el.an.ce incompleta
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Apostila de Eletrônica AnalógicaTRANSCRIPT
Eletrônica
Analógica
Conselho Regional do SENAI-CE
Jorge Parente Frota Júnior
Presidente
Ivan Rodrigues Bezerra
Vice-Presidente
Alexandre Pereira Silva
João Fernandes Fontenelle
Francisco de Assis Alves de Almeida
Delegados das Atividades Industriais
Hermano Frank Júnior
José Fernando Castelo Banco Ponte
Marcos Pinheiro de Oliveira Cavalcante
Suplentes dos Delegados das Atividades Industriais
Samuel Brasileiro Filho
Representante do Ministério da Educação e Cultura
Franco de Magalhães Neto
Suplente do Ministério da Educação e Cultura
Alberto Fernandes de Farias Neto
Representante do Ministério do Trabalho
José Nunes Passos
Suplente do Ministério do Trabalho
Departamento Regional do SENAI-CE
Francisco das Chagas Magalhães
Diretor Regional
Cid Fraga
Gerente do Centro de Formação Profissional Waldyr Diogo de Siqueira
Federação das Industrias do estado do Ceará Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial
Departamento Regional do Ceará Centro de Formação Profissional
Waldyr Diogo
Eletrônica
Analógica
Fortaleza – Ceará
2004
© 2004. SENAI. Departamento Regional do Ceará Qualquer parte desta obra poderá ser reproduzida, desde que citada a fonte. SENAI/CE Centro de Formação Profissional Waldyr Diogo de Siqueira – CFP WDS Núcleo de Educação Profissional – NEP Este projeto foi elaborado por colaboradores desta unidade de negócios cujos nomes estão relacionados na folha de créditos.
Ficha Catalográfica S474 SENAI. CE. CFP. WDS. Eletrônica Analógica. Fortaleza, 2004. 321p. il
1 - ELETRÔICA ANALÓGICA I TÍTULO
CDU 621.3
SENAI Departamento Av. Francisco Sá, 7221 Serviço Nacional Regional do Ceará Barra do Ceará de Aprendizagem 60.310-003 – Fortaleza – Ceará Industrial Telefax: (85) 485-7888 e-mail: [email protected]
SUMÁRIO 1 RESISTORES
1.1 Características dos Resistores
1.2 Simbologia
1.3 Tipos de Resistores
1.4 Código de Cores para Resistores
1.5 Interpretação de Código
2 RESISTORES AJUSTÁVEIS
2.1 Simbologia
3 POTENCIÔMETROS
3.1 Funcionamento
3.2 Simbologia
3.3 Tipos de Potenciômetros
3.4 Potenciômetro de Fio
3.5 Potenciômetro de Carbono (Carvão)
3.6 Potenciômetros com Chave
4 CAPACITOR – ARMAZENAMENTO DE CARGAS
4.1 Descarga do Capacitor
4.2 Capacitância
4.3 Tensão de Trabalho
5 TIPOS DE CAPACITORES
5.1 Capacitores Fixos Despolarizados
5.2 Capacitores Ajustáveis
5.3 Capacitores Variáveis
5.4 Capacitores Eletrolíticos
5.5 Tipos de Capacitores Eletrolíticos
5.6 Especificação Técnica dos Capacitores
5.7 Apresentação das Características no Capacitor
5.8 código de Cores para Capacitores
12
12
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15
18
18
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22
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36
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38
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42
42
43
6
6 MATERIAIS SEMICONDUTORES
6.1 Estrutura Química dos Materiais Semicondutores
6.2 Dopagem
6.3 Cristal N
6.4 Cristal P
6.5 Influência da Intensidade de Dopagem no Comportamento dos
Materiais Semicondutores
6.6 Influência da Temperatura na Condutibilidade dos
Materiais Semicondutores
7 O DIODO SEMICONDUTOR
7.1 Simbologia e Aspecto Real
7.2 Formação do Diodo – Junção PN
7.3 Comportamento dos Cristais após a Junção
7.4 Aplicação de Tensão sobre o Diodo
7.5 Características de Condução e Bloqueio do Diodo Semicondutor
7.6 O Diodo Semicondutor Ideal
7.7 O Diodo Semicondutor Real
7.8 A Curva Característica do Diodo Real
7.9 Regime Máximos do Diodo em CC
8 RETIFICAÇÃO DE MEIA ONDA
8.1 Retificação de Meia Onda com Diodo Semicondutor
8.2 Funcionamento
8.3 Retificação de Meia Onda com Tensão de Saída Negativa
8.4 Tensão de Saída
8.5 Corrente de Saída
8.6 Inconvenientes da Retificação de Meia Onda
8.7 Fonte de Alimentação Meia Onda
9 RETIFICAÇÃO DE ONDA COMPLETA COM DIODOS
SEMICONDUTORES
9.1 Retificação de Onda Completa com Derivação Central
45
45
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48
50
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56
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73
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77
80
81
82
83
83
9.2 Funcionamento
9.3 Tensão e Corrente CC de Saída da Retificação com Derivação
Central
9.4 Corrente de Saída
9.5 Relação entre Freqüência de Entrada e Freqüência de Saída
9.6 Retificação de Onda Completa em Ponte
9.7 Funcionamento
9.8 Tensão e Corrente CC de Saída da Retificação em Ponte
9.9 Fonte de Alimentação de Onda Completa
10 O FILTRO NAS FONTES “DE ALIMENTAÇÃO”
10.1 O Capacitor como Elemento de Filtragem
11 A TENSÃO DE ONDULAÇÃO
11.1 Fatores que Influenciam na Ondulação
11.2 Tensão na Saída nos Circuitos Retificadores com Filtro
11.3 Observação da Ondulação com Oscilação
11.4 Determinação do Capacitor de Filtro
11.5 O Capacitor de Filtro Ideal
11.6Tabela de Equação de Circuitos Retificadores
12 DIODO EMISSOR DE LUZ
12.1 Corrente Direta Nominal (IF)
12.2 Tensão Direta Nominal (VF)
12.3 Tensão Inversa Máxima (VR)
12.4 Led Bicolor
12.5 Led Infravermelho
12.6 Teste de Diodo Led
13 DIODO ZENER
13.1 Comportamento do Diodo Zener
13.2 Características do Diodo Zener
84
88
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93
93
94
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103
103
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127
127
128
129
129
131
131
133
14 DIODO ZENER COMO REGULADOR DE TENSÃO
14.1 Funcionamento
14.2 Condução Normal
14.3 Condições de Regulação
14.4 Regulação de Tensão com Tensão de Entrada Variável
14.5 Aumento na Tensão de Entrada
14.6 Redução na Tensão de Entrada
14.7 Conclusão
14.8 Regulação de Tensão com Corrente de Carga Variável
14.9 Aumento na Corrente de Carga
14.10 Diminuição da Corrente de Carga
14.11 Regulação de Tensão com Corrente de Carga e Tensão de
Entrada Variáveis
14.12 Fonte de Alimentação com Tensão de Saída Reguladora a
Diodo Zener
15 TRANSISTOR BIPOLAR ESTRUTURA BÁSICA
15.1 Estrutura Básica
15.2 Tipos de Transistores
15.3 Terminais do Transistor
15.4 Simbologia
15.5 Aspecto Real dos Transistores
16 AS TENSÕES NOS TERMINAIS DO TRANSISTOR
16.1 As Junções do Transistor e a Polaridade das Tensões nos Terminais
16.2 Polarização Simultânea das Duas Junções
17 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO TRANSISTOR BIPOLAR
17.1 A Corrente de Base
17.2 A Corrente de Coletor
17.3 A Corrente de Emissor
17.4 O Controle da Corrente de Base sobre a Corrente de Coletor
17.5 Ganho de Corrente de Transistor
140
141
141
143
143
144
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148
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167
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174
18 O CIRCUITO DE COLETOR
18.1 Relação entre os Parâmetros IC, VCE e IB
18.2 Relação entre os Parâmetros do Transistor
19 DISSIPAÇÃO DE POTÊNCIA NO TRANSISTOR
19.1 A Dissipação nas Junções
19.2 Dissipação Máxima do Transistor
19.3 Fatores que Influenciam na Dissipação Máxima
19.4 Redução da Potência Dissipada em Função do Aumento
de Temperatura Ambiente
19.5 Correntes de Fuga no Transistor
19.6 Movimento dos Portadores Minoritários
19.7 Influência de ICBO na Corrente de Coletor
19.8 Disparo Térmico
19.9 Influência da Temperatura na Corrente de Coletor
19.10 Silício Versus Germânio
20 CONFIGURAÇÃO DE LIGAÇÃO DO TRANSISTOR
20.1 Curvas Características na Configuração de Emissor Comum
20.2 Característica de Saída do Transistor em Emissor Comum
20.3 Aplicação da Característica de Saída em Emissor Comum
20.4 Traçado da Reta de Carga
20.5 Aplicação da Reta de Carga
20.6 Ponto de Operação
20.7 Influência do Ponto Quiescente no Circuito
20.8 A Escolha do Ponto de Operação
20.9 Curva de Dissipação Máxima
20.10 A Reta de Carga e a Curva de Dissipação de Potência máxima
21 POLARIZAÇÃO DA BASE POR CORRENTE CONSTANTE
21.1 Análise do Circuito de Base
21.2 Determinação do Resistor de Base
21.3 Estabilidade Térmica dos Circuitos Transistorizados
176
180
183
184
184
186
186
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200
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212
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227
22 REGIÕES DE OPERAÇÃO DE UM TRANSISTOR
23 POLARIZAÇÃO DE BASE POR DIVISOR DE TENSÃO
23.1 Análise do Circuito de Coletor
23.2 O Circuito de Base
24 REGULAÇÃO DE TENSÃO EM FONTES DE ALIMENTAÇÃO
24.1 Os Circuitos Reguladores
24.2 Princípio de Funcionamento
24.3 Fonte com Regulador de Tensão em Circuito Integrado
24.4 Reguladores de Tensão de Três Terminais
24.5 Estudo do CI 555
24.6 O Flip-flop RS
24.7 Princípio de Funcionamento
24.8 Operação Monoestável
24.9 Operação Estável
24.10 Ciclo de Trabalho de uma Forma de Onda
25 AMPLIFICADOR OPERACIONAL
25.1 Simbologia de um Amplificador Operacional
25.2 Os Terminais de Alimentação do A.O.
25.3 Os Terminais de Entrada do A.O.
25.4 Características de um A.O.
25.5 Impedância de Entrada
25.6 Impedância de Saída
25.7 Ganho de Tensão Diferencial
25.8 Tensão de OFFSET de Saída
25.9 Rejeição de Modo Comum
25.10 Banda de Passagem
25.11 O Amplificador Operacional 741
25.12 Comparação entre Parâmetros
25.13 Ajuste de OFFSET de Saída do 741
230
236
238
240
242
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282
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284
26 CARACTERÍSTICA DE TRANSFERÊNCIA DE UM 741
26.1 Ampliação da Região de Operação Linear de um OP AMP
27 AMPLIFICADOR INVERSOR
27.1 Ganho do Amplificador Inversor
27.2 Impedância de Entrada do Amplificador Inversor
27.3 Amplificador Não-Inversor
27.4 Impedância de Entrada do Amplificador Não-Inversor
27.5 Amplificador Seguidor de Tensão
27.6 Impedância do Seguidor de Tensão
27.7 Circuitos Aritméticos com AO
27.8 Somador com Pesos Diferentes
27.9 Circuito Subtrator
28 SENSORES
28.1 Termistores
28.2 Aplicações dos Termistores
Referências Bibliográficas
285
287
291
291
295
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296
298
299
299
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302
304
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316
320
1 RESISTORES
Os resistores são componentes utilizados nos circuitos com a finalidade de limitar a
corrente elétrica. A figura 1 mostra alguns resistores.
Pelo controle da corrente é possível reduzir ou dividir tensões.
1.1 Características dos Resistores
Os resistores possuem características elétricas importantes:
a) Resistência ôhmica
b) Percentual de Tolerância
a) Resistência Ôhmica
É o valor específico de resistência do componente. Os resistores são fabricados em
valores padronizados, estabelecidos por norma.
Ex: 120Ω, 560Ω, 1500Ω.
b) Percentual de Tolerância
Os resistores estão sujeitos a diferenças no seu valor que decorrem do processo de
fabricação. Estas diferenças se situam em 5 faixas de percentual:
12
Fig. 1
± 20% de tolerância
± 10% de tolerância
± 5% de tolerância
± 2% de tolerância
± 1% de tolerância
Os resistores com 20%, 10% e 5% de tolerância são considerados resistores
comuns e os de 2% e 1% são resistores de precisão. Os resistores de precisão são
usados apenas em circuitos onde os valores de resistência são críticos.
O percentual de tolerância indica qual a variação de valor que o componente pode
apresentar em relação ao valor padronizado. A diferença no valor pode ser para
mais (+20%) ou para menos (-20%) do valor correto.
A tabela 1 apresenta alguns valores de resistor com o percentual de tolerância e os
limites entre os quais deve se situar o valor real do componente.
Resistor % Tolerância Valor do componente
1000Ω
10%
-10% 1000 x 0,9 = 900 +10% 1000 x 1,1 = 1100 O valor real estará entre 900Ω e 1100·
560Ω
5%
- 5% 560 x 0,95 = 532 + 5% 560 x 1,05 = 588 Entre 532Ω e 588Ω
120Ω
1%
- 1% 120 x 0,99 = 118,8 + 1% 120 x 1,01 = 121,2 Entre 118,8Ω e 121,2Ω
330Ω
10%
Entre 297Ω e 363Ω
18KΩ
20%
Entre 14,4KΩ e 21,6KΩ
13
A tabela 2 apresenta a padronização de valores para fabricação de resistores em
tolerância de 5%.
Tabela 2 – Série de Valores E-24
10 11 12 13 15 16 18 20
22 24 27 30 33 36 39 43
47 51 56 62 68 75 82 91
Encontram-se ainda resistores com os valores da tabela 2 multiplicados por 0,1; 10;
100; 1000; 10000; 100000. Exemplos: 1,1Ω; 180Ω; 2700Ω; 36KΩ; 56KΩ; 9,1MΩ.
Pela tabela observa-se que os valores padronizados acrescidos das tolerâncias
permitem que se obtenha qualquer valor de resistência desejada.
Tomando 3 valores consecutivos da tabela, têm-se:
100Ω - 10% = 90
+10% = 110
120Ω - 10% = 108
+10% = 132
150Ω - 10% = 135
+10% = 165
1.2 Simbologia
A figura 2 mostra os símbolos utilizados para representação dos resistores indicando
o símbolo oficial que deve ser utilizado no Brasil, segundo a norma ABNT.
14
Fig. 2
As características específicas dos resistores em um diagrama aparecem ao lado do
símbolo ou no seu interior (fig. 3 e 4).
1.3 Tipos de Resistores
Existem três tipos de resistores quanto à constituição:
a – resistores de filme de carbono
b – resistores de carvão
c – resistores de fio
Cada um dos tipos tem, de acordo com sua constituição, características que o
tornam mais adequado que os outros tipos em sua classe de aplicação.
A seguir, são apresentados os processos básicos de fabricação e aplicação do
componente.
a) Resistor de filme de carbono (Baixa Potência)
O resistor de filme de carbono, também conhecido
como resistor de película, é constituído por um
corpo cilíndrico de cerâmica que serve de base
para a fabricação do componente (fig. 5).
Fig.3 Fig. 4
Fig. 5
15
Os terminais (lides de conexão) são colocados nas extremidades do corpo em
contato com a camada de carbono.
Os terminais possibilitam a ligação do elemento ao circuito (fig. 7).
O corpo do resistor pronto recebe um revestimento que dá acabamento na
fabricação e isola o filme de carbono da ação da umidade.
As características fundamentais do resistor de filme de carbono são a precisão e a
estabilidade do valor resistivo.
b) Resistores de carvão (Média potência)
O resistor de carvão é constituído por um corpo cilíndrico de porcelana.
No interior da porcelana são comprimidas partículas de carvão que definem a
resistência do componente (fig. 9).
16
Sobre o corpo é depositada uma fina
camada em espiral, de material resistivo
(filme de carbono) que determina o valor
ôhmico do resistor (fig, 6).
A figura 8 apresenta um resistor pronto, em
corte, aparecendo a conexão dos terminais e
o filme resistivo.
Fig. 6
Fig. 7
Fig. 8
Com maior concentração de partículas de carvão o valor resistivo do componente é
reduzido.
Apresentam tamanhos físicos reduzidos. Os valores de dissipação e resistência não
são precisos. Podem ser usados em qualquer tipo de circuito.
c) Resistores de fio (Média – Alta potência)
Constitui-se de um corpo de porcelana ou cerâmica que serve como base.
Sobre o corpo é enrolado um fio especial (por exemplo: níquel-cromo) cujo
comprimento e seção determinam o valor do resistor.
Os resistores de fio têm capacidade para trabalhar com maior valores de corrente.
Este tipo de resistor produz, normalmente uma grande quantidade de calor quando
em funcionamento.
Para facilitar o resfriamento nos resistores que produzem grandes quantidades de
calor, o corpo de porcelana maciço é substituído por um tubo de porcelana (fig. 11 e
12).
17
A figura 10 apresenta um resistor de
fio em corte. Nela aparecem os
terminais, o fio enrolado e a camada
externa de proteção do resistor.
Fig. 9
Partículas de carvão
Fig. 10
1.4 Código de Cores para Resistores
O valor ôhmico dos resistores e sua tolerância podem ser impressos no corpo do
componente, através de anéis coloridos (fig. 13).
A cor de cada anel e sua posição com relação aos demais anéis, corretamente
interpretada fornece dados sobre o valor do componente.
A disposição das cores em forma de anéis possibilita que o valor do componente
possa ser lido de qualquer posição.
1.5 Interpretação de Código
O código se compõe de três cores usadas para representar o valor ôhmico, e uma
para representar o percentual de tolerância.
18
Fig. 11 Fig. 12
Resistores que dissipam grande quantidade de calor são
constituídos sobre um tubo oco de porcelana para facilitar o
resfriamento.
Fig. 13
Para a interpretação correta dos valores de resistência e tolerância do resistor, os
anéis tem que ser lidos em uma seqüência correta.
O primeiro anel colorido a ser lido é aquele que está mais próximo da extremidade
do componente. Seguem na ordem: 2º, 3º e 4º anéis coloridos (fig. 14).
Os três primeiros anéis coloridos (1º, 2º e 3º) representam o valor do resistor. O 4º
anel representa o percentual de tolerância (fig. 15).
