03 - diodos semicondutores

Fig.1

Cap. 2 Eletrônica Linear - Teoria e Prática

DIODOS SEMICONDUTORES

Níveis de energia

A maneira com que os elétrons se distribuem nas órbitas em torno do núcleo não é aleatória. Segue regras bem definidas, que são as mesmas para todos os elementos.

Um elétron em órbita tem uma energia potencial que depende da sua distância até o núcleo e uma energia cinética que depende da sua velocidade. A soma de ambas é a energia total do elétron.

Aqui não cabe considerações mais profundas sobre a teoria quântica. Esta diz em linhas gerais que os estados da matéria não variam continuamente, mas sim em pequenos intervalos discretos, chamados quanta. No mundo prático isto não é perceptível, pois os valores são muito pequenos. Mas os elétrons são partículas elementares e o seu comportamento é bem definido por tais intervalos.

Assim, a energia total que o elétron pode ter é definida em valores discretos e, portanto, ele só pode ocupar determinadas órbitas ou níveis de energia. Os níveis possíveis são sete e estão representados na Fig. 1.

O número máximo de elétrons que cada nível pode ter é limitado segundo o princípio de exclusão de Pauli e é dado por 2n2 onde n é o número do nível. Assim, o nível 1 poderá no máximo ter 2 elétrons, o nível 2 no máximo 8 elétrons e assim sucessivamente.

A natureza estabelece a seguinte regra geral: a estabilização ocorre na menor energia possível. Assim, os níveis são preenchidos na seqüência do menor para o maior. Um nível só poderá conter elétrons se o anterior estiver completo. A Fig. 2 acima mostra isso.

Os elétrons em cada nível ocupam subníveis e cada um pode conter um número máximo de elétrons e são, de forma similar, preenchidos do menor para o maior.

Os subníveis são designados pelas letras s, p, d e f e os valores máximos são respectivamente 2, 6, 10 e 14.

Evidente que, por exemplo, o nível 1 só pode ter o subnível s, pois o número máximo do nível é 2. Já o nível 2 pode ter os subníveis s e p e assim sucessivamente.

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Fig. 2


Valência

A Fig. 3 dá o exemplo da distribuição dos elétrons em um átomo de cobre, com número atômico 29. O nível mais externo (4, neste exemplo) é chamado de nível de valência e os elétrons presentes nele são os elétrons de valência.

O número de elétrons de valência é um fator importante do elemento. Ele define a capacidade do átomo de ganhar ou perder elétrons e de se combinar com outros elementos.

Muitas das propriedades químicas e elétricas dependem da valência.

A convenção adotada para a representação gráfica da distribuição de elétrons no átomo do elemento é a indicação seqüencial dos níveis e respectivos subníveis, com o número de elétrons de cada subnível colocado na forma de expoente. Para este caso do cobre: 1s22s22p63s23p63d104s1.

Bandas de energia

Quando os átomos não estão isolados, mas juntos em um material sólido, as forças de interação entre os mesmos são significativas. Isso provoca uma alteração nos níveis de energia acima da valência. Podem existir níveis de energia não permitidos, logo acima da valência.

Para que um material conduza eletricidade, é necessário que os elétrons de valência, sob ação de um potencial elétrico aplicado, saltem do nível de valência para um nível ou banda de condução.

Conforme Fig. 4, em um material condutor não existem níveis ou banda de energia proibida entre a condução e a valência e, portanto, a corrente flui facilmente sob a ação do campo elétrico.

Já um material isolante tem uma larga banda proibida entre a valência e condução. E dificilmente haverá condução da corrente.

Os semicondutores possuem bandas proibidas com larguras intermediárias. Isto significa que podem apresentar alguma condução, melhor que os isolantes e pior que os condutores.

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Impurezas

Conforme já dito, a capacidade de um átomo de se combinar com outro dependem do número de elétrons de valência. A combinação só é possível quando este é menor que 8. Elementos com 8 elétrons de valência não se combinam. São estáveis e inertes.

Consideramos agora o silício, que é o semicondutor mais usado e tem 4 elétrons de valência.

No estado puro, cada par de elétrons de átomos distintos formam a chamada ligação covalente, de forma que cada átomo fique no estado mais estável, isto é, com 8 elétrons na camada externa.

O resultado é uma estrutura cristalina homogênea conforme Fig. 5. Na realidade é tridimensional. Está representada de forma plana (achatada) para simplificar o desenho.

Até agora, nada de novo. O material continua um semicondutor. Entretanto, quando certas substâncias, chamadas impurezas são adicionadas, as propriedades elétricas são radicalmente modificadas.

