

t

VL5

t

VL6

t

VL7

t

VL8

0 2p 3p 4pp

0 2p 3p 4pp

0 2p 3p 4pp

0 2p 3p 4pp

0 2p 3p 4pp 0 2p 3p 4pp

0 2p 3p 4pp

0 2p 3p 4pp

0 2p 3p 4pp

0 2p 3p 4pp


25

PARA OS EXERCÍCIOS A SEGUIR, DESENHE OS ESQUEMAS DAS FONTES

3.2- Determine a tensão DC na carga e as características dos diodos, para retificação direta-mente da rede (sem transformador), de ½ onda e de onda completa, ambas sem filtro, para as tensões de 110V, 220V e 440V. A carga para todas as fontes é de 100Ω. Considerar a tensão sobre os diodos igual a 0,7V. É possível utilizar diodos da série 1N400X? Quais e como serão ligados?

Resp.: (Vdc, Id(diodo), VR(diodo)) ½ onda; OC 110V 49,3V, 0,74A, 233,4V; 98,2V, 0,74A, 233,4V 220V 98,9V, 1,49A, 466,6V; 197,3V, 1,48A, 466,7V 440V 198V, 2,97A, 933,5V; 395,5V, 2,97A, 933,5V

3.3- Projete uma fonte semelhante à do Exemplo 1, para tensão de saída de 6V, carga de 5Ω e ripple de 1%.

Resp.: Vsec(ef) = 5,3V; Id(diodo) ≥ 0,9A; VR(diodo) ≥ 11,25V; C = 48000µF; VC ≥ 9V

3.4- Uma fonte de onda completa com transformador de CT tem uma tensão de 4,65V nos secundários. A carga consome 0,5A de corrente e o capacitor de filtro é de 2400µF. Determi-ne as características funcionais da fonte.

Resp.: Vdc = 5V; r = 10%; Id(diodo) ≥ 0,38A; VR(diodo) ≥ 19,7V; VC ≥ 7,5V

3.5- Projete uma fonte para 12V, carga de 10Ω e ripple de 2%, utilizando transformador de CT.

Resp.: Vsec(ef) = 9,3V; Id(diodo) ≥ 0,9A; VRmáx ≥ 39,4V; C = 12000µF; VC ≥ 18V

3.7- Analise o funcionamento do circuito abaixo. As tensões de se-cundário são iguais a 12V e Vd é de 0,7V. Determinar:

a- as formas de onda de tensão nos secundários e nas car-gas; b- as tensões V1 e V2 nas cargas (valores de pico e médio) e respectivas polaridades em relação ao terra; c- como seriam ligados ao circuito os capacitores eletrolíti-cos de filtro (desenhe-os); d- qual o nome e aplicação deste tipo de retificador

Resp.: b- V1= 16,27Vp; V2= -16,27Vp; V1= 10,36Vdc; V2= -10,36Vdc

t

V1

t

Vsec1

t

Vsec2

0 2p 3p 4pp

0 2p 3p 4pp

0 2p 3p 4pp

t

V2

0 2p 3p 4pp

Vpri

Vsec1

Vsec2

D1

D3

D2

D4

RL1

RL2

V1

V2


26

3.6- Para um retificador com transformador de CT, determinar:

a- a tensão nos secundários do transformador; b- as características do capacitor (capacitância e tensão); c- as características dos diodos (VR e Id) e o diodo da série 1N400X mais adequado.

Dados: - a tensão na carga deve ser de 24V com 2% de ripple; - a resistência da carga varia entre 24Ω e 100Ω.

Resp.: Vsec(ef) = 18V; C = 5000µF; VC ≥ 36V; Id(diodo) ≥ 0,75A; VRmáx ≥ 76,6V (1N4002)


27

FORMULÁRIO

½ onda

onda completa com CT

onda completa em ponte

filtragem

𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑚 = 𝑉𝑝 − 𝑉𝑑

𝜋 𝐼𝑑𝑐 = 𝐼𝑚 =

𝑉𝑑𝑐

𝑅𝐿

𝐼𝑑 = 𝐼𝑑𝑐 𝑉𝑅 = 𝑉𝑝 𝑉𝑝′ = 𝑉𝑝 − 𝑉𝑑

𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑚 =2(𝑉𝑝 − 𝑉𝑑)


𝑉𝑑𝑐

𝑅𝐿

𝐼𝑑 =𝐼𝑑𝑐

2 𝑉𝑅 = 2𝑉𝑝 𝑉𝑝′ = 𝑉𝑝 − 𝑉𝑑

𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑚 =2(𝑉𝑝 − 2𝑉𝑑)


𝑉𝑑𝑐

𝑅𝐿

𝐼𝑑 =𝐼𝑑𝑐

2 𝑉𝑅 = 𝑉𝑝 𝑉𝑝′ = 𝑉𝑝 − 2𝑉𝑑

4001 4002 4003 4004 4005 4006 4007

Id 1,0 A

VR 50 100 200 400 600 800 1000 V

𝑉𝑟 𝑒𝑓 = 2,4𝐼𝑑𝑐

𝐶=

2,4. 103𝑉𝑑𝑐

𝑅𝐿𝐶 𝑟 =

𝑉𝑟 𝑒𝑓

𝑉𝑑𝑐

. 100% =2,4𝐼𝑑𝑐𝐶𝑉𝑑𝑐

. 100% =2,4. 103

𝑅𝐿𝐶. 100%

𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑝′ −𝐼𝑑𝑐

4. 10−3𝑓𝐶= 𝑉𝑝′ −

4,17𝐼𝑑𝑐𝐶

= 𝑉𝑝′

1 +4,17. 103

𝑅𝐿𝐶

(C em µF Idc em mA RL em Ω)


√2


28

4- Regulação (Estabilização) da Tensão

A última etapa de uma fonte de alimentação é a que permite estabilizar a tensão, ou seja,

mantê-la constante em um valor desejado, independente (dentro de certos limites) de varia-ções de tensão de entrada e da resistência elétrica da carga. Vários fatores podem levar à variação da tensão fornecida por uma fonte do tipo estudado anteriormente:

caso a tensão da rede elétrica varie, a tensão retificada irá mudar de forma diretamente proporcional: um aumento da tensão da rede elétrica provoca um aumento da tensão contínua na saída da fonte e vice-versa;

caso o consumo de corrente pela carga varie, o ripple irá variar diretamente, e a tensão contínua de forma inversa: um aumento na carga (que significa um aumento na corren-te drenada da fonte) provoca um aumento do ripple e uma diminuição na tensão contí-nua da saída da fonte, e vice versa.

Por esses motivos, é necessária a utilização de um regulador de tensão na saída da fon-te. Embora hoje existam dispositivos integrados para esse fim (que serão vistos mais adiante), o componente fundamental para estabilizar uma tensão ainda é o diodo Zener.

4.1- O Diodo Zener Se observarmos a curva característica de um diodo retificador poderemos notar que, na

polarização reversa, a tensão se mantém relativamente constante sobre o diodo após a ten-são de ruptura ser atingida. Nos diodos convencionais isso significa a destruição do compo-nente, mas nos do tipo Zener, desde que a corrente no dispositivo seja mantida dentro de de-terminados limites, essa região (que é denominada Re-gião Zener) pode ser utilizada.

Dependendo da forma como o semicondutor foi do-pado, podem-se obter tensões Zener diferentes. Comer-cialmente existem diodos Zener para estabilizar tensões de 1,8V até mais de 200V, em diversas faixas de potên-cia.

Os limites de trabalho de um diodo Zener são a po-tência máxima que ele suporta (PZmáx) e os limites de corrente mínima (IZmín) e máxima (IZmáx), além, é claro, da temperatura, como todo semicondutor. A tabela a seguir mostra as características de alguns diodos Zener, e ao lado, seu símbolo.

VZ Tensão estabilizada pelo diodo na polarização reversa

IZmín Mínima corrente reversa necessária para manter o diodo na região Zener e, con-sequentemente, manter a tensão sobre ele constante

IZmáx Máxima corrente reversa que o diodo suporta

PZmáx Máxima potência que o diodo suporta na polarização reversa

Para polarizar adequadamente um diodo Zener precisamos, portanto, manter a corrente

que passa por ele entre os valores mínimo e máximo, e a potência dissipada sobre ele abaixo do valor máximo. Convém lembrar que esse tipo de diodo é sempre utilizado na polarização reversa.

VDVR

ID

IR

Polarização

diretaPolarização

reversa

Região

Zener

IZmín

IZmáx

VZ

CÓDIGO VZ IZmín PZmáx

1N751 5,1 20 0,5

1N4733 5,1 19,6 1,0

1N759 12 20 0,5

1N4742 12 8,3 1,0

V mA W


29

4.2- Dimensionamento de Diodos Zener

O circuito básico de polarização de um diodo Zener (mostrado abaixo) utiliza um resistor,

sobre o qual fica o excesso de tensão da fonte que se deseja estabilizar e que também limita a corrente do circuito. Este tipo de dispositivo só tem utilidade, obviamente, quando a tensão de entrada é superior à tensão que se deseja na carga.

Sendo Vi a tensão de entrada, que se quer esta-bilizar e VO a tensão de saída, estabilizada pelo Ze-ner (igual a VZ), as equações para o circuito são:

𝑉𝑖 = 𝑉𝑆 + 𝑉𝑍 𝐼𝑆 = 𝐼𝑍 + 𝐼𝐿

A partir das equações acima, podemos analisar o comportamento do circuito para duas si-

tuações distintas: quando a tensão de entrada varia, com a carga constante e quando a carga varia, com a tensão de entrada constante. Essas análises podem ser vistas nas tabelas abai-xo.

Carga constante e tensão de entrada variável

Vi RL VS VZ IS IZ IL

↑ cte ↑ cte ↑ ↑ cte

↓ cte ↓ cte ↓ ↓ cte

Tensão de entrada constante e carga variável

Vi RL VS VZ IS IZ IL

cte ↑ cte cte cte ↑ ↓

cte ↓ cte cte cte ↓ ↑

(aumento de RL significa aumentar a resistência elétrica da carga) Nos dois casos, as variações de tensão de entrada ou da resistência da carga se refletem

na corrente do Zener. Os cálculos que permitem dimensionar circuitos com esse tipo de diodo devem, portanto, levar em conta os valores máximos e mínimos dessas grandezas.

As fórmulas mostradas a seguir são utilizadas para dimensionamento de circuitos com di-odos Zener:

𝐼𝑍𝑚á𝑥 (𝑐𝑎𝑙𝑐 ) = 𝐼𝑍𝑚 í𝑛 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 + 𝐼𝐿𝑚á𝑥 .𝑉𝑖𝑚á𝑥− 𝑉𝑍

𝑉𝑖𝑚 í𝑛− 𝑉𝑍

𝑅𝑆𝑚á𝑥 =𝑉𝑖𝑚 í𝑛− 𝑉𝑍

𝐼𝐿𝑚á𝑥 + 𝐼𝑍𝑚 í𝑛 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜

𝑅𝑆𝑚 í𝑛 =𝑉𝑖𝑚á𝑥− 𝑉𝑍

𝐼𝐿𝑚 í𝑛 + 𝐼𝑍𝑚á𝑥 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜

𝑅𝑆𝑚 í𝑛 ≤ 𝑅𝑆 ≤ 𝑅𝑆𝑚á𝑥

𝑃𝑅𝑠 ≥ 1,5.(𝑉𝑖𝑚á𝑥− 𝑉𝑍 )

2

𝑅𝑆

Vi

RSIS

RL VO

IZ IL

VZ

VS


30

Exemplo 1

Determinar qual dos diodos da tabela da pág. 33 pode ser utilizado no circuito abaixo e também o valor do resistor Rs.

Como a tensão desejada na carga é de 5V, a escolha deve recair entre o 1N751 e o 1N4733, ambos com tensão Zener de 5,1V e potências de 0,5W e 1W, respectivamente.

As tensões máxima e mínima de entrada são:

𝑉𝑖𝑚á𝑥 = 7.1,1 ⇒ 𝑉𝑖𝑚á𝑥 = 7,7𝑉 𝑉𝑖𝑚 í𝑛 = 7.0,9 ⇒ 𝑉𝑖𝑚 í𝑛 = 6,3𝑉

As correntes máxima e mínima na carga serão:

𝐼𝐿𝑚á𝑥 =𝑉𝑍

𝑅𝐿𝑚 í𝑛=

5,1

100⇒ 𝐼𝐿𝑚á𝑥 = 51𝑚𝐴 𝐼𝐿𝑚 í𝑛 = 0

Verificação para o diodo 1N751:

𝐼𝑍𝑚á𝑥 = 𝑃𝑍𝑚á𝑥

𝑉𝑍=

0,5

5,1 ⇒ 𝐼𝑍𝑚á𝑥 = 98𝑚𝐴

𝐼𝑍𝑚 í𝑛 = 20𝑚𝐴


𝑉𝑖𝑚 í𝑛− 𝑉𝑍 = 0,02 + 0,051 .

7,7 − 5,1

6,3 − 5,1

𝐼𝑍𝑚á𝑥 (𝑐𝑎𝑙𝑐 ) = 154𝑚𝐴

o diodo 1N751 não serve, pois 𝐼𝑍𝑚á𝑥 (𝑐𝑎𝑙𝑐 ) > 𝐼𝑍𝑚á𝑥 (𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 )

Verificação para o diodo 1N4733:


𝑉𝑍=

1,0

5,1 ⇒ 𝐼𝑍𝑚á𝑥 = 196𝑚𝐴

𝐼𝑍𝑚 í𝑛 = 19,6𝑚𝐴


𝑉𝑖𝑚 í𝑛− 𝑉𝑍 = 0,0196 + 0,051 .

7,7 − 5,1

6,3 − 5,1

𝐼𝑍𝑚á𝑥 (𝑐𝑎𝑙𝑐 ) = 153𝑚𝐴

o diodo 1N4733 serve, pois 𝐼𝑍𝑚á𝑥 (𝑐𝑎𝑙𝑐 ) < 𝐼𝑍𝑚á𝑥 (𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 )

Vi

RSIS

RL VO

IZ IL

VZ

VS

Dados:

Vi = 7V ±10%

VO= 5V

RLmín = 100Ω

RLmáx = ∞ (circuito aberto)


31

Determinação de Rs

𝑅𝑆𝑚á𝑥 =𝑉𝑖𝑚 í𝑛− 𝑉𝑍

𝐼𝐿𝑚á𝑥 + 𝐼𝑍𝑚 í𝑛 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 =

6,3 − 5,1

0,051 + 0,0196 ⇒ 𝑅𝑆𝑚á𝑥 = 17Ω

𝑅𝑆𝑚 í𝑛 =𝑉𝑖𝑚á𝑥− 𝑉𝑍

𝐼𝐿𝑚 í𝑛 + 𝐼𝑍𝑚á𝑥 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 =

7,7 − 5,1

0 + 0,196 ⇒ 𝑅𝑆𝑚 í𝑛 = 13,27Ω

𝑅𝑆 = 15Ω valor comercial mais próximo da média entre RSmáx e RSmín

𝑃𝑅𝑠 ≥ 1,5.(𝑉𝑖𝑚á𝑥− 𝑉𝑍 )

2

𝑅𝑆 ≥ 1,5.

(7,7 − 5,1)2

15 ⇒ 𝑃𝑅𝑠 ≥ 676𝑚𝑊

valor comercial adotado: 1W

VER TABELAS DE RESISTORES DA PÁG. 33

É conveniente, após o dimensionamento, verificar se as limitações do diodo não foram

excedidas. Com a máxima tensão de entrada e a carga em aberto, a corrente no Zener não deve ex-

ceder IZmáx :

𝐼𝑍𝑚á𝑥 (𝑐𝑖𝑟𝑐 ) =𝑉𝑖𝑚á𝑥− 𝑉𝑍

𝑅𝑆− 𝐼𝐿𝑚 í𝑛 =

7,7 − 5,1

15− 0 ⇒ 𝐼𝑍𝑚á𝑥 (𝑐𝑖𝑟𝑐 ) = 173𝑚𝐴

IZmáx(circ) (173mA) é menor do que a IZmáx(diodo) (196mA)

Com a mínima tensão de entrada e a carga em seu maior consumo (50mA), a corrente no

Zener não deve ficar abaixo de IZmín :

𝐼𝑍𝑚 í𝑛 (𝑐𝑖𝑟𝑐 ) = 𝐼𝑆𝑚 í𝑛 − 𝐼𝐿𝑚á𝑥 =𝑉𝑖𝑚 í𝑛− 𝑉𝑍

𝑅𝑆− 𝐼𝐿𝑚á𝑥 =

6,3 − 5,1

15− 0,051 ⇒ 𝐼𝑍𝑚 í𝑛 (𝑐𝑖𝑟𝑐 ) = 29𝑚𝐴

IZmín(circ) (29mA) é maior do que a IZmín(diodo) (19,6mA)

Em resumo, o funcionamento do diodo se dará dentro de suas características de trabalho.


32

Exemplo 2

Verificar se o circuito abaixo pode ser implementado.

𝐼𝐿𝑚á𝑥 =𝑉𝑍

𝑅𝐿𝑚 í𝑛=

12

1000= 12𝑚𝐴

𝐼𝐿𝑚 í𝑛 =𝑉𝑍

𝑅𝐿𝑚á𝑥=

12

6000= 2𝑚𝐴

𝐼𝑍𝑚á𝑥 (𝑐𝑖𝑟𝑐 ) = 𝐼𝑆𝑚á𝑥 − 𝐼𝐿𝑚 í𝑛 = 𝑉𝑖𝑚á𝑥− 𝑉𝑍

𝑅𝑆− 𝐼𝐿𝑚 í𝑛 =

16,5 − 12

82− 0,002 ⇒ 𝐼𝑍𝑚á𝑥 (𝑐𝑖𝑟𝑐 ) = 53𝑚𝐴

𝐼𝑍𝑚á𝑥 (𝑐𝑖𝑟𝑐 ) < 𝐼𝑍𝑚á𝑥 (𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 ) OK!

𝐼𝑍𝑚 í𝑛 (𝑐𝑖𝑟𝑐 ) = 𝐼𝑆𝑚 í𝑛 − 𝐼𝐿𝑚á𝑥 =𝑉𝑖𝑚 í𝑛− 𝑉𝑍

𝑅𝑆− 𝐼𝐿𝑚á𝑥 =

13,5 − 12

82− 0,012 ⇒ 𝐼𝑍𝑚 í𝑛 (𝑐𝑖𝑟𝑐 ) = 6,3𝑚𝐴

𝐼𝑍𝑚 í𝑛 (𝑐𝑖𝑟𝑐 ) < 𝐼𝑍𝑚 í𝑛 (𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 ) NÃO ATENDE!

É possível resolver esse problema? DICA: Aplique o método apresentado no Exemplo 1 e verifique se o valor de RS pode ser alterado.

Vi

RSIS

RL VO

IZ IL

VZ

VS

Dados:

Vi = 15V ±10%

VO= 12V

Zener: 1N4742

Rs= 82Ω

RLmín = 1KΩ

RLmáx = 6KΩ

Vimáx = 16,5V

Vimínx = 13,5V

Vi = 15V ±10%

𝐼𝑍𝑚á𝑥 =𝑃𝑍𝑚á𝑥

𝑉𝑧=

1

12 ⇒ 𝐼𝑍𝑚á𝑥 = 83,3𝑚𝐴

do 1N4742:

Vz = 12V; Pz = 1W; Izmín = 8,3mA


33

TABELA RESUMIDA DE DIODOS DE REFERÊNCIA - ZENER

VALORES BASE PARA RESISTORES DA SÉRIE E12 (carbono)

Faixa de 1Ω a 10MΩ

10 12 15 18 22 27 33 39 47 56 68 82

Exemplos:

1Ω 12Ω 150Ω 1800Ω (1K8Ω)

22KΩ 270KΩ

3,3MΩ (3M3Ω)

3,9Ω 47Ω 560Ω 6,8KΩ 82KΩ

Potências disponíveis:

1/8W 1/4W 1/3W 1/2W 1W 2W

0,125W 0,250W 0,333W 0,500W

Código Vz Pzmáx Izmín

1N4728 3,3

1,0

30,3

1N4729 3,6 27,7

1N4730 3,9 25

1N4731 4,3 23,2

1N4732 4,7 21

1N4733 5,1 19,6

1N4734 5,6 17,8

1N4735 6,2 16,1

1N4736 6,8 14,7

1N4737 7,5 13,3

1N4738 8,2 12,1

1N4739 9,1 10,9

1N4740 10 10

1N4741 11 9

1N4742 12 8,3

1N4743 13 7,6

1N4744 15 6,6

1N4745 16 6,25

1N4746 18 5,5

1N4747 20 5

1N4748 22 4,5

1N4749 24 4,16

1N4750 27 3,7

1N4751 30 3,3

V W mA

Código Vz Pzmáx Izmín

1N957 6,8

0,4

18,5

1N958 7,5 16,5

1N959 8,2 15

1N960 9,1 14

1N961 10 12,5

1N962 11 11,5

1N963 12 10,5

1N964 13 9,5

1N965 15 8,5

1N966 16 7,8

1N967 18 7

1N968 20 6,2

1N969 22 5,6

1N970 24 5,2

1N971 27 4,6

1N972 30 4,2

1N746 3,3

0,5 20

1N747 3,6

1N748 3,9

1N749 4,3

1N750 4,7

1N751 5,1

1N752 5,6

1N753 6,2

1N754 6,8

1N755 7,5

1N756 8,2

1N757 9,1

1N758 10

1N759 12

V W mA


34

Exercícios

4.1- Um sensor que consome de 30 a 50mA, precisa ser alimentado com 3,3V a partir de uma fonte de 5V que varia no máximo ±10%. Projetar o circuito com o diodo Zener mais adequado. Resp.: 1N746; RS = 15Ω; PRs = 1/2W

4.2- Caso o mesmo sensor do exercício 4.1 tivesse de ser alimentado a partir de uma fonte de 12V com variação de ±10%, o mesmo diodo poderia ser utilizado? Em caso contrário, projete o novo circuito. Resp.: Sim; RS = 82Ω; PRs = 2W 4.3- Uma carga que consome de 40 a 60mA precisa ser alimentada com 6V a partir de uma fonte de 9V que apresenta uma variação de ±15%. Foi utlizado um diodo Zener 1N4735 e um resistor Rs = 27Ω. Verifique se o circuito funciona corretamente. Resp.: Não funciona: 𝐼𝑍𝑚 í𝑛 (𝑐𝑖𝑟𝑐 ) < 𝐼𝑍𝑚 í𝑛 (𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 )

4.4- Para o exercício anterior verifique se o problema pode ser resolvido: a- recalculando o resistor RS; b- aumentando Vi para 12V (±15%). Resp.: a- não é possível; b- RS = 47Ω; PRs = 2W


35

5- Introdução aos Dispositivos Ópticos Os dispositivos ópticos desenvolvidos a partir de semicondutores podem ser de dois tipos:

emissores de luz ou receptores/sensores de luz. No primeiro tipo temos os onipresentes LEDs, que podem emitir além de luz visível (em várias cores) radiação ultravioleta e infravermelha; no segundo, aparecem os fotodiodos e fototransistores.