A tabela a seguir apresenta o código de cores completo:
Cor Dígitos Significativos Multiplicador Tolerância Preto Marrom Vermelho Laranja Amarelo Verde Azul Violeta Cinza Branco Ouro Prata Sem cor
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 - - -
1 x 10 x
100 x 1000 x
10000 x 100000 x
1000000 x - - -
0,1 x 0,01 x
-
± 1% ± 2%
± 0,5% ± 0,25% ± 0,1%
± 5% ± 10% ± 20%
19
Fig. 14
Indicam o valor da resistência do resistor em OHMS (Ω) (Mais afastado) indica a tolerância
Fig. 15
2 RESISTORES AJUSTÁVEIS
São resistores cujo valor de resistência pode ser ajustado, dentro de uma faixa pré-
definida.
A figura 1 mostra alguns resistores ajustáveis.
Estes tipos de resistores são utilizados em circuitos que exijam calibração.
Existem dois tipos de resistores ajustáveis:
- Resistor ajustável de fio (fig. 2)
- Trimpot (fig. 3)
2.1 Simbologia
Os resistores ajustáveis são representados pelos símbolos apresentados na figura
22. O símbolo normalizado está indicado (ABNT).
20
Fig. 1
Fig. 2 Fig. 3
Nos esquemas, o valor ôhmico que aparece ao lado do símbolo dos resistores
ajustáveis corresponde à resistência entre os terminais extremos (valor máximo).
21
Fig. 22 ABNT
3 POTENCIÔMETROS
São resistores com derivação que permite a variação do valor resistivo pelo
movimento de um eixo (fig.23).
São usados nos equipamentos para permitir a mudança do regime de operação.
Exemplos:
3.1 Funcionamento
Entre os dois terminais extremos o potenciômetro é um resistor comum. Sobre este
resistor desliza um 3º terminal chamado de cursor que permite utilizar apenas uma
parte da resistência total do componente (de um extremo até o cursor).
3.2 Simbologia
A figura 25 mostra os símbolos utilizados para representar os potenciômetro,
salientando o símbolo normalizado pela ABNT.
22
A figura 24 mostra um potenciômetro, indicando o
movimento do eixo para variação da resistência.
Fig. 23
Potenciômetro de volume – permite o aumento ou
diminuição do nível de intensidade do som.
Potenciômetro de brilho – permite o controle da
luminosidade das imagens.
A diferença entre os símbolos dos resistores ajustáveis e potenciômetros aparece na
ponta da diagonal.
Os componentes cujo valor está sujeito à modificação constante (potenciômetros
usados no controle de volume, por exemplo) são denominados de “variáveis”. Nos
seus símbolos aparece uma seta na ponta da diagonal.
Os componentes, cujo valor é ajustado na calibração e não sofre mais alteração, são
chamados de ajustáveis. O resistor ajustável é um exemplo característico deste tipo
de componentes.
3.3 Tipos de Potenciômetros
Existem dois tipos de potenciômetros:
3.4 Potenciômetro de Fio
23
- De fio
- De carbono Linear
Logarítmico
Sobre uma tira de fibra isolante em forma de anel são enroladas várias espiras de fio
especial (com resistividade elevada). Fixam-se terminais nas extremidades da fibra e
as pontas do fio, formando um resistor (fig. 26).
Fig. 25
Sobre o topo da fibra corre o contato móvel do cursor, que é ligado mecanicamente
ao eixo do componente. O cursor é ligado ao terminal do potenciômetro (fig. 27).
Os potenciômetros de fio para circuito são encontrados em valores de até 22KΩ de
resistência em potências de dissipação de até 4W.
Nos potenciômetros de fio a resistência entre o cursor e os extremos varia
uniformemente com o movimento do eixo.
24
Se o eixo foi movimentado até a metade
do curso total, a resistência entre o cursor
e os extremos é a metade da resistência
total (fig. 28).
Eixo rotativo
Terminal ligado ao contato móvel
Terminais externos
Espiras de fio
Contato deslizante
Fig. 27
Fig. 28
Fibra isolante Espira de fio
Se o cursor foi movimentado 1/4 do curso total em relação a um extremo, a
resistência entre este extremo e o cursor é 1/4 da resistência total.
Entre o outro extremo e o cursor haverá 3/4 da resistência (fig. 29).
Componentes com esta característica são chamados de LINEARES. Portanto os
potenciômetros de fio são sempre lineares.
3.5 Potenciômetro de Carbono (Carvão)
São semelhantes aos potenciômetros de fio na sua construção. Diferem apenas em
um aspecto:
Nos potenciômetros de carvão as espiras de fio especial (do potenciômetro de fio)
são substituídas por uma camada de carbono que é depositada sobre uma pista de
material isolante (fig.30).
25
POTENCIÔMETROS LINEARES Variação da resistência proporcional ao
movimento do eixo.
Fig. 29
Cobertura
Terminais externos
Fig. 30
Terminal ligado ao contato móvel
Eixo Rotativo
Elemento resistivo (carvão) Contato deslizante
Os potenciômetros de carbono podem ser lineares ou logarítmicos.
Os potenciômetros de carvão lineares são semelhantes aos de fio.
A variação da resistência entre um extremo e o cursor é proporcional ao movimento
do eixo:
Posição do cursor
Resistência entre um extremo e o cursor
Metade do curso total
Metade da resistência total
1/3 do curso total
1/3 da resistência total
3/4 do curso total
3/4 da resistência total
A variação da resistência dos potenciômetros lineares em relação à posição do
cursor se apresenta conforme o gráfico da figura 31.
Os potenciômetros de carvão logarítmicos se comportam de forma diferente, com
respeito à relação entre a posição do cursor e a resistência.
26
Ângulo de rotação do
eixo
Resistência entre o cursor e o extremo de referência
Fig. 31
Quando se inicia o movimento do cursor, a resistência sofre uma pequena variação.
À medida que o cursor vai sendo movimentado, a variação na resistência torna-se
cada vez maior.
A variação da resistência entre um extremo e o cursor é desproporcional ao
movimento do eixo:
Posição do cursor
Resistência entre um extremo e cursor
1/4 do curso total
_1__ da resistência total
20
1/2 do curso total
_1_ da resistência total
5
3/4 do curso total
_1_ da resistência total
2,5
O gráfico da figura 32 mostra como a resistência varia com relação à posição do eixo
nos potenciômetros logarítmicos.
27
Metade do curso total
Fig. 32
Ângulo de rotação do
eixo
Resistência entre o cursor e o extremo de
Pequena variação resistiva
3.6 Potenciômetros com Chave
Em algumas ocasiões utiliza-se o potenciômetro para controle de volumes e ligação
do aparelho. Para cumprir esta finalidade são fabricados potenciômetros
logarítmicos com uma chave presa ao eixo.
28
A figura 33 apresenta um potenciômetro
logarítmico com chave.
4 CAPACITOR – ARMAZENAMENTO DE CARGAS
O capacitor é um componente capaz de armazenar cargas elétricas, sendo
largamente empregado nos circuitos eletrônicos.
O material condutor que compõe as armaduras de um capacitor é eletricamente
neutro no seu estado natural.
29
Um capacitor se compõe basicamente de
duas placas de material condutor,
denominadas de armaduras, isoladas
eletricamente entre si por um material
isolante chamado dielétrico (fig.1).
Em cada uma das armaduras o número total de
prótons e elétrons é igual, portanto as placas não
têm potencial elétrico (fig. 2).
Não existindo potencial elétrico em cada
uma das armaduras, não há diferença de
potencial ou tensão entre elas (fig. 3).
Armaduras
dielétrico Fig. 1
Potenciais elétricos nulos
Fig. 3
OBSERVAÇÃO:
O fenômeno de armazenamento de cargas pelo capacitor pode ser compreendido
mais facilmente analisando o movimento de elétrons no circuito.
Por esta razão será utilizado o sentido eletrônico da corrente elétrica no
desenvolvimento do assunto.
Conectando-se os terminais do capacitor a uma fonte de CC, o capacitor fica sujeito
à diferença de potencial dos pólos da fonte.
O potencial da bateria aplicado a cada uma das armaduras faz surgir entre elas uma
força chamada de CAMPO ELÉTRICO, que nada mais é do que uma força de
atração (cargas de sinal diferente) ou repulsão (cargas de mesmo sinal) entre cargas
elétricas.
30
O pólo positivo da fonte absorve elétrons da
armadura a qual está conectado enquanto o
pólo negativo fornece elétrons à outra
armadura (fig. 4).
A armadura que fornece elétrons à fonte fica
com íons positivos, adquirindo um potencial
positivo, e a armadura que recebe elétrons
da fonte fica com íons negativos, adquirindo
potencial negativo (fig. 5).
Fig. 4
Fig. 5
Isto significa que ao conectar o capacitor a uma fonte de CC surge uma diferença de
potencial entre as suas armaduras.
A tensão presente nas armaduras do capacitor terá um valor tão próximo ao da
tensão da fonte que, para efeitos práticos, pode-se considerar iguais (fig. 6).
Quando o capacitor assume a mesma tensão da fonte de alimentação diz-se que o
capacitor está “carregado”.
31
Um capacitor conectado diretamente a uma fonte de alimentação
apresenta entre suas armaduras uma tensão que pode ser considerada
igual a da fonte.
Se, após ter sido carregado, o capacitor for desconectado da fonte de CC suas
armaduras permanecem com os potenciais adquiridos (fig. 7).
Fig. 6
Fig. 7
Isto significa dizer que, mesmo após ter sido desconectado da fonte de CC, ainda
existe tensão presente entre as placas do capacitor.
Resumindo, pode-se dizer que: quando um capacitor é conectado a uma fonte de
CC, ainda absorve energia desta fonte, armazenando cargas elétricas (íons positivos
e negativos) nas suas armaduras.
Esta capacidade de absorver e manter a energia em suas armaduras na forma de
cargas elétricas é que define o capacitor como sendo um armazenador de cargas
elétricas.
A energia armazenada no capacitor na forma de desequilíbrio elétrico entre suas
armaduras pode ser reaproveitada.
4.1 Descarga do Capacitor
Tomando-se um capacitor carregado e conectando seus terminais a uma carga
haverá uma circulação de corrente, pois o capacitor atua como fonte de tensão (fig.
8).
Isto se deve ao fato de que através do circuito fechado inicia-se o restabelecimento
do equilíbrio elétrico entre as armaduras.
Os elétrons em excesso em uma das armaduras se movimentam para a outra onde
há falta de elétrons, até que se restabeleça o equilíbrio de potencial entre elas (fig.
9).
32
resistor
Fig. 8
Durante o tempo em que o capacitor se descarrega, a tensão entre suas armaduras
diminui, porque o número de íons restantes em cada armadura é cada vez menor.
Ao fim de algum tempo a tensão entre as armaduras é tão pequena que pode ser
considerada zero.
4.2 Capacitância
A capacidade de armazenamento de cargas de um capacitor depende de alguns
fatores:
33
Capacitor carregado
Capacitor em descarga
Capacitor descarregado
Fig. 9
Quando um capacitor está em descarga, a tensão, entre suas
armaduras diminui até praticamente zero.
- da área das armaduras:
Quanto maior a área das armaduras, maior a capacidade de armazenamento de um
capacitor.
- da espessura do dielétrico:
Quanto mais fino o dielétrico, mais próximo estão às armaduras. O campo elétrico
formado entre as armaduras é maior e a capacidade de armazenamento também.
- da natureza do dielétrico:
Quanto maior a capacidade de isolação do dielétrico, maior a capacidade de
armazenamento do capacitor.
A capacidade de um capacitor de armazenar cargas é denominada de capacitância.
A unidade de medida de capacidade é o FARAD representado pela letra “F”
entretanto, a unidade FARAD é extremamente grande, o que leva ao uso de
submúltiplos dessa unidade.
4.3 Tensão de Trabalho
Além da capacitância os capacitores têm ainda outra característica elétrica
importante: a tensão de trabalho.
A tensão de trabalho é a máxima que o capacitor pode suportar entre as suas
armaduras. A aplicação de uma tensão no capacitor superior a sua tensão de
trabalho máxima, pode provocar o rompimento do dielétrico fazendo com que o
capacitor entre em curto, perdendo as suas características.
34
MAIOR
CAPACITÂNCIA MAIOR CAPACIDADE DE
ARMAZENAMENTO DE CARGAS
Na maioria dos capacitores o rompimento do dielétrico danifica permanentemente o
componente.
35
Deve-se tomar o cuidado de utilizar sempre capacitores com
tensão de trabalho superior ao valor que o componente irá
trabalhar realmente.
5 TIPOS DE CAPACITORES
Atualmente encontra-se no mercado um grande número de tipos de capacitores,
empregando os mais diversos materiais.
Estes capacitores podem ser resumidos em quatro tipos básicos:
- Capacitores fixos despolarizados;
- Capacitores ajustáveis;
- Capacitores variáveis;
- Capacitores eletrolíticos.
A figura 11 mostra alguns capacitores na sua forma real.
5.1 Capacitores fixos despolarizados
Existem diversos tipos de capacitores fixos. Entre eles citam-se, por exemplo:
- Capacitor de stiroflex (fig.13);
- Capacitor de cerâmica (fig.14);
- Capacitor de poliéster (fig.15).
36
Apresentam um valor de capacitância específico, que não pode
ser alterado. A figura 12 mostra o símbolo usado para
representar os capacitores fixos despolarizados.
Fig. 11
Fig. 12
Estes capacitores se caracterizam por serem despolarizados, ou seja, qualquer uma
das suas armaduras pode ser ligada tanto a potenciais positivos como negativos.
Alguns capacitores fixos podem apresentar-se em versão com os dois terminais nas
extremidades (axial) ou com dois terminais no mesmo lado do corpo (radial) (fig. 16
e 17).
De acordo com a necessidade de montagem pode-se utilizar um ou outro tipo.
5.2 Capacitores Ajustáveis
São utilizados nos pontos de calibração dos circuitos (fig. 18 e 19).
37
Capacitores despolarizados não tem polaridade
especificada para ligação.
Fig. 13 Fig. 14 Fig. 15
Fig. 17 Fig. 16
Fig. 18 Fig. 19
Apresentam valor de capacitância ajustável dentro de certos limites, por exemplo,
10pF a 30pF.
5.3 Capacitores Variáveis
São utilizados em locais onde a capacitância é constantemente modificada. As
figuras 20 e 21 mostram um capacitor variável e o seu símbolo.
5.4 Capacitores Eletrolíticos
Os capacitores eletrolíticos são capacitores fixos cujo processo de fabricação
permite a obtenção de altos valores de capacitância com pequeno volume.
A figura 24 permite uma comparação entre as dimensões de um capacitor eletrolítico
e um não eletrolítico de mesmo valor.
O fator que diferencia os capacitores eletrolíticos dos demais capacitores fixos é o
dielétrico.
Nos capacitores fixos comuns o dielétrico é de papel, mica ou cerâmica. O dielétrico
dos capacitores eletrolíticos é um preparado químico chamado de eletrólito que
oxida pela aplicação de tensão elétrica, isolando uma armadura da outra.
38
Fig. 20 Fig. 21
Não eletrolítico Eletrolítico Fig. 24
A utilização do eletrólito permite a redução da distância entre as armaduras a valores
mínimos, o que possibilita a obtenção de maiores valores de capacitância (desde
1µF até os valores maiores que 20000µF).
O capacitor é selado em um invólucro de alumínio que isola as armaduras e o
eletrólito da ação da umidade.
• DESVANTAGENS DO CAPACITOR ELETROLÍTICO
Os capacitores apresentam algumas desvantagens que são decorrentes do seu
processo de fabricação:
,
a) Polaridade: A utilização do dielétrico químico (eletrólito) nos capacitores
eletrolíticos apresenta algumas desvantagens. A formação da camada de óxido
entre as placas depende da aplicação de tensão nas armaduras, com polaridade
correta.
A ligação de polaridades incorretas sobre as armaduras do capacitor provoca a
destruição do eletrólito, permitindo a circulação de corrente entre as armaduras.
O capacitor sofre um processo de aquecimento que faz o eletrólito ferver, podendo
inclusive provocar uma explosão do componente devido à formação de gases no
seu interior.
39
a) Polaridade;
b) Alteração de capacitância;
c) Tolerância.
Os capacitores eletrolíticos polarizados são utilizados apenas em
circuitos alimentados por corrente contínua. Nos circuitos de corrente
alternada a troca de polaridade da tensão danifica o componente.
No componente a polaridade é expressa de duas formas:
b) Alteração da capacitância: O capacitor eletrolítico sofre alteração de capacitância
quando não está sendo utilizado. Esta alteração se deve ao fato de que a formação
da camada de óxido entre as armaduras depende da aplicação de tensão no
capacitor.
Quando o capacitor eletrolítico permanece durante um período sem utilização, o
dielétrico sofre um processo de degeneração que afeta sensivelmente a sua
capacitância.
40
O símbolo dos capacitores eletrolíticos expressa a polaridade das
armaduras (fig.25).
- por um chanfro na carcaça, que indica o
terminal positivo (fig. 26).
- por sinais de + impressos no corpo (fig. 27)
Capacitores eletrolíticos que não estão em uso têm sua
capacitância alterada.
Fig. 25
Terminal positivo Fig. 26
Fig. 27
Por esta razão, sempre que for necessário utilizar um capacitor que estava estocado
durante algum tempo, deve-se conectá-lo a uma fonte de tensão contínua durante
alguns minutos para permitir a reconstituição do dielétrico antes de aplicá-lo no
circuito.
c) Tolerância: Os capacitores eletrolíticos estão sujeitos a uma tolerância elevada no
valor real, com relação ao valor nominal. Esta tolerância pode atingir valores de 20 a
30% e até mesmo 50% em casos extremos.
5.5 Tipos de Capacitores Eletrolíticos
Existem dois tipos de capacitores eletrolíticos, que estão relacionados com o tipo de
dielétrico empregado:
As figuras 28 e 29 mostram um capacitor eletrolítico de óxido de alumínio e outro de
tântalo.
Os capacitores eletrolíticos de óxido de tântalo apresentam uma vantagem sobre os
eletrolíticos de alumínio:
41
Os capacitores eletrolíticos têm grande tolerância no seu
valor de capacitância.
- Capacitor eletrolítico de óxido de alumínio
- Capacitor eletrolítico de óxido de tântalo
Fig. 28 Fig. 29
- A capacitância dos capacitores de óxido de tântalo sofre menor variação com o
passar do tempo.
5.6 Especificação Técnica dos Capacitores
Os capacitores são especificados tecnicamente por:
Exemplos: Capacitor de poliéster, 0,46µF 600V
Capacitor eletrolítico 2200µF 63V
5.7 Apresentação das Características nos Capacitores
A capacitância e a tensão de trabalho dos capacitores é expressa no corpo do
componente de duas formas:
A figura 33 apresenta alguns capacitores com os valores de capacitância e a tensão
de trabalho expresso diretamente em algarismos.
Os valores são apresentados normalmente em microfarads (µF) ou picofarads (pF).
42
- Tipo;
- Capacitância;
- Tensão de trabalho
- Diretamente em algarismos;
- Através de um código de cores.