Se um elemento como o antimônio, que tem 5 elétrons de valência for adicionado, e alguns átomos deste substituírem o silício na estrutura cristalina, 4 dos 5 elétrons irão se comportar como se fossem os de valência do silício e o excedente será liberado para o nível de condução (Fig. 6).

O cristal irá conduzir e, devido à carga negativa dos portadores (elétrons), é denominado semicondutor tipo n.

Agora a situação inversa conforme Fig. 7.

Uma impureza com 3 elétrons de valência (alumínio, por exemplo) é adicionada.

Alguns átomos de silício irão transferir um elétron de valência para completar a falta no átomo da impureza, criando um buraco positivamente carregado no nível de valência e o cristal será um semicondutor tipo p, devido à carga positiva dos portadores (buracos).

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Diodos semicondutores

Os primeiros componentes eletrônicos foram as válvulas termiônicas, descobertas pelo cientista inglês J. A. Fleming em 1882 nos Estados Unidos (Fig.1B).

Diodo Símbolo

Válvula Eletrônica

Com o surgimento do semicondutor, as válvulas foram sendo substituídas devido às vantagens que o semicondutor apresenta em relação às válvulas: a) Os diodos semicondutores são muito menores do que as válvulas, b) O diodo semicondutor gasta bem menos energia, porque não precisa do aquecimento de um filamento para funcionar (semelhante a uma lâmpada incandescente), c) O funcionamento do diodo semicondutor é instantâneo, enquanto a válvula levava vários segundos até aquecer para funcionar, d) As válvulas eram frágeis porque o invólucro era de vidro. A Fig. 2B mostra um diodo e seu símbolo.

Como funcionam os diodos semicondutores

A função genérica dos diodos é conduzir a corrente em apenas um sentido. Podemos encontrar os diodos desempenhando também várias funções específicas: como retificação em fontes de alimentação, regulagem de tensão, proteção, detecção de sinais de rádio, emissão e detecção de luz, funções lógicas e inúmeras outras funções que serão estudadas posteriormente.

Os diodos semicondutores são fabricados a partir de materiais chamados cristais. Os cristais encontrados na natureza estão para a categoria dos isolantes, porém, quando passam por processos químicos que misturam industrialmente certas substâncias, o cristal modifica suas características semicondutoras e passa a apresentar variações de condução que vão da isolação a uma condução intensa de corrente.

O processo de mistura e alteração das características do cristal semicondutor é chamado dopagem, e as propriedades semicondutoras do cristal dopado (misturado) são a base da eletrônica atual.

Os materiais com relação à capacidade de conduzirem corrente são divididos em condutores, semicondutores, e isolantes. Os condutores se caracterizam pela grande quantidade de elétrons livres. Quanto mais elétrons livres, maior corrente elétrica poderá se movimentar pelo material. São materiais que permitem a passagem da corrente elétrica com facilidade. Os metais são bons condutores. Os melhores materiais condutores são o ouro e a prata. O mais usado devido ao baixo custo é o cobre. Os isolantes ao contrário, são materiais que quase não têm elétrons livres. Devido a isso, os elétrons que estão firmemente presos aos seus átomos dificultam ou colocam alta resistência à passagem da corrente elétrica. A borracha, a cerâmica, a madeira seca, os plásticos, são exemplos de isolantes. Os semicondutores são materiais que ficam no meio, isto é, geralmente apresentam alta resistência, porém, bem menor que os isolantes. Os cristais, que na natureza estão no estado próximo aos isolantes, quando submetidos aos processos de misturas químicas em laboratório (DOPAGEM), modificam seu estado de condução de acordo com a polaridade aplicada.

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Fig.1B

Fig.2B


As junções semicondutoras

Se pegarmos dois pedaços de cristal semicondutor conforme a Fig. 2C, sendo um dos pedaços dopado para apresentar falta de cargas negativas, tornando-se, portanto, positivo ou tipo P e o outro pedaço dopado passa a apresentar excesso de carga negativa, sendo chamado tipo N, ao juntar os dois pedaços tipo P e tipo N formam o dispositivo mostrado na Fig.1 chamado diodo semicondutor.

No ponto de união é formada a junção semicondutora. Atualmente a junção semicondutora é a base da eletrônica atual. Os componentes eletrônicos (diodos, transistores, etc.) apresentam a junção semicondutora. No ponto da junção ocorre um fenômeno chamado recombinação, onde alguns elétrons do material N passam para o material P na tentativa desses materiais voltarem ao estado de equilíbrio.