5.1- O Diodo LED O diodo emissor de luz ou LED (de Light Emitting Diode) é um dispositivo semicondutor

que funciona de forma semelhante aos diodos retificadores, com a diferença que estes libera-ram energia em forma de calor quando polarizados diretamente, enquanto que os leds emitem energia também em forma de luz.

A emissão de luz ou eletroluminescência ocorre na recombinação entre elétrons e lacunas na região da junção PN. Os elé-trons mudam para um nível menor de e-nergia nos átomos do cristal, e liberam a energia perdida em forma fótons. A luz produzida pode ser em vários comprimen-tos de onda (medidos em nm – nanômetros - 10-9m), visível (em várias cores), ou invi-sível (IR- infra-vermelho ou UV- ultra-violeta), e depende basicamente do tipo de material de que é feito o led, geralmente compostos do elemento químico Gálio, co-mo GaAsP, AlInGaP etc.

A tensão de barreira de potencial neste tipo de diodo é maior do que a que foi vista nos dispositivos anteriores, apresentando, depen-dendo do modelo, de 1,5V a pouco menos de 4,0V de tensão direta (VD ou VF). As correntes para obter luminescência (ID ou IF) são da ordem de dezenas de miliampéres e a tensão re-versa máxima (VR) é quase sempre inferior a 10V. Existem muitos tipos e modelos comerci-ais, inclusive LEDs bicolores, com três terminais, e os do tipo RGB (Red-Green-Blue), com quatro terminais e possibilidade de gerar praticamente qualquer cor.

A polarização de um led deve levar em conta suas limitações (VD, ID e VR). Abaixo o aspec-to construtivo básico de um led e o seu símbolo, e nas páginas 36 a 38, diversas informações com as características de alguns dos leds produzidos no Brasil pela empresa CROMATEK (www.cromatek.com.br).

Outra característica im-portante dos leds é seu tempo de resposta, que costuma ser da ordem de nanosegundos. Isso per-mite que eles sejam utili-zados em freqüências ele-vadas, por exemplo, em foto acopladores, para transmissão de sinais via luz. A vida útil de um led é de cerca de cem mil ho-ras.

+ +-

+-

+ +-

+-

+ +-

+-

-+

-+

-

-+

-+

-

-+

-+

-

P N

+-

VD

ID

FÓTONS EMITIDOS

PELA RECOMBINAÇÃO

ELÉTRON-LACUNA

CRISTAL

SUPORTE

LENTE

CATODO

TERMINAL NEGATIVO

ANODO

TERMINAL POSITIVO

CONEXÃO

CORPO EM PLÁSTICO

DE ALTO IMPACTO

CATODO

ANODO

http://www.cromatek.com.br/


36

CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DOS DIODOS EMISSORES DE LUZ – LED

ENCAPSULAMENTO E DIMENSÕES MECÂNICAS


37


CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS

Características opto-elétricas (TAMB = 25ºC, IF = 20mA)

Código Cor Tecnol. P

(nm) VF (V) IV (mcd)

2 ½ Típ. Máx. Mín. Típ.

L130 Vermelho alta sensibilidade GaP 700 2,2 2,6 1 2 60º

L230 Verde amarelado GaP 568 2,2 2,6 5 15 60º

L330 Amarelo âmbar GaP 589 2,0 2,4 5 15 60º

L430 Vermelho alaranjado AlInGaP 632 2,0 2,4 8 20 60º

L630 Vermelho ultra bright AlGaAs 648 1,8 2,4 25 60 60º

L730U-14BL Azul InGaN 470 3,2 3,6 150 200 60º

L211 Verde amarelado GaP 568 2,2 2,6 8 15 50º

L311 Amarelo âmbar GaP 589 2,0 2,4 5 8 50º

L411 Vermelho alaranjado GaAsP 632 2,0 2,6 6 12 50º

L611 Vermelho ultra bright AlGaAs 648 1,8 2,4 25 40 50º

L13RG Verde amarelado/verm. alaranjado GaP

GaAsP 568 632

2,2 2,0

2,6 2,6

2 2

4 4

120º 120º

L13RGH Verde amarelado/verm. alaranjado GaP

GaAsP 568 632

2,2 2,0

2,6 2,6

8 4

12 6

120º 120º

Significado dos termos utilizados

P (nm) Comprimento de onda da luz gerada em nanometros

IV (mcd) Intensidade luminosa axial em milicandelas

2 ½ Ângulo de irradiação luminosa ( ½ é o ângulo onde a intensi-dade luminosa é a metade da intensidade luminosa axial)

Padrão de irradiação de iluminação

Características máximas absolutas (TAMB = 25ºC) Tensão reversa (VR) 5V

Corrente direta (IF) 20mA

Corrente de pico (IFP) (1KHz, Ciclo Operac. 1:10) 60mA

Potência dissipada (PD) 45mW

Curva de corrente X temperatura ambiente -0,4mA/ºC

Temperatura de armazenagem -30 a +90 ºC

Temperatura de operação -20 a +80 ºC

Temperatura de solda (1,6mm – 3 seg) 260 ºC

IV () = ½IV (0º)

½

IV (0º) IV (0º)

2½


38


CURVAS ELETRO-ÓPTICAS PARA A LINHA LX30


39

5.2- Displays de LED

Os displays de led são constituídos de arranjos de leds montados em segmentos. Existem

displays de várias cores e diversos tamanhos, desde cerca de 1/3 de polegada até mais de sete polegadas de altura. O modelo mais comum é o display de 7 segmentos para representação específica de números, mas existem também os alfanuméricos e os matriciais. Dois tipos de montagem estão disponíveis: anodo comum (onde todos os anodos são interligados) e catodo comum (onde ao ponto comum são conectados os catodos). A polarização dos leds de cada segmento é idêntica à utilizada para os leds convencionais.

A seguir são mostrados detalhes das folhas de especificação do display de 0,39” da série D20XTK e na página seguinte de alguns dos dos outros displays produzidos pela CROMA-TEK.

Características opto-elétricas (TAMB = 25ºC, IF = 20mA)

Código Cor Tecnol. P

(nm) VF (V) IV (mcd)

Típ. Máx. Mín. Típ.

D202TK Verde amarelado GaP 568 2,2 2,6 4 8

D201TK Vermelho alaranjado GaPAsP 632 2,0 2,4 2 6

D206TK Vermelho Ultra Bright ALGaAs 648 1,8 2,4 2 8

D20XTAK-14BL Azul Ultra Bright InGaN 470 3,2 3,6 20 30

Características máximas absolutas (TAMB = 25ºC) Tensão reversa (VR) 5V

Corrente direta (IF) 30mA

Corrente de pico (IFP) (1KHz, Ciclo Operac. 1:10) 100mA

Potência dissipada (PD) 60mW

Curva de corrente X temperatura ambiente -0,4mA/ºC

Temperatura de armazenagem -30 a +90 ºC

Temperatura de operação -20 a +80 ºC

Temperatura de solda (1,6mm – 3 seg) 260 ºC


40

CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE DISPLAYS COM LEDS


41

5.3 - Polarização de LEDs

Quando utilizados em tensão contínua, basta conectar um resistor em série com os leds,

de forma a limitar a corrente direta (IF) e a tensão direta (VF) a valores inferiores aos máximos permitidos. Na prática, os leds conseguem fornecer uma luminosidade bastante razoável com aproximadamente metade da corrente nominal. Por exemplo, um led com corrente IF = 20mA (dado de manual para corrente direta máxima) emite luz suficiente para ser visto com metade dessa corrente (IF = 10mA), em condições normais de iluminação em ambientes internos (em ambientes externos, sob luz solar intensa, pode ser necessário polarizar o dispositivo com uma corrente próxima à máxima). Polarizar esses componentes dessa forma tem várias van-tagens, como:

consumir menos energia, útil principalmente em circuitos alimentados por baterias;

drenar menos corrente de portas de saída de outros dispositivos, como microcontrola-dores;

diminuir o aquecimento dos resistores limitadores de corrente.

O circuito abaixo ilustra a polarização de um led em tensão contínua.

Em tensão alternada é necessário observar, além de VF e IF a tensão reversa máxima (VR) que é normalmente bem baixa (inferior a 10V). O cálculo da tensão direta deve ser feito com o valor médio do sinal alternado retificado; a tensão reversa deve levar em conta o valor de pico do sinal alternado.

O circuito abaixo ilustra a polarização de um led em tensão alternada. O diodo D serve pa-ra eliminar o semiciclo negativo do sinal alternado que apareceria sobre o led, polarizando-o inversamente com um valor superior à sua tensão reversa máxima.

Caso o sinal seja retificado em onda completa, deve-se utilizar o valor médio para esse ti-

po de onda.

VVF

R IF

𝑅 =𝑉 − 𝑉𝐹𝐼𝐹

V

VF

R IF

D

𝑅 =𝑉𝑚(1

2 𝑜𝑛𝑑𝑎) − 𝑉𝐹

𝐼𝐹


42

EXERCÍCIOS

Em todos os cálculos utilize 50% do valor máximo de IF dos leds (o que permite boa visibi-

lidade e baixo consumo) e o valor comercial dos resistores (resistência e potência).

5.1- Calcule os resistores para polarizar adequadamente os leds abaixo:

Resp.: a) 680Ω, 1/8W; b) 180Ω, 1/8W; c) 270Ω, 1/8W; d) 270Ω, 1/8W; e) 120Ω, 1/8W;

5.2- Calcule os resistores para os arranjos de led abaixo, todos alimentados com 12V. No arranjo a), o que aconteceria se um dos leds abrisse? E se o mesmo acontecesse no arranjo b) ?

Resp.: a) 470Ω, 1/8W; b) 220Ω, 1W; c) 220Ω, 1W

a)

L2309VVf

R IF

b)

L730U-

14BL5VVf

R IF

d) Utilizar os valores individuais de VF

L13RGH

R1VM

R2

MICROCONTROLADOR PIC

SAÍDAS PODEM ASSUMIR

VALORES 0V OU 5V

E ATÉ 25mA VD

e) Utilizar o maior valor de VF entre os dois diodos

L13RG

RVM

MICROCONTROLADOR PIC

SAÍDAS PODEM ASSUMIR

VALORES 0V OU 5V

E ATÉ 25mA VD

a)

R

L630

b)

R

L211

c)

R1

L430

R2

L611

R

L311

5V

PORTA LÓGICA

TTL

AS SAÍDAS DE PORTAS

LÓGICAS TTL FORNECEM

GERALMENTE ATÉ

20mA EM 0 VOLT

E ATÉ 3mA EM 5V

c)


43

5.3- Analise os diagramas abaixo e determine os valores de R para polarizar o led com a tensão média do sinal alternado retificado. Desenhe também as formas de onda pedidas. Considere VF do diodo D1 e dos diodos da ponte igual a 0,7V. A potência do resistor deve ser determinada através da tensão eficaz sobre ele.

Qual a função do diodo D1 ? Por que ele é necessário? Por que D1 não é necessário no circuito do item b ?

Resp.: a) 330Ω, 1W; b) 820Ω, 1/4W;

5.4- É necessário conectar 8 leds L130, que acenderão simultaneamente, diretamente a um microcontrolador PIC. As portas de saídas digitais do microcontrolador fornecem 5V e, no má-ximo, 25mA cada. Projete o circuito mais simples para implementar a solicitação, utilizando o menor número de portas (saídas) do PIC.

Resp.: 27Ω, 1/8W;

t

VR

t

VLed

12V

R

D1

L330

a)

t

Vi

R

L330

12V

b)

t

Vi

t

VR

t

VLed

0 2p 3p 4pp

0 2p 3p 4pp

0 2p 3p 4pp

0 2p 3p 4pp

0 2p 3p 4pp

0 2p 3p 4pp


44

5.5- Cada um dos segmentos de um display D202TK é conectado a uma saída digital do PIC. Um único resistor é utilizado para economizar espaço e material. Determine o R para um valor intermediário de corrente, entre a máxima (todos os leds acesos) e a mínima (apenas um led aceso). Não é necessário calcular a potência do resistor.

Existe algum problema nesta configuração? Analise o comportamento do brilho dos leds, quanto à corrente IF em cada um deles, para o acendimento dos segmentos que formam os números 1 (2 segmentos), 8 (7 segmentos) e apenas do ponto decimal (1 led) no display.

R

a b c d e f g pd

Conexões ao PIC


45

6- O Transistor Bipolar de Junção - TBJ

6.1- Princípio de funcionamento Os dispositivos semicondutores vistos até agora (diodos retificadores, Zener e LED)

são constituídos de dois terminais. Os transistores possuem três terminais, e uma caracterís-tica extremamente importante: podem amplificar tensão, corrente e potência elétricas. O ter-ceiro terminal é exatamente aquele que controla essa amplificação. Este dispositivo é formado pela junção de três tipos de materiais semicondutores, dois do tipo N e um do tipo P (transistores NPN) ou dois do tipo P e um do N (transistores PNP). Cada um desses materiais é conectado a um dos terminais externos do dispositivo, que se chamam EMISSOR (E), COLETOR (C) e BASE (B). A base é o terminal que controla o fluxo de corrente entre o emissor e o coletor. Os diagramas acima mostram a polarização dos dois tipos de transistores. Se conside-rarmos cada uma das junções PN (existem duas por transistor) veremos que uma delas (a junção base-emissor) está polarizada diretamente, enquanto que a outra (a junção base-coletor) está polarizada reversamente. Na junção base-emissor haverá, portanto, uma grande corrente de portadores majoritários, enquanto que na junção base-coletor a corrente será bai-xa e composta pelos portadores minoritários. Para uma primeira análise, podemos visualizar os transistores bipolares como dois diodos em oposição, como é mostrado acima dos diagra-mas, um polarizado diretamente (BE) e outro reversamente (BC). A região de base é mostrada nos diagramas como sendo mais estreita que as do emis-sor e do coletor, o que corresponde à realidade construtiva dos dispositivos. Além disso, a dopagem (que gera os portadores de carga majoritários nos semicondutores) também é maior no emissor e no coletor em relação à base. A polarização direta da junção BE injeta uma grande quantidade de portadores majoritários (a corrente IE) na região de base, mas apenas uma pequena parte deles se recombina gerando uma corrente de base (IB). A maior parte é atraída pelo potencial de coletor, formando a corrente de coletor (IC). A corrente de coletor (IC) é constituída de duas correntes: o excesso de portadores majoritários injetados pelo emissor na base (ICmaj) e a corrente de fuga da junção base coletor que está polarizada reversamente, denominada ICO ou ICBO (a letra O significa aberto em inglês (open) e indica que essa corrente é a que circula na junção coletor-base (CB) quando o terceiro terminal (o emissor) está des-conectado (aberto) ). A corrente ICBO é normalmente muito pequena e, embora seja bastante afetada pela temperatura, será desprezada no momento. A corrente de coletor IC será apenas a corrente de portadores majoritários. Analisando os diagramas podemos determinar a equação das correntes no transistor bipolar de junção:

𝐼𝐸 = 𝐼𝐵 + 𝐼𝐶

N P N

B

E C

VEE VCC

P N P

B

E C

VEE VCC

B

E C

B

E C

IE IC

IB

IE IC

IB


46

Em um transistor típico para baixas correntes, IE e IC são da ordem de miliamperes, enquanto que IB é da ordem de microamperes. Os símbolos utilizados para representação de transistores bipolares são mostrados abaixo. O terminal com a seta é o emissor, e a seta sempre indica o sentido convencional (do positivo para o negativo) da corrente de emissor e também aponta para o material tipo N.

6.2- Tipos de Ligação de Transistores Bipolares 6.2.1- Convenções para corrente e tensões Para o estudo das ligações dos transistores (e também de outros circuitos) será utiliza-

do o modelo de quadripolo mostrado abaixo, composto por dois terminais de entrada e dois terminais de saída. Um transistor pode ser considerado um quadripolo, pois um de seus terminais será sempre comum à entrada e à saída, como mostrado abaixo: A convenção utilizada no estudo de quadripolos (e adotada pelos fabricantes nos ma-nuais dos dispositivos semicondutores) é que a corrente é considerada positiva quando entra no quadripolo e a tensão é considerada positiva entre um terminal (entrada ou saída) e o pon-to comum. De acordo com essa convenção, no exemplo abaixo, as tensões Vi e Vo e as correntes Ii e Io são todas positivas.

N P N

B

E C

P N P

B

E C

B

E C

B

E C

CIRCUITOENTRADA SAÍDA

ENTRADA SAÍDA

Vi Vo

Ii Io+ +

- -


47

Aplicando esses conceitos ao estudo das correntes nos transistores, podemos verificar que:

- no transistor NPN a corrente de emissor é negativa e a de coletor positiva; - no transistor PNP a corrente de emissor é positiva e a de coletor negativa.

Analise os diagramas acima levando em consideração a equação das correntes no transistor já vista:

𝐼𝐸 = 𝐼𝐵 + 𝐼𝐶

Analisando agora para as tensões, teremos:

- no transistor NPN a tensão base-emissor é negativa e a coletor-base positiva; - no transistor PNP a tensão emissor-base é positiva e a base-coletor negativa.

Observe que a forma de representar as tensões é sempre: VXY a tensão no ponto X em relação (ou em referência) ao ponto Y. VBE, portanto é a tensão no ponto B (base) em relação ao ponto E (emissor). Se essa tensão é negativa para o transistor NPN, podemos representá-la como VEB, que será positiva. Analise os diagramas acima levando em conta as polarizações mostradas na pág. 45. É importante lembrar que tudo o que foi mostrado neste tópico, representa apenas uma convenção para o estudo dos transistores através do modelo de quadripolo. Estes conceitos serão utilizados futuramente.

6.2.2- Configuração base comum Como o nome já descreve, este tipo de ligação tem a base como

elemento comum entre a entrada e a saída (e também porque nele a base é geralmente ligada à terra – ponto comum dos circuitos). O circuito à direita apresenta duas baterias de polarização (em-bora na prática se utilize apenas uma) e resistores (que sempre vão aparecer) para limitar as correntes através das junções. Este tipo de diagrama, bem como os seguintes para as outras duas configurações, serve apenas para mostrar as características básicas de montagem e polarização dos circuitos.

À esquerda é mostrado o quadripolo equivalente do circuito. A corrente de entrada é IE e a de saída IC. O ganho de corrente do circuito, representado pela letra

grega (alfa), será o quociente da corrente de saída pela de entrada:

𝛼 =𝐼𝐶𝐼𝐸

Como a corrente de coletor é ligeiramente menor que a de emissor, o va-

lor de será sempre pouco menor que 1 (geralmente é de 0,980 a 0,998).

NPN

VBE

- +

+ -

VCB VEB

PNP

+ -

- +

VBC

ENTRADA SAÍDA

IE IC

IB

PNP

ENTRADA SAÍDA

IE IC

IB

NPN

IE IC

IB

ENTRADA SAÍDA

IE IC

IB

PNP


48

A tensão de entrada será baixa (a junção base-emissor se comporta como um diodo polarizado diretamente). A tensão de saída será mais alta que a de entrada (a junção base-coletor se comporta como um diodo polarizado reversamente). O ganho de tensão, definido por AV será:

𝐴𝑉 =𝑉𝐶𝐵𝑉𝐸𝐵

Nesta situação, o ganho de tensão será muito superior a 1.