Fig. 33
Observação: Quando os capacitores são menores que 1µF (Exemplos: 0,1µF;
0,0047µF; 0,012µF) o zero que precede a vírgula não é impresso no corpo do
componente. Aparece diretamente um ponto, que representa a vírgula.
Exemplos:
5.8 Códigos de Cores para Capacitores
A figura 34 mostra o código de cores para capacitores e a ordem de interpretação
dos algarismos.
43
Valor do capacitor
0,1µF
0,047µF
0,012µF
0,68µF
Valor impresso no corpo
.1µF
.47µF
.012µF
.68µF
Fig. 34
Observação: o valor de capacitância expresso pelo código de cores é dado em
picofarads (pF).
Exemplos:
44
Amarelo – Violeta – Laranja – Branco – Azul
47000 pF ± 10% 630V 47pF
Laranja – Branco – Amarelo – Branco – Vermelho
390000 pF ± 10% 250V 0,39µF
6 MATERIAIS SEMICONDUTORES
São materiais que podem apresentar características de isolante ou de condutor,
dependendo da forma como se apresenta a sua estrutura química.
Um exemplo típico de material semicondutor é o carbono. Dependendo da forma
como os átomos do carbono se interligam, o material formado pode se tornar
condutor ou isolante.
Duas formas bastante conhecidas de matéria formada por átomos de carbono são:
• Diamante
Material de grande dureza que se forma pelo arranjo de átomos de carbono em
forma de estrutura cristalina. É eletricamente isolante.
• Grafite
Material que se forma pelo arranjo de átomos de carbono em forma triangular. É
condutor de eletricidade.
6.1 Estrutura Química dos Materiais Semicondutores
Os materiais semicondutores se caracterizam por serem constituídos de átomos que
tem 4 elétrons na camada de valência (TETRAVALENTES).
A figura 1 apresenta a configuração de dois átomos que dão origem a materiais
semicondutores.
45
- O diamante
- O grafite
Os átomos que têm quatro elétrons na última camada têm tendência a se agruparem
segundo uma formação cristalina.
Neste tipo de ligação cada átomo se combina com quatro outros, fazendo com que
cada elétron pertença simultaneamente a dois átomos (fig. 2 e 3).
46
Este tipo de ligação química é denominado de
ligação covalente, e é representada
simbolicamente por dois traços que interligam
os dois núcleos (fig. 4).
Fig. 1
Silício 14 Prótons 14 Elétrons 4 elétrons na
última camada
Germânio 32 Prótons 32 Elétrons
Ligação covalente Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
As ligações covalentes se caracterizam por manter os elétrons fortemente ligados
aos dois núcleos associados.
Por esta razão as estruturas cristalinas puras, compostas unicamente por ligações
covalentes, adquirem características de isolação elétrica.
O silício e o germânio puros são materiais semicondutores com característica
isolante quando agrupados em forma de cristal.
47
Quando um átomo tetravalente se associa por
ligações covalentes a quatro outros, a ligação é
representada conforme mostra a figura 5.
As estruturas cristalinas puras de elementos tetravalentes são
eletricamente isolantes.
A figura 6 mostra a configuração cristalina
do silício de forma planificada.
Observa-se que cada átomo realiza quatro ligações
covalentes com os átomos vizinhos. O aspecto real de
ligação dos átomos de uma estrutura cristalina de
germânio ou silício está apresentado na figura 7.
Fig. 5
Fig. 6
Fig. 7
6.2 Dopagem
A dopagem é um processo químico que tem por finalidade introduzir átomos
estranhos a uma substância na sua estrutura cristalina.
A própria natureza executa um processo de dopagem propiciando a existência de
“impurezas” na estrutura química dos cristais que se instalam durante a sua
formação.
A dopagem pode também ser realizada em laboratórios, com um objetivo mais
específico:
- Colocar no interior da estrutura de um cristal uma quantidade correta de uma
determinada impureza, para que o cristal se comporte conforme as condições
necessárias em termos elétricos.
Nos cristais semicondutores (germânio e silício, principalmente) a dopagem é
realizada para atribuir ao material certa condutibilidade elétrica.
A forma como o cristal irá conduzir a corrente elétrica e a sua condutibilidade
dependem do tipo de impurezas utilizado e da quantidade de impureza aplicada.
6.3 Cristal N
Quando o processo de dopagem introduz na estrutura cristalina uma quantidade de
átomos com mais de quatro elétrons na última camada, forma-se uma nova estrutura
cristalina denominada de cristal N.
48
Tomando-se como exemplo a introdução de átomos de
fósforo que possuem cinco elétrons na última camada
de cristal (fig. 8).
Fig. 8
O quinto elétron do fósforo não forma ligação covalente porque não encontra elétron
na estrutura que possibilite esta formação.
Este elétron isolado tem a característica de se libertar facilmente do átomo,
passando a vagar livremente da estrutura do cristal, constituindo-se um portador livre
de carga elétrica.
Cada átomo de impureza fornece um elétron livre dentro da estrutura do cristal
semicondutor (fig. 10).
Com a adição de uma determinada quantidade de impurezas o cristal, que era puro
e isolante, passa a ser condutor de corrente elétrica, através dos portadores livres
(elétrons), que podem circular na banda de condução.
É importante observar que, embora o material tenha sido dopado, seu número total
de elétrons e prótons é igual, de forma que o material continua eletricamente neutro.
49
Dos cinco elétrons externos do fósforo
apenas quatro encontram um par no
cristal que possibilite a formação
covalente (fig. 9).
Elétron livre
Fig. 9
Fig. 10
O cristal semicondutor dopado com impurezas de maior número de elétrons (como o
fósforo) é denominado de cristal N porque a corrente elétrica é conduzida no seu
interior por cargas negativas (fig. 11 e 12).
Observa-se que o cristal N conduz a corrente elétrica, independentemente da
polaridade da bateria.
6.4 Cristal P
A utilização de átomos com menos de quatro elétrons na última camada para o
processo de dopagem dá origem a um tipo de estrutura chamada de cristal P.
Quando os átomos de índios são colocados na estrutura do cristal puro verifica-se a
falta de um elétron para que os elementos tetravalentes se combinem de forma
covalente (fig.14).
50
O átomo de índio, por exemplo, que tem três elétrons na
última camada, dá origem a um cristal P quando é utilizado na
dopagem (fig. 13)
Corrente de elétrons
Cristal N Cristal N
Fig. 11 Fig. 12
Fig. 13
Esta ausência no interior do cristal é denominada de lacuna, sendo representada por
uma carga elétrica positiva na estrutura química (fig. 15).
A lacuna não é propriamente uma carga positiva, mas sim, a ausência de uma carga
negativa.
Os cristais dopados com átomos de menos de quatro elétrons na camada externa
são denominados de cristais P porque a condução de corrente elétrica no seu
interior se dá pela movimentação das lacunas.
O movimento de lacunas no cristal P pode ser facilmente observado, quando se
analisa a condução de corrente passo a passo.
51
Fig. 14
Lacuna
Falta 1 elétron
Fig. 15
Quando se aplica uma diferença de potencial aos extremos de um cristal P, uma
lacuna é ocupada por um elétron que se movimenta deixando uma lacuna em seu
lugar (fig. 16 e 17).
Esta lacuna é preenchida pelo elétron seguinte, que torna a criar outra lacuna atrás
de si (fig. 18).
Assim, a lacuna será preenchida por outro elétron gerando nova lacuna, até que
esta lacuna seja preenchida por um elétron proveniente da fonte (fig. 19 e 20).
As lacunas se movimentam na banda de valência dos átomos e os elétrons que as
preenchem, na banda de condução.
A condução de corrente por lacunas no cristal P independe da polaridade da fonte
de tensão (fig. 21 e 22).
52
Fig. 16 Fig. 17
Fig. 18
Movimento da lacuna
Movimento dos elétrons
Fig. 19 Fig. 20
Corrente de lacunas Corrente de lacunas
Fig. 21 Fig. 22
Conclui-se que os cristais P e N, isoladamente, conduzem a corrente elétrica
qualquer que seja a polaridade de tensão aplicada aos seus extremos.
Os cristais P e N são a matéria prima para a fabricação dos componentes
eletrônicos modernos tais como: diodos, transistores, circuitos integrados.
6.5 Influência da Intensidade de Dopagem no Comportamento dos Materiais
Semicondutores
A condução de corrente elétrica nos materiais semicondutores depende dos
portadores livres de carga na estrutura química.
Os cristais dopados mais intensamente se caracterizam por apresentarem maior
condutibilidade, porque sua estrutura apresenta um maior número de portadores
livres (fig. 23 e 24).
Controlando a quantidade de impurezas introduzidas na estrutura cristalina, a faixa
proibida, localizada entre as faixas de valência e condução, pode ser reduzida a uma
largura desejada (fig. 25, 26 e 27).
53
Material N
Dopagem fraca
Material N
Dopagem forte
Fig. 23 Fig. 24
Fig. 25
Material isolante
Largura da faixa proibida
Observando-se a quantidade de energia necessária para tornar os materiais
condutores, nos gráficos acima, verifica-se que o aumento da dopagem o material é
levado à condução mais facilmente.
6.6 Influência da Temperatura na Condutibilidade dos Materiais
Semicondutores
A temperatura exerce influência direta sobre o comportamento dos materiais
semicondutores no que diz respeito à condutibilidade elétrica.
Quando a temperatura de um material semicondutor aumenta, a energia térmica
adicional faz com que algumas ligações covalentes da estrutura se desfaçam.
Cada ligação covalente que se desfaz pelo acréscimo de temperatura propicia a
existência de dois portadores livres de energia a mais na estrutura do cristal (fig. 28
e 29).
54
Material semicondutor Fracamente dopado
Largura da faixa proibida
Fig. 26
Largura da faixa proibida
Material semicondutor Fortemente dopado
Fig. 27
A existência de um maior número de portadores aumenta a condutibilidade do
material, permitindo a circulação de correntes maiores no cristal (fig. 30).
55
Aquecimento
Fig. 30
Ligação covalente desfeita pela energia térmica
Fig. 29
Aquecimento
7 DIODO SEMICONDUTOR
O diodo semicondutor é um componente que apresenta a característica de se
comportar como condutor ou isolante dependendo da forma como a tensão é
aplicada aos seus terminais.
7.1 Simbologia e Aspectos Real
O diodo semicondutor é representado nos esquemas pelo símbolo apresentado na
figura 32.
O terminal da seta representa o material P, denominado de ANODO do diodo,
enquanto o terminal da barra representa o material N, denominado de CATODO do
diodo (fig. 33).
A identificação dos terminais (anodo e catodo) no componente real pode aparecer
de duas formas:
- Símbolo impresso sobre o corpo do componente (fig. 34)
56
Uma das aplicações do diodo é na
transformação de corrente alternada em
corrente contínua utilizada, por exemplo, nos
“eliminadores de pilhas” (fig. 31).
Fig. 31
ANODO
Seta
CATODO
Barra
ANODO
CATODO
Fig. 34
Fig. 32
Fig. 33
Observa-se que o comportamento de qualquer componente eletrônico fabricado com
materiais semicondutores depende diretamente da sua temperatura de trabalho.
Esta dependência é denominada de “DEPENDÊNCIA TÉRMICA”, constituindo-se
em fator importante que deve ser considerado quando se projeta ou monta circuitos
com estes componentes.
A figura 36 apresenta alguns tipos construtivos de diodos, utilizados em circuitos
eletrônicos.
7.2 Formação do Diodo – Junção PN
O diodo se constitui na junção de duas pastilhas de material semicondutor: uma de
material N e uma de material P (fig. 37).
7.3 Comportamento dos cristais após a junção
Após a junção das pastilhas que formam o diodo ocorre um processo de
“acomodamento” químico entre os cristais.
57
- Uma barra impressa sobre o corpo do
componente, que indica o catodo (fig. 35).
CATODO
ANODO
Fig. 35
Fig. 36
Zona de fusão
CALOR JUNÇÃO PN
Fig. 37
Como conseqüência da passagem de cargas de um cristal para outro se cria um
desequilíbrio elétrico na região da junção.
58
Na região da junção alguns elétrons livres
saem do material N e passam para o
material P, recombinando-se com as
lacunas das proximidades (fig. 38).
O mesmo ocorre com algumas lacunas que
passam do material P para o material N e se
recombinam com os elétrons livres (fig. 39).
Forma-se na junção uma região onde não
existem portadores de carga, porque estão
todos recombinados, neutralizando-se. Esta
região é denominada de região de
DEPLEXÃO (fig. 40).
Os elétrons que se movimentaram do material
N para o P geram um pequeno potencial
elétrico negativo (fig. 41).
Fig. 38
Fig. 39
Fig. 40
Região de deplexão - sem portadores
Zona de potencial negativo gerado pelos elétrons que não pertenciam ao material P
Fig. 41
As lacunas que se movimentaram para o material N geram um pequeno potencial
elétrico positivo (fig. 42).
Verifica-se que na região da junção existe uma diferença de potencial,
proporcionada pelo movimento dos portadores de um cristal para outro.
É importante observar que a barreira de potencial é NEGATIVA NO CRISTAL P e
POSITIVO NO CRISTAL N.
A tensão proporcionada pela barreira de potencial no interior do diodo depende do
material utilizado na sua fabricação.
Nos diodos de germânio a barreira de potencial tem aproximadamente 0,2V e nos
diodos de silício aproximadamente 0,7V (fig. 44 e 45).
59
Este desequilíbrio elétrico é denominado de
barreira de potencial.
No funcionamento do diodo esta barreira de
potencial se comporta como uma pequena
bateria dentro do componente (fig. 43). Efeito similar a uma bateria provocado pela barreira de potencial
Zona de potencial positivo gerado pelas lacunas que não pertenciam ao material N.
Fig. 42
Fig. 43
Ge Si
- 0,2V + Fig. 44 - 0,7V + Fig. 45
Não é possível medir a tensão da barreira de potencial, aplicando um voltímetro aos
terminais de um diodo, porque esta tensão existe apenas internamente no
componente. No todo, o componente continua neutro, uma vez que não foram
acrescentados nem retificados portadores dos cristais.
7.4 Aplicação de Tensão Sobre o Diodo
A aplicação de tensão sobre o diodo estabelece a forma como o componente se
comporta eletricamente.
A tensão pode ser aplicada ao diodo de duas formas diferentes, denominadas
tecnicamente de:
a) Polarização direta
b) Polarização inversa
a) POLARIZAÇÃO DIRETA
60
A polarização do diodo é denominada de
polarização direta quando a tensão POSITIVA
é aplicada ao MATERIAL P e a tensão
NEGATIVA ao MATERIAL N (fig. 46).
O pólo positivo da fonte repele as
lacunas do material P em direção ao
pólo negativo, enquanto os elétrons
livres são repelidos pelo pólo negativo
em direção ao pólo positivo (fig. 47).
Fig. 46
Fig. 47
Se a tensão da bateria externa é maior que a tensão da barreira de potencial, as
forças de atração e repulsão provocadas pela bateria externa permitem aos
portadores adquirir velocidade suficiente para atravessar a região onde há ausência
de portadores (fig. 48).
A polarização direta faz com que o diodo permita a circulação de corrente elétrica no
circuito, através do movimento dos portadores livres (figs. 50 e 51).
Quando o diodo está polarizado diretamente, conduzindo corrente elétrica diz-se
que:
61
Observa-se que nesta condição existe um fluxo
de portadores livres dentro do diodo, através da
junção (fig. 49).
Fig. 48
Fig. 49
Diodo de Silício V > 0,7 (Barreira de potencial)
A lâmpada limita corrente no circuito
Fig. 50 Fig. 51
O DIODO ESTÁ EM CONDUÇÃO
b) POLARIZAÇÃO INVERSA
Nesta situação os portadores livres de cada cristal são atraídos pelos potenciais da
bateria para os extremos do diodo (fig. 54).
62
Um diodo semicondutor polarizado diretamente ( + - ) entra
em CONDUÇÃO, permitindo a passagem de corrente elétrica.
É importante observar que a seta do símbolo do diodo
indica o sentido de circulação convencional da
corrente (fig. 52).
A polarização inversa de um diodo consiste na
aplicação de tensão positiva no material N e negativa
no material P (fig. 53).
Observa-se que a polarização inversa provoca
um alargamento da região de depleção, porque
os portadores são afastados da junção (fig. 55).
Fig. 52
Fig. 53
P N
Região de deplexão
Fig. 54
Fig. 55
Não existe fluxo de portadores através da junção, quando o diodo é polarizado
inversamente. Portanto, conclui-se que a polarização inversa faz com que o diodo
impeça a circulação de corrente no circuito elétrico.
Quando o diodo está polarizado inversamente, impedindo a circulação de corrente
diz-se que:
O DIODO ESTÁ EM BLOQUEIO (figs. 56 e 57)
7.5 Características de Condução e Bloqueio do Diodo Semicondutor
As características do diodo fornecem informações sobre o seu comportamento nos
circuitos eletrônicos durante os estados de condução ou bloqueio (figs. 58 e 59).
Em condução
63
Um diodo semicondutor polarizado inversamente ( - + ) entra em
bloqueio, não permitindo a passagem de corrente elétrica.
+
I Fig. 58
Em bloqueio +
(Sem condução de corrente)
Fig. 59
Fig. 56
Fig. 57
7.6 O Diodo Semicondutor Ideal
Como diodo ideal se compreende um diodo que apresente características especiais,
conduzindo ou bloqueando completamente.
a) CONDUÇÃO NO DIODO IDEAL E CIRCUITO EQUIVALENTE
Um diodo ideal, polarizado diretamente, deve conduzir a corrente elétrica sem
apresentar resistência, comportando-se como interruptor fechado (fig. 60).
O interruptor fechado é denominado de “circuito equivalente” do diodo ideal em
condução.
Os “circuitos equivalentes” são circuitos com componentes simples (interruptores,
resistores, capacitores) que através dos quais se obtém o mesmo efeito que com um
único componente mais complexo.
São usados como “ferramenta” para auxiliar na compreensão do comportamento de
componentes mais complexos nos circuitos.
b) BLOQUEIO DO DIODO IDEAL
Polarizado inversamente um diodo semicondutor ideal deve se comportar como um
isolante perfeito, impedindo completamente a circulação de corrente. A condição de
bloqueio de um diodo também pode ser denominada de corte do diodo, porque o
diodo corta a circulação de corrente.
64
Diodo ideal em condução Fig. 60
Em circuito equivalente o diodo ideal em bloqueio pode ser representado como um
interruptor aberto (fig. 61).
7.7 O Diodo Semicondutor Real
O diodo real apresenta algumas diferenças em relação ao “diodo ideal”.
Estas diferenças existem porque o processo de purificação dos cristais
semicondutores para a fabricação de componentes eletrônicos não é perfeito.
Após a purificação ainda existe nos cristais uma pequena quantidade de impurezas
originárias da formação do material na natureza.