Ocorre o fenômeno da recombinação das cargas positivas com as negativas na junção PN para restabelecer o equilíbrio. Na junção semicondutora essa recombinação provoca uma região chamada barreira de potencial, onde há falta de cargas livres. A falta de cargas livres causa uma resistência e conseqüentemente, uma queda de tensão que no silício fica em torno de 0,6V e para as junções de germânio, em torno de 0,2V.

O diodo pode funcionar de duas formas: polarizado no sentido direto e polarizado no sentido reverso. A Fig.3b mostra a polarização no sentido direto em que o diodo permite a passagem da corrente com uma pequena resistência provocada por uma queda de tensão em torno de 0,6 a 0,7 V para o silício e 0,2 a 0,3 V para o germânio.

Na Fig.4b é mostrado o diodo polarizado reversamente impedindo a passagem da corrente. O diodo coloca uma resistência muito alta, devida à atração das lacunas (cargas positivas) pelo pólo negativo da bateria e da atração das cargas negativas (elétrons) pelo pólo positivo da bateria. O efeito é de alargamento da junção provocando uma zona desértica, uma zona onde não há cargas sobrando (positivas e negativas) para se movimentarem pela junção. Na Fig.5b vemos a forma física de alguns tipos de diodos e seu símbolo usado nos esquemas de equipamentos eletrônicos. A letra A representa o terminal chamado anodo e a letra C ou K representa o terminal chamado catodo.

Para o diodo conduzir polarizado diretamente é preciso que o anodo fique positivo em relação ao catodo. E para polarizar o diodo reversamente de modo a não haver condução, o anodo é ligado ao negativo da bateria e o catodo ao positivo conforme mostra a Fig.6b. Observe também as quedas de tensões para o diodo de germânio e silício mostrados na Fig.7b.

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Fig. 3b

Fig. 4b

Fig. 5b

Fig. 6b

Fig. 2C


Funções dos diodos

Para que serve um componente que só deixa passar corrente quando polarizado diretamente? Essa característica dos diodos pode ser usada para realizar muitas funções importantes nos circuitos eletrônicos: a) Retificação de tensões alternadas, b) Detecção de sinais de rádio, c) Emissão de luz, d) Sensores sensíveis à luz, e) Regulagem de tensões, (f) Limitação de picos de sinais, g) Proteção contra inversão de polaridade, etc.

Características elétricas dos diodos

Na Fig.8 analisamos com a ajuda de um gráfico, o comportamento do diodo semicondutor. A partir de tensões muito baixas, o diodo começa a conduzir corrente e a mesma só é limitada pela resistência da carga ligada em série com o diodo, caso contrário, a corrente seria tão intensa que queimaria o diodo.

O gráfico da Fig.8 mostra que, para uma tensão reversa, há um limite máximo chamado ruptura inversa, onde a barreira de potencial na polarização reversa é rompida e o diodo passa a conduzir livremente nos dois sentidos. Neste caso dizemos que o diodo está em curto (curto circuito), e perderá as características próprias do diodo.

Existem diversos tipos de diodos, a diferença entre um e outro está nas características elétricas: Os manuais de diodos mostram duas características básicas para o diodo semicondutor: a) A tensão reversa abreviada por Vrm. b) A corrente direta Ifm. A Tensão reversa Vr representa a tensão máxima que o diodo suporta quando está polarizado reversamente. Se ultrapassarmos esse parâmetro o diodo se danificará (queima). A Corrente direta If diz quanto o diodo suporta de corrente quando polarizado no sentido direto. Ultrapassar esse parâmetro provoca a "queima" do diodo. Na Fig.9 temos os códigos que são impressos nos corpos de alguns diodos e os valores de Vr e If.

Testando um diodo

Para testar um diodo com multímetro analógico devemos chavear o multímetro inicialmente na escala mais baixa de resistência e aplicar as pontas de prova nos dois sentidos, direto e reverso. No sentido direto, o multímetro indica baixa resistência e no sentido inverso é indicada alta resistência ou infinito. Posteriormente, chaveamos o multímetro para a escala mais alta de resistência e a leitura da resistência para os diodos retificadores de silício deve ser

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Fig. 7b

Fig. 09

Fig. 8

Cap. 2 Eletrônica Linear - Teoria e Práticainfinita ou acima de 20 MOhms. Se o diodo conduzir nos dois sentidos na escala baixa ou alta, dizemos que o diodo está em curto. Se o diodo no teste da escala mais alta apresentar uma resistência menor que 20 MOhms, dizemos que o diodo está com fuga. Se o diodo em qualquer escala de resistência não conduz em nenhum dos sentidos dizemos que o diodo está aberto. Para testar um diodo de silício (maioria) com multímetro digital basta colocar a chave seletora na posição onde aparece um símbolo de diodo. Se a leitura estiver entre 0,6 a 0,7 aproximadamente para um diodo de silício (maioria), o diodo está bom, caso contrário, está com defeito.