O ganho de potência será médio, pois será o produto do ganho de corrente (<1) pelo ganho de tensão AV (>>1):

𝐴𝑃 = 𝛼 𝑋 𝐴𝑉 Na verdade, os ganhos de tensão e de potência são funções da relação entre as varia-ções da tensão e corrente de saída e de entrada, ocasionadas por sinais variáveis. Esse es-tudo será desenvolvido quando for avaliado o comportamento do transistor em circuitos de corrente alternada. A resistência de entrada desta montagem é baixa em função da polarização direta ba-se-emissor. Já na saída a resistência será alta, por causa da polarização reversa base-coletor. Para analisar com exatidão o funcionamento de um transistor é necessário conhecer as suas curvas características. Cada modelo de transistor tem um conjunto próprio de curvas, geralmente disponibilizado pelo fabricante. Algumas vezes é necessário assumir que as cor-rentes IE e IC são iguais, pois a maioria das curvas apresenta valores de IC apenas. Serão utilizadas nos exemplos, as curvas do transistor BC548 (tipo NPN, que será utili-zado nas experiências de laboratório) que se encontram, juntamente com as especificações completas desse dispositivo e de seu par complementar (BC558, tipo PNP), nas próximas páginas. A curva baixo, que relaciona a tensão base-emissor (VBE) e a corrente de coletor (IC) pode ser utilizada para determinar a resistência de entrada da configuração base comum (considerando IC = IE), pois a tensão de entrada dessa configuração é VBE e a corrente de en-trada IE.

𝑟𝑖 = ∆𝑉𝐵𝐸∆𝐼𝐶

= 0,1𝑉

96𝑚𝐴 𝑟𝑖 ≅ 1Ω

Essa resistência pode variar dependendo do ponto de trabalho (valores de corrente e tensão envolvidos) que for utilizado.

DVBE = 0,1V

DIC = 96mA


49

6.2.3- Configuração coletor comum

Neste caso, é o coletor o terminal comum entre entrada e saída. À direita é mostrado o circuito polarizado com duas bate-rias e abaixo o quadripolo equivalente do circuito. A corrente de entrada é a de base (IB) e a de saída a de emissor (IE).O ganho de corrente é alto, pois IE é bem superior IB. O ganho de tensão será ligeiramente menor que 1, o que leva a um ganho de potên-cia médio. Como a diferença entre as correntes de coletor e de emis-sor é muito pequena, as mesmas curvas que serão utilizadas para a próxima configuração, a emissor comum, podem ser utilizadas para este modelo. Uma forma mais comum de apresentação deste circuito é a mostrada ao lado. É denominada seguidor de emissor, e é mostra-da com um transistor NPN.

6.2.4- Configuração emissor comum Obviamente, agora é o emissor o terminal comum entre entrada e saída. É a configura-

ção mais utilizada em circuitos com transistores pelas suas características de ganho elevado. À direita é mostrado o circuito polarizado com duas baterias e abaixo o quadripolo equivalente do circuito. A cor-rente de entrada é IB e a de saída IC. O ganho de corrente do

circuito, representado pela letra grega (beta), será o quoci-ente da corrente de saída pela de entrada:

=𝐼𝐶𝐼𝐵

Como a corren-

te de coletor é muito superior à de base, o valor de será sempre maior que 1. geralmente se situa entre 50 (para transistores de alta potência) e 500 (transistores de baixa potência, chamados transistores de pequenos

sinais). Importantes também são as relações das tensões no circuito (que podem também ser determinadas para as outras duas configurações):

𝑉𝐶𝐶 = 𝑉𝐶𝐸 + 𝑉𝑅𝐶 𝑉𝐸𝐸 = 𝑉𝐵𝐸 + 𝑉𝑅𝐵

ENTRADASAÍDA

IE

ICIB

PNP

IC

IEIB

ENTRADASAÍDA

IE

IC

IB

PNP VCC

ENTRADA

SAÍDA

IE

ICIB

VCE

VCC

VEE

VRC

VBE

VRB


50

A tensão de entrada será baixa (a junção base-emissor se comporta como um diodo polarizado diretamente). A tensão de saída (VCE) será mais alta que a de entrada. O ganho de tensão, definido por AV será:

𝐴𝑉 =𝑉𝐶𝐸𝑉𝐵𝐸

Nesta situação, o ganho de tensão será muito superior a 1.

O ganho de potência será também alto, pois será o produto do ganho de corrente pelo ganho de tensão AV:

𝐴𝑃 = 𝑋 𝐴𝑉 A curva ao lado é a mais utilizada em projetos com transistores. Ela relaciona a tensão coletor-emissor (VCE) com a corrente de coletor (IC), para diversos valores de cor-rente de base (IB). Pode-se determinar, para uma dada corrente de entrada (IB) qual será o valor de VCE para certa corrente de saída (IC). Por exemplo, se a corrente de coletor for de 50mA e a de base 200µA, o valor de VCE será de aproximadamente 6,7V.

Nesse ponto, o ganho de corrente será:

=𝐼𝐶𝐼𝐵

= 50𝑚𝐴

200𝜇𝐴 = 250

6.2.5- Considerações sobre as três configurações Conforme já foi dito, a configuração emissor comum é a mais utilizada como circuito

amplificador, pois possui ganhos de tensão e corrente elevados. As outras configurações são geralmente aplicadas em sistemas onde é necessário acoplar um circuito de baixa impedân-cia a outro de alta impedância (base comum) ou o inverso (coletor comum).

A tabela abaixo relaciona, de forma comparativa, algumas das características das três con-figurações.

CONFIGURAÇÃO GANHOS RESISTÊNCIA

CORRENTE TENSÃO POTÊNCIA ENTRADA SAÍDA

BASE COMUM <1 ALTO MÉDIO BAIXA ALTA

COLETOR COMUM ALTO 1 MÉDIO ALTA BAIXA

EMISSOR COMUM ALTO ALTO ALTO MÉDIA MÉDIA

6.3- Limitações e características dos transistores A seguir são mostradas as folhas de informação de dois transistores de pequenos si-nais (small signal transistors), o BC548 eo BC558, que na verdade pertencem a uma série (BC546/547/548/549/550 e BC556/557/558/559/560), com pequenas variações entre eles. Esses transistores serão utilizados nos exercícios apresentados mais à frente e também nas experiências de laboratório.

IC = 50mA

VCE @ 6,7V


51


52


53


54


55


56

Inicialmente é definido o tipo de construção do transistor (NPN ou PNP), e suas aplica-ções básicas. Também é informado que o BC548 (NPN) é o par complementar do BC558 (PNP). As principais limitações (valores que não podem ser ultrapassados, sob risco de danifi-car o componente) dos transistores são mostradas abaixo:

VCBO máxima tensão entre coletor e base com o emissor aberto

VCEO máxima tensão entre coletor e emissor com a base aberta

VEBO máxima tensão entre emissor e base com o coletor aberto

IC (ou ICmáx) máxima corrente de coletor

PC (ou PCmáx) máxima potência de coletor

A seguir são apresentadas as principais características do dispositivo:

ICBO corrente de fuga coletor-base com o emissor aberto

hFE ganho de corrente em CC (equivale ao )

VCE(sat) tensão de saturação coletor-emissor (menor tensão possível entre coletor e emissor)

VBE(sat) tensão de saturação base-emissor (maior tensão direta possível entre base e emissor)

VBE(on) tensão de início de polarização de base

fT produto do ganho (gain) e da faixa de frequências de trabalho (bandwidth); mostrado no gráfico da fig. 6 do manual

Cob capacitância de saída

Cib capacitância de entrada

NF Figura de ruído (Noise Figure) indica o ruído (geralmente de ori-gem térmica) introduzido pelo transistor em um sinal por ele ampli-ficado

As curvas características também são muito importantes, como já foi visto antes, e al-gumas delas serão utilizadas mais adiante. Um detalhe importante a ser observado é que, de acordo com as especificações, o va-

lor de hFE () pode variar entre 110 e 800. No tópico hFE Classification é mostrado que exis-

tem três tipos de BC54X (ouBC55X), A, B e C, cada um deles com uma faixa específica de . Pode-se testar rapidamente um transistor utilizando um multímetro nas escala de resis-tência, como mostrado abaixo à esquerda (0 significa zero ohm e OL circuito aberto). A figura não mostra a medição da resistência entre coletor e emissor, que deve resultar em valores altos nos dois sentidos (OL). A ponta de prova vermelha tem tensão positiva e a preta negati-va. Analise como funciona esse teste considerando a polarização das junções PN do transis-tor. À direita é mostrado um multímetro digital com escala e soquetes para medição direta

de hFE () de transistores.


57

6.4- Regiões limite de trabalho de um transistor Além das limitações máximas (as que não podem ser excedidas) existem certas regi-ões de trabalho dos transistores que devem ser conhecidas, e que serão vistas abaixo. 6.4.1- Corte e saturação Pode-se fazer uma analogia entre um transistor e uma torneira: podemos controlar o fluxo de água com a torneira e o fluxo de corrente com o transistor. O terminal que permite o controle de corrente nos transistores bipolares de junção é a base. Quanto mais polarizada ela estiver (quanto maior a corrente de base) maior será também a corrente de coletor. Da mesma forma, quanto mais aberta estiver a torneira, mais água passará por ela. Isso pode ser visto na analogia abaixo. Em uma torneira existem dois extremos para o controle do fluxo de água: com a tornei-ra fechada, nenhuma água passa; com a torneira totalmente aberta obtém-se o maior fluxo d’água possível. Em um transistor ocorre o mesmo: sem polarização de base (IB=0) não have-rá corrente de coletor (na verdade haverá uma pequena corrente de portadores minoritários, ICEO ou ICBO); com a máxima polarização de base (IB alta) teremos uma alta corrente de coletor (limitada pela fonte de tensão e pelos resistores externos). Esses dois extremos de polariza-ção denominam-se regiões de corte e saturação. Na região de corte, o transistor não conduz corrente de coletor para emissor; na região de saturação, conduz a máxima corrente possível para uma determinada condição de polari-zação (valores de tensão da fonte e dos resistores do circuito). Essas duas regiões permitem ao transistor trabalhar como um interruptor ou chave, com duas condições: ligado (na satura-ção) e desligado (no corte). Na torneira, a variação do fluxo de água ocorre em função da variação da resistência que a torneira oferece à passagem da água. No transistor, a variação do fluxo de corrente ocorre em função da variação da resistência que o transistor oferece à passagem da corrente. Ou seja, a polarização de base afeta diretamente a resistência entre coletor e emissor. O pró-prio nome transistor vem da junção dos termos em inglês TRANsfer e reSISTOR ou “resistor de transferência”, indicando que é possível controlar a resistência interna do dispositivo a par-tir de sua polarização. Podemos então concluir que:

a- na região de corte (chave aberta), a resistência entre coletor e emissor será máxima

(não há corrente de coletor) e a tensão entre coletor e emissor também (VCE @ VCC); b- na região de saturação (chave fechada), a resistência entre coletor e emissor será mí-

nima (corrente de coletor alta) e a tensão entre coletor e emissor será baixa (VCEsat).

O termo saturação indica que o dispositivo já chegou ao seu limite para a condição de polarização existente. Em outras palavras, podemos aumentar IB até um ponto onde IC será máxima e VCE mínima. Se continuarmos aumentando IB, não haverá efeito nenhum sobre IC e VCE, pois o transistor já está saturado.

EMISSOR

COLETOR

BASE

IE IC

IB


58

O quadro e o diagrama abaixo resumem as características dessas duas regiões.

IB IC IE VCE rCE CONDIÇÃO

EQUIVALENTE DE CHAVE

CORTE 0 0 0 @VCC muito alta aberta

SATURAÇÃO alta alta alta VCEsat muito baixa fechada

O gráfico VCE X IC do final deste tópico mostra as regiões de corte e saturação. 6.4.2- Hipérbole de máxima dissipação de potência Enquanto as regiões de corte e saturação são limites operacionais e não levam neces-sariamente o transistor a uma condição de risco, a hipérbole de máxima dissipação é uma curva traçada sobre o gráfico VCE X IC que define a região limite de trabalho, acima da qual a potência máxima de coletor do dispositivo (PCmáx) será ultrapassada, com possível dano ao dispositivo. A determinação dessa hipérbole é bem simples, bastando encontrar qual o valor de corrente IC para cada um dos valores de VCE do gráfico, de forma a se obter a PCmáx. O BC548 usado como referência, tem uma PCmáx = 500mW. Para VCE = 5V, teremos:

𝑃𝐶𝑚á𝑥 = 𝑉𝐶𝐸 𝑋 𝐼𝑐 0,5𝑊 = 5𝑉 𝑋 𝐼𝑐 𝐼𝑐 = 100𝑚𝐴

Os valores de VCE abaixo de 5V resultarão em corrente superiores à ICmáx (100mA) do transistor, e não serão utilizados para o traçado da hipérbole. Repetindo o cálculo para todos os valores de VCE do gráfico (de 5V até 20V), teremos:

Ao lado, é mostrada a hipérbo-le de máxima dissi-pação de potência de coletor traçada sobre o gráfico VCE X IC do transistor BC548. São mostra-das no mesmo gráfi-co, as regiões de corte e saturação. Analise o grá-fico de acordo com as características das três regiões descritas.

VCE 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 V

IC 100 83 71 63 56 50 45 42 38 36 33 31 29 28 26 25 mA

IE = alta

IC = altaIB = alta

VCC

VCEsat

SATURAÇÃO

IE = 0

IC = 0IB = 0

VCC

VCC

CORTE

REGIÃO DE

SATURAÇÃO

REGIÃO

DE

CORTE

HIPÉRBOLE DE

MÁXIMA

DISSIPAÇÃO

REGIÃO DE

POTÊNCIA DE

COLETOR ACIMA

DA PERMITIDA


59

EXERCÍCIOS

6.1- Desenhe os diagramas (circuito com duas baterias e quadripolo) das três configurações (base, coletor e emissor comuns), para transistores NPN, utilizando os diagramas para tran-sistores PNP das pág. 47 a 49.

6.2- Utilizando as curvas de VCE X IC do BC548 mostradas na próxima página, complete a ta-bela. 6.3- No exercício 6.2, utilizando a numeração das colunas para identificar a resposta quando necessário, determine:

a- algum dos pontos excedeu os limites máximos de operação do transistor? b- o que acontece com a resistência rCE na medida em que se polariza mais a base (colu-

nas 1, 2 e 3)? c- nas colunas 4, 5 e 6, analise o que permite que VCE varie enquanto IC e IB ficam prati-

camente constantes d- quais os valores de rCE no corte e na saturação?

e- onde houve variação significativa do valor de ?

6.4- Quais as potências dissipadas por um transistor nas regiões de corte e saturação, consi-derando ICcorte = 0 e VCEsat = 0 ? Existe alguma vantagem nisso? 6.5- A questão anterior reflete a realidade do comportamento do transistor bipolar de junção? O que muda?

1 2 3 4 5 6 7 8 9

VCE 10 10 10 6 10 14 1 14 V

IC 40 40 40 49 mA

IB 50 150 300 400 25 µA

rCE Ω

245 -


60


61

7- Aplicações com o Transistor Bipolar de Junção Neste capítulo serão vistos vários circuitos básicos utilizando transistores, analisado seu funcionamento e definidas as maneiras de projetá-los.

7.1- O transistor como chave- utilizando o A maneira mais simples de efetuar um projeto com transistores é utilizando o ganho de

corrente em emissor comum, ou (hFE). Normalmente esse método é utilizado quando se de-seja um cálculo rápido, mas não é indicado para todas as utilizações.

Neste exemplo, utilizaremos um dispositivo eletromecânico denominado relé, que é composto basicamente de uma bobina de fio muito fino à qual se aplica uma tensão, que po-de ser alternada ou contínua (na grande maioria das vezes as bobinas dos relés são para tensão contínua). Um campo magnético é produzido nessa bobina o que atrai uma peça me-tálica, a qual movimenta um ou vários contatos elétricos. Existem basicamente três tipos de relé:

NA ou Normalmente Aberto (NO na sigla em inglês), onde um contato aberto é fe-chado ao se aplicar tensão à bobina;

NF ou Normalmente Fechado (NC na sigla em inglês), onde um contato fechado é aberto ao se aplicar tensão à bobina;

NA/NF ou REVERSÍVEL (NO/NC na sigla em inglês), onde um contato com duas posições de comutação inverte sua posição quando se aplica tensão à bobina.

Nos diagramas abaixo são mostrados os três tipos de relé descritos. A quantidade de contatos por relé pode ser superior a uma. Inicialmente é mostrado o circuito funcional, com uma fonte alimentando a bobina através de um interruptor, e em seguida a forma como nor-malmente se representam os relés em circuitos ele-trônicos. As principais ca-racterísticas de um relé, que podem ser vistas nas páginas a seguir, são, além do tipo e quantidade de contatos, a corrente máxima que esses conta-tos suportam, a tensão de alimentação da bobina e a resistência da bobina (bem como a potência dissipada por ela ao ser energizada).

K

A B

K K

C

CONTATO

NORMALMENTE

ABERTO

NA

CONTATO

NORMALMENTE

FECHADO

NF

CONTATO

REVERSÍVEL

NA/NF

A B AB

A

B

A

B

A

B

A

B A

B C


62

Abaixo, desenho e foto de um relé reversível (NA/NF ou NO/NC).

MOLA

CONTATO

NF

CONTATO

NA

CONTATO

COMUM

NÚCLEO

BOBINA

TERMINAL

COMUMTERMINAL

NORMALMENTE

ABERTO

TERMINAL

NORMALMENTE

FECHADO

TERMINAIS

DA BOBINA

MANCAL


63


64


65

Do manual, vamos utilizar o relé, cujas características da bobina são: tensão 12V, re-

sistência de 400Ω e consumo de corrente de 30mA. Outras características importantes:

máxima tensão de bobina (Max. allowable voltage) de 130% da nominal (15,6V);

mínima tensão da bobina para acionamento (Pick-up voltage) de 75% da nominal (9V);

mínima tensão da bobina que mantém o relé acionado (Drop-out voltage) de 5% da nominal (0,6V);

potência dissipada pela bobina (Nominal operating Power) de 0,36W;

capacidade nominal dos contatos 5A, 250VAC;

capacidade máxima de corrente dos contatos 8A;

disponibilidade de contatos dos tipos NA, NF e NA/NF. Usaremos um relé com contatos do tipo A, ou seja normalmente abertos (NA), identifi-

cado pelo código SH-S-1 12 D M.


66

Nosso objetivo neste exemplo é ligar uma lâmpada de 220VCA/100W utilizando uma

saída digital padrão de um microcontrolador PIC. Esse tipo de saída pode fornecer, no máxi-mo, 20mA a uma tensão de 5VCC. O acionamento da lâmpada será feito pelo relé, que supor-ta até 8A e 250VCA, sendo que a lâmpada consome 100W/220V ou cerca de 450mA. O relé aciona a lâmpada e possibilita a isolação elétrica (denominada, neste caso, isolação galvâni-ca) entre o circuito de baixa tensão (microcontrolador) e o de alta que é a rede elétrica de 220V.

A bobina do relé, no entanto, consome 30mA, e não pode ser ligada diretamente à saí-da do PIC, sendo necessária a utilização de um transistor (neste caso, na configuração emis-sor comum) para amplificar a corrente dessa saída. O circuito ficará como o mostrado abaixo:

O transistor irá trabalhar nas duas regiões extremas:

corte, quando não há corrente de coletor (RCE alta) e o relé estará desenergizado

(VBOB =0 tensão na BOBina);

saturação, quando a corrente de coletor será máxima (RCE baixa) e o relé será ener-gizado (VBOB = VCC - VCEsat).

Esse é o comportamento do transistor atuando como chave: ligado ou desligado. O diodo D1 é fundamental para o correto funcionamento do circuito, como explicado a

seguir. Quando a bobina do relé é energizada (transistor em saturação), forma-se um campo

magnético nela. Quando ocorre o desligamento do relé (transistor em corte) o campo magné-tico que havia na bobina entra em colapso e as linhas de força do campo se movem rapida-mente para dentro da bobina. Um campo magnético em movimento sobre uma bobina produz tensão, e a velocidade desse campo determina o valor dessa tensão. Como neste caso a ve-locidade de colapso do campo é alta (desligamento de bobinas energizadas) a tensão produ-zida pela bobina será muitas vezes superior à tensão da fonte que a alimenta, e também de polaridade oposta. Essa tensão, embora alta, tem uma duração muito pequena (chama-se a esse tipo de pulso transiente de tensão) e sua energia (energia = potência X tempo) é baixa. O diodo, da forma como está ligado no circuito, não influi no funcionamento normal deste (es-tará polarizado reversamente). Mas, se for produzida uma tensão reversa na bobina, o diodo ficará polarizado diretamente e absorverá o transiente. Caso o diodo não seja instalado, a tensão reversa poderá danificar as junções do transistor ou até mesmo o microcontrolador, por isso é indispensável seu uso.

PIC

16F628

+12V

RA0

220VAC/100W

220V

RELÉ

SH-S-1 12 D M

RB

D1

1N4148

Q1

BC548


67

O primeiro passo é determinar se o transistor atende nossa necessidade. Como

ICmáx = 100mA, e VCEmáx = 30V, as limitações do dispositivo nos atendem.

Os valores de variam entre 110 e 220 para o tipo A (BC548A); usaremos o valor mé-dio, ou seja, 165. Para a IC desejada (30mA), o valor de IB será:

𝐼𝐵 = 𝐼𝐶 𝛽 = 30𝑚𝐴 165 𝑰𝑩 = 𝟏𝟖𝟐𝝁𝑨 Em seguida, é necessário determinar o valor do resistor RB. Estamos supondo que, como na grande maioria das vezes, queremos acionar o relé quando a tensão de saída em RA0 for de 5V. Logo, terermos:

𝑅𝐵 =𝑉𝑅𝐴0 − 𝑉𝐵𝐸

𝐼𝐵 =

5 − 0,7

182𝜇𝐴 𝑹𝑩 = 𝟐𝟑,𝟔𝑲Ω

O valor de VBE utilizado é normalmente de 0,7V. Para cálculos que necessitem maior exatidão, existe uma curva específica VBE X IC no manual do transistor. O valor comercial mais próximo (ver pág. 33) será de 22KΩ, que será o valor adotado. A potência do resistor será:

𝑃𝑅𝐵 ≥ 𝑉𝑅𝐵

2

𝑅𝐵 ≥

(4,3)2

22KΩ 𝑷𝑹𝑩 ≥ 𝟖𝟒𝟎𝝁𝑾

Um resistor de 1/8W (125mW) atende plenamente. O último passo é escolher um diodo para absorver o pulso reverso da bobina. O ideal é que ele responda a frequências mais elevadas (o transiente é um pulso de curta duração), por isso será utilizado o 1N4148, que suporta uma corrente direta de 300mA e uma tensão rever-sa da ordem de 100V.