Estas impurezas, chamadas de portadores minoritários, resultantes da deficiência na
purificação fazem com que as características de condução e bloqueio dos diodos
reais se distanciem dos ideais.
a) CONDUÇÃO NO DIODO REAL
Dois fatores diferenciam o diodo real do ideal no sentido de condução:
- A barreira de potencial
- A resistência interna
A barreira de potencial, existente na junção dos cristais, faz com que o diodo entre
em condução efetiva apenas a partir do momento em que a tensão da bateria
externa atinge um valor maior que a tensão interna (fig. 62).
65
Diodo ideal em bloqueio Fig. 61
A resistência interna é devida ao fato de que o cristal dopado não é um condutor
perfeito. O valor da resistência interna dos diodos na condução normalmente é
menor que 1Ω.
Assim, um circuito equivalente do diodo real em condução apresenta os elementos
representativos da barreira de potencial e da resistência interna (fig. 63).
Na maioria dos casos em que o diodo é utilizado, as tensões e resistências externas
do circuito são muitas maiores que os valores internos do diodo (0,7V; 1Ω). Assim,
se pode normalmente considerar o diodo real igual ao ideal no sentido de condução,
sem provocar um erro significativo.
No circuito da figura 64, por exemplo, a tensão e resistência externa ao diodo são
tão grandes, comparadas com os valores do diodo, que se pode considerar o
modelo ideal sem qualquer prejuízo.
66
Diodo de Silício Barreira de potencial –0,7 V Fig. 62
Diodo real em condução
Fig. 63
Fig. 64
Resistência Interna
Bateria - interna
I = 49,3V = 0,0328
1501Ω
ERRO = 0,0333 – 0,328 = 0,0005A
Erro desprezível face a tolerância do resistor.
b) BLOQUEIO NO DIODO REAL
Devido à presença dos portadores minoritários resultantes da purificação imperfeita,
o diodo real em bloqueio não é capaz de impedir completamente a existência de
corrente no sentido inverso.
Esta corrente inversa que circula no diodo, denominada de CORRENTE DE FUGA,
é da ordem de alguns microampéres.
Isto significa que no sentido inverso o diodo apresenta uma resistência elevadíssima
(vários Megahoms).
O circuito equivalente do diodo real em bloqueio apresenta esta característica
configurada (fig. 65).
Como a corrente de fuga é muito pequena, comparada com a corrente de condução,
a resistência inversa do diodo pode ser desprezada na análise da grande maioria
dos circuitos, considerando-se o diodo como ideal.
67
I = _50 = 0,0333 1500
Diodo real em bloqueio
R = Vários megohms
Fig. 65
7.8 A Curva Característica do Diodo Real
O comportamento dos componentes eletrônicos pode ser expresso através de uma
curva característica que permite determinar a condição de funcionamento do
dispositivo em um grande número de situações.
A curva característica do diodo mostra o seu comportamento na condução e no
bloqueio.
a) REGIÃO DE CONDUÇÃO
Durante a condução do diodo, a corrente do circuito circula no cristal. Devido à
existência da barreira de potencial e da resistência interna do diodo verifica-se a
presença de um pequeno valor de tensão sobre o diodo (fig. 66).
A curva característica do diodo em condução mostra o comportamento da queda de
tensão em função da corrente que flui no circuito (fig. 67).
68
Diodo de Silício
Fig. 66
Quadrante de condução
ID (mA)
300
200100
Fig. 67
Analisando a curva característica de condução, verifica-se que a tensão do diodo
sofre um pequeno aumento quando a corrente aumenta (fig. 68).
Através da curva verifica-se também que enquanto a tensão sobre o diodo está
abaixo de 0,7V (no caso do silício) a corrente circulante é muito pequena (região “c”
da curva). Isto se deve ao fato de que a barreira de potencial se opõe ao fluxo de
cargas no diodo.
Devido à existência desta barreira de potencial, a região típica de funcionamento dos
diodos fica acima da tensão de condução característica (fig. 69).
69
0,7 0,75 0,8
VD (V)
Ponto A ID = 100 mA
VD = 0,75 V
Ponto B ID = 200 mA
VD = 0,8 V
Fig. 68
Diodo de Silício Região de funcionamento
ID (mA)
b) REGIÃO DE BLOQUEIO
No bloqueio o diodo semicondutor não atua como isolante perfeito, permitindo a
circulação de uma corrente de fuga, de valor muito pequeno (da ordem de
microampéres).
Esta corrente de fuga aumenta, à medida que a tensão inversa sobre o diodo
aumenta (fig. 70).
Figura 71 apresenta a curva do diodo com os dois quadrantes: de condução e de
bloqueio.
70
Ponto A Tensão inversa – V = 100V
Corrente de fuga – I = 20 µµµµ A
Ponto B Tensão inversa – V = 200 V
Corrente de fuga – I = 40 µµµµ A
Fig. 70
Fig. 71
Corrente reversa de fuga microampéres
Tensão direta de condução
Tensão reversa
Corrente direta de condução Miliampéres ou ampéres
Tensão de barreira de potencial
Corrente de fuga
0,2V para Ge 0,7V para Si
7.9 Regimes Máximos do Diodo em CC
Os regimes máximos do diodo em CC estabelecem os limites da tensão e corrente
que podem ser aplicados ao componente em circuitos de corrente contínua, sem
provocar danos a sua estrutura.
Analisando o comportamento do diodo em condução e bloqueio verifica-se que os
fatores que dependem diretamente do circuito ao qual o diodo está conectado são:
a) Corrente de condução (IF)
b) Tensão reversa (VR)
A tensão de condução VD não depende do circuito (0,7 para silício e 0,2 para
germânio) e a corrente de fuga também depende apenas do material do diodo
(alguns microampéres).
a) CORRENTE MÁXIMA DE CONDUÇÃO
A corrente de condução máxima de cada tipo de diodo é dada pelo fabricante em
folhetos técnicos. Nestes folhetos, a corrente máxima de condução aparece
designada pela sigla IF proveniente do idioma inglês:
IF
Abaixo estão colocados dois comerciais e suas características de corrente máxima
(IF).
TIPO IF
SKE 1/12 1, 0 A
1N4004 1,0 A
71
CORRENTE
(FORWARD) DE CONDUÇÃO
Corrente máxima de condução em
regime contínuo.
b) TENSÃO REVERSA MÁXIMA
Cada diodo a estrutura preparada para suportar um determinado valor de tensão
reversa. Aplicando um valor de tensão reversa superior ao especificado para cada
diodo, a corrente de fuga aumenta excessivamente e o diodo é danificado.
Os fabricantes de diodo fornecem em folhetos técnicos o valor característico de
tensão máxima que o diodo suporta sem sofrer a ruptura.
Este valor aparece designado pela sigla VR.
72
As tensões reversas colocam o diodo em
bloqueio. Nesta condição toda a tensão
aplicada ao circuito fica aplicada sobre o
diodo (fig. 72).
VR Tensão reversa máxima
em regime contínuo
8 RETIFICAÇÃO DE MEIA ONDA
Retificação é o nome dado ao processo de transformação de corrente alternada em
corrente contínua.
A retificação é utilizada nos equipamentos eletrônicos com a finalidade de permitir
que equipamentos de corrente contínua sejam alimentados a partir da rede elétrica
CA.
A retificação de meia onda é um processo de transformação de CA em CC, que
permite o aproveitamento de apenas um semiciclo da tensão de entrada na carga
(fig. 1).
O circuito retificador de meia onda com diodo é empregado em equipamento que
não exigem uma tensão contínua pura, como por exemplo, os carregadores de
bateria.
8.1 Retificação de meia onda com diodo semicondutor
As características de condução e bloqueio do diodo semicondutor podem ser
utilizadas para obter uma retificação de meia onda a partir da corrente alternada da
rede elétrica domiciliar.
73
Tensão para a carga
Fig. 1
8.2 Funcionamento
a) PRIMEIRO SEMICICLO
Durante o primeiro semiciclo a tensão é positiva no ponto A, com relação ao ponto B.
Esta polaridade de tensão de entrada coloca o diodo em condução, permitindo a
circulação de corrente (fig. 4).
A tensão sobre a carga assume a mesma forma da tensão de entrada (fig. 5).
74
A figura 2 mostra a configuração de
um circuito retificador de meia onda
com diodo.
Tomando-se como referência o circuito
retificador de meia onda com diodo da
figura 3.
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
Fig. 5
O valor do pico de tensão sobre a carga é menor que o valor do pico de tensão da
entrada porque o diodo, durante a condução, apresenta uma pequena queda de
tensão VD (0,7 para silício e 0,2 para germânio) (fig. 6).
Entretanto, na maioria dos casos, a queda de tensão do diodo pode ser desprezada
porque seu valor é muito pequeno em relação ao valor total do pico de tensão sobre
a carga.
A queda de tensão sobre o diodo deve ser considerada apenas quando o circuito
retificador for aplicado a tensões pequenas (menores que 10V).
b) SEGUNDO SEMICICLO
Durante o segundo semiciclo a tensão de entrada é negativa no ponto A, com
relação ao ponto B.
Esta polaridade de tensão de entrada coloca o diodo em bloqueio, impedindo a
circulação de corrente (fig. 7).
75
Fig. 6
Fig. 7
Nesta condição toda a tensão de entrada é aplicada sobre o diodo que atua como
interruptor aberto, e a tensão na carga é nula porque não há circulação de corrente
(fig. 8).
Observa-se que para cada ciclo da tensão de entrada apenas um semiciclo passa
para a carga, enquanto o outro semiciclo fica sobre o diodo. Os gráficos da figura 9
ilustram o que foi descrito.
76
Fig. 8
Fig. 9
Tensão na entrada
Tensão no diodo de silício
Tensão na carga
A forma de tensão encontrada na carga é denominada de tensão contínua pulsante.
É contínua porque a corrente, quando flui, flui sempre no mesmo sentido, o que é
uma característica da tensão contínua e pulsante porque a circulação de corrente
ocorre em forma de pulsos.
8.3 Retificação de Meia Onda com Tensão de Saída Negativa
Dependendo da forma como o diodo está colocado no circuito retificador, pode-se
obter uma tensão CC positiva ou negativa em relação ao terra (fig. 10 e 11).
8.4 Tensão de Saída
A tensão de saída de uma retificação é contínua, embora pulsante. Para medir esta
tensão de saída utiliza-se um voltímetro de CC ou multímetro (fig.12).
77
Tensão de saída positiva
Forma de saída
A polaridade de saída é invertida
Invertendo o diodo
Tensão de saída negativa
Fig. 10
Fig. 11
Ao conectar-se um voltímetro de CC (ou multímetro em escala de tensão CC) na
saída de uma retificação, a tensão indicada pelo instrumento será a média entre os
períodos de existência e inexistência de tensão.
Na retificação de meia onda se alternam os períodos de existência e inexistência de
tensão sobre a carga (fig. 13).
Conseqüentemente, o valor de tensão CC média sobre a carga (medindo com
voltímetro CC na saída da retificação) está muito abaixo do valor efetivo CA aplicado
à entrada do circuito (fig.14).
A tensão média na saída é dada pela equação:
78
Os multímetros (em escala de VDC) e os voltímetros de CC
indicam sempre um valor de TENSÃO CONTÍNUA MÉDIA.
Voltímetro ou Multímetro
Fig. 12
VRL
Fig. 13
Média cc da retificação de meia onda
Médio
(EM – VD)
Fig. 14
Obs: Os livros e publicações de eletrônica costumam denominar o valor “tensão de
pico” (VP) de “tensão máxima” (EM). Por esta razão nas equações apresentadas será
utilizada a notação EM para a tensão de pico.
Quando as tensões de entrada (VCAef) forem superiores a 10V pode-se eliminar a
queda de tensão do diodo que se torna desprezível, reescrevendo a equação
conforme apresentado abaixo:
Simplificando os termos 2 obtém-se 0,45, logo: VCC = VCA . 0,45 π A seguir são apresentados dois exemplos de cálculo empregando a fórmula
completa e a fórmula simplificada.
EXEMPLO 1
79
VCC = ________
Onde:
VCC = tensão contínua média sobre a carga.
EM = tensão de pico da CA aplicado ao circuito (EM = VCA .
2 )
VD = queda de tensão típica do diodo (0,3V ou 0,7V)
Dados: VCA = 6V (menor que 10V)
VD = 0,7V (silício)
VCC = _______ = ______________
VCC = (6 . 1,41) – 0,7 3,14
VCC = 2,47V
EM - VD π
(VCA . √ 2 ) - VD
π
EM - VD
ππππ
Carga
EXEMPLO 2
A equação da tensão de saída é válida tanto para retificação com tensão de saída
positiva como negativa.
8.5 Corrente de Saída
Na retificação de meia onda a corrente de saída também é pulsante, uma tensão
sobre a carga é pulsante (fig. 15).
Isto implica que a corrente média na saída (sobre carga) é uma média entre os
períodos de existência e inexistência de corrente (fig. 16).
80
Dados:
VCA = 50V (maior que 10V)
VCC = VCA . 0,45
VCC = 50 . 0,45
VCC = 22,5V
Carga
Corrente Pulsante
I SAÍDA
Fig. 15
I SAÍDA
Fig. 16
O valor da corrente média de saída pode ser determinado a partir da tensão e da
resistência de carga:
O cálculo da corrente média de saída é muito importante porque serve como de
partida para a escolha do diodo que será utilizado no circuito.
8.6 Inconvenientes da Retificação de Meia Onda
A retificação de meia onda apresenta alguns inconvenientes, decorrentes da
condição de funcionamento:
A tensão de saída é pulsante, diferindo sensivelmente de uma tensão contínua (fig.
17).
O rendimento é baixo (45%) em relação à tensão eficaz de entrada (fig. 18).
Nas retificações com transformador existe um mau aproveitamento da capacidade
de transformação porque a corrente circula em apenas um semiciclo (fig. 19).
81
Corrente média de saída
I CC = _____ VCC RL
Fig. 17
Fig. 18
8.7 Fonte de Alimentação Meia Onda
O circuito retificador de meia onda pode ser utilizado como fonte de alimentação
para um circuito eletrônico.
Para que se tenha uma fonte de alimentação completa deve-se acrescentar ao
circuito retificador:
- Uma chave liga-desliga;
- Um fusível de proteção;
- Uma chave seletora 110/220.
As figuras 20 e 21 mostram o esquema e o circuito de uma fonte de alimentação
meia onda completa.
82
Circulação apenas nos
semiciclos positivos
Fig. 19
Fig. 20
Fig. 21
9 RETIFICAÇÃO DE ONDA COMPLETA COM DIODOS
SEMICONDUTORES
É um processo de conversão de corrente alternada em corrente contínua que faz um
aproveitamento dos dois semiciclos da tensão de entrada (fig.1).
O circuito retificador de onda completa é o mais empregado nos equipamentos
eletrônicos porque realiza um melhor aproveitamento da energia aplicada a entrada.
A retificação de onda completa com diodos semicondutores pode ser realizada de
duas formas distintas:
- Empregando um transformador com derivação central e dois diodos;
- Empregando 4 diodos ligados em ponte.
9.1 Retificação de Onda Completa com Derivação Central
Retificação de onda completa com derivação central é denominação técnica do
circuito retificador de onda completa que emprega dois diodos e um transformador
com derivação central.
A figura 2 apresenta a configuração deste tipo de circuito retificador.
83
Entrada
1 ciclo Circuito retificador de onda completa
Tensão para a carga
Fig. 1
Este tipo de retificação também é chamado de retificação de onda completa
CENTERTAPE.
A expressão “center tape” é inglesa e significa “derivação central”.
9.2 Funcionamento
O princípio de funcionamento do circuito retificador de onda completa pode ser
facilmente compreendido, considerando-se cada um dos semiciclos da tensão de
entrada isoladamente.
a) PRIMEIRO SEMICICLO
Considerando-se o terminal central do secundário como referência verifica-se a
transformação de duas polaridades opostas nos extremos das bobinas (fig. 3).
84
Fig. 2
(Referência)
Carga
Fig. 3
Nesta condição verifica-se que o diodo D1 é polarizado diretamente, conduzindo,
enquanto o diodo D2 é polarizado inversamente, entrando em bloqueio.
Substituindo os diodos por seus circuitos equivalentes ideais obtém-se a
configuração apresentada na figura 4.
A condição de condução de D1 permite a circulação de corrente através da carga do
terminal positivo para o terminal positivo para o terminal de referência (fig. 5).
A tensão aplicada à carga é a tensão existente entre o terminal central do
secundário e o extremo superior do transformador (fig. 6).
85
Negativo em relação ao
potencial mais positivo.
Fig. 4
Fig. 5
Durante todo o semiciclo analisando o diodo D1 permanece em condução e a tensão
na carga acompanha a tensão da parte superior do secundário (fig.7).
b) SEGUNDO SEMICICLO
No segundo semiciclo da tensão de entrada ocorre uma inversão na polaridade do
secundário do transformador (fig. 8).
86
Tensões iguais
(instantaneamente)
Fig. 6
VRL
Fig. 7
Carga
Fig. 8
Nesta condição o diodo D2 entra em condução e o diodo D1 em bloqueio (fig. 9).
A corrente circula pela carga, passando através de D2 que está em condução, no
mesmo sentido que circulou no primeiro semiciclo (fig. 10).
A tensão aplicada à carga é a tensão da bobina inferior do secundário do
transformador (fig. 11).
87
Carga
Fig. 9
Fig. 10
Tensões iguais
(instantaneamente)
Fig. 11
Durante todo o semiciclo analisando o diodo D2 permanece em condução e a tensão
na carga acompanha a tensão da parte inferior do secundário (fig. 12).
Analisando um ciclo completo da tensão de entrada verifica-se que o circuito
retificador entrega dois semiciclos de tensão sobre a carga:
- Um semiciclo do extremo superior do secundário através da condução de D1;
- Um semiciclo do extremo inferior do secundário através da condução de D2
(fig. 13).
9.3 Tensão e Corrente CC de Saída da Retificação com Derivação Central
Tensão de Saída
A retificação de onda completa com ponto médio entrega a carga dois semiperíodos
de tensão para cada ciclo da tensão de entrega (fig. 14).
88
Fig. 12
Fig. 13
O valor de tensão média sobre a carga (medido com um voltímetro de CC na saída)
é uma média dos valores fornecidos pelos pulsos de tensão (fig. 15).
O rendimento da retificação de onda completa com ponto médio é o dobro da
retificação de meia onda:
O valor EM é determinado em função da tensão CA presente entre a derivação
central e um dos extremos do transformador (fig. 16).
89
Tensão média
na saída
VCC = 2 __________ onde EM = VCA . 2 EM - VD
π
Ponte ou derivação central V ENTRADA
V SAÍDA
Fig. 14
Fig. 16
Tensão de pico dos pulsos na saída
Tensão CC média na saída
Fig. 15
Isto se deve ao fato de que, na retificação de onda completa com posto médio, cada
metade do secundário do transformador está ativa durante um período e inativa em
outro.