Circuitos Práticos usando diodos

Um circuito muito importante e obrigatório em todo equipamento eletrônico é a fonte de alimentação. As fontes mais simples são as pilhas e baterias. As baterias são associações de pilhas. Essas associações podem ser em série para aumentar a tensão ou em paralelo para aumentar a corrente. Em alguns casos, as pilhas são associadas ao mesmo tempo em série e paralelo para aumentar tanto a tensão quanto a corrente.

Na Fig.10, o esquema mostra uma das inúmeras funções do diodo que é evitar a inversão da polaridade da bateria, caso contrário poderia danificar o aparelho eletrônico. RL1 é um resistor, representa o aparelho ligado em série com o diodo, esse resistor é chamado resistor de carga (RL). A carga é todo circuito ligado à fonte.

O diodo precisa ter características técnicas em termos de Vrm e Ifm, capazes de suportar as necessidades de tensão e corrente da carga.

Retificação da tensão AC

Muitos aparelhos eletrônicos funcionam a partir da rede de distribuição elétrica 110 ou 220V, com a intenção de economizar o alto custo das baterias atuais. A tensão alternada (AC) inverte de polaridade 60 vezes por segundo (60Hz) e os aparelhos eletrônicos não podem trabalhar sendo alimentados com tensão AC, pois as constantes inversões de polaridade danificariam tais aparelhos.

As fontes de alimentação dos aparelhos eletrônicos precisam transformar a tensão AC em DC (tensão contínua). Para realizar essa tarefa usamos os diodos num processo chamado retificação. Na Fig.11 observamos um gráfico mostrando a forma de representar uma onda senoidal (AC). Na Fig.12 é mostrado um diodo trabalhando como retificador de meia onda.

O diodo tendo seu anodo ligado a um transformador abaixador de tensão só permite a passagem dos semiciclos positivos, ou seja, só há condução de corrente quando o anodo está mais positivo em relação ao catodo, quando é aplicado o semiciclo positivo da tensão AC ao anodo do diodo. A Fig. 13 mostra a retificação negativa. A Fig. 14 mostra em detalhes como fica a forma de onda AC após a retificação.

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Fig. 10

Fig. 12

Fig. 13

Fig. 11


FILTRAGEM

Após a retificação temos uma tensão contínua pulsante, porque não ocorre inversão de polaridade, porém, a tensão é fornecida de forma descontinuada como se o aparelho alimentado dessa forma ligasse e desligasse 60 vezes por segundo. Nenhum aparelho eletrônico funciona corretamente nessas condições. Por esse motivo, o diodo na sua função retificadora terá de ser auxiliado por um componente capaz de fornecer energia enquanto o diodo não estiver conduzindo. Essa função é feita pelo capacitor conforme é mostrado na Fig.15.

Quando o diodo é polarizado diretamente, a carga recebe alimentação e o capacitor de filtro é carregado. Quando o diodo é polarizado reversamente, o diodo não conduz, no entanto, o capacitor carregado se descarrega na carga, fornecendo a energia que o diodo não fornece quando não conduz. A Fig.16 mostra em um gráfico o resultado após a retificação e filtragem.

A retificação em meia onda sem capacitor de filtro reduz a tensão de entrada em 50%. O capacitor de filtro repõe a metade da tensão perdida com a mesma polaridade enquanto a carga for de pouco consumo. Se a carga for de consumo elevado a filtragem é deficiente aumentando o "ripple", um resíduo de ondulação que permanece. Na Fig.17 são analisados os dois casos.

Na Fig. 18, fazemos uma comparação entre a retificação em onda completa e 1/2 onda. Em 1/2 onda (Fig. 18b) os espaços entre cada semi ciclo positivo. Enquanto na Fig. 18a, os espaços são bem menores entre os semiciclos, e todos os semiciclos se tornam positivos. Se invertermos os diodos, os semiciclos apareceriam invertidos. Essas formas de ondas podem ser visualizadas facilmente através de um instrumento chamado osciloscópio.