Quando a tensão de RA0 for zero volt, a corrente IB será também zero, o transistor es-tará em corte e o relé desativado; quando RA0 for 5V, a corrente IB será:

𝐼𝐵 =𝑉𝑅𝐴0 − 𝑉𝐵𝐸

𝑅𝐵 =

5 − 0,7

22𝐾Ω 𝑰𝑩 = 𝟏𝟗𝟓𝝁𝑨

Nesta situação, IC seria:

𝐼𝐶 = 𝐼𝐵 𝑋 𝛽 = 195𝜇𝐴 𝑋 165 𝑰𝑪 = 𝟑𝟐,𝟏𝟕𝒎𝑨 Na realidade neste exemplo, onde a tensão da bobina do relé é a mesma da fonte

(12V), o transistor terá de trabalhar na saturação, de modo que a tensão VCE seja mínima

(VCEsat). Na saturação o do transistor diminui, portanto a corrente de coletor de 32,17mA

calculada não é correta, pois foi usado um valor de médio (arbitrário). Mesmo que se dimi-nua mais ainda o resistor de base, aumentando a corrente de base, a corrente de coletor não aumentará (este é o efeito da saturação no transistor), e essa corrente será limitada pela re-sistência da bobina do relé.

Para este tipo de circuito, onde a carga (a bobina do relé) tem uma ampla faixa permiti-da de variação de tensão (de 9V a 15,6V), este cálculo simplificado pode ser utilizado. No en-tanto, a maneira mais correta de fazer um projeto deste tipo é utilizando as curvas caracterís-ticas do transistor e traçando sobre elas a reta de carga do circuito, o que será visto no próxi-mo tópico.


68

7.2- O transistor como chave – utilizando a reta de carga O mesmo projeto do item anterior será refeito utilizando a reta de carga do circuito. Se-

rá necessária, agora, a curva característica VCE X IC do transistor. O método será idêntico ao utilizado para o diodo, substituindo VD por VCE e ID por IC.

Método para o traçado da reta de carga

1º passo- Considerar o transistor um curto entre coletor e emissor e determinar a corrente no circuito; mar-car o valor encontrado no gráfico (IC = 30mA; VCE = 0).

𝐼𝐶 = 𝑉𝐶𝐶𝑅𝑟𝑒𝑙é

= 12𝑉

400Ω ⟹ 𝐼𝐶 = 30𝑚𝐴

2º passo – Considerar o transistor um circuito aberto entre coletor e emissor e determinar a tensão sobre e-le; marcar o valor encontrado no gráfico (IC = 0; VCE = VCC = 12V).

𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 = 12𝑉 3º passo- Unir os dois pontos por uma reta, que será a reta de carga do circuito. 4º passo- Como queremos que o transistor opere como chave, em corte e saturação, precisamos escolher

um ponto quiescente (ponto de operação) onde a tensão entre coletor e emissor seja a menor possível. A VCEsat deste transistor pode variar entre 90mV e 600mV. Para um valor de IB = 400µA, teremos um VCEq de cerca de 0,4V e uma ICQ de cerca de 29mA.

Obtida a corrente de base (400 µA), pode-se calcular o valor de RB:

𝑅𝐵 =𝑉𝑅𝐴0 − 𝑉𝐵𝐸

𝐼𝐵 =

5 − 0,7

400𝜇𝐴 𝑹𝑩 = 𝟏𝟎,𝟕𝟓𝑲Ω

O valor comercial mais próximo é 10KΩ e a potência do resistor será:

𝑃𝑅𝐵 ≥ 𝑉𝑅𝐵

2

𝑅𝐵 ≥

(4,3)2

10KΩ 𝑷𝑹𝑩 ≥ 𝟏,𝟖𝒎𝑾

Mais uma vez, um resistor de 1/8W atende.

ICQ = 29mA

VCEQ = 0,4V


69

É importante destacar que o primeiro cálculo, onde RB = 22KΩ não estava errado, e o cir-

cuito funcionaria sem apresentar problemas. É fácil perceber no gráfico que, se a corrente de base fosse 195µA (valor encontrado no item anterior), pouca variação ocorreria em VCEQ e ICQ. O método da reta de carga, no entanto, é mais confiável. Além disso, uma corrente de base maior garante um valor de VCEsat menor e uma maior tensão entregue à carga.

Um outro problema que ocorre com projetos utilizando transistores é a discrepância entre

os valores de de dispositivos de fabricantes diferentes e até mesmo entre lotes diversos do

mesmo fabricante. Para evitar surpresas, é conveniente medir o do transistor com auxílio de um multímetro (ver pág. 56) antes de efetuar os cálculos.

EXERCÍCIOS

7.1- As catracas de acesso à Universidade utilizam duas sinalizações através de leds: um “X” vermelho para acesso negado e uma seta verde para acesso liberado. Em ambos os ca-sos, nove leds são empregados. O dispositivo que envia a informação para o acionamento dos leds é, provavelmente, um microcontrolador semelhante ao descrito no exemplo da pág. 66. Dimensione e desenhe um circuito que acione os leds utilizando o BC548 trabalhando como chave, sem utilizar relé, para tensões VCC de 5V e 12V. Os leds utilizados são o L130 e o L230, trabalhando com 50% da corrente nominal, e cujas especificações estão na pág. 37.

Resp.: p/ 5V R = 22 1/3W; RB = 3,9K. p/ 12V R = 100 2W; RB = 3,9K. 7.2- Determine as potências de coletor dissipadas para as duas tensões do exercício ante-

rior. Resp.: 60mW e 55mW 7.3- A solução do exercício 7.1 utilizou a corrente de coletor do transistor no seu limite.

Pesquise a existência de um transistor da família BC que possa sozinho acionar os nove leds de cada conjunto, localize suas curvas VCE X IC e projete o novo circuito.

7.4- O motor RF-300C-11440 D/V5.9 é muito utilizado em

CD players e DVD´s players, para rotacionar o disco. É um micro-motor para 5,9V (o mesmo modelo existe também para outras tensões) com consumo médio de 30mA. Deseja-se utili-zar esse motor para um projeto de robótica utilizando um mi-crocontrolador PIC, e para acioná-lo será utilizado um transis-tor alimentado por 12V. Execute o projeto, incluindo o diagra-ma esquemático.

Resp.: IB = 120µA; RB = 33K; PC = 183mW


70

7.5- Como seria o circuito do exemplo da pág. 66 caso quiséssemos acionar o relé quando

a tensão de saída do PIC fosse 0V e desligá-lo quando fosse 5V? 7.6- Atualmente a forma mais comum de comunicação entre dispositivos como pendrives e

câmeras digitais com microcomputadores é a interface USB (Universal Serial Bus). Como o próprio nome já diz, é um protocolo de comunicação que utiliza uma interface serial, onde os bits de dados (0 e 1 lógicos) que compõe a informação a ser transferida de um dispositivo pa-ra outro são transmitidos em um único fio, um após o outro (uma série de bits). Uma interface USB 3.0 atinge até 4,8Gbps (4,8X109 bits por segundo), mas o comprimento do cabo está limitado a cerca de 1m, e apenas dois equipamentos (um mestre e um escravo) podem se comunicar.

Existem também outros tipos de protocolos seriais, como o RS485, muito utilizado na in-dústria por sua alta imunidade a ruídos elétricos (interferência eletromagnética - EMI) e tam-bém pela grande distância que pode existir entre os equipamentos que precisam se comuni-car (até cerca de 1Km, utilizando fios trançados). Vários equipamentos podem ser conectados ao mesmo par de fios usado para transmissão e recepção, (até 32, sendo um mestre e 31 escravos). As velocidade de transmissão de dados para este padrão são bem mais baixas do que para o USB, o que pode ser visto no gráfico abaixo, que relaciona a distância com a velo-cidade de transmissão de dados.

Antes do advento da interface USB, o padrão serial mais utilizado era o RS232. Ele uti-

lizava tensões de +12V e -12V para representar, respectivamente, os valores 0 e 1 digitais. Ou seja, ao nível 0 lógico de um sinal digital correspondia +12V e ao nível 1 lógico -12V. Sa-bemos que o nível 0 de uma saída TTL (Transistor-Transistor Logic) pode variar entre 0 e 0,8V, e que o nível 1 lógico desse tipo de saída pode ter valores entre 2,0 e 5,0V. O circuito da próxima página foi projetado para transformar o sinal serial de uma saída TTL em um sinal serial RS232 (existe um CI cujo código é MAX232 que converte o sinal TTL em RS232, ge-rando internamente as tensões de ±12V.)

Data Signaling Rate in Kbits/sec10 100 1000 10000

10

Ca

ble

Le

ng

th in

Me

ters

100

1000

10000


71

CONVERSOR TTL-RS232 A TRANSISTORES

Pede-se, para os estados lógicos 0 e 1 na

entrada: a- desenhar os gráficos dos sinais solici-

tados; b- determinar os estados dos transistores

(corte e saturação) nos intervalos indi-cados;

CONSIDERAR QUE OS TRANSISTORES

ESTÃO OU EM CORTE (VCE = 0) OU EM SATURAÇÃO (VCE = VCC)

R1

18K

R2 1KR3

111K

+12V

+12V

R5

100K

+12V

R4 1K

Q1

BC548A

Q2

BC548A

Q3

BC558A

-12V

R6 2,2KVi

Vo

V1

V2

INTERVALO

0 a 1 1 a 2 2 a 3 3 a 4 ms

Q1

Q2 Q3

ESTADOS (CORTE/SATURAÇÃO)

5V

t (ms)

5V

t (ms)

12V

5V

t (ms)

12V

Vi

V1

V2

5V

t (ms)

12V

Vo

-12V

0 1 2 3 4

0 1 2 3 4

0 1 2 3 4

0 1 2 3 4


72

7.7- Deseja-se acionar, simultaneamente, dois relés do tipo SH-S-1 6 D através de uma fonte

de 12V CC, utilizando apenas um transistor. Pede-se: a- descrever detalhadamente as características do relé que interessam ao projeto; b- projetar o circuito (cálculo dos componentes e diagrama).

Obs.: A ligação proposta neste exercício, embora correta, não é usual. Resp.: b- RB = 4,7KΩ 7.8- Refazer o exercício anterior para um par de relés SH-S-1 24 D B ligados a uma fonte de

24V CC. Resp.: b- RB = 10KΩ 7.9- A velocidade em um motor de corrente contínua é função direta da tensão aplicada a ele, e

é máxima na tensão nominal do motor. Se a tensão sobre o motor diminuir, sua velocidade tam-bém diminui. Esse tipo de motor precisa de uma tensão mínima para vencer a inércia mecânica do conjunto motor/carga e começar a girar, ou seja, o motor pode não girar quando a tensão é pouco acima de zero. Analise os circuitos a seguir. Nos três o objetivo é controlar a velocidade do motor através da variação da tensão sobre ele.

No primeiro deles a variação da tensão é conseguida a partir de um potenciômetro montado como divisor de tensão.

No segundo, o potenciômetro varia a corrente de base do transistor, o que altera a corrente de coletor e consequentemente a tensão coletor-emissor, resultando na variação da tensão sobre o motor.

No terceiro, o mesmo efeito (controle da velocidade do motor através da tensão aplicada a ele) é obtido, mas agora utilizando uma técnica denominada PWM (Pulse Width Modulation ou Modu-lação por Largura de Pulso).

O PWM consiste em um sinal de período constante e largura de pulso (intervalo de tempo em

que o sinal fica com nível acima de zero) variável. Esse intervalo é denominado duty cycle (ciclo de trabalho) e normalmente é expresso em porcentagem. Quanto maior for o duty cycle (intervalo

de tempo com o sinal acima de zero) maior será a tensão mé-dia desse sinal.

Ao lado temos um sinal PWM com duty cycle de 50%. Isso significa que a tensão média desse sinal será 50% de seu va-lor máximo:

50% de 12V = 6V

M

+12V

VM

PWM

MR

+12V

VM

P

M VM

+12V

P

12V

t (ms)0 1 2

50%

6V


73

Os sinais abaixo têm, respectivamente, duty cycle de 25% e 75%, e apresentam tensões mé-

dias de 3V e 9V. O controle de potência através do método PWM é o normalmente utilizado em sistemas micro-

controlados. A partir das informações fornecidas, responda as questões a seguir. a- A curva abaixo mostra a relação entre a tensão aplicada e a velocidade em um motor sem

carga (Lugnet Partsref 71427c01, Peeron 71427c01), utilizado pela LEGO em seus siste-mas robóticos. Supondo pulsos PWM de amplitude de 9V e período 1ms, determine o duty cycle, em porcentagem, do sinal para obter uma rotação de aproximadamente 150rpm. Em seguida desenhe a forma de onda para obter a velocidade pedida.

b- Suponha o motor acima

em uma determinada situ-ação de carga, com um torque rotacional de 2,25Ncm e duty cycle de 50%, para uma tensão de alimentação de 9V. Através dos dados da tabela ao la-do, determine e compare as perdas para os três mé-todos de controle de velo-cidade propostos na pági-na anterior (desenhe os circuitos indicando tensões e correntes). Considere o potenciôme-tro do primeiro método igual a 50Ω e a tensão de saturação no terceiro (VCEsat) igual a 0,3V. A partir dos cálculos efetuados, indique qual o método mais eficiente para controlar a velocidade de um motor desse tipo.

Resp.: a- 3,5V, 39% ; b- 76,7%; 50%; 3%.

12V

t (ms)0 1 2

25%

3V

12V

t (ms)0 1 2

75%

9V

9V

t (ms)0 1 2

http://guide.lugnet.com/partsref/search.cgi?q=71427c01

http://www.peeron.com/inv/parts/71427c01


74


75

7.3- Configuração Darlington A Configuração (ou Conexão) Darlington é composta de dois

transistores interligados como mostra o desenho ao lado. Sua prin-

cipal característica é o alto valor de ganho de corrente () resultan-te.

Esta configuração pode ser montada com dois transistores discretos como os vistos nos capítulos anteriores ou adquirida em um único encapsulamento, como os BD675/677/679/681, cuja folha de informações pode ser vista nas páginas seguintes.

No circuito ao lado, as correntes de base, coletor e e-

missor do par Darlington estão representadas em vermelho. A corrente de base IB é amplificada por Q1 e aplicada a Q2, que por sua vez a amplifica novamente. Essa dupla amplificação é responsável pelo alto ganho de corrente da configuração.

Do circuito podemos perceber que:

𝐼𝐵 = 𝐼𝐵1 𝐼𝐸 = 𝐼𝐸2 𝑒 𝐼𝐶 = 𝐼𝐶1 + 𝐼𝐶2

Montando as equações do circuito, teremos:

𝐼𝐶 = 𝐼𝐶1 + 𝐼𝐶2 = 𝛽1𝐼𝐵1 + 𝛽1 𝛽2𝐼𝐵1 + 𝛽2𝐼𝐵1 ⇒ 𝑰𝑪 = 𝑰𝑩𝟏(𝜷𝟏 + 𝜷𝟏 𝜷𝟐 + 𝜷𝟐)

Geralmente, o ganho de corrente do par Darlington (D) é simplificado (com um peque-

no erro) para:

𝜷𝑫 = 𝜷𝟏 𝜷𝟐

A tensão base-emissor do par Darlington será o dobro da de um

transistor convencional, cerca de 1,4V, pois as duas junções base-emissor estão em série.

O par Darlington é, muitas vezes, representado como no dese-

nho ao lado.

𝐼𝐸1 = 𝛽1 𝐼𝐵1 + 𝐼𝐵1 ⟹ 𝑰𝑬𝟏 = 𝑰𝑩𝟏(𝜷𝟏 + 𝟏) 𝐼𝐶1 = 𝛽1 𝐼𝐵1

𝐼𝐸1 = 𝐼𝐶1 + 𝐼𝐵1

𝐼𝐶2 = 𝛽2𝐼𝐵2 = 𝛽2𝐼𝐸1

𝐼𝐵2 = 𝐼𝐸1 = 𝐼𝐵1(𝛽1 + 1)

𝐼𝐶2 = 𝛽2𝐼𝐵1(𝛽1 + 1)

𝑰𝑪𝟐 = 𝜷𝟏 𝜷𝟐𝑰𝑩𝟏 + 𝜷𝟐𝑰𝑩𝟏

IC

IB

IE

B

E

C

Q1

Q2

B

E

C

Q1

Q2IB1

IE1

IC1

IC2

IE2IB2

IC

IE

IB

como 𝐼𝐵 = 𝐼𝐵1

e

𝛽𝐷 =𝐼𝐵1(𝛽1 + 𝛽1 𝛽2 + 𝛽2)

𝐼𝐵1 ⇒ 𝜷𝑫 = 𝜷𝟏 𝜷𝟐 + 𝜷𝟏 + 𝜷𝟐

𝛽𝐷 =

𝐼𝐶𝐼𝐵


76

Exemplos de polarização de circuitos com transistores Darlington:

No circuito ao lado é necessário alimentar uma

carga Rc com 12V a partir de uma fonte de 24V. O controle é feito através da tensão VIN, que é de 5V. Verifique se o transistor pode ser utilizado e determine o valor de RB.

A corrente de coletor do circuito será:

𝐼𝐶 = 𝑉𝑅𝐶

𝑅𝐶=

12𝑉

10Ω ⇒ 𝑰𝑪 = 𝟏, 𝟐𝑨

e a potência dissipada no coletor:

𝑃𝐶 = 𝑉𝐶𝐸 𝑋 𝐼𝐶 = ( 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝑅𝐶 ) 𝑋 𝐼𝐶 = 24 − 12 𝑋 1,2 ⇒ 𝑷𝑪 = 𝟏𝟒, 𝟒𝑾

Da folha de informações do transistor podemos ver que todas as limitações foram res-peitadas:

VCEO = 45V, IC = 4A, PC = 40W

Do gráfico da Figura 1 (DC

current Gain) da folha de infor-

mações determinamos que o D para IC = 1,2A é de cerca de 4500, logo:

e

Se utilizarmos os valores comerciais mais próximos (12K ou 15K) a tensão sobre RC será um pouco diferente dos 12V propostos (faça os cálculos e verifique). Caso seja necessá-rio respeitar esse valor de tensão, é mais conveniente associar resistores para que RB não

fique muito longe do calculado. Dois resistores de 27K ligados em paralelo resolvem o pro-blema.

𝑃𝑅𝐵 𝑉𝑅𝐵

2

𝑅𝐵𝑋 1,5

(𝑉𝐼𝑁 − 𝑉𝐵𝐸)2

𝑅𝐵𝑋 1,5

(5 − 1,4)2

27000𝑋 1,5 ⇒ 𝑷𝑹𝑩 𝟎, 𝟕𝟐𝒎𝑾

Serão utilizados dois resistores de 27K para 1/8W ligados em paralelo.

𝐼𝐵 = 𝐼𝐶𝛽𝐷

= 1,2𝐴

4500 ⇒ 𝑰𝑩 = 𝟐𝟔𝟕𝝁𝑨

𝑅𝐵 = 𝑉𝐼𝑁 − 𝑉𝐵𝐸

𝐼𝐵=

5 − 1,4

267. 10−6

⇒ 𝑹𝑩 = 𝟏𝟑, 𝟓𝑲𝛀

IC

IB

IE

RB

RC = 10

VCC = 24V

BD675A

VRC = 12V

VIN = 5V


77


78


79

Nas próximas páginas são mostradas as características de um conjunto de sete pares

Darlington dentro de um único encapsulamento tipo DIP-16 (Dual In-line Package). Esse tipo de dispositivo é bastante útil pois simplifica o lay-out da placa de circuito impresso e ocupa pouco espaço. O arranjo suporta correntes de até 500mA por par Darlington, tensões de até 50V e já tem instalados internamente os diodos supressores de transientes mostrados anteri-ormente. O modelo ULN2003 é o mais adequado para interfaces com microcontroladores e portas TTL, e é bastante utilizado para acionar cargas como motores de passo, que possuem três ou quatro enrolamentos que devem ser energizados de forma independente.


80


81

ZENER DE 7V


82


83

EXERCÍCIOS

7.10- Supondo que os transistores, Q1 e Q2 do par Darlington

da figura possuam, respectivamente, valores de iguais a 100 e 50, determine:

a- todas as correntes para IB = 100µA;

b- o valor do D associando IC e IB ;

c- o valor do D associando 1 e 2 (fórmula simplificada).

d- a diferença porcentual entre os valores de D encontrados e o motivo dessa diferença.

Resp.: IB1 = 100µA; IC1 = 10mA; IE1 = IB2 = 10,1mA; IC2 = 505mA; IE = 515,1mA; IC = 515mA

1 = 5150; 1 = 5000; 2,9% 7.11- Deseja-se acionar um contator (dispositivo semelhante aos relés já estudados, mas

geralmente utilizado para acionar cargas com correntes mais altas). A bobina do contator é

para 48V, com resistência de 60, mas a fonte disponível é de 80V. O sinal de acionamento para o contator, de 24V, é fornecido por um CLP (Controlador Lógico Programável), do qual deve ser drenado o menor valor possível de corrente. A partir das informações deste capítulo, projete um circuito que atenda a necessidade descrita acima, desenhando também seu dia-grama.