Observando atentamente este tipo de retificação é possível visualizar que o conjunto
se constitui de duas retificações de meia onda, cada uma atuante em um dos
semiciclos conforme mostra a seqüência da figura 17.
Para tensões de entrada acima de 10VCA pode-se desconsiderar a queda de tensão
no diodo, desenvolvendo a equação como:
90
Fig. 17
VCC = _________ desconsiderando VD têm-se:
VCC = 2 . ____ como EM = VCA . 2
VCC = 2 . VCA . 2 simplificando 2/π têm-se
VCC = 2 . VCA . 0,45
9.4 Corrente de saída
A corrente média na saída da retificação de onda completa depende da tensão
média:
A seguir estão apresentados dois exemplos de cálculo de tensão e corrente CC para
a retificação de onda completa com ponto médio.
EXEMPLO 1
91
EM - VD π
EM π
Tensão contínua média
na saída VCC = VCA . 0,9
Corrente contínua média
de saída ICC = VCC
RL
Tensão CA no secundário
menor que 10V, logo:
VCC = 2 . EM – VD π
EM = VCA . 2 EM = 6 .2 EM = 8,46 V
VCC = 2 8,46 – 0,7 3,14
VCC = 2 . 7,76 VCC = 2 . 2,47 3,14
ICC = VCC ICC = 4,94 = 4,94mA RL 1000Ω
EXEMPLO 2
OBSERVAÇÃO
A tensão de saída é negativa devido à posição dos diodos.
92
VCC = 4,94 V
ICC = 4,94mA
Tensão no secundário
maior que 10VCA
VCC = VCA . 0,9
VCC = 20 . 0,9 VCC = -18V
ICC = VCC ICC = -18V RL 820Ω
9.5 Relação entre freqüência de entrada e freqüência de saída
Na retificação de onda completa cada ciclo da tensão CA de entrada é transformado
em dois semiciclos de tensão sobre a carga. Desta forma, a freqüência dos picos de
tensão sobre a carga é o dobro da freqüência da rede (fig. 18).
9.6 Retificação de Onda Completa em Ponte
A retificação em ponte, com quatro diodos entrega a carga uma onda completa que
seja necessário utilizar um transformador com derivação central. A figura 19
apresenta a configuração da retificação de onda completa em ponte.
93
ICC = -21,9mA
Fig. 18
Fig. 19
Este tipo de retificação também é conhecido como retificação por PONTE DE ONDA.
A retificação em ponte pode ser feita sem a necessidade de um transformador de
entrada.
9.7 Funcionamento
a) PRIMEIRO SEMICICLO
Considerando a tensão positiva no terminal de entrada superior (fig.20).
A condição de polarização dos diodos se apresenta:
D1 – anodo positivo em relação ao catodo = CONDUÇÃO
D2 – catodo positivo em relação ao anodo = BLOQUEIO
D3 – catodo negativo em relação ao anodo = CONDUÇÃO
D4 – anodo negativo em relação ao catodo = BLOQUEIO
Substituindo-se os diodos pelos seus circuitos equivalentes ideais se obtém a
configuração apresentada na figura 21.
94
Fig. 20
Eliminando-se os diodos em bloqueio, que não interferem no funcionamento do
circuito verifica-se que D1 e D3 em condução fecham circuito elétrico, aplicando a
tensão do primeiro semiciclo sobre a carga (fig. 22).
Recolocando-se os diodos na forma de componente (eliminando os circuitos
equivalentes) observa-se como a corrente flui no circuito no primeiro semiciclo (fig.
23).
95
Carga
Fig. 21
Fig. 22
Fig. 23
b) SEGUNDO SEMICICLO
No segundo semiciclo ocorre a inversão da polaridade nos terminais de entrada do
circuito (fig. 24).
A condição de polarização dos diodos se apresenta:
Eliminando os diodos em bloqueio e substituindo os diodos em condução pelos seus
circuitos equivalentes ideais obtém-se a configuração apresentada na figura 25.
96
D1 – Anodo negativo em relação ao catodo – BLOQUEIO
D2 – Catodo negativo em relação ao anodo – CONDUÇÃO
D3 – Catodo positivo em relação ao anodo – BLOQUEIO
D4 – Anodo positivo em relação ao catodo – CONDUÇÃO
Fig. 24
Carga
Fig. 25
Carga
O circuito elétrico fechado por D2 e D4 aplica a tensão da entrada sobre a carga,
fazendo a corrente circular na carga no mesmo sentido que no primeiro semiciclo
(fig. 26).
Recolocando os diodos na forma original, observa-se a forma como a corrente
circula no circuito (fig. 27).
A ponte retificadora entrega a carga os dois semiciclos, da mesma forma que a
retificação de ponto central (fig. 28).
97
Fig. 26
Fig. 27
ENTRADA CA
SAÍDA CC
PULSANTE
Fig. 28
A freqüência da CC pulsante é o dobro da freqüência da rede.
9.8 Tensão e Corrente CC de Saída da Retificação em Ponte
• Tensão de Saída
A ponte retificadora de Grãetz fornece na saída o mesmo tipo de forma de onda que
retificação com ponto médio (fig. 31).
Há, contudo, uma diferença em termos de tensão de pico sobre a carga, devido ao
fato de que na ponte retificadora em cada semiciclo existem dois diodos em série.
Desta forma o pico de tensão sobre a carga é 1,4V menor que o pico de tensão na
entrada (para diodos de silício) (fig. 32).
98
A ponte retificadora também pode ser representada
em esquema conforme mostra a figura 29.
Nesta simbologia a barra do diodo aponta a saída
positiva e a seta a saída negativa (fig. 30).
Fig. 29
Fig. 30
Fig. 31
Fig. 32
A tensão CC média de saída é dada pela equação:
Para tensões acima de 20VCA na entrada da ponte pode-se desconsiderar as quedas
de tensão nos diodos (2VD) de forma que o desenvolvimento da equação resulta em:
O valor VCA da equação, para circuitos retificadores em ponte, é o valor da tensão
aplicado aos extremos dos diodos que compõem a ponte, conforme mostra a figura
33.
Este aspecto determina uma vantagem da retificação em ponte sobre a retificação
com derivação central.
Para uma mesma tensão de saída, a retificação em ponte usa apenas uma tensão
no secundário enquanto a retificação com derivação central necessita de duas
tensões com terminal central comum. A ponte, porém, usa 4 diodos.
As figuras 34 e 35 mostram claramente o que foi descrito.
99
VCC = VCA . 0,9 Para tensões acima de 20VCA na entrada da ponte.
Tensão CC média
na saída
Fig. 33
Conseqüentemente, o transformador é melhor aproveitado nas retificações em ponte
porque o secundário trabalha integralmente nos dois semiciclos.
• Corrente na Saída
A corrente média na saída é dada pela mesma equação utilizada na retificação
ponto médio:
A seguir estão desenvolvidos dois exemplos de cálculo de tensão e corrente CC de
saída para a retificação em ponte.
100
Corrente CC média
na saída
ICC = _________ RL (carga)
VCC
Fig. 34
Fig. 35
VCC = VCA . 0,9
VCC = 30 . 0,9
VCC = 27V
VCC = VCA . 0,9
VCC = 27V
EM = VCA . 2 EM = 15 . 2 EM = 21,2V
VCC = 2 21,2 – 1,4 = 2 19,8 3,14 3,14
VCC = 2 . 6,3 VCC = 12,6V
ICC = VCC ICC = 12,6V = RL 2200Ω
VCC = 110 . 0,9
ICC = 99V 300Ω
101
Tensão CA maior
que 20V
VCC = VCA . 0,9
VCC = 99V
ICC = 330mA
Tensão CA
menor que 20V
VCC = 2[ EM – 2VD] ππππ
ICC = 5,7mA
9.9 Fonte de Alimentação de Onda Completa
Os circuitos retificadores de onda completa são utilizados como fonte de alimentação
para circuitos de freio eletromagnéticos, alimentação de eletroímãs, brinquedos
como carrinhos de autorama.
As figuras 36 e 37 mostram os circuitos de fontes de alimentação onda completa
com as etapas identificadas.
102
1 – Entrada
2 – Controle e Proteção
3 – Rebaixamento ou Elevação da tensão
4 – Retificação
Fig. 36
Fig. 37
10 O FILTRO NAS FONTES DE ALIMENTAÇÃO
Tensões contínuas puras se caracterizam por apresentarem polaridade definida e
ser constante ao longo do tempo.
A figura 1 mostra o gráfico de uma tensão contínua pura fornecida por uma bateria.
Tensões fornecidas pelos circuitos retificadores, tanto de meia onda como de onda
completa, são pulsantes. Embora tenham a polaridade definida, as tensões
fornecidas pelos circuitos retificadores sofrem constante variação de valor, pulsando
conforme tensão senoidal aplicada ao diodo (fig. 2).
10.1 O Capacitor como Elemento de Filtragem
A capacidade de armazenamento de energia dos capacitores pode ser utilizada
como recurso para realizar um processo de filtragem na tensão de saída de um
circuito retificador.
103
Fig. 1
Onda completa Meia onda Fig. 2
O capacitor é conectado diretamente nos terminais de saída da retificação (fig. 5 e
6).
Nos intervalos de tempo em que o diodo conduz, circula corrente através da carga e
também para o capacitor. Neste período o capacitor armazena energia (fig. 7).
Nos intervalos de bloqueio do diodo o capacitor tende a descarregar a energia
armazenada nas armaduras.
Como não é possível a descarga através da retificação, porque o diodo está em
bloqueio, a corrente de descarga se processa pela carga (fig.8).
104
Meia onda Onda completa
Fig. 5
Fig. 6
Carga
Fig. 7
Portanto, a tensão contínua pulsante fornecida pelos circuitos retificadores não serve
para a alimentação de equipamentos de corrente contínua, devido às diferenças
entre sua forma de onda de saída e a forma de uma contínua pura (fig. 3).
A necessidade de realizar a alimentação dos equipamentos de corrente contínua a
partir da rede elétrica CA levou à utilização de circuitos de filtro.
105
Nas fontes de alimentação os filtros têm por finalidade permitir a
obtenção de uma CC mais pura.
Carga
Fig. 8
CC Pulsantes Diferentes da CC Pura
Fig. 3
Os filtros são colocados entre a retificação e a carga, e atuam sobre a tensão de
saída dos circuitos retificadores aproximando tanto quanto possível a sua forma à de
uma tensão contínua pura (fig.4).
Como o capacitor está em paralelo com a carga, a tensão presente nas armaduras
aplicada à carga (fig. 9).
A corrente absorvida pela carga é fornecida pelo capacitor. Com o passar do tempo
a tensão do capacitor diminui devido a sua descarga (fig. 10).
106
Fig. 4
VC = VRL
Fig. 9
Capacitor descarregando sobre a carga
Fig. 10
O capacitor permanece descarregado até que o diodo conduza novamente, fazendo
uma recarga nas suas armaduras (fig. 11).
Com a colocação do capacitor a carga passa a receber tensão durante todo o
tempo.
As figuras 12 e 13 mostram uma comparação entre a tensão de saída de uma
retificação de meia onda sem filtro e com filtro.
A presença de tensão sobre a carga durante todo o tempo, embora com valor
variável, proporciona a elevação do valor médio de tensão fornecido (fig. 14 e 15).
107
Fig. 11
Tempo que a carga não recebe tensão
A carga recebe tensão durante todo o tempo
Fig. 12 Fig. 13
A carga recebe tensão
108
A colocação de um filtro aumenta o valor da tensão média de saída
de um circuito retificador.
Tensão média
Sem filtro Com um capacitor de filtro
Fig. 14 Fig.15
11 A TENSÃO DE ONDULAÇÃO
O capacitor colocado em circuito retificador está sofrendo sucessivos processos de
carga e descarga.
Nos períodos de condução do diodo o capacitor sofre carga e sua tensão aumenta.
Nos períodos de bloqueio o capacitor se descarrega e sua tensão diminui (fig. 16).
t1 = tempo em que o capacitor sofre carga (sua tensão aumenta)
t2 = tempo em que o capacitor e descarrega parcialmente sobre a carga (sua tensão
diminui).
A forma de onda da tensão de saída não chega a ser uma contínua pura,
apresentando uma variação entre um valor máximo e um valor mínimo, denominada
de ONDULAÇÃO ou RIPPLE (fig. 17).
109
Fig. 16
V Saída
V Capacitor
Ondulação
Fig. 17
A diferença de tensão entre o valor máximo e o mínimo que a ondulação atinge é
denominada de Tensão de Ondulação de Pico a Pico, abreviada por Vondpp (fig. 18).
A tensão de ondulação na saída de uma fonte também é denominada de
COMPONENTE ALTERNADA de saída da fonte.
Um dos fatores que definem a qualidade de um circuito retificador é o valor da
componente alternada presente na sua saída.
11.1 Fatores que Influenciam na Ondulação
A ondulação na saída de um circuito retificador depende fundamentalmente de três
fatores:
a – da capacidade de armazenamento do capacitor;
b – da corrente absorvida pela carga;
c – do tempo que o capacitor permanece descarregando.
110
ONDULAÇÃO ou RIPPLE é a variação de tensão existente na forma
de onda de tensão de saída fornecida por um circuito retificador com
filtro capacitivo.
Quanto menor o valor da componente alternada presente na saída de
uma fonte melhor é a sua qualidade.
Fig. 18
Observando atentamente os fatores se verifica que todos influenciam na descarga
do capacitor, que resulta na ondulação.
a – A capacidade de armazenamento de um capacitor é expressa pela sua
capacitância.
Quanto maior o valor do capacitor, maior a capacidade de armazenamento. Assim,
um capacitor de filtro maior mantém a tensão de saída mais constante, diminuindo a
ondulação (fig. 19 e 20).
b – A corrente absorvida pela carga é responsável pela descarga do capacitor.
Quando a corrente absorvida pela carga é menor, o capacitor descarrega mais
lentamente. Como conseqüência, a redução de tensão do capacitor é menor,
obtendo-se menor ondulação (fig. 21 e 22).
111
Os fatores que influenciam na ondulação são aqueles que
influenciam na descarga do capacitor.
Capacitor de filtro com maior capacitância – TENSÃO DE ONDULAÇÃO
MENOR.
Fig. 19 Fig. 20
Entretanto, a corrente de carga é o ponto de partida para o cálculo da fonte.
É necessário que o circuito projetado tenha capacidade de alimentar a carga mesmo
na pior situação de consumo.
Por esta razão não se pode contar com modificações de consumo para melhorar o
desempenho de saída de uma fonte de alimentação.
c – O tempo de descarga influencia a ondulação, visto que quanto mais tempo o
capacitor descarrega, menor a tensão nas suas armaduras.
Por esta razão, para uma mesma carga e mesmo capacitor de filtro, os circuitos de
onda completa têm menor ondulação (fig. 23 e 24).
112
I1 maior que I2 VOND1 maior que VOND2
Fig. 21 Fig. 22
Fig. 23 Fig. 24
Em onda completa o capacitor é carregado duas vezes a cada ciclo de entrada (fig.
25).
11.2 Tensão na Saída nos Circuitos Retificadores com Filtro
A tensão CC média de saída em circuitos retificadores com filtro é dada pela
equação:
Quando um circuito retificador com filtro capacitivo está sem carga não há
ondulação. A tensão de saída é uma CC perfeita.
113
CARGA DO CAPACITOR
VCC = EM - VONDpp
2
Onde:
VCC Tensão CC na saída
EM Tensão de Pico VCA . 2 , desconsiderando-se
a queda nos diodos
VONDpp Tensão de ondulação de pico a pico
Fig. 25
A tensão de saída é, neste caso:
VCC = EM - _______ como VONDpp = 0 tem-se 2 VCC = EM ou VCC = VCA . 2
Isto é válido tanto para a retificação de meia onda com filtro como para a onda
completa com filtro (fig. 26 e 27).
Um exemplo ilustra o comportamento da tensão de saída de uma retificação de meia
onda com filtro sem e com carga.
114
VONDpp
Quando não há carga na saída, a tensão de saída dos circuitos
retificadores de meia onda e onda completa com filtro é a mesma.
VCC = EM
VCC = VCA . 2
VCC = 15 . 1,41 = 21,2V
VCC = 21,2V
Fig. 26
Onda completa sem carga
Meia onda sem carga
Fig. 27
Conectando-se um osciloscópio em modo DC na saída da fonte, a forma de onda
observada seria uma CC pura (fig. 28).
Quando a carga é aplicada a ondulação aparece, fazendo com que a tensão de
saída caia para valores inferiores a EM.
A redução na tensão de saída se deve a ondulação, e será tanto maior quanto maior
for a corrente solicitada pela carga.
Admitindo-se uma carga que provoque uma ondulação de 3Vpp.
A forma de onda da saída, observada em osciloscópio, em modo DC, seria a
mostrada na figura 29.
115
A ligação da carga a uma fonte provoca o aparecimento da ondulação,
resultando em uma redução da tensão de saída.
VCC = EM - _______
EM = VCA . 2 (desprezando a queda do
diodo)
VCC = 21,2 – 3,0Vpp
2
VONDpp
2
VCC = 19,7V
Fig. 28
Ref
O valor médio da tensão da saída CC, devido à ondulação, cairia de 21,2V (sem
carga) para 19,7V (média entre 21,2 e 18,2) devido à carga.
11.3 Observação da Ondulação com Osciloscópio
A ondulação é um componente alternada presente no topo da forma de onda
fornecida por uma fonte com filtro capacitivo e carga na saída.
Como o valor desta ondulação é normalmente igual ou menor que 10% do valor da
CC fornecida pela fonte, tornasse difícil medir o seu valor exato usando o
osciloscópio no modo DC (fig.30).
116
Fig. 29
Referência
Ondulação (Difícil de medir com precisão)
Fig. 30
Para obter uma medida precisa da tensão de ondulação de pico a pico utiliza-se o
modo AC. Neste modo de entrada o componente CC da saída é eliminado de forma
que o osciloscópio apresenta na tela apenas a ondulação na tela.
As figuras 31 e 32 mostram mesma saída de uma fonte, nos modos DC e AC de
entrada.
11.4 Determinação do Capacitor de Filtro
A tensão de saída de uma retificação com filtro é dada pela equação:
Pela equação verifica-se que a tensão de saída depende da tensão de ondulação. A
tensão de ondulação depende do tipo de circuito retificador (meia onda, onda
completa), do valor do capacitor de filtro e da corrente da carga.
117
Para medir com precisão o valor da tensão de ondulação na saída de
uma fonte deve-se utilizar o modo de entrada AC no osciloscópio.
VCC = EM - ______ Vondpp 2
Fig. 31 Fig. 32
Observa-se que a tensão de ondulação depende de vários fatores que estão
relacionados entre si. Esta dependência torna difícil a formulação de uma equação
exata que determine o valor de capacitor a ser usado para uma tensão pré-
estabelecida.