Na Fig.18a analisamos graficamente a técnica de retificação chamada onda completa. Em onda completa toda a energia fornecida pelo secundário do transformador é aproveitada. O transformador apresenta no secundário um

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Fig.17

Fig. 14

Fig. 15

Fig. 16

Cap. 2 Eletrônica Linear - Teoria e Práticaterminal central chamado CT (Center Tape). Esse terminal provoca uma inversão de 180º (180 graus) invertendo o semiciclo negativo e transformando o mesmo em semiciclo positivo. Observe as formas de onda junto aos esquemas.

CT

A melhor forma de retificação da tensão AC como já analisamos é a chamada retificação em onda completa veja na Fig.18a. A retificação em onda completa retifica toda a tensão AC sem perdas.

Projeto Prático de fonte de alimentação

Serão dados aqui, alguns princípios práticos e teóricos um pouco mais desenvolvidos, para que você seja capaz de projetar uma fonte de alimentação simples, contudo, de ótimo desempenho no limite de 2A. Para correntes maiores será preciso falar sobre estabilização de tensão, ainda nessa apostila.

Como não é novidade, uma fonte de alimentação é o coração de qualquer equipamento eletrônico. É da fonte que o equipamento eletrônico retira a energia necessária ao seu bom funcionamento. Não adianta montar um super computador, por exemplo, com recursos de última geração e ligá-lo a uma fonte de má qualidade, é o mesmo que, comprar um Mercedes altamente sofisticado e abastecê-lo com gasolina de procedência duvidosa.

1º Exemplo: Projetar uma fonte de alimentação sem regulagem, para alimentar um amplificador com as seguintes especificações: a) Tensão de alimentação 9V, b) potência 0,5W (500mW). O circuito da fonte terá retificação em onda completa, porque tem maior eficiência (menos ripple ou menor ruído) em relação à retificação em 1/2 onda. A eficiência tem relação com o “ripple”, um resíduo de oscilação que permanece após a filtragem. Como já vimos, esse “ripple” é maior nas fontes em meia onda e é indesejável, porque produzem ruídos interferindo no desempenho do aparelho eletrônico que precisa de tensão contínua pura, sem oscilações da tensão de alimentação, ou pelo menos tão pequena, que possa ser considerada desprezível.

1º Passo: cálculo do transformador de força. O transformador tem a função de reduzir a tensão da rede elétrica (110/220V), porque geralmente os equipamentos eletrônicos trabalham com tensões bem menores. Além dessa característica de reduzir o excesso de tensão, o transformador isola a tensão da rede em relação ao circuito, protegendo não só o circuito, quanto o usuário contra eventuais choques perigosos vindos diretamente da rede. a isolação é possível porque o transformador geralmente é construído com pelo menos dois enrolamentos separados (não interligados). Um desses enrolamentos é chamado PRIMÁRIO, onde é aplicada a tensão vinda da tomada ligada a rede elétrica. O outro enrolamento é chamado de secundário, onde tiramos a tensão já reduzida.

A corrente fornecida pelo secundário do transformador deverá ser maior que a corrente solicitada pela carga, pelo menos 50% maior, para o transformador funcionar com folga (margem de segurança) sem aquecer muito. Então para o transformador temos:

V1 =Tensão do primário: 110 / 220 V.

V2 =Tensão do secundário: 9 + 9 VRMS com center tape.

I2 = Corrente do secundário com base na corrente da carga.

Como não foi dada a corrente da carga, a mesma pode ser determinada usando a fórmula:

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Fig. 18bFig. 18a

Cap. 2 Eletrônica Linear - Teoria e PráticaILR = PRL / Vdc, onde ILR = corrente da carga, PRL = potência da carga, e Vdc = tensão média na carga.

Assim temos: ILR = 0,5 W / 9 V + 50% = 0,055 + 50% =V 0,083

Usaremos, portanto, um transformador para aproximadamente 100 mA ou mais, que é um valor comercial mais próximo do calculado.

2º Passo: cálculo dos diodos retificadores.

Escolhemos margem de segurança MS ≥ 100% ou duas vezes maior (mínimo) do que a tensão de pico Vm.

Em projetos mais cautelosos podemos usar MS ≥ 10 vezes o valor de Vm.

Vrm = 2 Vm (Vm + 100%)

Vm = V2 . √2 . 2

Então Vrm = 9V. √2 . 2 ≥ 12,72 . 2 ≥ 25,44V.