Resp.: BD681; RB = 113K 1/8W 7.12- O diagrama abaixo mostra a conexão de um motor de passo com quatro bobinas a

um microcontrolador utilizando um array ULN2003A. Utilizando as informações da folha de informações do array, desenhe a conexão de P2 à bobina /B mostrando os transistores que existem dentro do ULN2003.

B

E

C

Q1

Q2IB1

IE1

IC1

IC2

IE2IB2

IC

IE

IB

1B1

2B2

3B3

4B4

5B5

6B6

7B7

1C16

2C15

3C14

4C13

5C12

6C11

7C10

COM

9

GND

U2

ULN2003A

5V ou 12V

123

4 5 6

MOTOR DE PASSO

P4P3P2P1

/B

B

/A A

CONTROLADOR

8

MICRO

12V

SOLUÇÃO

5B

5C

P2

GND

12V

/B

12

5

9

8

2

3


84


85

7.4- Ponte H com Transistores Pequenos motores de corrente contínua semelhantes ao mostrado no exercício 7.4 da

pág. 69, são muito utilizados nas mais diversas aplicações. Uma de suas características é a inversão do sentido de rotação quando se inverte a polaridade da tensão aplicada a eles.

Nos modelos de automóveis onde os espelhos retro-

visores externos são acionados eletricamente, é utilizado um conjunto de interruptores como o mostrado ao lado, que acionam dois motores por espelho, um para o movimento vertical e outro para o horizontal.

O diagrama abaixo mostra como funciona esse sis-tema. Quando as chaves 1 e 3 estão ligadas, o motor gira no sentido horário; quando as chaves ligadas são as de números 2 e 4, a tensão aplicada ao motor é invertida, e o sentido de rotação também.

Alguns veículos possuem o recurso de inclinar o espe-

lho do lado do passageiro para baixo, assim que a marcha-à-ré é acionada – mecanismo conhecido como “tilt down”, que auxilia na baliza e ajuda a evitar que as rodas raspem no meio-fio. Para isso é necessário que a movimentação do es-pelho seja automática, e o acionamento dos motores pode ser feito com um circuito utilizando transistores no lugar das chaves, o que é mostrado ao lado. Esse tipo de circuito é denominado ponte H. Observe que são utilizados os dois tipos de transistores, PNP em cima (Q1 e Q2) e NPN em bai-xo (Q3 e Q4).

Esse tipo de dispositivo utiliza um microcontrolador para baixar o espelho quando a marcha-à-ré é acionada, trazendo-o de volta à posição inicial quando a alavanca do câmbio volta para ponto morto.

Quando uma grande carga mecânica é acionado por um motor, seu momento de inér-cia pode fazer com que o eixo do motor continue girando, mesmo após se desligar a alimen-tação elétrica. Motores de corrente contínua podem ser freados colocando-se em curto seus terminais. O efeito de frenagem ocorre porque esse tipo de motor funciona como gerador quando seu rotor é girado externamente (por exemplo, por uma carga ligada a seu eixo que tenha um momento de inércia elevado). Como se sabe, um gerador que tenha seus terminais em curto é freado. O circuito de ponte H presta-se também a essa finalidade: se os transisto-res Q1 e Q2 forem acionados simultaneamente, o motor será colocado em curto, fazendo com que sofra uma frenagem. O mesmo vale para o acionamento dos transistores Q3 e Q4.

M

+

-M

+

-

+

-

+

-

+ -M

1 2

4 3

+ -M

1 2

4 3

+

-

+

-

+ -M

Q1 Q2

Q4 Q3

+

-

SELEÇÃO DE ESPELHO

MOTORISTA/PASSAGEIRO

MOVIMENTO DO ESPELHO

VERTICAL/HORIZONTAL


86

A seguir é mostrada uma ponte H fornecida dentro do encapsulamento de um circuito

integrado, o que é muito prático para otimizar as montagens de dispositivos. Na próxima página são mostrados a fotografia e os diagramas de uma ponte H discre-

ta, ou seja, construída com transistores individuais. Esse dispositivo faz parte de um conjunto de módulos didáticos para serem conectados a microcontroladores e possui, além do motor, um galvanômetro de zero central e dois leds de cores diferentes, que permitem visualizar a polaridade da tensão na saída da ponte.


87

Módulo com ponte H, motor e galvanômetro para conexão ao kit de microcontrolador

1

2

4

5

3


88

A figura 1 da página anterior mostra uma foto do conjunto, onde se pode ver, a esquer-

da, a ponte H com transistores BC328/338, no centro o motor e a direita o galvanômetro. Esse módulo foi desenvolvido para operar com tensões de alimentação de 5V e sinais de aciona-mento (DIR e PWM) de lógica TTL (0V ou 5V).

A figura 3 mostra os sinais que entram no módulo: alimentação (5V e GND), sentido de rotação (DIR) e velocidade (PWM). A técnica PWM (Pulse Width Modulation) permite controlar a tensão sobre a carga (ou seja, a velocidade de um motor ou o brilho de uma lâmpada in-candescente) através da largura dos pulsos aplicados a essa carga (quanto maior a largura dos pulsos, maior será a tensão média aplicada, maior a velocidade do motor e o brilho da lâmpada). Aqui assumiremos que o sinal PWM será simplesmente 0V ou 5V. O sinal DIR é invertido através do transistor Q8, gerando o sinal \DIR (ou DIR “barrado”). Temos agora, por-tanto, dois sinais de direção no circuito (DIR e \DIR), invertidos entre si.

Na figura 2 é possível ver, em um diagrama simplificado, quais sinais acionam os tran-sitores da ponte (que aparecem como chaves): DIR para SW2 e SW4 (ou Q4 e Q6) e \DIR para SW1 e SW3 (ou Q3 e Q7).

A figura 4 mostra a conexão do motor e do galvanômetro aos pontos A e B da ponte H. ST1 e um strape, ou conexão que pode ser desligada caso se deseje. TP1 (Test Point) é um ponto de teste para conexão, por exemplo, de um osciloscópio.

Finalmente, a figura 5 mostra o circuito completo da ponte H. Esta versão ficou um pouco mais complexa que a apresentada anteriormente, pois é necessário controlar o sentido de rotação do motor através da inversão do estado lógico do sinal de direção: DIR=0V (\DIR) sentido anti-horário; DIR=5V sentido horário.

Como já foi dito, assumiremos que o sinal PWM será 0V ou 5V. Quando PWM=5V, Q1 estará cortado, não permitindo a passagem de corrente para alimentar o motor; com PWM=0V, Q1 estará saturado, permitindo a passagem da corrente. Neste caso, Q1 funciona simplesmente como uma chave liga-desliga.

Quando o sinal DIR (que vem do microcontrolador e determina o sentido de rotação do motor) é zero, o sinal \DIR é de 5V; inversamente, quando DIR=5V, \DIR=0V.

Com DIR=0V, os transistores Q5 e Q6, aos quais esse sinal é aplicado estão cortados. Observe que Q5 cortado não permite a polarização de Q4, que também fica cortado. Já o si-nal \DIR=5V aplicado a Q2 e Q7 faz com que ambos conduzam (saturação), sendo que Q2 polariza Q3, levando-o também à saturação. Conclui-se, portanto, que para DIR=0V (e \DIR=5V), os transistores Q3 e Q7 estão conduzindo, e o ponto A recebe tensão positiva (5V) enquanto que o ponto B é conectado ao terra (OV). Isso leva o motor a girar no sentido horá-rio, o ponteiro do galvanômetro a defletir para a direita e o led D5 (verde) a acender.

Os diodos D1 a D4 absorvem o pulso reverso das bobinas do motor, da mesma forma que já foi vista no acionamento de relés. Os leds D5 e D6 acendem para indicar o sentido de rotação.

Todos os resistores de base são de 1K, o que faz com que as correntes de base se-jam de:

𝐼𝐵 = 5𝑉 − 𝑉𝐵𝐸

𝑅𝐵=

5𝑉 − 0,7

1000⇒ 𝑰𝑩 = 𝟒,𝟑𝒎𝑨

Esse valor relativamente alto de IB garante que os transistores irão para a saturação, onde as tensões VCE são mínimas, o que permitirá que a tensão sobre o motor seja a mais próxima possível de 5V.


89

EXERCÍCIOS

7.13- Faça a análise do circuito para o sinal DIR = 5V, de forma semelhante à que foi feita acima. 7.14- Desenhe o diagrama simplificado da ponte H com transistores da pág. 85, indique os sentidos de corrente para acionamento nos sentidos horário, anti-horário e frenagem de um motor.


90

7.5- Fonte de tensão estabilizada A utilização do diodo Zener para construir fontes de tensão estabilizada, tem utilidade

limitada a cargas com pouco consumo de corrente. Mas, associando as características de estabilização de tensão do Zener com os transistores, podemos construir fontes que forneçam correntes consideráveis. O circuito mais utilizado é o regulador série, assim denominado por-que o elemento regulador (ou de controle) de tensão (transistor) fica em série com a carga e recebe uma referência de tensão do diodo Zener, como mostrado no diagrama abaixo. O ob-jetivo do circuito é manter a tensão de saída VO constante, independente de variações de ten-

são de entrada (Vi) ou de resistência da carga (RL), o que é conseguido através da variação da resistência coletor-emissor dos transistores (RCE).

No diagrama a esquerda, 𝑉𝑂 = 𝑉𝑖 −𝑉𝐶𝐸. Con-

siderando que a corrente na carga é constante (RL fixo), caso a tensão de entrada aumente, a resistência interna do transistor também aumentará, fazendo com que VCE aumente, compensando a variação na entrada; o inverso ocorre caso a tensão de entrada diminua.

Considerando agora que a tensão de entrada (Vi) é constante e a resistência da carga (RL) diminua (ou seja, a

corrente na carga, IL, aumente), a resistência interna do transistor também diminui, mantendo VCE constante. O inverso ocorrerá caso a resistência da carga aumente.

O circuito básico de um regulador sé-rie com transistor é mostrado a direita.

Analisando inicialmente as correntes do circuito, podemos observar que a corren-te de entrada (Ii) se divide nas correntes IC e IS, e esta, por sua vez, se divide em IB e IZ. A corrente de saída, IL, é a própria corrente de emissor do transistor. Portanto:

𝐼𝑖 = 𝐼𝐶 + 𝐼𝑆 𝐼𝑆 = 𝐼𝐵 + 𝐼𝑍 𝐼𝐿 = 𝐼𝐸

Quanto às tensões, a soma de VRS e VZ resulta em Vi; VCE será igual a VCB mais VBE e VO ou VL será VZ menos VBE (e também Vi menos VCE).

𝑉𝑖 = 𝑉𝑅𝑆 + 𝑉𝑍 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐵 + 𝑉𝐵𝐸 𝑉𝑂 = 𝑉𝐿 = 𝑉𝑍 − 𝑉𝐵𝐸 = 𝑉𝑖 − 𝑉𝐶𝐸

A tensão de saída da fonte estabilizada com regulador série será, portanto, menor do

que a tensão do diodo zener de referência (𝑉𝑂 = 𝑉𝐿 = 𝑉𝑍 − 𝑉𝐵𝐸 ).

Novas análises para variações de tensão de entrada e de corrente na carga podem ser feitas, agora para o circuito real mostrado acima.

Sendo VZ constante, caso Vi diminua, VRS e IS também diminuirão. Como VRS é igual a VCB, esta também será menor. Finalmente, como VCE é a soma de VCB e VBE (que é conside-rada constante e igual a 0,7V), VCE será menor, compensando a diminuição da entrada.

Atribuindo valores como exemplo, faremos Vi = 16V, caindo para 15V e VZ = 12,5V. Pa-ra 16V na entrada, VO será 11,8V (VZ – VBE) e VCE será 4,2V (Vi – VL), enquanto que VCB, que é igual a VRS, será 3,5V (VCB = VRS = Vi – VZ). Quando Vi cai para 15V (queda de 1V na entra-da) VZ permanece constante, mas VRS e VCB caem na mesma proporção, ou seja de 3,5V pa-ra 2,5V. Sendo VCE a soma de VCB (2,5V) e de VBE (0,7V), seu novo valor será 3,2V, e a ten-são de saída VO (Vi – VCE ou 15V – 3,2V) permanecerá constante em 11,8V.

Vi

ELEMENTO DE

CONTROLE

(TRANSISTOR)

VORL

VCE

ELEMENTO DE

REFERÊNCIA

(ZENER)

+

-

IL

RS

IZVZ

IBIS

Ii IL

RL

VBEVRS

IC

Vi VO

VL

IE

VCB

VCE


91

Supondo agora Vi constante em 16V mas IL (IE) aumentando, o valor de VRS permane-

cerá constante, pois VZ não varia. Dessa forma, VCB também permanecerá constante, assim como VCE, mantendo a tensão de saída fixa. Convém observar que, na realidade, a corrente de coletor aumentará (reflexo do aumento da corrente na carga, que é a mesma que a de e-missor) e a resistência coletor-emissor diminuirá. Portanto, quando IL aumenta em função de uma diminuição de RL, a resistência coletor-emissor tem de diminuir, para que a tensão VCE permaneça constante.

O projeto de uma fonte deste tipo é uma ótima oportunidade para aplicar os conheci-

mentos adquiridos até agora. Para desenvolvê-lo precisamos definir as condições de trabalho do circuito e suas equações, levando em conta as limitações dos componentes envolvidos: do transistor, PCmáx, ICmáx e VCEO , e do Zener, IZmín, IZmáx e PZmáx.

Escolha do transistor Deve ser escolhido um transistor que atenda as características da fonte:

- tensão de entrada 𝑽𝑪𝑬𝑶 ≥ 𝟏,𝟓𝑽𝒊𝒎á𝒙

- corrente de saída 𝑰𝑪 ≥ 𝟏,𝟓𝑰𝑳𝒎á𝒙 (cálculo aproximado, considerando IC=IE=IL)

- potência sobre o transistor 𝑷𝑪 ≥ 𝟏,𝟓(𝑽𝒊𝒎á𝒙 − 𝑽𝒐) 𝑰𝑳𝒎á𝒙

Selecionado o transistor, será utilizado, por segurança, o valor de mín fornecido.

Então,

A corrente utilizada nos cálculos é a de coletor, mas a fornecida na especificação da fonte é a de emissor (IL). É necessário, portanto, determinar o valor de IC, o que pode ser feito

através das relações entre e .

A partir de pode-se determinar que

e, portanto, sendo 𝐼𝐶 = 𝐼𝐸𝛼 𝑜𝑢 𝐼𝐶 = 𝐼𝐿𝛼, temos que

Escolha do diodo Zener Serão utilizadas as mesmas fórmulas apresentadas no cap. 4, substituindo apenas a

variável IL por IB.

Como 𝑉𝑂 = 𝑉𝑧 − 𝑉𝐵𝐸 , 𝑉𝑍 = 𝑉𝑂 + 𝑉𝐵𝐸

𝐼𝑍𝑚á𝑥 𝑐𝑎𝑙𝑐 = 𝐼𝑍𝑚 í𝑛 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 + 𝐼𝐵𝑚á𝑥 .𝑉𝑖𝑚á𝑥 − 𝑉𝑍

𝑉𝑖𝑚 í𝑛 − 𝑉𝑍

sendo 𝐼𝑍𝑚á𝑥 (𝑐𝑎𝑙𝑐 ) < 𝐼𝑍𝑚á𝑥 (𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 )

𝑅𝑆𝑚á𝑥 =𝑉𝑖𝑚 í𝑛 − 𝑉𝑍

𝐼𝐵𝑚á𝑥 + 𝐼𝑍𝑚 í𝑛 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 𝑒 𝑅𝑆𝑚 í𝑛 =

𝑉𝑖𝑚á𝑥 − 𝑉𝑍

𝐼𝐵𝑚 í𝑛 + 𝐼𝑍𝑚á𝑥 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜

𝑅𝑆𝑚 í𝑛 ≤ 𝑅𝑆 ≤ 𝑅𝑆𝑚á𝑥 e

𝑃𝑅𝑠 ≥ 1,5 (𝑉𝑖𝑚á𝑥 − 𝑉𝑍 )

2

𝑅𝑆

𝛼 = 𝛽

𝛽 + 1 𝛽 =

𝛼

1 − 𝛼 𝛼 =

𝐼𝐶𝐼𝐸

𝑒 𝛽 = 𝐼𝐶𝐼𝐵

𝑰𝑪 = 𝑰𝑳𝜷

𝜷 + 𝟏

𝑰𝑩𝒎á𝒙 = 𝑰𝑪𝒎á𝒙

𝜷 𝑒 𝑰𝑩𝒎í𝒏 =

𝑰𝑪𝒎í𝒏

𝜷


92

Exemplo de projeto de fonte:

Projetar uma fonte com regulador série para fornecer 5V a uma carga que consome, no máximo, 1A e que pode ser desligada da fonte. A tensão de entrada é de 10V, com possibili-dade de variar 10% para mais ou para menos.

Do circuito: 𝑉𝑖 = 10𝑉

𝐼𝐿𝑚á𝑥 = 1A 𝐼𝐿𝑚 í𝑛 = 0 𝑉𝑂 = 5𝑉

Do transistor:

𝑉𝐶𝐸𝑂 ≥ 1,5𝑉𝑖𝑚á𝑥 ≥ 1,5 𝑋 11𝑉 ⇒ 𝑽𝑪𝑬𝑶 ≥ 𝟏𝟔,𝟓𝑽 𝐼𝐶 ≥ 1,5𝐼𝐿𝑚á𝑥 ≥ 1,5 𝑋 1,0 ⇒ 𝑰𝑪 ≥ 𝟏,𝟓𝑨

𝑃𝐶 ≥ 1,5 𝑉𝑖𝑚á𝑥 − 𝑉𝑜 𝐼𝐿𝑚á𝑥 ≥ 1,5 11 − 5 𝑋 1,0 ⇒ 𝑷𝑪 ≥ 𝟗𝑾

Transistor escolhido: BD135, NPN, ICmáx = 1,5A, VCEO = 45V, PCmáx = 12,5W, mín = 40

𝐼𝐶𝑚á𝑥 = 𝐼𝐿𝑚á𝑥

𝛽

𝛽 + 1= 1,0

40

40 + 1 ⇒ 𝑰𝑪𝒎á𝒙 = 𝟗𝟕𝟔𝒎𝑨

𝐼𝐵𝑚á𝑥 =𝐼𝐶𝑚á𝑥

𝛽=

0,976

40 ⇒ 𝑰𝑩𝒎á𝒙 = 𝟐𝟒,𝟒𝒎𝑨

𝐼𝐵𝑚 í𝑛 =𝐼𝐶𝑚 í𝑛

𝛽=

0

40 ⇒ 𝑰𝑩𝒎í𝒏 = 𝟎

Do diodo Zener:

Como 𝑉𝑂 = 𝑉𝑧 − 𝑉𝐵𝐸 , 𝑉𝑍 = 𝑉𝑂 + 𝑉𝐵𝐸 = 5,0 + 0,7 ⇒ 𝑽𝒁 = 𝟓,𝟕𝑽 Da tabela fornecida no cap. 4, temos duas opções: 1N752 e 1N4734, ambos de 5,6V.

Testaremos primeiro o de menor potência, o 1N752, com PZmáx = 0,5W, IZmín = 20mA e


𝑉𝑍=

0,5

5,6 ⇒ 𝑰𝒁𝒎á𝒙 = 𝟖𝟗,𝟑𝒎𝑨

É interessante observar que a tensão correta para o Zener, de forma a se obter 5V na saída da fonte, teria de ser 5,7V, mas esse valor não existe nas opções dadas. Os diodos es-colhidos farão com que a tensão de saída seja, na realidade, um pouco menor: 4,9V.

𝐼𝑍𝑚á𝑥 𝑐𝑎𝑙𝑐 = 𝐼𝑍𝑚 í𝑛 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 + 𝐼𝐵𝑚á𝑥 .𝑉𝑖𝑚á𝑥− 𝑉𝑍

𝑉𝑖𝑚 í𝑛− 𝑉𝑍 = 20𝑚𝐴 + 24,4𝑚𝐴 .