Entretanto, devido a grande tolerância de valor dos capacitores eletrolíticos (até
50%) pode-se formular uma equação simplificada para o seu cálculo.
Esta equação pode ser usada para cálculo de capacitores de filtros para até 20% de
ondulação de pico a pico sem introduzir um erro significativo.
A equação simplificada para o cálculo do valor do capacitor de filtro é:
O fator T é determinado em função do tipo de retificação usado (meia onda ou onda
completa), a corrente de carga máxima pela lei de OHM e a tensão de pico a pico de
ondulação assume o valor desejado (VONDpp até 20% de VCC).
A seguir estão apresentados dois exemplos de emprego de equação para
determinação do capacitor de filtro.
A – Deseja-se montar uma fonte retificadora de meia onda para tensão de saída 12v
corrente de 150mA, com ondulação de 2Vpp.
118
C = T Imáx_ VONDpp
Onde:
C = valor do capacitor de filtro em µ F
T = período aproximado de descarga do capacitor
meia onda T = 16,6 ms p/60Hz
onda completa T = 8,33 ms p/60Hz
Imáx = corrente de carga máxima em mA
VONDpp = tensão pico a pico de ondulação em Volts.
Qual o valor do capacitor de filtro?
Dados – meia onda (T = 16,6ms)
IRL = 150mA
VONDpp = 2V
C = T . Imáx_ C = 16,6 . 150mA C = 1245 µµµµ F VONDpp 2Vpp
B – A mesma fonte em onda completa.
Dados - onda completa T = 8,33ms
IRL = 150mA
VONDpp = 2V
C = T . Imáx_ C = 8,33 . 150 C = 625 µµµµ F VONDpp 2
Além da capacitância do capacitor de filtro deve-se também especificar a sua tensão
de isolação. A tensão de isolação deve ser sempre superior ao maior valor de tensão
que o capacitor irá realmente funcionar. Por exemplo:
Tensão de saída
(sobre o capacitor)
Tensão de isolação a
ser usada
12V
17V
28V
16V
25V
40V
11.5 O Capacitor de filtro ideal
O capacitor de filtro seria aquele que possibilitasse a obtenção de uma tensão de
saída sem componente alternada (ondulação inexistente). Certamente o valor de
capacitância deste capacitor seria elevadíssimo para que sua capacidade de
armazenamento fosse suficiente para manter a tensão de saída absolutamente
constante.
119
Entretanto a utilização prática de um capacitor como filtro implica em um
compromisso entre alguns fatores:
Por esta razão, verifica-se até que ponto é compensador diminuir a tensão de
ondulação de pico a pico de 20% para 5% de CC em relação ao custo e volume do
capacitor.
Na prática, os capacitores utilizados como filtro são normalmente eletrolíticos porque
possui maior capacitância por volume.
Se uma tensão de ondulação da ordem de 10% de VCC é elevada demais para que
uma fonte de alimentação possa ser usada em um determinado equipamento, utiliza-
se circuito eletrônico destinado especialmente a regulação da tensão de saída, sem
que seja necessário aumentar a capacitância do filtro.
A corrente de pico repetitiva é a razão pela qual não se pode aumentar
indefinidamente o capacitor de filtro de uma fonte.
11.6 Tabela de Equações de Circuitos Retificadores
A tabela 4 apresenta as equações para o cálculo dos principais parâmetros das
fontes retificadoras.
Os valores que aparecem na tabela são:
VCC* - tensão CC na saída, desconsiderando a queda nos diodos.
Diminuir o percentual de ondulação obriga ao uso de capacitores de
maior capacitância e, portanto, maior volume e custo mais elevado.
120
VCC - tensão CC na saída com carga máxima e considerando a queda nos diodos.
EM - tensão de pico da CA (VCA . 2 ) aplicada ao (s) diodo (s).
VD - queda típica em um diodo ( 0,3V ou 0,7V).
VONDpp – tensão de ondulação de pico a pico ( desejada ou liga em osciloscópio).
VCCNL – tensão de saída sem carga.
Imáx – corrente de carga máxima em mA.
RL – resistência da carga em Ω.
IRL – corrente de carga.
As tensões de saída fornecidas não levam em consideração a resistência interna
dos transformadores, quando usados. Esta resistência pode causar diferenças da
ordem de 10% para menos nas tensões de saída.
As tensões de pico inversas encontradas através das equações da tabela são os
valores reais aos quais o diodo está sujeito. Ao selecionar o diodo deve-se usar um
com tensão reversa repetitiva máxima maior que o valor encontrado no cálculo.
121
122
A seguir estão apresentados 2 exemplos de utilização da tabela.
EXEMPLO 1
Circuito retificador de onda completa em ponte, sem filtro, tensão de entrada C, 8V,
carga 27Ω. Diodos silício.
Tensão de saída
É necessário considerar a queda nos diodos (VCA < 20V)
VCC = 2 EM – 2VD π EM = VCA . 2 EM = 8 . 1,41 EM = 11,3V VCC = 2_ VCC = _2_ VCC = __2__ . 9,9 π π 3,14
VCC = 0,636 . 9,9
Percentual de ondulação
Valor fixo = 48%
Tensão reversa de trabalho em cada diodo
VRWM = EM
123
11,3 – 2 . 0,7 11,3 – 1,4
VCC = 6,3V
VRWM = 11,3V
Corrente média em cada diodo
IFAV = _____ IFAV = _______ = 6,3V 54Ω
Poderia se utilizar, por exemplo, um diodo com as seguintes características:
VRWM = 25V IFAV = 200mA
EXEMPLO 2
Circuito retificador de onda completa com derivação central, diodos de silício, com
filtro, tensão CA de entrada 35V, carga 230mA, ondulação desejada 5Vpp.
Tensão de saída
Não é necessário considerar a queda nos diodos (VCA > 10V)
VCC = EM - _______
EM = VCA . 2 EM = 35 . 1,41 EM = 49,4V
VONDpp = 5V (fornecido) VCC = 49,4 - ____
Percentual de ondulação
% OND = ___________ . 100 % OND = __________ . 100
% OND = __________ . 100 % OND = 5V . 100 162,2V
124
VCC 2RL
6,3V 2 . 27Ω
IFAV = 117mA
VONDpp
2
5V
2 VCC = 46,9V
VONDpp 12 . VCC
5V 12 . 46,9V
5V
3,46 . 46,9V
% OND = 3,1%
Percentual de regulação
% R = _________ . 100 VCCNL = EM (retificação onda completa)
VCCNL = 49,4V VCC = 46,9V (com carga)
% R = 49,4 – 46,9V . 100 % R = 2,5 . 100 46,9V 46,9V
Cálculo do capacitor de filtro
C = T . _Imáx_ T = 8,33ms = onda completa Imáx = 230mA (fornecido) VONDpp
VONDpp = 5V (valor desejado fornecido)
C = 8,33 . 230 5
Usando os valores comerciais, o capacitor poderia ser de 470µF, 63V.
Tensão reserva de trabalho em cada diodo
VRWM = 2EM VRWM = 2 . 49,4V
Corrente média em cada diodo
IFAV = _____ IFAV = 230mA 2
Poderiam ser utilizados, por exemplo, 2 diodos com as seguintes características:
VRWM = 150V IFAV = 200mA
125
VCCNL – VCC
VCC
% R = 5,3%
C = 383µµµµF
VRWM = 98,8V
IRL
2 IFAV = 115mA
12 DIODO EMISSOR DE LUZ
É um tipo especial de diodo semicondutor que emite luz quando é polarizado
diretamente.
O diodo emissor de luz, identificado comumente como DIODO LED
é representado pelo símbolo apresentado na figura 1.
Fig. 1
Os diodos LED são encontrados com as mais diversas formas e dimensões. A figura
2 apresenta alguns tipos construtivos de diodos LED.
O catodo de um diodo LED pode ser identificado por um “corte” na base do
encapsulamento (fig. 3).
O diodo LED é utilizado principalmente em substituição às lâmpadas incandescentes
de sinalização, devido a uma série de vantagens que apresenta, tais como:
126
Fig. 2
CATODO
VISTA DE BAIXO Fig. 3
12.1 Corrente Direta Nominal (IF)
É um valor de corrente de condução indicado pelo fabricante no qual o diodo LED
apresenta um rendimento luminoso ótimo (normalmente 20mA).
12.2 Tensão Direta Nominal (VF)
Para valores de corrente direta diferente do valor nominal (IF) a tensão direta de
condução sofre pequenas modificações de valor.
12.3 Tensão Inversa Máxima (VR)
Especificação que determina o valor de tensão máxima que o diodo LED suporta no
sentido inverso sem sofrer ruptura.
A tensão inversa máxima dos diodos LED é pequena (da ordem de 5V) uma vez que
estes componentes não têm por finalidade a retificação.
A tabela 2 apresenta as características de alguns diodos LED.
127
- Baixo consumo
- Alta resistência a vibrações
- Nenhum aquecimento
- Grande durabilidade
Especificação que define a queda da
tensão típica do diodo no sentido de
condução. A queda de tensão nominal
(VF) ocorre no componente quando a
corrente direta tem valor nominal (IF)
(fig. 4). Fig.4
TABELA 2
LED COR VF a IF = 20mA IF máx.
LD 30C Vermelho 1,5V 100 mA
LD 37Ι Verde 2,4V 60 mA
LD 35Ι Amarelo 2,4V 60 mA
12.4 Led Bicolor
O led bicolor consiste, na verdade, de dois leds colocados dentro de uma mesma
cápsula.
Estes LEDs tem três terminais (fig. 5 e 6).
Um dos terminais é comum aos dois LEDs. Dependendo da cor que se deseja
acender polariza-se um dos diodos (fig. 7 e 8).
128
Fig. 5 Fig. 6
ACENDE UMA COR ACENDE
OUTRA COR
Fig. 7 Fig. 8
12.5 LED Infra-Vermelho
A luz infra-vermelha é um tipo de luz que não é visível ao olho humano. Este tipo de
luz é usado principalmente em alarmes contra roubos e circuitos do gênero.
Existem diodos LED’s que emitem luz vermelha. Estes LED’s funcionam como os
outros, porém não se pode observar visualmente se estão ligados ou não.
12.6 Teste do Diodo LED
Os diodos LED’s podem ser testados como um diodo comum, usando um multímetro
na escala de resistência.
Em um sentido teste deve indicar baixa resistência e, em outro, alta resistência. (fig.
9 e 10).
Fig. 9
129
Fig. 10
OBSERVAÇÃO:
Em alguns casos, dependendo do multímetro utilizado para o teste, o LED acende
durante o teste com polarização direta.
130
13 DIODO ZENER
O diodo zener é um tipo especial de diodo utilizado como regulador de tensão. A sua
capacidade de regulação de tensão é empregada principalmente nas fontes de
alimentação, visando à obtenção de uma tensão de saída fixa.
13.1 Comportamento do Diodo Zener
O comportamento do diodo zener depende fundamentalmente da forma como é
polarizado.
POLARIZAÇÃO DIRETA: com polarização direta o diodo zener se comporta da
mesma forma que um diodo retificador, entrando em condução e assumindo uma
queda de tensão típica.
A figura 2 mostra um diodo zener polarizado e a figura 3 mostra a curva
característica de condução.
131
O diodo zener é essencialmente um regulador de tensão.
O diodo zener é representado nos diagramas pelo símbolo
mostrado na figura 1.
a) Com polarização direta;
b) Com polarização inversa.
Fig. 1
Fig. 2 Fig. 3
Normalmente o diodo zener não é utilizado com polarização direta nos circuitos
eletrônicos.
POLARIZAÇÃO INVERSA: até um determinado valor de tensão inversa, o diodo
zener se comporta como um diodo comum, ficando em bloqueio.
No bloqueio, circula no diodo zener uma pequena corrente de fuga, conforme mostra
a figura 4.
O sinal negativo de Iz (-Iz) na figura 4 indica que esta corrente circula no sentido
inverso pelo diodo.
Em um determinado valor de tensão inversa, o diodo zener entra em condução,
apesar de polarizado inversamente.
132
Polaridade diretamente, o diodo zener se comporta como um diodo
retificador convencional.
A corrente inversa aumenta
rapidamente e a tensão sobre o
zener se mantém praticamente
constante (fig.5).
Fig. 4
Fig. 5
O valor de tensão inversa que faz com que o diodo zener entre em condução é
denominado de TENSÃO ZENER.
Enquanto houver corrente inversa circulando no diodo zener à tensão sobre seus
terminais se mantém praticamente no valor de tensão zener.
É importante observar que, no sentido reverso, o diodo zener difere do diodo
retificador convencional.
Um diodo retificador nunca chega a conduzir intensamente no sentido reverso, e se
isto acontecer o diodo estará em curto, danificado permanentemente.
O diodo zener é levado propositalmente a conduzir no sentido reverso, visando
conter a tensão zener constante sobre seus terminais, sem que isto danifique o
componente.
13.2 Características do Diodo Zener
As características elétricas importantes do diodo zener são:
a) Tensão Zener;
b) Potência Zener;
c) Coeficiente de Temperatura;
d) Tolerância.
133
Tensão zener (Vz) é a tensão que aplicada inversamente a um
diodo zener provoca a sua condução.
O funcionamento típico do diodo zener é com corrente inversa, o que
estabelece uma tensão fixa sobre seus terminais.
a) Tensão Zener:
A tensão zener (tensão de ruptura) dos diodos zener depende do processo de
fabricação e da resistividade da junção semicondutora. Durante a ruptura o diodo
zener fica com o valor de tensão zener sobre seus terminais.
Os diodos zener são fabricados para valores de tensão zener da ordem de 2V até
algumas dezenas de volts. Este valor é fornecido pelo fabricante nos folhetos
técnicos dos diodos zener.
b) Potência Zener:
O diodo zener funciona na região de ruptura, apresentando um valor determinado de
tensão sobre seus terminais (VZ) e sendo percorrido por uma corrente inversa. (fig.
6).
Nestas condições, verifica-se que o componente dissipa potência em forma de calor.
A potência dissipada é dada pelo produto de tensão e corrente:
134
A tensão zener é a tensão que fica sobre o componente na condição
de funcionamento normal.
P = V . I
POTÊNCIA
PZ = VZ . IZ
POTÊNCIA ZENER
Fig. 6
Os diodos zener são fabricados para determinados valores de potência de
dissipação (o,4W, 1W, 10W).
Estes valores determinam a dissipação máxima que o componente pode suportar.
Cada diodo zener tem um valor de dissipação máxima que é fornecido pelo
fabricante nos folhetos técnicos.
Utilizando os valores de tensão zener e potência zener máxima, fornecidos pelo
fabricante, pode-se determinar a corrente máxima que o zener pode suportar.
Este valor da corrente não pode ser exercido sob pena de danificar o diodo zener
por excesso de aquecimento.
Os diodos zener de pequena potência (até 1W) podem ser encontrados em
encapsulamento de vidro ou plástico enquanto os de maior potência são geralmente
metálicos para facilitar a dissipação de calor (fig. 7 e 8).
A região de funcionamento do zener é determinada por dois valores de corrente,
uma vez que sua tensão inversa é constante.
135
PZ = VZ . IZ PZmáx = VZ . IZmáx IZmáx = ________ PZmáx
VZ
Fig. 7
Fig. 8
Estes valores de corrente são:
- IZ máximo
- IZ mínimo (fig. 9)
O valor de IZ máximo é determinado pela potência zener:
O valor de IZ mínimo é definido como 10% do valor de IZ máximo.
c) Coeficiente de Temperatura:
Os diodos zener são fabricados com materiais semicondutores, que sofrem
influência da temperatura nas suas condições de funcionamento (dependência
térmica).
A influência da variação de temperatura na tensão zener é expressa sob a forma de
relação entre dois valores (tensão e temperatura). Esta relação define em quantos
milivolts a tensão zener se modifica para cada grau centígrado de alteração da
temperatura do componente.
136
IZ máx = _______ PZ
VZ
IZ min = ______ IZ máx
10
A tensão zener se modifica com a variação de
temperatura do componente.
Fig. 9
Devido a uma diferença no princípio de funcionamento interno, os diodos zener são divididos em dois grupos: TENSÃO ZENER COEFICIENTE DE TEMPERATURA SIGNIFICADO
Até 6V
- mV / ºC
A tensão sobre o zener diminui com o aumento da temperatura.
Acima de 6V
+ mV / ºC
A tensão sobre o zener aumenta com o aumento da temperatura.
As curvas características da figura 10 e 11 exemplificam a dependência técnica nos
dois grupos de diodo zener.
OBSERVAÇÃO:
Os valores de tensão zener fornecidos pelo fabricante nos folhetos técnicos são
válidos para a temperatura de 25ºC.
137
COEFICIENTE DE
TEMPERATURA MV / ºC
Fig. 10 Fig. 11
d) Tolerância:
A tolerância do diodo zener especifica a variação que pode existir entre o valor
especificado e o valor real de tensão reversa do diodo zener.
Isto significa que um diodo zener de 12V pode ter uma tensão reversa real, por
exemplo, de 11,5V.
Para especificar a tolerância os fabricantes de diodo zener utilizam uma codificação:
- Tolerância de 5% - a designação do diodo zener vem acompanhada de uma
letra A.
Exemplo: 1N4742 A
Consultando o manual de diodos zener se verifica que o diodo 1N4742 é de 12V,
1W.
A letra A indica que pode existir uma variação de ± 5% no valor de tensão do zener
(de 11,4V a 12,6V).
- Tolerância de 10% - a designação do diodo vem sem letra no final.
Exemplo: 1N4133
Características 5,1V; 1W; 10% de tolerância (de 4,6V a 5,6V).
A tabela a seguir apresenta a especificação de alguns diodos zener.
138
139
14 O DIODO ZENER COMO REGULADOR DE TENSÃO
As características de comportamento do diodo zener na região de ruptura permitem
que o componente seja utilizado em circuitos que possibilitam a obtenção de uma
tensão regulada, a partir de fontes que forneçam tensões variáveis ou mesmo com
cargas de consumo variável (fig. 1).
Para que o diodo zener seja utilizado como regulador de tensão é necessário
introduzir junto com o componente, no circuito regulador, um resistor que limite a
corrente do zener abaixo do seu valor máximo (IZ máximo).
A figura 2 apresenta a configuração característica de um circuito regulador de tensão
com o diodo zener.
140
Fig. 1
Fig. 2
Conversão Filtro Regulação com
zener
Carga variável
CC pulsante CC filtrada CC regulada
ENTRADA TENSÃO
NÃO REGULADA
RS – RESITOR LIMITADOR
SAÍDA TENSÃO
REGULADA CARGA
A tensão sobre a carga é a mesma do diodo zener porque carga e zener estão em
paralelo.
14.1 Funcionamento do Circuito Regulador
O circuito regulador com diodo zener deve receber na entrada uma tensão no
mínimo 40% maior que o valor desejado na saída para que seja possível efetuar a
regulação. Assim, se a tensão de saída desejada é de 6V, o circuito regulador deve
utilizar um diodo zener com VZ = 6V e tensão de entrada de pelo menos 8,5 (fig. 3).