Ifm = IL + MS = I2 = 100mA. Observação: Numa fonte, cada diodo conduz alternadamente a metade da corrente em cada semiciclo. Porém, na prática, devido a carga do capacitor, a corrente inicial é muito alta. Neste caso devemos usar um diodo capaz de suportar pelo menos 2 (duas) vezes mais a corrente de carga inicial. Como o capacitor se carrega com a tensão máxima (Vm), há uma corrente de carga do capacitor inicialmente alta. Por esse motivo, os projetistas preferem as fontes de alimentação com retificação feita por quatro diodos (ponte retificadora) que será estudada em outro exemplo. A ponte retificadora suporta, picos de tensão reversa e picos de corrente direta muito maior do que apenas dois diodos e assim aumenta a margem de segurança.

Neste 1º exemplo, dois diodos retificadores, comercialmente muito populares e de baixo custo, são os 1N4004, capazes de suportarem 1A quando polarizados diretamente (Ifm), e 400V de tensão máxima reversa (Vrm), satisfazendo muito além do necessário.

3º Passo: cálculo do capacitor de filtro.

Uma forma simplificada é considerar para cada Ampère 1000µF. Assim, se uma fonte fornecer 2A, o capacitor terá 2000µF, se fornecer 5A o capacitor terá 5000µF. Podemos também usar uma fórmula um pouco mais complexa em fontes, cujo ripple seja problemático. Fontes para equipamentos de áudio de baixo custo. Geralmente, esta fórmula costuma jogar o valor do capacitor de filtro bem para cima quando a corrente da carga é alta. Porém, se o método simples não resolver porque o som apresenta muito ronco, a solução é usar a fórmula abaixo.

Vm

C = ——————

RL . Vr . F

Onde:

C = capacitância do capacitor de filtro em Farads.

Vm = valor máximo (pico) da tensão do secundário do transformador.

RL = valor da resistência da carga, em Ohms.

*Vr = tensão de “ripple” limitada entre 10% a 20% de VRL (0,1 a 0,2 VDC). Se com 10% o capacitor fica muito grande, acima de 10000µF podemos experimentar 20% ripple e acrescentar uma etapa de regulação de tensão que será estudada posteriormente.

F = freqüência da rede, em Hertz. para 1/2 onda = 60 Hz. para onda completa = 120 HZ.

VRL ou Vdc = tensão da carga

*Escolhe-se um “ripple” baixo, em torno de 10% a 20% de Vdc (VRL) supondo que ao ligar a carga (RL), a tensão contínua caia apenas entre 10% a 20% de seu valor. A partir dos dados estabelecidos anteriormente, aplicamos a seguinte fórmula prática:

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Cap. 2 Eletrônica Linear - Teoria e PráticaVm = V2 . √2 = 9 x 1,41 = 12,72 =V 13 V (tensão de pico máxima). Assim temos:

Vm = 13 V

RL = 130 Ω (RL = VRL / IL = 9 / 0,055 = 163Ω)

Vr = 10% de 9V = 0,9V

F = 120 Hz (onda completa)

13 13

C = ——————— = —————— = 738µF

163 x 0,9 x 120 17604

O valor comercial mais próximo = 1000 µF. Não devemos esquecer-nos da tensão de trabalho do capacitor (Vc) que deverá ser pelo menos o dobro da tensão Vm (tensão máxima de pico sem carga). Neste caso escolheremos para a tensão de trabalho do capacitor: Vc = Vm + 100% = 13V + 100% =V 26V.

Para uma redução grande do ripple, a solução é a fonte regulada por transistores. Esse tipo de fonte será analisado na apostila sobre transistores. Com regulação é possível usar ripple ≥ 20%.

É preciso alertar para o fato de não devermos exagerar nos valores para cima além do necessário, porque quanto maiores as especificações, maiores os preços dos componentes. Todo projeto deverá levar em consideração dois fatores: Custo e desempenho. A melhor relação é: MAIOR DESEMPENHO MENOR CUSTO. O circuito final é mostrado na Fig. 20.

Se o capacitor calculado for muito grande podemos usar capacitores em paralelo de capacitância menor.

Para uma fonte em onda completa, podemos usar quatro diodos (retificação em ponte que não precisa de tomada central no secundário do transformador), além de suportar o dobro da tensão de entrada devido à condução de dois diodos em série que formam um divisor de tensão Fig. 22. Usaremos os mesmos procedimentos lembrando, no entanto, que em onda completa, devemos usar dois ou quatro diodos com as mesmas características.

TENSÃO RMS, TENSÃO MÁXIMA ou de PICO e TENSÃO MÉDIA na CARGA

A tensão RMS (Root Mean Square) ou Tensão Eficaz ou Valor Eficaz. É o valor da corrente alternada que produz em uma resistência o mesmo efeito de aquecimento de uma corrente contínua. Por exemplo, uma tensão senoidal de 155V de pico é aplicada a uma resistência de 100 Ohms. Se ao mesmo resistor for aplicada uma tensão de 110V contínuos (RMS), a dissipação de potência será a mesma.