11 − 5,6

9 − 5,6

𝑰𝒁𝒎á𝒙 𝒄𝒂𝒍𝒄 = 𝟕𝟎,𝟓𝟏𝒎𝑨 (< 𝐼𝒁𝒎á𝒙 𝒅𝒊𝒐𝒅𝒐 )

𝑅𝑆𝑚á𝑥 =𝑉𝑖𝑚 í𝑛 − 𝑉𝑍

𝐼𝐵𝑚á𝑥 + 𝐼𝑍𝑚 í𝑛 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 =

9 − 5,6

24,4𝑚𝐴 + 20𝑚𝐴 ⇒ 𝑅𝑆𝑚á𝑥 = 76,6Ω

𝑅𝑆𝑚 í𝑛 =𝑉𝑖𝑚á𝑥 − 𝑉𝑍

𝐼𝐵𝑚 í𝑛 + 𝐼𝑍𝑚á𝑥 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 =

11 − 5,6

0 + 89,3𝑚𝐴 ⇒ 𝑅𝑆𝑚 í𝑛 = 60,5Ω

𝑉𝑖𝑚á𝑥 = 10𝑉 𝑋 1,1 ⇒ 𝑉𝑖𝑚á𝑥 = 11𝑉 𝑉𝑖𝑚 í𝑛 = 10𝑉 𝑋 0,9 ⇒ 𝑉𝑖𝑚 í𝑛 = 9𝑉


93

𝑅𝑆𝑚é𝑑 =𝑅𝑆𝑚á𝑥 + 𝑅𝑆𝑚 í𝑛

2=

76,6Ω + 60,5Ω

2 ⇒ 𝑅𝑆𝑚é𝑑 = 68,6Ω

𝑹𝑺 𝒂𝒅𝒐𝒕𝒂𝒅𝒐 = 𝟔𝟖𝛀

𝑃𝑅𝑠 ≥ 1,5 (𝑉𝑖𝑚á𝑥 − 𝑉𝑍)2

𝑅𝑆 ≥ 1,5

(11 − 5,6)2

68 ⇒ 𝑃𝑅𝑠 ≥ 643𝑚𝑊

𝑷𝑹𝑺 𝒂𝒅𝒐𝒕𝒂𝒅𝒐 = 𝟏𝑾

O circuito ficará assim:

- Transistor BD135 - Diodo Zener 1N752

- Resistor 68, 1W 7.5.1 – Proteção contra curtos-circuitos Um dos problemas que podem danificar uma fonte deste tipo é um curto-circuito ou mesmo

uma corrente muito acima da nominal na saída. Isso levaria a uma corrente excessiva no emissor que provavelmente danificaria o transistor e talvez os diodos retificadores da etapa anterior. Existe uma forma simples de evitar esse problema, que é mostrada no circuito abaixo.

A corrente da carga IL passa por RSH (o termo SH sig-nifica shunt ou desvio em in-glês). Caso a tensão VRSH, que é a mesma que VBE3, atinja 0,6V ou mais, o transistor Q3 será levado à condução, o que significa que sua resistência coletor-emissor diminuirá. Isso fará com que apareça uma cor-rente de base em Q2, polari-zando esse transistor que terá

sua resistência coletor-emissor também diminuída. O efeito final será uma diminuição da tensão coletor-emissor de Q2, diminuindo VBE1 e despolarizando Q1. Isso fará com que a resistência cole-tor-emissor de Q1 aumente, limitando a corrente de coletor (e de emissor) desse transistor e pro-tegendo o circuito.

O valor de RSH é calculado a partir da corrente máxima que se deseja para a fonte e da tensão base-emissor para que o transistor Q3 comece a conduzir. No projeto usado como exem-plo, limitaremos a corrente a 1,4A, inferior a ICmáx , e definiremos VBE3 sendo igual a 0,6V. RSH será portanto:

𝑅𝑆𝐻 = 𝑉𝐵𝐸3

𝐼𝑚á𝑥=

0,6

1,4 ⇒ 𝑅𝑆𝐻 = 0,43Ω

𝑃𝑅𝑠ℎ ≥ 1,5 (𝑉𝐵𝐸3)2

𝑅𝑆𝐻≥ 1,5

(0,6)2

0,43 ⇒ 𝑃𝑅𝑠ℎ ≥ 1,26𝑊

Esse tipo de proteção é muito usada mas apresenta um inconveniente, a potência dissipa-da no resistor de shunt, que será bem maior caso a corrente de saída da fonte seja mais alta. E-xistem outras maneiras de projetar o circuito (por exemplo, utilizando amplificadores operacionais) que permitem utilizar resistores de shunt que dissipem menos potência e provoquem menos perda de tensão na saída.

RS

VZ

Ii

RL

VBEVRS

ViVO

VL

IEVCE

Q1

Q2

Q3

RSH

VRSH IL


94

7.6 – Folha de Características Resumidas de Transistores A seguir são mostradas partes de um catálogo de transistores do fabricante Fairchild,

que trás as informações de forma resumida. Ele é útil para selecionar transistores para circui-tos como o analisado no capítulo anterior. Caso sejam necessárias informações adicionais, existe, para cada dispositivo mostrado, uma folha de informações completa.

As características de transistores de baixa potência (Small Signal Transistor) apresen-tam algumas diferenças das dos transistores de potência (Power BJT) (BJT significa Bipolar Junction Transistor ou Transistor Bipolar de Junção, que é o modelo que estamos estudando).

Também são apresentadas nas páginas seguintes as dimensões físicas dos transisto-res listados, Essa informação é indispensável para a confecção do circuito impresso que a-comodará o projeto.

Por último, cabe lembrar que podem ocorrer pequenas diferenças de características e-létricas entre transistores (e também outros dispositivos) com mesmo código, mas de fabri-cantes diferentes.

O símbolo @ significa “na condição de”. Na próxima página, os parâmetros tSTG (SToraGe time

(Tempo de Armazenamento) e tF (Fall time, Tempo de Descida) representam, respectivamente, o tem-po que um transistor permanece saturado depois de retirada a polarização de base e o tempo que demora para a corrente de coletor de saturação cair para zero. Não confundir com tSTG com TSTG que representa a Temperatura de Armazenamento (SToraGe Temperature)

Small Signal Transistor

Product Number

Configuration Function VCEO (V)

VCBO (V)

VEBO (V)

IC

Max (A)

hFE Saturation Voltage

Package Min. Max.

@ VCE (V)

@ IC

mA) VCE(sat)

(V) @ IC

mA) @ IB

mA)

BC327 PNP General Purpose 45 50 5 0.8 100 630 1 100 0.7 500 50 TO-92

BC337 NPN General Purpose 45 50 5 0.8 100 630 1 100 0.7 500 50 TO-92


BC368 NPN General Purpose 20 25 5 2 85 375 1 500 0.5 1000 100 TO-92


BC516 PNP Darlington 30 40 10 1 30000 - 2 20 1 100 0.1 TO-92

BC517 NPN Darlington 40 30 10 1.2 30000 - 2 20 1 100 10 TO-92












BC636 PNP General Purpose 45 45 5 1 40 250 2 150 0.5 500 50 TO-92






95

Power BJT

Product Number

Configuration Function VCBO (V)

VCEO (V)

VEBO (V)

IC (A)

PC (W)

hFE VCE (sat) tSTG

(µs) tF

(µs) Min. Max.

@ IC (A)

Typ. (V)

Max. (V)

TO-126

BD135 NPN General Purpose 45 45 5 1.5 12,5 40 250 0.15 - 0.5 - -

BD136 PNP General Purpose 45 45 5 1.5 12,5 40 250 0.15 - 0.5 - -





BD159 NPN General Purpose 375 350 5 0.5 20 30 240 0.05 - - - -

BD675A NPN Darlington 45 45 5 4 40 750 - 2 - 2.8 - -

BD676A PNP Darlington 45 45 5 4 40 750 - 2 - 2.8 - -





BD681A NPN Darlington 100 100 5 4 40 750 - 1.5 - 2.5 - -

BD682A PNP Darlington 100 100 5 4 40 750 - 1.5 - 2.5 - -

TO-220

TIP29 NPN General Purpose 40 40 5 1 30 15 75 1 - 0.7 - -

TIP29A NPN General Purpose 60 60 5 1 30 15 75 1 - 0.7 - -

TIP29C NPN General Purpose 100 100 5 1 30 15 75 1 - 0.7 - -

TIP30A PNP General Purpose 60 60 5 1 30 15 75 1 - 0.7 - -

TIP30C PNP General Purpose 100 100 5 1 30 15 75 1 - 0.7 - -

TIP31 NPN General Purpose 40 40 5 3 40 10 50 3 - 1.2 - -


TIP31B NPN General Purpose 80 80 5 3 40 10 50 3 - 1.2 - -


TIP32 PNP General Purpose 40 40 5 3 40 10 50 3 - 1.2 - -

TIP32A PNP General Purpose 60 60 5 3 40 10 50 3 - 1.2 - -

TIP32B PNP General Purpose 80 80 5 3 40 10 50 3 - 1.2 - -

TIP32C PNP General Purpose 100 100 5 3 40 10 50 3 - 1.2 - -


TIP41B NPN General Purpose 80 80 5 6 65 15 75 3 - 1.5 - -


TIP100 NPN Darlington 60 60 5 8 80 1000 20000 3 - 2 - -

TIP102 NPN Darlington 100 100 5 8 80 1000 20000 3 - 2 - -

TIP105 PNP Darlington 60 60 5 8 80 1000 20000 3 - 2 - -



TIP110 NPN Darlington 60 60 5 2 50 500 - 2 - 2.5 - -



KSC5026M NPN Switching 1100 800 7 1.5 20 10 40 0.1

2 3 0.3


96


97

7.7- Reguladores Integrados de Tensão Contínua

Existe uma forma mais simples e prática de montar fontes reguladas, que utiliza os cha-mados reguladores integrados. O família mais popular de reguladores é a 78XX para tensão positiva e a 79XX para tensão negativa. O LM317, é outro regulador integrado bastante utili-zado. As características básicas desses dispositivos podem ser vistas nas folhas de especifi-cação a seguir.

É importante lembrar que os reguladores integrados não substituem todas as necessida-des de fontes reguladas. É fundamental conhecer os princípios de funcionamento dessas fon-tes (diodo Zener e transistor como regulador série) para compreender e utilizar corretamente os reguladores integrados.

COLOCAR DATASHEET DO 79XX


98

Como pode ser visto, o dispositivo possui apenas três terminais: entrada (INPUT), saída (OUTPUT) e referência (COMMON, geralmente ligado ao ponto comum do circuito ou ao ter-ra). Existem também famílias de baixa (78LXX), média (78MXX) e de alta (78HXX) potências. O terminal central desse encapsulamento (TO220) é geralmente ligado à carcaça metálica do dispositivo, que é utilizada para fixação e dissipação de calor. Outros fabricantes produzem circuitos equivalentes, mas com outra designação, como as séries LM140/LM340 da National Semiconductors. Outras tensões de saída também podem ser encontradas (ver tabela na pá-gina seguinte).

Para o projeto com estes dispositivos, basta respeitar os valores mínimos e máximos de tensão de entrada (Vimín e Vimáx), a corrente máxima (IO) que ele pode fornecer para a carga em sua saída e a potência máxima admissível (PD), que depende da temperatura, e não deve ser ultrapassada sob risco de dano ou mau funcionamento do componente.

A pinagem dos modelos para tensão positiva e negativa é diferente, o que é mostrado a-baixo juntamente com o formato do invólucro TO-220.

78XX

79XX

Observe que o terminal ligado à carcaça muda de um modelo para outro. Dispositivos da série 78XX e 79XX não podem ser ligados juntos em um mesmo dissipador de calor sem que a carcaça de um deles este-ja isolada em relação à do outro.


99

TABELA RESUMIDA DE CARACTERÍSTICAS DE REGULADORES DE TENSÃO

CÓDIGO VO IO VIMÍN VIMÁX PD ENCAPSULAMENTO

78L05

5

0,1 7,0 25 0,75 TO-92

78M05 0,5 7,0 30 1,5

TO-220 7805 1,0 7,0 30 5

LM340-5 1,0 7,0 35

78H05 5,0 7,0 25 50 TO-3

78L06 6,2 0,1

8 30

0,75 TO-92

78M06

6,0

0,5 1,5

TO-220 7806 1,0 5

LM340-6 1,0

78L08

8

0,1

10 30

0,75 TO-92

78M08 0,5 1,5

TO-220 7808 1,0 5

LM340-8 1,0 35

78L12

12

0,1

14 35

0,75 TO-92

78M12 0,5 1,5

TO-220 7812 1,0 5

LM340-12 1,0

78H12 5,0 25 50 TO-3

78L15

15

0,1

17 35

0,75 TO-92

78M15 0,5 1,5

TO-220 7815 1,0 5

LM340-15 1,0

78H15 5,0 25 50 TO-3

78L18

18

0,1

20 35

0,75 TO-92

78M18 0,5 1,5

TO-220 7818 1,0 5

LM340-18 1,0

78L24

24

0,1

26 40

0,75 TO-92

78M24 0,5 1,5

TO-220 7824 1,0 5

LM340-24 1,0

7902 -2

1,0

-4 -18

5 TO-220

7905 -5 -7 -20

7906 -6 -8 -25

7908 -8 -10 -27

7912 -12 -14 -30

7915 -15 -17 -30

7918 -18 -20 -32

7924 -24 -26 -35

V A V V W OS VALORES DE PD SÃO APROXIMADOS, PARA TEMPERATURA AMBIENTE DE 25ºC E DISSIPADOR DE CALOR INSTALADO

ATENÇÃO: ALGUNS DOS DADOS DESTA TABELA DIFEREM DOS APRESENTADOS NAS FOLHAS DE INFORMA-ÇÃO DAS PÁGINAS ANTERIORES. O MOTIVO É QUE ESTA TABELA FOI COMPILADA A PARTIR DE INFORMA-ÇÕES DE VÁRIOS OUTROS FABRICANTES, E QUE AS ESPECIFICAÇÕES PODEM SER LIGEIRAMENTE DIFEREN-TES DE UM PARA OUTRO. EM UM PROJETO, DEVEM SER UTILIZADAS AS ESPECIFICAÇÕES DO FABRICANTE DO COMPONENTE A SER USADO.

TO-220

TO-3

TO-92


100


101

O LM317 é também um regulador de tensão positiva com

três terminais, Entrada (Vi), Saída (Vo) e Ajuste (VADJ). Ao contrário da série 78XX, existe apenas um componente que pode ter a tensão de saída ajustada para o valor desejado, em função da malha externa dos resistores R1 e R2. Podem ser obtidas tensões estabilizadas entre 1,2V e 37V, com cor-rentes de até 1,5A. De forma semelhante à série 78XX, pos-sui proteção interna contra sobrecarga, temperatura e curto-circuito na saída. A máxima tensão diferencial sobre o dispo-sitivo (Vi - Vo) é de 40V e a mínima deve ser de pelo menos 3V (recomendação dos fabricantes, embora em alguns artigos o valor mínimo indicado seja de 1,5V).

Ao lado são mostrados a pinagem e o diagrama de ligação, e na próxima página a fórmula que permite calcular o valor de R2, que também pode ser um potenciômetro, o que possibilita construir uma fonte de tensão vari-ável. O valor de R1 recomendado é de 240Ω; utilizaremos o valor comercial de 270Ω. Como a cor-rente IADJ é muito baixa (cerca de 50µA), pode-se considerá-la como sendo zero na maioria das aplicações. Para regular tensão negativa existe o LM137, com características semelhantes.

Vi Vo

VADJ

R1

R2

CoCi

240

1mF0,1mF

Input OutputLM317


102

CARACTERÍSTICAS E EXEMPLO DE USO DO LM317.

FAZER TAMBÉM EXERCÍCIOS Exemplo de projeto de fonte: Projetar, utilizando o LM317, um sistema de estabilização de tensão para alimentar, a partir de uma fonte de 9V, um sensor que trabalha com 3,3V e consome 50mA. Considerar R1 = 270Ω e IADJ = zero.

Vi=9V, Vo=3,3V, IL=50mA:

3V Vi - Vo 40V; 12mA IL 1,5A dentro das limitações do componente

𝑉𝑜 = 1,25 1 +𝑅2

𝑅1 + 𝐼𝐴𝐷𝐽𝑅2 ⟹ 3,3 = 1,25 1 +

𝑅2

270 + 0𝑅2 ⟹ 𝑹𝟐 = 𝟒𝟒𝟐,𝟖𝛀

Observe que o valor de tensão de entrada NÃO interfere no cálculo, embo-ra devam ser respeitadas as limitações mínima (3V) e máxima (40V) de tensão diferencial (Vi - Vo) sobre o componente. É necessário que o valor do resistor R2 seja o mais próximo possível do cal-culado, logo é necessário utilizar um trimpot de 1KΩ, devidamente ajustado, para obtê-lo. Ao lado alguns modelos de trimpots. A potência dissipada sobre o resis-tor e o trimpot pode ser facilmente cal-culada a partir do valor da corrente so-bre os dois resistores, e será bem bai-xa.


103

7.8- Projeto Básico de Uma Fonte Linear de Tensão Contínua Estabilizada

Os módulos que compõe uma fonte de alimentação AC/DC linear podem ser vistos no di-

agrama abaixo.

O transformador recebe a tensão da rede elétrica (geralmente 110 ou 220V AC) e abaixa essa tensão para valores compatíveis com a tensão contínua desejada na saída da fonte. O transformador também pode aumentar a tensão da rede, caso se deseje uma fonte para ten-sões elevadas.

O retificador converte a tensão alternada da rede elétrica em tensão contínua pulsante, normalmente de onda completa, como mostrado no diagrama.

O filtro diminui as oscilações da tensão pulsante na saída do retificador, mas nem sem-pre as elimina totalmente.

Finalmente, o regulador estabiliza a tensão em um valor abaixo da ondulação do sinal pulsante, garantindo uma tensão de saída contínua praticamente pura (estável e sem ondula-ções).

O diagrama abaixo é de uma fonte comercial, e mostra todos esses estágios, incluindo a chave seletora de tensões (110/220V) do primário do transformador. A ponte de diodos da fonte de 12V é mostrada de uma forma simplificada, que às vezes é encontrada em diagra-mas. Em seguida, vamos analisar esse projeto.

Dados levantados do circuito:

Vsec1 = 8,8V

Vsec2 = 15,7V

Diodos: 1N4004

Capacitores: C1 2200µF/16V; C2 2200µF/25V

Correntes de saída: 0,5A em cada fonte

Transformador Retificador Filtro Carga

Rede

elétrica

Regulador

Vsec1

RL1 Vdc1C1

+

D1

D3

D2

D4

7805IN OUT

D5 ~ D8

Vsec2

RL2C2

+

7812IN OUT

Vpri1

Vpri2

VM

AZ

AM

PT

MR

MR

VD

VD

110V

220V

VM

AZAM

PT

Vdc2


104

Para a fonte de 5V:

𝑉𝑝𝑠𝑒𝑐 = 𝑉𝑒𝑓 2 = 8,8 ∗ 2 ⇒ 𝑉𝑝 = 12,4𝑉 na saída do transformador

𝑉𝑝 = 𝑉𝑝𝑠𝑒𝑐 − 2.𝑉𝑑 = 12,4 − 2.0,7 ⇒ 𝑉𝑝 = 11𝑉 após a ponte

𝑉𝑟(𝑒𝑓 ) = 2,4𝐼𝑑𝑐𝐶

= 2,4.500

2200 ⟹ 𝑉𝑟(𝑒𝑓 ) = 0,55𝑉

𝑉𝑑𝑐 = 𝑉𝑝 − 4,17𝐼𝑑𝑐

𝐶 = 11 −

4,17.500

2200 ⟹ 𝑉𝑑𝑐 = 10𝑉


𝑉𝑑𝑐. 100% =

0,55

10. 100% ⟹ 𝑟 = 5,5%

Especificação dos diodos D1 a D4:

𝐼𝑑𝑚 á𝑥 ≥ 𝐼𝑑𝑐2

.1,5 ≥0,5

2 .1,5 ⟹ 𝐼𝑑𝑚á𝑥 ≥ 0,375𝐴

𝑉𝑅𝑚á𝑥 ≥ 𝑉𝑝𝑠𝑒𝑐 .1,5 ≥ 12,4.1,5 ⟹ 𝑉𝑅𝑚á𝑥 ≥ 18,6𝑉

Características do 1N4004 utilizado: Idmáx = 1A; VRmáx = 400V Especificação do capacitor:

𝑉𝐶 ≥ 𝑉𝑑𝑐 . 1,5 ≥ 10.1,5 ⟹ 𝑉𝐶 ≥ 15𝑉 Características do capacitor utilizado: 2200µF/16V Especificação para o regulador 7805:

𝐼𝑜 ≥ 1,5. 𝐼𝑑𝑐 ≥ 1,5.0,5 ⟹ 𝐼𝑜 ≥ 0,75𝐴

𝑃𝐷 ≥ 1,5. 𝑉𝑖 − 𝑉𝑜 . 𝐼𝑑𝑐 ≥ 1,5. 10 − 5 . 0,5 ⟹ 𝑃𝐷 ≥ 3,75𝑊

Características do regulador 7805: PD = 5W; 7V < Vi < 25V; IO = 1,0A

As características de todos os componentes foram respeitadas.

Repita os cálculos acima para a fonte de 12V.


105

EXERCÍCIOS

7.15 - Refaça a demonstração do final da pág. 90 para um aumento da tensão de entrada de 16V para 17V.

7.16- Refaça a demonstração do início da pág. 91 para uma diminuição da corrente de saí-

da. 7.17- Para o exemplo da pág. 92, faça a verificação das limitações do Zener. Resp.: IZmáx(circ) = 79,4mA; IZmín = 25,6mA 7.18- Projete e desenhe um regulador série à transistor para uma fonte com as seguintes

características: Vi = 16V ±10%, VO = 12V, IL varia de 0 a 2A.

Resp.: BD675A; 1N4743; RS = 60 7.19- Deseja-se alimentar um CD Player para autos a partir de uma fonte de 18V ±10%. O

consumo do equipamento vai de 100mA (rádio com volume mínimo) até 4A (Player com vo-lume máximo sem distorção). Projete um regulador para esta aplicação. Compare os valores de PD, IO, Vimáx e Vimin do regulador com os determinados para o circuito.