14.2 Condição Normal
A aplicação de tensão de entrada superior a tensão de ruptura do diodo zener,
coloca o componente na região de ruptura.
Desta forma a tensão sobre o zener assume o valor característico VZ (fig. 4).
141
Fig. 3
Fig. 4
Como o diodo zener e a carga estão em paralelo, assumem a mesma tensão (fig. 5).
Nesta condição circula corrente através da carga e do diodo zener (fig. 6).
Através do resistor limitador circula a soma das correntes do zener e da carga (fig.
7).
Estas correntes provocam uma queda de tensão sobre o resistor, cujo valor é
exatamente a diferença entre a tensão da entrada e a tensão do zener (fig. 8).
142
VRL =VZ
Fig. 5
Fig. 6
Fig. 7
Esta é a condição normal de funcionamento do circuito (fig. 9).
14.3 Condições de Regulação
A partir da condição normal de funcionamento são possíveis três situações distintas:
- Regulação de tensão quando a tensão de entrada está sujeita a variações.
- Regulação de tensão quando o consumo de corrente de carga pode ser
variável.
- Regulação de tensão quando a tensão de entrada e a corrente de carga
variam.
14.4 Regulação de Tensão com Tensão de Entrada Variável
Esta situação é muito comum em circuitos eletrônicos alimentados pela rede elétrica
CA.
143
VRS = VENT – VZ
Fig. 8
Fig. 9
A tensão fornecida pelas fontes retificadoras alimentadas pela rede elétrica CA varia
proporcionalmente em relação à tensão de entrada (fig. 10).
Para conseguir que a tensão CC aos circuitos eletrônicos alimentados pela rede CA
seja constante, são utilizados circuitos reguladores com diodo zener.
A seguir está descrita a forma como circuito regulador atua quando ocorre variação
na tensão de entrada, tomando como referência um circuito na condição normal de
funcionamento (fig. 11).
14.5 Aumento na Tensão de Entrada
Quando ocorre um aumento na tensão de entrada, este aumento tende a se
transferir para a carga.
144
Fig. 10
Fig. 11
Entretanto, o zener em paralelo com a carga mantém a tensão na carga constante; a
do zener diminui, permitindo a circulação de um valor de corrente zener maior: (fig.
12 e 13).
Resumindo:
Com o aumento na tensão de entrada:
a) A tensão e corrente na carga permanecem praticamente constantes;
b) A corrente do zener aumenta.
A soma das correntes do zener e carga (IZ + IRL) circula no resistor limitador.
Com o aumento na corrente do zener aumenta também a corrente no resistor
limitador (IL + IZ = IRS).
Com acréscimo da corrente no resistor limitador a sua queda de tensão aumenta
compensando o aumento na tensão de entrada (fig. 14 e 15).
145
VZ = RZ . IZ
Fig. 12 Fig. 13
Na prática, observa-se um pequeno aumento na tensão zener (por exemplo, de 6V
para 6,1V).
A figura 16 ilustra o comportamento do circuito regulador com o aumento da tensão
de entrada.
14.6 Redução na Tensão de Entrada
Quando há uma redução na tensão de entrada o zener se comporta de forma
inversa. Embora a tensão de entrada diminua, o zener em paralelo com a carga
mantém a tensão de saída constante.
Para que a tensão no zener (e na carga) permaneça constante a resistência interna
do zener aumenta, de forma que a corrente zener diminui (VZ = Rz . IZ) (fig. 17 e
18).
146
Fig. 14 Fig. 15
Fig. 16
Com a diminuição de IZ a corrente que circula no resistor limitador (IZ + IRL) se reduz.
Isto provoca a redução na queda de tensão no resistor limitador, compensando a
redução na tensão de entrada (fig. 19 e 20).
Verifica-se que a tensão sobre a carga permanece praticamente constante (6V e
5,9V) mesmo que a tensão de entrada diminua significativamente (8,5V para 7,5V).
A figura 21 ilustra o comportamento do circuito regulador com a redução na tensão
de entrada.
147
Fig. 17 Fig. 18
Fig. 19 Fig. 20
VENT diminui
VRS diminui
Permanece praticamente constante
Fig. 21
14.7 Conclusão
Analisando as duas situações de regulação, conclui-se que as diferenças de tensão
de entrada ficam sobre o resistor limitador, permitindo a carga receber uma tensão
praticamente constante (fig. 22).
14.8 Regulação de Tensão com Corrente de Carga Variável
As variações de tensão de alimentação em função da corrente de carga ocorrem,
principalmente, devido às características dos filtros utilizados nas fontes
retificadoras.
A variação na tensão de ondulação na saída das fontes provoca alterações na
tensão fornecida em função da corrente consumida pela carga.
O diodo zener pode ser utilizado, formando um circuito regulador, que possibilita o
fornecimento de tensão constante, independentemente do consumo de corrente pela
carga.
A seguir é analisada a forma como o diodo zener se comporta frente às variações da
corrente de carga, tomando como base um circuito na condição normal, com valor
de carga média (fig. 23).
148
Fig. 22
Considerando-se que a tensão de entrada seja constante, pode-se afirmar que a
tensão sobre o resistor limitador é constante (fig. 24).
Isto implica em que a corrente, que circula através do resistor limitador, tenha um
valor constante independente das variações de carga.
Resumindo, pode-se dizer:
Como IRS é dado pela soma IZ + IRL pode-se escrever:
149
Vi = constante VRS = constante IRS = constante
Tensão de entrada
constante IZ + IRL = constante
(carga média)
Fig. 23
VRS constante enquanto
VI for constante
Fig. 24
A partir desta conclusão pode-se analisar o comportamento do circuito quando a
corrente de carga varia.
14.9 Aumento na Corrente de Carga
Quando a corrente de carga aumenta, a corrente no diodo zener diminui, porque a
soma de IZ + IRL é sempre constante.
IZ + IRL = constante IRL + IZ = constante
As figuras 25 e 26 ilustram o que foi descrito.
14.10 Diminuição da Corrente de Carga
Quando a corrente de carga diminui, a corrente no zener aumenta, fazendo com que
a corrente no limitador permaneça constante.
IZ + IRL = constante IRL + IZ = constante
150
IRL = aumentou 20mA
IZ = diminuiu 20mA
IRS = permanecem constante
CONDIÇÃO MODIFICADA
Fig. 25 Fig. 26
As figuras 27 e 28 ilustram o comportamento do circuito com redução IRL.
Observando as duas situações de variação da corrente de carga se observa que o
zener absorve estas variações, de forma que a tensão sobre a carga permaneça
constante (fig. 29).
14.11 Regulação de Tensão com Corrente de Carga e Tensão de Entrada
Variável
Na maioria dos casos os circuitos reguladores estão sujeitos a variações
simultâneas de tensão de entrada e corrente de carga.
151
IRL = diminuiu 20mA
IZ = aumentou 20mA
IRS = permanecem constante
Fig. 27 Fig. 28
Fig. 29
Nestas condições o comportamento do circuito pode ser resumido em duas
situações:
- As variações de tensão de entrada aparecem sobre o resistor limitador;
- As variações de corrente de carga se traduzem em variações na corrente do
zener (fig. 30).
14.12 Fonte de Alimentação com Tensão de Saída regular a Diodo Zener
Uma fonte de alimentação com tensão de saída regular a diodo zener se compõe
basicamente dos três blocos apresentados na figura 31.
- A retificação transforma a CA em CC pulsante, podendo ser meia onda ou
onda completa.
- A filtragem aproxima a forma de tensão de saída à CC.
152
VARIAÇÕES DE TENSÃO
VARIAÇÕES DE CORRENTE DE CARGA
Fig. 30
Tensão CC regulada
CA
Retificação Filtro
Regulação com zener
Fig. 31
- A regulação recebe a tensão filtrada, que contém uma ondulação e que varia
em função da carga e da CA de entrada, entregando na saída uma tensão
constante (fig. 32).
A figura 33 mostra o chapeado de uma placa de circuito impresso para uma fonte de
CC com tensão de saída regulada a zener, identificando os blocos do circuito.
OBSERVAÇÃO
Não aparecem no circuito a chave liga-desliga, o fusível, a chave seletora
110V/220V e o transformador porque estão fora da placa de circuito impresso.
153
Fig. 32
RETIFICAÇÃO FILTRAGEM
ESTABILIZAÇÃO
Fig. 33
15 TRANSISTOR BIPOLAR ESTRUTURA BÁSICA
O transistor bipolar é um componente eletrônico constituído por materiais
semicondutores, capaz de atuar como controlador da corrente, o que possibilita o
seu uso como amplificador de sinais ou como “interruptor eletrônico”.
Em qualquer uma das duas funções o transistor encontra ampla aplicação:
- Amplificador de sinais = equipamentos de som e imagem e controles
industriais.
- Interruptor eletrônico = controles industriais, calculadoras e computadores
eletrônicos.
O transistor bipolar proporcionou um grande desenvolvimento à eletrônica, devido a
sua versatilidade de aplicação, constituindo-se em elemento chave de grande parte
dos equipamentos eletrônicos.
15.1 Estrutura Básica
A estrutura básica do transistor se compõe de duas pastilhas de material
semicondutor, de mesmo tipo, entre as quais é colocada uma terceira pastilha,
bastante mais fina, de material semicondutor com tipo diferente de dopagem,
formando uma configuração semelhante a um “sanduíche” (fig.1).
154
Material com dopagem diferente
MESMA DOPAGEM
Fig. 1
15.2 Tipos de Transistores
A configuração da estrutura, em forma de sanduíche, permite que se obtenha dois
tipos distintos de transistores:
Este tipo de transistor é denominado de TRANSISTOR BIPOLAR NPN.
Os dois tipos de transistores podem cumprir as mesmas funções diferindo apenas na
forma como as fontes de alimentação são ligadas ao circuito eletrônico.
15.3 Terminais do Transistor
155
- Um com pastilhas externas de
material N e pastilha central de
material P (fig. 2).
- Outro com pastilha externas
de material P e pastilha
central de material N,
denominado de TRANSISTOR
BIPOLAR PNP (fig. 3).
Existem dois tipos de transistores bipolares: NPN e PNP
Cada uma das pastilhas formadoras do
transistor é conectada a um terminal que
permite a interligação da estrutura do
componente aos circuitos eletrônicos
(fig. 4).
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
Os terminais recebem uma designação que permite distinguir cada uma das
pastilhas:
- A pastilha central é denominada de BASE, representada pela letra B.
- Uma das pastilhas externas é denominada de COLETOR, representada pela
letra C.
- A outra pastilha externa é denominada de EMISSOR, representada pela letra
E.
A figura 5 apresenta os dois tipos de transistores, com a identificação dos terminais.
Embora as pastilhas do coletor e do emissor sejam do mesmo tipo de material
semicondutor, não é possível trocaras ligações de um terminal com o outro nos
circuitos eletrônicos porque existe diferença de volume de material semicondutor e
de intensidade de dopagem entre as pastilhas.
15.4 Simbologia
A figura 6 apresenta o símbolo dos transistores NPN e PNP, indicando a designação
dos terminais.
156
O transistor possui três terminais: coletor, base e emissor.
Fig. 5
A diferença entre os símbolos dos dois transistores é apenas o sentido da seta no
terminal “emissor”.
Alguns transistores, fabricados para aplicações específicas, são dotados de
blindagem.
Esta blindagem consiste em um invólucro metálico ao redor das pastilhas
semicondutoras, que tem por finalidade evitar que o funcionamento do transistor seja
afetado por campos elétricos ou magnéticos do ambiente.
15.5 Aspecto Real dos Transistores
Os transistores podem se apresentar nos mais diversos formatos
(encapsulamentos).
Os seus formatos geralmente variam em função:
157
Estes transistores apresentam um quarto
terminal, ligado à blindagem para que esta
possa ser ligada à terra do circuito eletrônico.
O símbolo destes transistores mostra a
existência do quarto terminal (fig. 7).
Fig. 7
Fig. 6
- Do fabricante;
- Da função da montagem;
- Do tipo de montagem;
- Da capacidade de dissipar calor.
A figura 8 apresenta alguns tipos construtivos de transistores.
Por esta razão, a identificação dos terminais do transistor deve sempre ser feita com
o auxílio de um manual de transistores ou folheto técnico específico do fabricante do
transistor.
158
(1)
(5) Fig. 8
16 AS TENSÕES NOS TERMINAIS DO TRANSISTOR
O estudo do princípio de funcionamento do transistor consiste em uma análise do
movimento dos elétrons livres e lacunas no interior do componente, provocado pela
aplicação de tensões externas ap coletor, à base e ao emissor.
Para que os portadores se movimentem no interior da estrutura do transistor é
necessário aplicar tensões aos seus terminais.
O movimento dos elétrons livres e lacunas está intimamente ligado a polaridade da
tensão aplicada a cada um dos terminais do transistor.
Por esta razão a polaridade da tensão de funcionamento dos terminais do transistor
NPN é diferente da polaridade dos transistores PNP.
16.1 As Junções do Transistor e a Polaridade das Tensões nos Terminais
A estrutura física do transistor propicia a formação de duas junções entre cristais P e
N:
159
- Uma junção PN, entre o cristal da
base e o cristal do emissor, chamado
de junção base-emissor (fig. 1).
- Uma junção PN, entre o cristal da
base e o cristal do coletor, chamado
de junção base-coletor (fig. 2).
Fig. 1
Fig. 2
Ao unirem-se as três pastilhas semicondutoras de um transistor ocorre um processo
de difusão dos portadores.
Como em um diodo, este processo de difusão da origem a uma barreira de potencial
em cada junção.
No transistor, portanto existem duas barreiras de potencial que se formam com a
junção dos cristais:
- A barreira de potencial na junção base-emissor;
- A barreira de potencial na junção base-coletor.
As figuras 3 e 4 mostram as barreiras de potencial nos dois tipos de transistor.
a) A JUNÇÃO BASE-EMISSOR:
Na condição normal de funcionamento, denominada de função na região ativa, a
junção base-emissor é polarizada diretamente.
160
TRANSISTOR NA REGIÃO ATIVA:
JUNÇÃO BASE-EMISSOR POLARIZADA DIRETAMENTE
Fig. 3 Fig. 4
A condução da junção base-emissor é provocada pela aplicação de tensão externa
entre base e emissor, com polaridade correta (tensão positiva no material P e
negativa no material N).
As figuras 5 e 6 mostram a polaridade das tensões de base e de emissor em cada
topo de transistor.
b) A JUNÇÃO BASE-COLETOR:
Na região de funcionamento ativo, a junção base-coletor é polarizada inversamente.
O bloqueio da junção base-coletor é provocado pela aplicação de tensão externa
entre base e coletor, com polaridade adequada (tensão positiva no material N e
negativa no material P).
161
TRANSISTOR NA REGIÃO ATIVA:
JUNÇÃO BASE-COLETOR POLARIZADA INVERSAMENTE.
Fig. 5
Fig. 6
As figuras 7 e 8 mostram a polaridade das tensões de coletor em relação à base em
cada tipo de transistor.
16.2 Polarização Simultânea das duas Junções
Para que o transistor funcione corretamente as duas junções devem ser polarizadas
ao mesmo tempo.
Isto pode ser feito aplicando duas tensões externas entre os terminais do transistor
(fig. 9 e 10).
162
Fig. 7
Fig. 8
Fig. 9
NPN
OBSERVAÇÃO: As baterias representam as tensões de polarização.
Pode-se ainda obter a polarização correta das junções utilizando outra configuração
de ligação das baterias.
A figura 11 mostra a forma alternativa de polarização, tomando o transistor NPN
como exemplo.
Analisando a figura observa-se:
- A bateria B1 polariza junção base-emissor do transistor diretamente.
- A bateria B2 aplica uma tensão positiva ao coletor maior que a tensão positiva
da base.
Se o coletor é mais positivo que a base então a base é mais negativa de forma que
a junção base-coletor fica polarizada inversamente (fig. 12).
163
PNP
Fig. 10
Fig.11
A alimentação simultânea das duas junções, através das baterias externas, dá
origem a três tensões entre os terminais do transistor.
164
O coletor é mais positivo que
a base, logo
A base é negativa em
relação ao coletor.
TRANSISTOR – REGIÃO ATIVA
- A junção base-emissor deve ser polarizada diretamente;
- A junção base-coletor deve ser polarizada inversamente.
- Tensão de base a emissor
denominada de VBE (fig.13).
- Tensão de coletor a base,
denominada de VCB (fig. 14).
Fig. 12
Fig. 13
Fig. 14
Dispondo as três tensões em uma mesma figura se observa que as tensões VBE +
VCB somadas são iguais a VCE (fig. 16).
Para o transistor NPN a regra também é válida, invertendo-se apenas a polaridade
das baterias de polaridade das baterias de polarização (fig. 17).
165
- Tensão de coletor a emissor
denominada de VCE (fig.15).
VCE = VBE + VCB
VCE = VBE + VCB
Fig. 15
Fig. 16
Fig. 17
17 PINCÍPIO DE FUNCINAMENTO DO TRANSISTOR BIPOLAR
A aplicação de tensões externas ao transistor provoca o movimento dos elétrons
livres e lacunas no interior da estrutura cristalina.
O movimento dos portadores livres dá origem a três correntes que circulam os três
terminais do transistor (fig. 18).
A corrente do terminal EMISSOR é denominada de corrente de emissor
representada pela notação IE, a do terminal BASE de corrente de base (IB) e a do
terminal COLETOR de corrente (IC). Por convenção se estabeleceu que toda a
corrente que entra no transistor é positiva e a corrente que sai é negativa.
As figuras 19 e 20 mostram os dois tipos de transistor com as suas correntes.
166
Fig. 18
Fig. 19 Fig. 20
O princípio de funcionamento, que explica a origem das correntes no transistor é o
mesmo para os transistores NPN e PNP.
Por esta razão usa-se estudar o princípio de funcionamento apenas de um tipo. O
comportamento do tipo não analisado é semelhante, diferindo apenas na polaridade
das baterias e no sentido das correntes.
17.1 A Corrente de Base
A corrente de base é provocada pela tensão aplicada entre a base e o emissor do
transistor (VBE).
Tomando-se como exemplo o transistor PNP, para analisar o efeito causado pela
tensão VBE têm-se:
- O potencial positivo aplicado ao emissor repele as lacunas do material P em
direção à base (fig. 21).
- Se a tensão VBE tiver um valor adequado (0,6V para o silício e 0,3V para
germânio) as lacunas adquirem velocidade suficiente para atravessar a
barreira de potencial formada na junção base-emissor, recombinando-se com
os elétrons livres da base.
167
Fig. 21
Esta recombinação dá origem a corrente de base (fig. 22).