Para conhecer a tensão RMS no secundário do transformador basta calcular: VRMS = Vm x 0,707. O valor RMS calculado será sempre menor do que Vm (tensão de pico). Observação: Alguns multímetros digitais são capazes de medirem a tensão RMS diretamente.

A TENSÃO MÁXIMA ou de PICO são valores instantâneos não eficazes. É medida tanto no primário, quanto no secundário do transformador (antes dos diodos). Para calcular a tensão de pico, basta conhecer o valor RMS desejado e aplica-se a seguinte equação:

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Fig. 20

Cap. 2 Eletrônica Linear - Teoria e PráticaVm (tensão de pico) = (tensão RMS desejada) x √ 2.

Obs: após os diodos retificadores medimos a tensão ou corrente média na carga com ou sem capacitor de filtro.

TENSÃO MÉDIA na carga é o valor medido pelo multímetro após os diodos retificadores. Calculamos assim: VDC (tensão média na carga) = Vm / π. Vm = Vrms . √2; quando a fonte for meia onda. Para fontes com retificação em onda completa usamos: VDC = 2 Vm / π.

Quando houver capacitor de filtro Vdc é aproximadamente = Vm. Para maior precisão: Vdc = Vm – (Vr /2); Vr = tensão de ripple. É válido tanto para tensão média na carga em 1/2 onda

quanto onda completa.

Quando o circuito não precisa de grande precisão nos cálculos, como nas fontes mais simples, podemos estimar para Vripple = Vr = 10% a 20% de VRL. Sendo VRL a tensão na carga.

A CORRENTE MÉDIA na carga = IDC = Vdc / RL; Vdc depende dos valores assumidos nos cálculos vistos anteriormente.

SIMULAÇÃO DE TENSÃO MÉDIA NA CARGA1/2 ONDA E ONDA COMPLETA COM OU SEM FILTRO

Obs: A Fig. 21 mostra um circuito que pode ser simulado bastando ter o programa Multsim 2001. Clique com o botão direito até selecionar o desenho esquemático, em seguida, escolha a opção Objeto Multisim, depois clique em Open. Tensão RMS = 24VACVm (Tensão de pico) = 33,94 ou Vm = VAC. √2Vdc = Vm / π = Tensão média na carga em 1/2 onda sem capacitor de filtro Vdc = 2Vm / π = Tensão média na carga em onda completa sem capacitor de filtro Vdc = Vm ou precisamente Vdc = Vm – Vr / 2 para tensão média na carga.

Idc (corrente média na carga) = Vdc / RL (Vdc depende das considerações e valores estimados anteriormente).

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Fig. 23

Fig. 21 Meia Onda

Fig.22Ponte retificadoraOnda Completa

VZ


Fontes de Alimentação Reguladas

As fontes simples apresentam uma variação na intensidade da tensão fornecida à carga que depende do consumo da carga. Tal variação pode ser prejudicial ao bom funcionamento da carga. Em equipamento de som, uma fonte sem regulagem pode provocar roncos e zumbidos misturados ao som. Em equipamento de vídeo, a imagem poderá apresentar interferências e deformações. A forma mais simples de regulagem é usando um diodo zener.

Para cargas mais potentes acima de 2W é preciso usar transistores de potência para auxiliar o diodo zener.

Sabemos que para os diodos comuns, existe uma tensão máxima reversa (Vrm) que se ultrapassada queima o diodo. Existem diodos fabricados de modo a trabalharem com essa tensão inversa máxima sem problemas. O zener é um deles. Na Fig.24 analisamos as características de um diodo zener.

O ponto de ruptura inversa, destacado no gráfico por VZ na Fig.24, é a tensão zener (Vz). Quando o diodo zener atinge a tensão zener (Vz), a corrente mostrada por uma linha vertical para baixo no quadrante III do gráfico, por mais que aumente, a tensão Vz não altera permanecendo sempre a mesma. Essa interessante característica do diodo zener é usada para regular tensão.

Veja na Fig.25, como o zener é ligado para regular tensão em fontes de alimentação. O zener além de ficar polarizado reversamente, fica em paralelo com a carga (circuito alimentado). A fonte tem que ter uma tensão maior do que a do diodo zener, pelo menos 3V maior. Se o zener em análise regular uma tensão de 9V (tensão zener ou Vz=9V), a fonte deve fornecer no mínimo 12V, isto é, deve ser maior que Vz em torno de 30% ou mais, para garantir a operação na região de polarização inversa estável = Vz.