Resp.: 78H12; PD 46,8W; IO 6A (o fator de segurança de corrente cai para 1,25 nes-te caso)

7.20- Analise as duas montagens levando em conta a dissipação de potência sobre os re-guladores. Ambas as fontes (5V e 12V) fornecem no máximo 300mA cada. NÃO É NECES-SÁRIO UTILIZAR O FATOR DE SEGURANÇA PARA EFETUAR AS COMPARAÇÕES NES-TA QUESTÃO E NA SEGUINTE. Resp.: Montagem A: P7812 = 2,34W, P7805 = 4,44W, PT = 6,78W Montagem B: P7812 = 4,68W, P7805 = 2,1W, PT = 6,78W

7.21- Utilizando-se os dois modelos de ligação do exercício anterior, a partir de uma fonte que fornece 17V ±15% deseja-se alimentar com 5V um circuito com microcontrolador que consome no máximo 80mA e com 12V outro circuito com consumo máximo de 500mA. Foram utilizados os reguladores 7812 e 78L05. Determine se as caracteristicas dos reguladores fo-ram respeitadas e qual a faixa de segurança (em porcentagem) existente para correntes e potências. Resp.: Montagem A: P7812 = 3,8W, P78L05 = 1,17W (>PD78L05) Não atende Montagem B: P7812 = 4,4W, P78L05 = 0,56W (<PD78L05) Atende

7805 5V

7812 12V

A

18V

±10%

7812 12V

7805 5VB

18V

±10%


106

7.22- Projete e desenhe o diagrama de uma fonte ajustável de 3V a 12V (o valor superior po-de ser pouco maior que 12V) através de um potenciômetro, para cargas que consumam até 1A, utilizando um LM317, a partir de uma fonte de 15V. O valor de R1 deve ser de 270Ω e IADJ é zero. Obs.: Os valores ôhmicos de trimpots e potenciômetros lineares não seguem a tabela de resistores E12 fornecida no cap. 4. Pode-se utilizar, como referência, os valores de: 100Ω, 200Ω, 500Ω, 1KΩ, 2KΩ, 5KΩ, 10KΩ, 20KΩ, 50KΩ, 100KΩ, 200KΩ, 500KΩ, 1MΩ, 2MΩ, 5MΩ, embora outros valores possam também ser encontrados.


107

7.9- Estabilizando a Polarização de um Transistor Como já foi comentado, os semicondutores em geral são bastante suscetíveis a varia-

ções da temperatura ambiente ou da gerada pela própria corrente que circula por ele. Essas variações podem alterar significativamente os valores de polarização (IC, IE, VCE e VRC) previ-amente calculados. Se projetarmos um circuito para que a tensão sobre o resistor de coletor seja de 6V, uma mudança na temperatura pode fazer com que esse valor se altere bastante.

Outro problema é que os valores de dos transistores não são exatos, e podem variar em lotes ou fabricantes diferentes. Para minimizar esses efeitos, foram desenvolvidos circuitos específicos. Alguns deles serão vistos neste capítulo.

Para visualizar as alterações de polarização, serão utilizados dois transistores com diferentes: o primeiro com 100 e o segundo com 150. O objetivo será sempre o mesmo: obter

uma tensão de 6V sobre um resistor de 1000 ligado ao coletor (RC).

7.9.1- Circuito sem estabilização – efeitos da variação do

Para = 100:

Para = 150, mantendo o valor de RB calculado:

Como pode ser visto no resumo abaixo, um aumento de 50% no , causou uma varia-ção para mais na corrente de coletor e na tensão sobre o resistor de coletor na mesma pro-

porção do . Uma variação de temperatura do transistor poderia causar um efeito semelhante, para

mais ou para menos.

IB IC VRC VCE

100 60,0 6,00 6,00 6,00

150 60,0 9,00 9,00 3,00

µA mA V V

RB 1K

RC

+12V

6V


𝑅𝐶=

6𝑉

1000Ω ⇒ 𝑰𝑪 = 𝟔𝒎𝑨

𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝑅𝐶 = 12𝑉 − 6𝑉 ⇒ 𝑽𝑪𝑬 = 𝟔𝑽

𝐼𝐵 = 𝐼𝐶𝛽

= 6𝑚𝐴

100 ⇒ 𝑰𝑩 = 𝟔𝟎𝝁𝑨

𝑅𝐵 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸

𝐼𝐵=

12𝑉 − 0,7𝑉

60𝜇𝐴 ⇒ 𝑹𝑩 = 𝟏𝟖𝟖,𝟑𝑲𝛀

𝐼𝐶 = 𝛽 𝐼𝐵 = 150 𝑋 60𝜇𝐴 ⇒ 𝑰𝑪 = 𝟗𝒎𝑨

𝑉𝑅𝐶 = 𝑅𝐶𝐼𝐶 = 1𝐾Ω 𝑋 9𝑚𝐴 ⇒ 𝑽𝑹𝑪 = 𝟗𝑽 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝑅𝐶 = 12𝑉 − 9𝑉 ⇒ 𝑽𝑪𝑬 = 𝟑𝑽

𝐼𝐵 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸

𝑅𝐵=

12𝑉 − 0,7𝑉

188,3𝐾Ω ⇒ 𝑰𝑩 = 𝟔𝟎𝝁𝑨


108

7.9.2- Circuito com resistor de emissor – efeitos da variação do A introdução de um resistor no emissor é a primeira tentati-

va de tornar o circuito imune às variações de e da temperatura. Será adotado um valor de VRE igual a 10% de VCC.

Para = 100:

Para = 150, mantendo o valor de RB calculado: como sabemos, portanto,

Dessa relação podemos concluir que o resistor de emissor RE aparece refletido na ba-

se com um fator de (+1). Em outras palavras, o resistor de 200 colocado no emissor limita

a corrente de base e equivale a um de 30200 que estivesse ligado na base: Com a utilização do resistor de emissor, a variação de

VRC foi um pouco menor do que sem ele: cerca de 42% a mais

para os mesmos 50% de aumento de . Isso acontece porque quando a IC e IE aumentam, a tensão sobre RE também aumen-ta, despolarizando a base, o que pode ser percebido pela pe-quena queda no valor de IB. Esse efeito é denominado realimentação negativa, onde um sinal de saída de um sistema (IE) afeta de forma inversa o sinal de entrada desse mesmo sistema (IB). Se o valor de RE fosse maior (VRE maior), a tensão sobre RC sofreria menos variação.

RB 1K

RC

+12V

6V

VRERE


𝑅𝐶=

6𝑉

1000Ω ⇒ 𝑰𝑪 = 𝟔𝒎𝑨 ( 𝑰𝑬 ≅ 𝑰𝑪)

𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝑅𝐶 − 𝑉𝑅𝐸 = 12𝑉 − 6𝑉 − 1,2𝑉 ⇒ 𝑽𝑪𝑬 = 𝟒, 𝟖𝑽

𝑅𝐸 = 𝑉𝑅𝐸

𝐼𝐸=

1,2𝑉

6𝑚𝐴 ⇒ 𝑹𝑬 = 𝟐𝟎𝟎𝛀

𝑅𝐵 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸 − 𝑉𝑅𝐸

𝐼𝐵=

12𝑉 − 0,7𝑉 − 1,2𝑉

60𝜇𝐴 ⇒ 𝑹𝑩 = 𝟏𝟔𝟖, 𝟑𝑲𝛀

𝑉𝑅𝐸 = 10% 𝑑𝑒 𝑉𝐶𝐶 = 0,1 𝑉𝐶𝐶 = 0,1𝑋12 ⇒ 𝑽𝑹𝑬 = 𝟏, 𝟐𝑽


= 6𝑚𝐴

100 ⇒ 𝑰𝑩 = 𝟔𝟎𝝁𝑨

𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝑅𝐶 − 𝑉𝑅𝐸 = 12𝑉 − 8,54𝑉 − 1,71𝑉 ⇒ 𝑽𝑪𝑬 = 𝟏, 𝟕𝟓𝑽

𝐼𝐵 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸 − 𝑉𝑅𝐸

𝑅𝐵=

𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸 − 𝑅𝐸 [ 𝛽 + 1 𝐼𝐵]

𝑅𝐵=

12𝑉 − 0,7𝑉 − 200[ 150 + 1 𝐼𝐵]

168,3𝐾Ω

𝑉𝑅𝐸 = 𝑅𝐸𝐼𝐸 = 200 𝑋 8,54𝑚𝐴 ⇒ 𝑽𝑹𝑬 = 𝟏, 𝟕𝟏𝑽 𝑉𝑅𝐶 = 𝑅𝐶𝐼𝐶 = 1𝐾Ω 𝑋 8,54𝑚𝐴 ⇒ 𝑽𝑹𝑪 = 𝟖, 𝟓𝟒𝑽

𝐼𝐶 = 𝐼𝐵𝛽

𝐼𝐸 = 𝐼𝐶 + 𝐼𝐵

𝐼𝐸 = 𝐼𝐶 + 𝐼𝐵

𝐼𝐸 = 𝐼𝐵𝛽 + 𝐼𝐵 ou 𝑰𝑬 = (𝜷 + 𝟏)𝑰𝑩

𝑉𝑅𝐸 = 𝑅𝐸𝐼𝐸 ⇒ 𝑽𝑹𝑬 = 𝑹𝑬 [ 𝜷 + 𝟏 𝑰𝑩] =

𝑅 = 𝑅𝐸 𝛽 + 1 = 200Ω 150 + 1 ⇒ 𝑹 = 𝟑𝟎𝟐𝟎𝟎𝛀 =

⇒ 𝑰𝑩 = 𝟓𝟔,𝟗𝝁𝑨

𝐼𝐶 = 𝛽 𝐼𝐵 = 150 𝑋 56,9𝜇𝐴 ⇒ 𝑰𝑪 = 𝟖, 𝟓𝟒𝒎𝑨

IB IC VRC VCE

100 60,0 6,00 6,00 4,80

150 56,9 8,54 8,54 1,75

µA mA V V


109

7.9.3- Circuito com resistor de emissor e divisor de tensão na base – efeitos da variação do Novamente, faremos VRE igual a 10% de VCC.

Para = 100: O divisor de tensão formado por R1 e R2 deve ser dimensionado de forma a manter a

tensão sobre R2 relativamente constante, mesmo quando ocorrerem variações de IB. Para isso, devemos construir esse divisor de forma que a corrente de base seja bem menor que as correntes I1 e I2. Uma forma de conseguir isso é fazendo com que R2 seja menor ou igual a 10% do valor de RE refletido na base:

Para determinar com exatidão os valores reais de polarização do circuito, será necessário

aplicar o Teorema de Thevenin na malha de base:

R1 1K

RC

+12V

6V

VRERER2

I1

I2

IB


𝑅𝐶=

6𝑉

1000Ω ⇒ 𝑰𝑪 = 𝟔𝒎𝑨 ( 𝑰𝑬 ≅ 𝑰𝑪)

𝑅𝐸 =

𝑉𝑅𝐸

𝐼𝐸=

1,2𝑉

6𝑚𝐴 ⇒ 𝑹𝑬 = 𝟐𝟎𝟎𝛀

𝑽𝑹𝑬 = 𝟏𝟎% 𝒅𝒆 𝑽𝑪𝑪 = 0,1 𝑉𝐶𝐶 = 0,1𝑥12 ⇒ 𝑽𝑹𝑬 = 𝟏, 𝟐𝑽


= 6𝑚𝐴

100 ⇒ 𝑰𝑩 = 𝟔𝟎𝝁𝑨

𝑹𝟐 ≤ 𝟎, 𝟏𝑹𝑬 𝜷 + 𝟏 ≤ 0,1𝑋 200 100 + 1 ⇒ 𝑹𝟐 ≤ 𝟐𝟎𝟐𝟎𝛀 adotaremos 𝑹𝟐 = 2K

𝑉𝑅2 = 𝑉𝐵𝐸 + 𝑉𝑅𝐸 = 0,7𝑉 + 1,2𝑉 ⇒ 𝑽𝑹𝟐 = 𝟏, 𝟗𝑽

𝑅1 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝑅2

𝐼1=

𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝑅2

𝐼2 + 𝐼𝐵 =

12 − 1,9

0,95𝑚𝐴 + 60𝜇𝐴 ⇒ 𝑹𝟏 = 𝟏𝟎𝑲𝛀

𝐼2 = 𝑉𝑅2

𝑅2 =

1,9

2𝐾Ω ⇒ 𝑰𝟐 = 𝟎, 𝟗𝟓𝒎𝑨

R1

12V

VRERER2

I1

I2

IB

VBE

+

-

𝑅𝑇ℎ = 𝑅1//𝑅2

𝑉𝑇ℎ = 𝑉𝐶𝐶

𝑅2

𝑅1 + 𝑅2

R1

R1

12VR2

VTh

12VR2

RTh


110

Desenvolvendo o circuito equivalente Thevenin, teremos:

Verificando a polarização do circuito, teremos: Como mostrado, o valor objetivado de 6V sobre o resistor de coletor foi atingido com

pequeno erro.

RTh

VTh VRERE

IB

VBE+

-

IE

𝑉𝑇ℎ = 𝑅𝑇ℎ𝐼𝐵 + 𝑉𝐵𝐸 + 𝑅𝐸𝐼𝐸

𝐼𝐸 = (𝛽 + 1)𝐼𝐵

𝑉𝑇ℎ = 𝑅𝑇ℎ𝐼𝐵 + 𝑉𝐵𝐸 + 𝑅𝐸[(𝛽 + 1)𝐼𝐵] 𝑉𝑇ℎ = 𝐼𝐵[𝑅𝑇ℎ + 𝑅𝐸 𝛽 + 1 ] + 𝑉𝐵𝐸

𝑰𝑩 =

𝑽𝑻𝒉 − 𝑽𝑩𝑬

𝑹𝑻𝒉 + 𝑹𝑬 𝜷 + 𝟏

𝑅𝑇ℎ = 𝑅1//𝑅2 = 10𝐾𝛀 // 2𝐾𝛀 ⇒ 𝑹𝑻𝒉 = 𝟏, 𝟔𝟔𝑲𝛀

𝐼𝐵 = 𝑉𝑇ℎ − 𝑉𝐵𝐸

𝑅𝑇ℎ + 𝑅𝐸 𝛽 + 1 =

2𝑉 − 0,7𝑉

1,66𝐾Ω + 200(100 + 1)⇒ 𝑰𝑩 = 𝟓𝟗,𝟓𝝁𝑨

𝑉𝑇ℎ = 𝑉𝐶𝐶

𝑅2

𝑅1 + 𝑅2 = 12𝑋

2𝐾𝛀

10𝐾𝛀 + 2𝐾𝛀 ⇒ 𝑽𝑻𝒉 = 𝟐𝑽

𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝑅𝐶 − 𝑉𝑅𝐸 = 12𝑉 − 5,95𝑉 − 1,19𝑉 ⇒ 𝑽𝑪𝑬 = 𝟒, 𝟖𝟔𝑽

𝑉𝑅𝐸 = 𝑅𝐸𝐼𝐸 = 200 𝑋 5,95𝑚𝐴 ⇒ 𝑽𝑹𝑬 = 𝟏, 𝟏𝟗𝑽

𝐼𝐶 = 𝛽 𝐼𝐵 = 100 𝑋 59,46𝜇𝐴 ⇒ 𝑰𝑪 = 𝟓, 𝟗𝟓𝒎𝑨

𝑉𝑅𝐶 = 𝑅𝐶𝐼𝐶 = 1𝐾Ω 𝑋 5,95𝑚𝐴 ⇒ 𝑽𝑹𝑪 = 𝟓, 𝟗𝟓𝑽


111

Para = 150, mantendo os valores de R1, R2 e RE calculados: Os valores de RTh e VTh obtidos anteriormente não se alteram. Com a utilização do resistor de emissor em conjunto

com o divisor resistivo na base, o efeito da variação do prati-

camente desapareceu. Para o mesmo aumento de 50% no ocorreu um aumento de menos de 3% na tensão sobre o re-sistor de coletor.

A despolarização da base causada pelo aumento de VRE (realimentação negativa) manteve a polarização do circuito praticamente estável.

𝐼𝐵 = 𝑉𝑇ℎ − 𝑉𝐵𝐸

𝑅𝑇ℎ + 𝑅𝐸 𝛽 + 1 =

2𝑉 − 0,7𝑉

1,66𝐾Ω + 200(150 + 1)⇒ 𝑰𝑩 = 𝟒𝟎,𝟖𝝁𝑨

𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝑅𝐶 − 𝑉𝑅𝐸 = 12𝑉 − 6,12𝑉 − 1,22𝑉 ⇒ 𝑽𝑪𝑬 = 𝟒, 𝟔𝟔𝑽

𝑉𝑅𝐸 = 𝑅𝐸𝐼𝐸 = 200 𝑋 6,12𝑚𝐴 ⇒ 𝑽𝑹𝑬 = 𝟏, 𝟐𝟐𝑽

𝐼𝐶 = 𝛽 𝐼𝐵 = 150 𝑋 40,8𝜇𝐴 ⇒ 𝑰𝑪 = 𝟔, 𝟏𝟐𝒎𝑨

𝑉𝑅𝐶 = 𝑅𝐶𝐼𝐶 = 1𝐾Ω 𝑋 6,12𝑚𝐴 ⇒ 𝑽𝑹𝑪 = 𝟔, 𝟏𝟐𝑽

IB IC VRC VCE

100 59,5 5,95 5,95 4,86

150 40,8 6,12 6,12 4,66

µA mA V V


112

EXERCÍCIOS

7.23 – Para o circuito de polarização com divisor de tensão e resistor de emissor do cap.

7.9.3, são dados R1=10K, R2=2K, RC=4K, RE=1K, VCC=12V, VBE=0,7V, 1=200 e

2=400. Pede-se: a- desenhe o diagrama do circuito e indique os nomes e valores dos componentes;

b- determine IE, IC, IB, I1, VRC, VCE, e VRE para os dois valores de . Resp.:

Para 1=200 IE = IC = 1,28mA; IB = 6,41µA (p/ Thevenin); I1 = 996,41µA; I2 = 990µA; VRC = 5,12V; VCE = 5,6V; VRE = 1,28V

Para 2=400 IE = IC = 1,29mA; IB = 3,23µA (p/ Thevenin); I1 = 998,2µA; I2 = 995µA; VRC = 5,16V; VCE = 5,55V; VRE = 1,29V 7.24- Para o diagrama, determine os valores de RC, RE,

R1, R2 e IB para o ponto de operação indicado.

Resp.: RC = 1K; RE = 200; R1 = 8,99K (ajustável); R2 = 1500 (fixo); IB = 125µA (p/ Thevenin 123,5 µA) 7.25 – As características conhecidas de um circuito de polarização de transistores com di-

visor de tensão e resistor de emissor são: R1=10K, R2=5K, RC=2,2K, RE=2,1K,

VCC=15V, VBE=0,79V, =200. Pede-se: a- desenhe o diagrama do circuito e indique os nomes e valores dos componentes; b- determine IB, IC, IE, VRC, VRE, VCE, I2 e I1.

c- recalcule os valores do item b- para =300. Resp.:

Para 1=200 IB = 9,9µA; IE = IC = 1,98mA; VRC = 4,36V; VRE = 4,16V; VCE = 6,48V; I2 = 0,99mA; I1= 1,005mA

Para 1=300 IB = 6,63µA; IE = IC = 1,99mA; VRC = 4,38V; VRE = 4,18V; VCE = 6,44V; I2 = 0,994mA; I1= 1,003mA

R1

RC

+20V

VRERER2

I1

I2

IB IC = 10mA

VCE = 8V

= 80


113


114

8- Consolidando o Conhecimento

O diagrama da próxima página reúne componentes e circuitos vistos nos capítulos anteriores. O desenvolvimento de técnicas de análise deste tipo de diagrama é muito importante na área técnica. Uma forma de fazer isso é separar um circuito complexo como este em partes menores, estudar o comportamento individual de cada uma delas e depois no conjunto. Desenhar um diagrama de blocos também ajuda bastante. À esquerda e abaixo do diagrama aparecem guias para se poder localizar facilmente qualquer parte do circuito. Nas coordenadas B3 e B4, por exemplo, é mostrada uma ponte retificadora. Localize os outros módulos do circuito indicando suas coordenadas e função, como no exemplo abaixo. Escre-va o máximo que puder sobre a função de cada módulo. Tente também analisar o funcionamento do circuito através do modelo no Multisim. Atualmente, com a ajuda de reguladores integrados como o LM317 (vários projetos podem ser encontrados na Internet), é possível construir fontes semelhantes de forma bem mais simples.

COORDENADAS FUNÇÃO

B3 e B4

Ponte retificadora (onda completa) da fonte principal


115

D1

D3

D2

D4

C2

+5

V

10

V

3V

4,5

V

6V9

V

7,5

V12

V

TIP

31

BC

33

7

D5

C1

C3

+

56

0W

1K

2W

6V

0,5

6W

27

0W

8K

2W

10

KW

Q3

Q4

Q1

Q2

C3

47

0W

56

0W

.1m

F

47

0W

3V

4,5

V

6V 9

V

7,5

V 12V

D6

27

0W

33

0W

27

0W

27

0W

47

0W

OU

T

10

V

VM AZ

AM

PT

11

0V

22

0V

VM

AZ

AM

PT

11

0V

11

0V

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

R9

T1

R1

0

R1

1

R1

3

R1

2

12

34

56

7

A EDCB

FO

NT

E A

RP

EN

DE

SE

NH

.: J

.D.S

BE

RN

AR

DO

DA

TA

: 0

9/0

9/2

01

4E

SC

AL

A:

1:1

FO

LH

A:

1 D

E 1

TA

M.:

DE

SE

NH

O N

º:R

EV

.:

1.0


116

Este artigo técnico foi publicado na revista Elektor de junho de 2010. Leia o texto, analise o circuito e procure en-tender seu funcionamento. Alguns dos conceitos necessários para sua completa compreensão ainda não foram vis-tos, mas podem ser discutidos com o profes-sor.


117

Este é o diagrama de um dos quatro amplificadores operacionais do CI LM124. Os conceitos de amplificador diferencial e amplificador operacional serão vistos mais adiante no curso, mas algumas partes do circuito já devem ser compreensíveis. Procure identificá-las.


118

EXERCÍCIOS

7.26 – As portas lógicas TTL (Transistor Transistor Logic ou Lógica Transistor Transistor) utilizam, como o próprio nome diz, transistores para implementar funções lógicas. Pesquise o diagrama interno (que contém, além de transistores, diodos e resistores) das portas 7400, 7404 e 7406 e analise o funcionamento de cada uma delas, tanto a nível de lógica digital quanto de componentes discretos (transistores). Os manuais da Texas Instruments contém esses diagramas internos.


119

Laboratório de Eletrônica I

Experiência 1 - Características do diodo semicondutor

LEIA TODOS OS PASSOS ANTES DE INICIAR A MONTAGEM E AS MEDIÇÕES.

NÃO LIGUE O CIRCUITO À REDE ELÉTRICA ANTES DE TERMINAR A MONTAGEM E AS CONFIGURAÇÕES DOS INSTRUMENTOS.

A TENSÃO DA FONTE (Vi) DEVE SEMPRE SER AJUSTADA ATRAVÉS DO MULTÍMETRO, E INICIALMENTE PARA ZERO VOLT, ANTES DE LIGÁ-LA AO CIRCUITO.

Parte 1 – Comportamento de um diodo semicondutor nas polarizações direta e reversa

1- Preencha as características do diodo 1N400X na tabela da pág. 4. 2- Monte o circuito da esquerda (POLARIZAÇÃO DIRETA). O diodo D é o 1N400X; Lp1

é uma lâmpada incandescente de 12V.

3- Ajuste o multímetro para o alcance de 20V CC e conecte-o ao ponto V1. 4- Ligue a fonte e ajuste-a para obter Vi = 12V no multímetro; anote na tabela. 5- Anote na tabela o estado da lâmpada: ACESA ou APAGADA. 6- Conecte o multímetro ao ponto V2, meça e anote a tensão VLp1. 7- Meça e anote o valor de ID (ou IR); a indicação da fonte pode ser usada neste caso. 8- Calcule os valores de VD (ou VR) = Vi - VLp1 e rd = VD/ID (ou VR/IR). 9- Desligue a fonte. 10- Inverta a posição do diodo conforme o circuito da direita (POLARIZAÇÃO REVER-

SA), e repita os passos de 3 a 9; meça e anote Vi, VLp1, IR, VR e rd.

POLARIZAÇÃO ESTADO DA LÂMPADA Vi VLp1 ID (IR) VD (VR) rd

DIRETA REVERSA

V V A V

11- Meça a resistência da lâmpada com o ohmímetro (DESCONECTE-A DO CIRCUITO ANTES!) e em seguida calcule seu valor através das medições de tensão e corrente (VLp1 e ID) efetuadas. Anote os valores obtidos na tabela.

Vi

V1 V2

VD

ID

Lp1

VLp1

D

POLARIZAÇÃO

DIRETA

Vi

V1 V2

VR

IR

Lp1

VLp1

D

POLARIZAÇÃO

REVERSA

MÉTODO RLp1

OHMÍMETRO VALORES MEDIDOS (VLp1 e ID)


120

Parte 2 – Levantamento da curva característica

a- Polarização direta (ATENÇÃO: O RESISTOR ESQUENTA!)

12- Monte o circuito abaixo. O diodo D é o 1N400X; RL é de 22/2W. 13- Ajuste o multímetro para o alcance de 20V CC e conecte-o ao ponto V1. 14- Ligue a fonte e ajuste-a fornecer Vi = 0V no multímetro. 15- Conecte o multímetro ao ponto V2, meça e anote a tensão VD. 16- Repita os passos 14 e 15 para todos os valores de Vi (fonte) da tabela. 17- Desligue a fonte. 18- Calcule os valores de VRL = (Vi – VD) e ID = (VRL/RL) e anote-os na tabela. 19- Com os valores de VD e ID obtidos, trace a curva de polarização direta do diodo, no

gráfico da pág. 4.

MEDIDOS CALCULADOS MEDIDOS CALCULADOS

Vi VD VRL ID Vi VD VRL ID

0 1,0

0,5 2,0

0,6 3,0

0,7 4,0

0,8 5,0

0,9 6,0

V V V mA V V V mA

Vi

RL

V1 V2

ID VD

VRL

POLARIZAÇÃO

DIRETA


121

b- Polarização reversa

20- Inverta a posição do diodo do circuito montado. 21- Ajuste o multímetro para o alcance de 20V CC e conecte-o ao ponto V1. 22- Ligue a fonte e ajuste-a para fornecer Vi = 0V no multímetro. 23- Conecte o multímetro ao ponto V2, meça e anote a tensão VR. 24- Repita os passos 22 e 23 para todos os valores de Vi (fonte) da tabela. 25- Desligue a fonte. 26- Calcule os valores de VRL = (Vi – VR) e IR = (VRL/RL) e anote-os na tabela. 27- Com os valores de VR e IR obtidos, trace a curva de polarização reversa do diodo, no



Vi VR VRL IR Vi VR VRL IR

0 16,0

4,0 20,0

8,0 24,0

12,0 28,0

V V V mA V V V mA

Vi

RL

V1 V2

IR VR

VRL

POLARIZAÇÃO

REVERSA


122

Características do diodo 1N400X

ID VR

A V


123

Com base em suas conclusões, responda as questões abaixo:

1- Por que as resistências medida e calculada da lâmpada apresentaram valores diferen-

tes?

2- Compare a curva do diodo obtida com a teórica.

3- Compare as resistências internas do diodo obtidas (rd) com os valores teóricos. 4- A partir de que tensão começaria a aparecer corrente reversa significativa através des-

se diodo? O que aconteceria se essa tensão fosse alcançada? Outros comentários


124

RL

T D

Id (=I)C220V

V1 V2

+V3

PONTOS DE TERRA DO

OSCILOSCÓPIO E DO CIRCUITO


Experiência 2 - Retificação e filtragem

Parte 1 – Retificação de meia onda


NÃO LIGUE O TRANSFORMADOR À REDE ELÉTRICA ANTES DE TERMINAR A MONTAGEM E AS CONFIGURAÇÕES DOS INSTRUMENTOS.

1- Monte o circuito abaixo.

O resistor RL é de 220; na primeira montagem NÃO é usado o capacitor C. Nas monta-gens seguintes obedeça as indicações do texto e das tabelas para determinação dos valo-res dos componentes.

O ponto V1 deve ser ligado ao canal 1 (CH1) do osciloscópio; o ponto V2 deve ser ligado ao canal 2 (CH2) do osciloscópio. Ambas as garras de terra do osciloscópio devem ser ligadas ao ponto de terra do circuito. LIGUE SEMPRE O TERRA EM PRIMEIRO LUGAR! O instru-mento V3 é o multímetro digital.

2- Ajuste o multímetro para o alcance de 20V CC e conecte-o ao ponto V3. 3- Configure o osciloscópio como descrito abaixo e ligue-o aos pontos V1 e V2:

Canal 1 (CH1) V1

medição de sinal pico a pico (Pico a Pico) e eficaz (RMS)

acoplamento CA

Canal 2 (CH2) V2

medição de sinal pico a pico (Pico a Pico) e médio (Médio)

acoplamento CC 4- Ligue o transformador T à rede elétrica (220V) e ajuste sua saída para 12V CA. 5- Pressione o botão AUTOSET do osciloscópio para que este se ajuste automaticamente às vari-

áveis medidas. 6- Meça com o osciloscópio (CH1) Vi (em valores de pico e eficaz) e (CH2) Vo (em valores de pico

e médio) e Vripple (em valor de pico a pico), desenhe as formas de onda no local adequado e a-note na tabela.

7- Calcule a corrente Id (que para retificação de meia onda será igual a I) dividindo Vo (valor médio medido pelo osciloscópio) por RL e anote na tabela.

8- Meça com o multímetro ajustado para 20V CC a tensão no ponto V3 e anote na tabela. 9- Calcule novamente a corrente Id (que para retificação de meia onda será igual a I) dividindo Vo

(valor médio medido pelo multímetro) por RL e anote na tabela. 10- Compare os resultados obtidos com o multímetro e com o osciloscópio. 11- Desligue o transformador.

12- Nas págs. 8 e 9 utilize os resistores de 220 e de 1K e os capacitores de 100µF e 1000µF, de acordo com as tabelas, e repita os passos de 4 a 11.

13- NÃO ESQUEÇA DE SEMPRE DESLIGAR O TRANSFORMADOR ANTES DE EFETUAR ALTERA-ÇÕES NO CIRCUITO!

O RESISTOR ESQUENTA!

SÓ AQUI O CIRCUITO É

ENERGIZADO!


125

Retificação de meia onda sem filtro

OSCILOSCÓPIO CALC. MULTIM. CALC.

PASSO 6 7 8 9

C RL Vi Vi VO VO

(VCC) Vripple

Id (=I)

VO

(VCC) Id

(=I)

220

µF V

(Vp) V

(Vef) V

(Vp) V

(Vméd) V

(Vpp) mA

(Iméd) V

(Vméd) mA

(Iméd)

CANAL 1 (CH1) CANAL 2 (CH2)

C RL V1 V2

220

t

V1

0 2p 3p 4pp

t

V2

0 2p 3p 4pp

µF


126

Retificação de meia onda com filtro (100µF)


PASSO 6 7 8 9

C RL Vi Vi VO VO

(VCC) Vripple

Id (=I)

VO

(VCC) Id

(=I)

100

220

1K

µF V

(Vp) V

(Vef) V

(Vp) V

(Vméd) V

(Vpp) mA

(Iméd) V

(Vméd) Ma

(Iméd)

CANAL 1 (CH1) CANAL 2 (CH2)

C RL V1 V2

100

220

t

V1

0 2p 3p 4pp

t

V2

0 2p 3p 4pp

1K

t

V2

0 2p 3p 4pp

µF


127

Retificação de meia onda com filtro (1000µF)


PASSO 6 7 8 9

C RL VO VO

(VCC) Vripple

Id (=I)

VO

(VCC) Id

(=I)

1000

220

1K

µF V

(Vp) V

(Vméd) V

(Vpp) mA

(Iméd) V

(Vméd) mA

(Iméd)

CANAL 2 (CH2)

C RL V2

1000

220

t

V2

0 2p 3p 4pp

1K

t

V2

0 2p 3p 4pp

µF


128

Parte 2 – Retificação de onda completa em ponte


NÃO LIGUE O TRANSFORMADOR À REDE ELÉTRICA ANTES DE TERMINAR A MONTAGEM E AS CON-FIGURAÇÕES DOS INSTRUMENTOS.

14- Monte o circuito abaixo.

O resistor RL é de 220; na primeira montagem NÃO é usado o capacitor C. Nas montagens se-guintes obedeça as indicações do texto e das tabelas para determinação dos valores dos com-ponentes.

A ligação do osciloscópio (pontos V1 e V2) deve obedecer às orientações dos passos 19, 23, 24 e 30, sob risco de gerar um curto-circuito. LIGUE SEMPRE O TERRA EM PRIMEIRO LU-GAR! O instrumento V3 é o multímetro digital.

15- Ajuste o multímetro para o alcance de 20V CC e conecte-o ao ponto V3. 16- Configure o osciloscópio como descrito abaixo:

Canal 1 (CH1) V1

medição de sinal pico a pico (PP) e eficaz (RMS)

acoplamento CA

Canal 2 (CH2) V2

medição de sinal pico a pico (PP) e médio

acoplamento CC 17- Ligue APENAS o Canal 1 (PONTEIRA E TERRA) do osciloscópio ao ponto V1. 18- Ligue o transformador à rede elétrica (220V) e ajuste sua saída para 12V CA.

19- Pressione o botão AUTOSET do osciloscópio para que este se ajuste automaticamente às va-riáveis medidas.

20- Meça com o osciloscópio (CH1) Vi (em valores de pico e eficaz), desenhe a forma de onda no local adequado e anote as leituras na tabela.

21- Desligue o Canal 1 do osciloscópio do ponto V1, INCLUSIVE A GARRA DE TERRA. 22- Ligue APENAS o Canal 2 1 (PONTEIRA E TERRA) do osciloscópio ao ponto V2 (pressione

novamente AUTOSET). 23- Meça com o osciloscópio (CH2) Vo (em valores de pico e médio) e Vripple (em valor de pico a pi-

co), desenhe as formas de onda no local adequado e anote na tabela. 24- Calcule as correntes I, dividindo Vo (valor médio medido pelo osciloscópio) por RL e Id (que para

retificação de onda completa será a metade de I) e anote-as na tabela. 25- Meça com o multímetro ajustado para 20V CC a tensão no ponto V3 e anote na tabela. 26- Calcule novamente as correntes I, dividindo Vo (valor médio medido pelo multímetro) por RL e Id

(que para retificação de onda completa será a metade de I) e anote-as na tabela. 27- Compare os resultados obtidos com o multímetro e com o osciloscópio. 28- Desligue o Canal 2 do osciloscópio do ponto V1, INCLUSIVE A GARRA DE TERRA. 29- Desligue o transformador.

30- Nas págs. 12 e 13 utilize os resistores de 220 e de 1K e os capacitores de 100µF e 1000µF, de acordo com as tabelas, e repita os passos de 17 a 29.

31- NÃO ESQUEÇA DE SEMPRE DESLIGAR O TRANSFORMADOR E AS PONTAS DE PROVA DO OS-CILOSCÓPIO ANTES DE EFETUAR ALTERAÇÕES NO CIRCUITO!

D1

D3

D2

D4

220V RL C

V2

+V3

I

Id

V1

TERRA DO OSCILOSCÓPIO

PARA MEDIÇÃO DE V1

TERRA DO OSCILOSCÓPIO

PARA MEDIÇÃO DE V2

TERRA DO CIRCUITO

+-

O RESISTOR ESQUENTA!

O CAPACITOR EXPLODIRÁ SE

SUA POLARIDADE FOR INVERTIDA!


129

Retificação de onda completa em ponte sem filtro


PASSO 22 25 26 27 28

C RL Vi Vi VO VO

(VCC) Vripple I

Id

(I/2) VO

(VCC) I

Id

(I/2)

220

µF V

(Vp) V

(Vef) V

(Vp) V

(Vméd) V

(Vpp) mA

(Iméd) mA

(Iméd) V

(Vméd) mA

(Iméd) mA

(Iméd)

CANAL 1 (CH1)

CANAL 2 (CH2)

C RL V1 V2

220

t

V1

0 2p 3p 4pp

t

V2

0 2p 3p 4pp

µF


130

Retificação de onda completa em ponte com filtro (100µF)


PASSOS 22 25 26 27 28

C RL Vi Vi VO VO

(VCC) Vripple I

Id

(I/2) VO

(VCC) I

Id

(I/2)

100

220

1K

µF V

(Vp V

(Vef) V

(Vp) V

(Vméd) V

(Vpp) mA

(Iméd) mA

(Iméd) V

(Vméd) mA

(Iméd) mA

(Iméd)

CANAL 1 (CH1)

CANAL 2 (CH2)

C RL V1 V2

100

220

t

V1

0 2p 3p 4pp

t

V2

0 2p 3p 4pp

1K

t

V1

0 2p 3p 4pp

t

V2

0 2p 3p 4pp

µF


131

Retificação de onda completa em ponte com filtro (1000µF)


PASSOS 25 26 27 28

C RL VO VO

(VCC) Vripple I

Id

(I/2) VO

(VCC) I

Id

(I/2)

1000

220

1K

µF V

(Vp) V

(Vméd) V

(Vpp) mA

(Iméd) mA

(Iméd) V

(Vméd) mA

(Iméd) mA

(Iméd)

CANAL 2 (CH2)

C RL V2

1000

220

t

V2

0 2p 3p 4pp

1K

t

V2

0 2p 3p 4pp

µF


132

Com base em suas conclusões, responda as questões abaixo: 1- Qual a influência do resistor de carga RL no ripple?

2- Qual a influência do capacitor de filtro C no ripple?

3- Qual a influência do tipo de retificação (meia onda e onda completa) no ripple?

4- O que acontece com a tensão Vo (Vméd) à medida que o ripple vai diminuindo?

5- É possível, nas medições efetuadas, observar a queda de tensão no(s) diodo(s)?

6- Qual a frequência do sinal retificado em meia onda? E no de onda completa? 7- Calcule os valores teóricos através das fórmulas dadas e compare-os aos resultados

obtidos.

8- Simule os circuitos no EWB e compare os resultados com os obtidos experimentalmen-te.

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133


Experiência 3 - Características do diodo Zener


NÃO LIGUE O CIRCUITO À REDE ELÉTRICA ANTES DE TERMINAR A MONTAGEM E AS CONFIGURAÇÕES DOS INSTRUMENTOS.

Parte 1 – Levantamento da curva característica

a- Polarização direta

1- Preencha as características do diodo Zener 1N4742 na tabela da pág. 17.

2- Monte o circuito abaixo. O diodo Z é o 1N4742; RS é de 22, 5W.

3- Ajuste o multímetro para o alcance de 20V CC e conecte-o ao ponto V1. 4- Ajuste a fonte para obter Vi = 0V no multímetro. 5- Conecte o multímetro ao ponto V2, meça e anote a tensão VD. 6- Repita os passos 3 a 5 para todos os valores de Vi (fonte) da tabela. NÃO ULTRAPASSE

6V! 7- Calcule os valores de VS = (Vi - VD) e ID = (VS/RS) e anote-os na tabela. 8- Com os valores de VD e ID obtidos, trace a curva de polarização direta do diodo Zener, no



Vi VD VS ID Vi VD VS ID

0 1,0

0,5 2,0

0,6 3,0

0,7 4,0

0,8 5,0

0,9 6,0

V V V mA V V V mA

Vi

RS

Z

V1 V2

VDID


134

b- Polarização reversa

9- Monte o circuito abaixo. O diodo Z é o 1N4742; RS é de 68 , ½ W.

10- Ajuste o multímetro para o alcance de 20V CC e conecte-o ao ponto V1. 11- Ajuste a fonte para obter Vi = 0V no multímetro. 12- Conecte o multímetro ao ponto V2, meça e anote a tensão VZ. 13- Repita os passos 10 a 12 para todos os valores de Vi (fonte) da tabela. NÃO UL-

TRAPASSE 15V! 14- Calcule os valores de VS = (Vi – VZ) e IZ = (VS/RS) e anote-os na tabela. 15- Com os valores de VZ e IZ obtidos, trace a curva de polarização reversa do diodo

Zener, no gráfico da pág. 17.


Vi VZ VS IZ Vi VZ VS IZ

0 12,0

4,0 12,5

8,0 13,0

10,0 14,0

11,0 15,0

V V V mA V V V mA

Vi

RS

Z

V1 V2

VZIZ


135

Características do diodo Zener 1N4742

VZ PZ IZmín IZmáx

V W mA mA


136

Parte 2 – Fonte estabilizada – tensão de entrada variável e carga constante

16- Monte o circuito abaixo. O diodo Z é o 1N4742; RS é de 68 e RL é de 1K, am-bos de 1/2W .

17- Ajuste o multímetro para o alcance de 20V CC e conecte-o ao ponto V1. 18- Ajuste a fonte para obter Vi = 13,0V no multímetro. 19- Conecte o multímetro ao ponto V2, meça e anote a tensão VO. 20- Repita os passos 17 a 19 para todos os valores de Vi (fonte) da tabela. NÃO UL-

TRAPASSE 15V! 21- Calcule os valores de VS = (Vi - VO), IS = (VS/RS), IL = (VO/RL) e IZ = (IS – IL) e ano-

te-os na tabela.

MEDIDOS CALCULADOS

RS RL Vi Vo VS IS IL IZ

68 1000

13,0

13,5

14,0

14,5

15,0

V V V mA mA mA

Vi

RS

RLZ

V1 V2

VO

IS

IZ IL


137

Parte 3 – Fonte estabilizada – tensão de entrada constante e carga variável

22- Monte o circuito abaixo. O diodo Z é o 1N4742; RS é de 68 e RL é de 1K .

23- Ajuste o multímetro para o alcance de 20V CC e conecte-o ao ponto V1. 24- Ajuste a fonte para obter Vi = 13,5V no multímetro. 25- Conecte o multímetro ao ponto V2, meça e anote a tensão VO. 26- Repita o passo 25 para todos os valores de RL da tabela. 27- Calcule os valores de VS = (Vi - VO), IS = (VS/RS), IL = (VO/RL) e IZ = (IS – IL) e ano-

te-os na tabela. 28- Repita os passos de 25 a 27 para Vi = 15V. NÃO ULTRAPASSE 15V!

MEDIDO CALCULADOS

Vi RL Vo VS IS IL IZ

13,5

1000

4700

10000

15,0

10000

4700

1000

V V V mA mA mA

Vi

RS

RL

Z

V1 V2

VO

IS

IZ IL


138

Com base em suas conclusões, responda as questões abaixo:

1- Compare a curva do diodo Zener obtida com a teórica.

2- Compare a região de polarização direta da curva do diodo Zener obtida com a de um diodo convencional.

3- Para a fonte estabilizada com tensão de entrada variável e carga constante da pág. 18 , analise e comente as variações das correntes IL, IS, e IZ

4- Repita a mesma análise do item anterior para a fonte estabilizada com tensão de entra-

da constante e carga variável da pág.19. 5- Verifique se em alguma das situações de polarização apresentadas o diodo excedeu ou

chegou próximo de suas características máximas (IZmáx e PZmáx) ou mínimas (IZmín) de trabalho.

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