Quando a carga tende a consumir menos corrente (menor potência), isso pode provocar elevação da tensão da fonte ou maior pressão elétrica para vencer a maior resistência da carga. Essa elevação pode em certos casos chegar a mais de 15V para uma fonte de 12V, e isso é prejudicial para o bom funcionamento do circuito alimentado. Nesse caso, o zener age como uma válvula reguladora dessa pressão elétrica, conduzindo (desviando) certa quantidade de corrente, limitada por um resistor em série com o zener, forçando a redução da tensão da fonte (pressão elétrica). Ao contrário, quando a carga consome mais corrente aumentando a potência e provocando redução da tensão (pressão elétrica) da fonte, o zener conduz menos, desviando menos corrente no sentido contrário para o negativo da fonte. Isso faz a tensão aumentar de modo continuar com os mesmos 9V do nosso exemplo. Podemos encontrar zeners regulando desde 2 a 200V. A maioria trabalha com baixas potências, precisando do auxílio de transistores para aumentar sua potência de estabilização de tensões.

O transistor será assunto da próxima apostila, após o estudo dos diodos. Podemos determinar o valor do resistor limitador da corrente do zener conhecendo a potência da carga e estabelecendo uma potência de pelo menos o dobro para o zener. Se tivermos uma carga alimentada por 6V e potência 200mW, será preciso um zener para regular 6V (mesma tensão da carga) e potência 400mW (0,4W). A Fig. 26 mostra uma fonte usando um diodo regulador zener.

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Fig. 24 Fig.25


Para projetarmos uma fonte usando um zener regulador podemos usar o seguinte critério de cálculo: Vz = VRL = 6V, Pz=0,4W, Izmax (corrente máxima do diodo zener = Pz/Vz), Izmin (corrente mínima para operação de regulagem segura para o zener que deverá ser no máximo = 10% de Izmax). MS = margem de segurança ≥ 50%.

IL = corrente máxima da carga 0,066

Vm = Ve (tensão de entrada sem regulagem, no mínimo 30% maior do que Vz) = Vdc x 1,41

Ve = tensão de entrada sem regulagem, no mínimo 30% a mais ou maior, sem exageros, para não aumentar muito a potência de Rz. Resistor que gasta muita potência desnecessária é gasto inútil de energia da fonte.

Rz = Vm – Vz / IL+Izmin

Rz = 8,46V – 6V / 0,066 + 0,0066 = R = 33,88Ω.

A potência do resistor = PRZ = [(Ve – Vz) x (Izmin + IRL)] +MS

Devemos comprar um resistor com valor de resistência e potência comercial mais próximo do valor calculado.

Uma série de diodos muito usada é a BZX79C da Philips Components. Um exemplo para saber ler o código é o BZX79C2V1, onde o 2V1 corresponde à tensão de 2,1V (o V substitui a vírgula decimal). Outro exemplo: BZX79C12V, corresponde a um diodo de 12V.

A Fig.27 mostra uma tabela indicando as características técnicas encontradas para essa série.

Chamamos a atenção para a necessidade do praticante de eletrônica procurar ter sempre ao alcance das mãos, manuais de equivalência de componentes, porque além de informações sobre as características técnicas (tensão máxima, corrente máxima, potência máxima, etc.), esses manuais indicam os substitutos quando não é possível encontrar nas lojas de componentes eletrônicos o original. Atualmente, a Internet é uma fonte de informações de grande importância na área da eletrônica.

Testando um zener

Um diodo zener é basicamente testado como se fosse um diodo normal, na escala de medição de semicondutores: conduz no sentido direto e não conduz no sentido inverso. Se usarmos um multímetro analógico numa escala mais alta de resistência, o resultado pode indicar uma fuga. Isso é normal, porque todo zener possui uma fuga dependente da tensão zener que é devido ao valor da tensão regulada pelo zener. Portanto, quanto menor for o valor da tensão zener (Vz), maior a fuga e quanto maior a tensão Vz, menor a fuga. Se você tiver dúvidas com relação à fuga de um zener, basta você testar outro zener de preferência novo e que apresente o mesmo código. Em seguida, compare os

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Fig. 27

Fig. 26

Cap. 2 Eletrônica Linear - Teoria e Práticaresultados. Os resultados devem ser iguais. Este teste é chamado teste por comparação que pode ser usado para testar qualquer componente em caso de dúvida sobre seu estado.

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03 - diodos semicondutores

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