Devido à pequena espessura da base e também do seu pequeno grau de dopagem
e recombinação acontece em pequena escala (poucos portadores que provém do
emissor podem se recombinar). Isto faz com que a corrente de base seja pequena,
com valores que situam na faixa de microampéres ou miliampéres.
Como o emissor é fortemente dopado, um grande número de lacunas se desloca em
direção à base, repelidos pela tensão positiva do emissor e atraídos pela tensão
negativa da base.
A base, entretanto, não tem elétrons livres suficientes para recombinar com a maior
parte destas lacunas que provém do emissor.
Assim, um grande número de lacunas atinge a base em grande velocidade e não se
recombina, por falta de elétrons livres disponíveis (fig. 23).
168
Pequeno valor IB
Fig. 22
17.2 A Corrente de Coletor
As lacunas provenientes do emissor que não se recombinam se caracterizam por
serem portadores minoritários na base do transistor que é de material N (lacunas
presentes em um material N são portadores minoritários).
A barreira de potencial da junção coletor-base favorece o deslocamento das lacunas
da base para o coletor, onde existe um alto potencial negativo.
As lacunas que atingem o coletor, passando através da junção base-coletor dão
origem à corrente de coletor (fig. 24).
169
A corrente de base é provocada pela aplicação de um potencial
VBE ao transistor. Esta corrente é muito pequena porque se deve à
recombinação de portadores na base.
Fig. 23
A corrente de coletor tem valores muita maiores que a corrente de base porque a
grande maioria das lacunas, que partem do emissor, não se recombinam sendo
absorvidos pelo coletor.
Em geral, do total de lacunas que entra no emissor de um transistor PNP apenas 5%
(ou menos) correspondem a corrente da base. Os restantes 95% (ou mais)
correspondem a corrente de coletor (fig. 25).
170
IC » IB
IC é muito maior que IB
Fig. 24
GRANDE IC
(Devido ao Grande Número de lacunas não Recombinados na base.)
PEQUENA IB
(Pequena Recombinação na Base.)
17.3 A Corrente de Emissor
Analisando-se um transistor PNP e suas correntes se verifica que:
- A corrente de emissor entra no transistor;
- As correntes de base e coletor saem do transistor (fig. 26).
A corrente de base é formada por portadores que vem do emissor e recombinam na
base.
A corrente de coletor é formada por portadores que vem do emissor e não se
recombinam, dirigindo-se ao coletor.
171
Fig. 25
Fig. 26
Conclui-se, portanto, que tanto a corrente de base como a corrente de coletor
provém do emissor, da forma que se pode afirmar IC + IB = IE (fig. 27).
17.4 O Controle da Corrente de Base sobre a Corrente de Coletor
A principal característica do transistor reside no fato de que a corrente de base
(pequena corrente) exerce um controle eficiente sobre a corrente de coletor (IC).
Este controle se deve ao fato de que a corrente de base influi na largura de barreira
de potencial da junção base-emissor.
Quando a tensão VBE aumenta, a barreira de potencial na junção base-emissor
torna-se mais estreita (fig. 28)
172
A CORRENTE DE BASE CONTROLA
A CORRENTE DE COLETOR
Fig. 27
O estreitamento da barreira de potencial entre a base e o emissor permite que um
maior número de portadores do emissor atinjam a base.
Esta maior quantidade de portadores é absorvida pelo coletor, uma vez que a base
não tem capacidade para recombiná-los. Verifica-se, então um aumento na corrente
de coletor.
CONCLUSÃO
ΙB aumenta ΙC aumenta
Por analogia pode-se afirmar:
ΙB diminui ΙC diminui
Isto significa que a corrente de base de um transistor atua como corrente de controle
e a corrente de coletor como corrente controlada.
173
ΙB controla ΙC
Fig. 28
17.5 Ganho de Corrente do Transistor
Através de um transistor é possível utilizar uma pequena corrente (ΙB) para controlar
a circulação de uma corrente de valor muito maior (ΙC) que a outra:
A corrente controlada (ΙC) e a corrente de controle (ΙB) podem ser relacionadas entre
si para determinar quantas vezes uma é maior que a outra:
O resultado desta relação é denominado tecnicamente de ganho de corrente
contínua entre base e coletor, representado pela letra grega β (BETA) em corrente
contínua ou hFE.
Conhecendo-se o ganho de corrente entre base e coletor do transistor (βDC) é
possível determinar a corrente de coletor.
174
Uma pequena
corrente ΙB
Uma corrente
ΙC muito maior CONTROLADA
HFE ou βDC = ___
ΙC
ΙB
Ganho de corrente contínua
entre base e coletor.
___
Resulta em um número que indica quantas
vezes a corrente de coletor é maior que a
corrente de base.
ΙC
ΙB
βDC = ___ ΙC
ΙB
ΙC = βDC . ΙB
É importante salientar que o fato do transistor permitir um ganho de corrente entre
base e coletor não significa que sejam geradas ou criadas correntes no seu interior.
Todas as correntes que circulam em um transistor são provenientes da fonte de
alimentação, cabendo ao transistor apenas controlar a quantidade de corrente
fornecida por estas fontes.
175
Os transistores não geram correntes, atuando apenas como
controladores das quantidades de correntes fornecidas
pelas fontes de alimentação.
18 O CIRCUITO DE COLETOR
Na grande maioria dos circuitos transistorizados o coletor do transistor é conectado a
fonte de alimentação através de um resistor, denominado de “resistor de coletor”,
geralmente abreviado por RC (fig. 1).
Fig. 1
O resistor de coletor completo o CIRCUITO ou MALHA DE COLETOR, que é o
composto pelo grupo de componentes onde circula a corrente de coletor (fig. 2).
176
MALHA DE
COLETOR Fig. 2
Observando a figura 2 se verifica que a malha de coletor se compõe do resistor de
coletor RC em série com o transistor (coletor-emissor), aos quais está aplicada a
tensão VCC.
Sendo um circuito série, a malha de coletor obedece a segunda Lei Kirchhoff que
estabelece que a soma das quedas de tensão em um circuito é igual à tensão
aplicada aos seus extremos.
Na malha de coletor, a tensão VCC fornecida pela bateria se distribui em duas
parcelas:
- Uma parcela sobre o resistor de coletor, denominada de queda de tensão no
resistor de coletor, VRC.
- Uma parcela entre coletor e emissor do transistor (VCE), conforme a figura 3.
Conforme estabelece a Lei Kirchhoff, a soma das quedas de tensão nos
componentes da malha de coletor é igual à tensão aplicada à malha. A partir disto,
pode-se determinar a equação da malha de coletor:
177
VCC = VCE + VRC EQUAÇÃO DA
MALHA DE COLETOR
Fig. 3
Analisando particularmente cada um dos membros da equação da malha de coletor
têm-se:
VCC – é a tensão fornecida pela bateria ao circuito. Desconsiderando-se a influência
da resistência interna pode-se admitir que VCC tem um valor constante, independente
da corrente que o circuito solicitar.
VRC – é a queda de tensão no resistor de coletor. O valor desta queda de tensão,
segundo a Lei de Ohm, depende de dois fatores: do valor do resistor (RC) e da
corrente que está circulando (ΙC).
Esta expressão matemática nada mais é do que a Lei de Ohm aplicada ao resistor
de coletor.
V = R . ΙΙΙΙ
VRC = RC . ΙΙΙΙC
A queda de tensão no resistor de coletor (VRC) tem como principal característica o
fato de ser proporcional a corrente de coletor do transistor.
Se a corrente de coletor se torna maior (ΙC+) a queda de tensão sobre o resistor de
coletor aumenta (RC . ΙC+ = VRC+).
178
VRC = RC . ΙΙΙΙC
EQUAÇÃO DA QUEDA DE TENSÃO
NO RESISTOR DE COLETOR
A queda de tensão no resistor de coletor
(VRC) é proporcional a corrente de coletor (ΙC).
VCE – A tensão coletor emissor é o último membro da equação da malha de coletor.
O valor de VCE é o resultante da equação. VCE depende da tensão de alimentação e
da queda de tensão em RC:
VCC = VCE + VRC operando têm-se
Através de um exemplo pode-se ilustrar o emprego das equações da malha de
coletor.
Um transistor com resistor de coletor de 680Ω tem uma corrente de coletor de 6mA.
A bateria fornece uma tensão de 12V a malha de coletor. Qual é a queda de tensão
no resistor de coletor e a tensão coletor emissor do transistor.
Fig. 4
VRC = RC . ΙC VRC = 68Ω . 0,006A
179
VCE = VCC - VRC TENSÃO COLETOR-EMISSOR
DO TRANSISTOR
A figura 4 mostra o esquema da
malha de coletor citada.
Queda de tensão
no resistor de coletor
VRC = 4,1V
VCE = VCC - VRC VCE = 12V – 4,1V
Fig. 5
18.1 Relação Entre os Parâmetros ΙΙΙΙC, VCE e ΙΙΙΙB
Ao considerar que a queda de tensão VRC depende de ΙC, se afirma que VRC
depende também de ΙB. Desenvolvendo a equação da queda de tensão no resistor
de coletor têm-se.
VRC = RC . ΙC como ΙC = Ι B . β
VRC = RC . (ΙB . β)
ΙC
Nesta equação os valores de RC e β são constantes, logo se pode dizer que o valor
da queda de tensão no resistor de coletor depende diretamente da corrente de base.
Tomando-se um circuito a transistor com duas correntes de base diferentes se pode
verificar a relação entre os valores de Ιβ, ΙC, ΙRC e VCE.
180
Tensão de coletor emissor
do transistor VCE = 7,9V
A figura 5 apresenta novamente a
malha de coletor com os valores de
tensão em cada elemento.
A figura 6 apresenta o circuito usado como exemplo.
Adimitindo-se como primeiro valor de corrente da base 40µA os valores do circuito
são:
ΙC = ΙB . β ΙC = 40µA . 100
VRC = ΙC . RC VRC = 0,004A . 820Ω
VCE = VCC - VRC VCE = 10V – 3,3V
A figura 7 mostra o circuito com os valores obtidos com 40µA na base do transistor.
181
OBSERVAÇÃO O resistor RB na base do transistor serve para limitar a corrente de base do
transistor.
ΙC = 4mA
VRC = 3,3V
VCE = 6,7V
Fig. 6
Fig. 7
10 VCC
3,3 V
6,7 V
4 mA
40µµµµA
VDE
Adimitindo-se um segundo valor de corrente de base - 70µA os valores do circuito
são:
ΙC = ΙB . β ΙC = 70µA . 100
VRC = ΙC . RC VRC = 0,007A . 820Ω
VCE = VCC - VRC VCE = 10V – 5,8V
Colocando os dados do circuito nas duas situações em uma tabela se observam o
comportamento dos valores ΙC, VRC e VCE quando a corrente de base é modificada.
Corrente de
base ΙBC
Corrente de coletor
ΙC
Queda de tensão no
resistor de coletor VRC
Tensão coletor emissor do
transistor
40µA
4mA
3,3V
6,7V
70µA
7mA
5,8V
4,2V
Pela tabela se verifica que:
182
ΙC = 7mA
VRC = 5,8V
VCE = 4,2V
A figura 8 mostra o circuito com os
valores obtidos com 70µA na base do
transistor.
Se ΙB aumenta - ΙC aumenta
Se ΙC aumenta - VRC aumenta
Se VRC aumenta - VCE diminui
Fig. 8
Relacionando apenas os dados relativos ao transistor pode se resumir o
comportamento do circuito assim:
Considerando-se que a corrente de base ΙB depende da tensão VBE pode-se incluir
mais este parâmetro no comportamento do transistor:
logo
18.2 Relação Entre os Parâmetros do Transistor
183
ΙB ΙC
VCE
ΙB ΙC
VCE
VBE ΙB
VBE ΙB
VBE ΙB
ΙC VCE
VRC
VBE ΙB
ΙC VCE
VRC
19 DISSIPAÇÃO DE POTÊNCIA NO TRANSISTOR
Todo o componente sujeito a uma diferença de potencial e percorrido por uma
corrente elétrica dissipa uma determinada potência (P = V. Ι).
Pode-se citar, por exemplo, uma lâmpada que ao receber tensão sobre seus
terminais é percorrido por uma corrente, dissipando energia em forma de luz e calor.
No transistor também existe uma dissipação de potência. A circulação de corrente
elétrica através das junções do transistor, provocada pela aplicação de tensões aos
seus terminais, dá origem a uma dissipação de potência no interior do componente.
Esta dissipação se dá em forma de energia térmica, ou seja, produção de calor,
resultando em um aquecimento do transistor.
19.1 A Dissipação nas Junções
A dissipação de potência, em forma de calor, ocorre nas duas junções do transistor.
Estas potências dissipadas são denominadas de potência de coletor (PC) e Potência
de base (PB).
A potência total dissipada no transistor é, portanto:
Potência total = PC + PB
Entretanto, analisando as tensões e correntes presentes nas duas junções verifica-
se que a tensão e corrente presente na junção base emissora (VBE e ΙB) são muito
pequenas, comparadas com a tensão e corrente presente na junção coletor base
(VCB e ΙC) (fig.1).
184
Por esta razão, a potência dissipada na junção base-emissor é muito pequena
comparada com a potência dissipada na junção base-coletor.
Potência Total = PC + PB
Assim, a potência dissipada na base do transistor é desprezada e se considera que a potência total dissipada no transistor é a própria potência dissipada no coletor: Ptotal = PC
A potência de coletor depende da tensão de coletor à base (VCB) e da corrente de
coletor (ΙC):
PC = VCB. ΙC
Por questões de facilidade prática e objetivando a resolução de circuitos
transistorizados através de curvas características, esta equação é substituída por
outra aproximada, cujo erro é desprezível.
185
Muito pequena comparada com PC
PC = VCE . ΙC POTÊNCIA TOTAL DISSIPADA
NO TRANSISTOR
FIG. 1
19.2 Dissipação Máxima no Transistor
O calor produzido pela dissipação de potência (PC = VCE . ΙC) provoca a elevação da
temperatura dos cristais semicondutores que compõe o transistor, podendo leva-lo a
destruição.
OBSERVAÇÃO:
Os cristais dos transistores de germânio não devem ultrapassar a temperatura de
90ºC e dos transistores de silício não devem ultrapassar 120ºC.
Para que o transistor não seja destruído pelo aquecimento excessivo do cristal a
potência dissipada é limitada a um valor que permite o funcionamento do
componente.
Este valor, denominado de Potência de dissipação máxima (PC max) é fornecido
pelo fabricante do transistor nos manuais e folhetos técnicos.
19.3 Fatores Que Influenciam na Dissipação Máxima
O limite de dissipação da potência é estabelecida em função de dois fatores:
a) Resistência térmica do encapsulamento
b) Temperatura externa ao transistor
a) Resistência Térmica: A resistência térmica consiste na oposição apresentada
por um material ao fluxo do calor.
186
Potência de dissipação máxima é o limite de dissipação que um
transistor pode suportar sem sofre danos por sobreaquecimento.
Em termos de transistor, a resistência térmica do encapsulamento, representada
pela notação Rthj-a, diz respeito à oposição imposta pelo encapsulamento a
transmissão do calor gerado internamente para o meio ambiente (fig. 2).
Os transistores fabricados para capacidades de dissipação mais elevada
(denominados de transistores de potência) são normalmente encapsulados em
invólucros metálicos (fig. 3).
Os encapsulamentos metálicos se caracterizam por apresentar uma baixa
resistência térmica, transmitindo com mais eficiência o calor para o meio ambiente.
Os transistores de baixa dissipação (denominados transistores de sinal)
encapsulados em invólucros plásticos (fig. 4).
187
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
Os encapsulamentos plásticos são utilizados nestes transistores porque a
quantidade de calor gerada na estrutura é pequena.
b) Temperatura Externa ao Transistor: Além da resistência térmica, a transmissão
de calor entre dois pontos depende também da diferença de temperatura entre estes
pontos.
Para que haja transmissão um ponto deve estar a temperatura mais alta que o outro
(fig. 5).
Transmissão de calor de P1 para P2 devido à diferença de temperatura
A quantidade de calor transmitida é maior quando a diferença de temperatura é
grande entre os dois pontos, e menor quando a diferença é pequena. Isto explica,
por exemplo, porque uma xícara de café esfria mais rapidamente no inverno que no
verão.
A partir desta dependência entre a quantidade de calor transmitido e a diferença de
temperatura se conclui que:
188
A quantidade de calor transmitida da junção do transistor para o
ambiente depende da diferença de temperatura entre a junção e o
ambiente.
Mesma temperatura – sem transmissão de calor
Fig. 5
Quanto mais baixa a temperatura do ambiente, melhor a transmissão de calor do
interior do transistor para fora, menor o seu aquecimento.
Assim, dois transistores trabalhando com as mesmas tensões e correntes (mesma
potência dissipada PC) irão sofrer aquecimentos diferentes se estiverem
funcionando em temperaturas diferentes.
O transistor que estiver funcionando em um ambiente mais quente sofrerá maior
aquecimento porque a quantidade de calor transmitida para fora é menor.
Por exemplo:
TRANSISTOR BC547 POTÊNCIA DE DISSIPAÇÃO MÁXIMA 500mw à 25ºC menos
19.4 Redução da Potência Dissipada em Função do Aumento de Temperatura
Ambiente
Em muitas ocasiões se faz necessário utilizar transistores em circuitos que irão
funcionar em temperaturas superiores a 25ºC.
189
Devido à influência da temperatura na transmissão de calor a
especificação de potência máxima de dissipação do transistor é
dada em função da temperatura.
OBSERVAÇÃO
As potências de dissipação máxima fornecida pelos
fabricantes sempre são referentes à temperatura de 25ºC, a
menos que haja outra temperatura indicada
especificamente.
Nestas ocasiões é necessário considerar que o valor de potência de dissipação
máxima fornecida pelo fabricante não pode ser empregado porque é valido somente
até 25ºC.
O aumento de temperatura ambiente pode ser compensado, fazendo com que o
transistor dissipe uma potência menor, gerando uma menor quantidade de calor,
internamente e evitando a destruição por aquecimento excessivo.
O grau de redução que a potência nominal deve sofrer em função do aumento de
temperatura varia de transistor para transistor.
Os fabricantes fornecem um gráfico de dissipação total de potência em função da
temperatura ambiente (Ptot = Tamb, que indica a potência máxima no transistor para
os diversos valores de temperatura ambiente (fig. 6).
190
TEMPERATURA AMBIENTE
MAIOR QUE 25ºC
POTÊNCIA DE DISSIPAÇÃO MENOR
QUE O VALOR NOMINAL (a 25ºC)
Fig. 6
A figura 7 ilustra o emprego do gráfico, determinando a potência de dissipação
máxima dos transistores BC546, BC547, BC548 para uma temperatura ambiente de
50ºC.
19.5 Correntes de Fuga no Transistor
Os transistores são fabricados com materiais semicondutores P e N. estes materiais
sofrem um processo de purificação e dopagem para conterem as lacunas e elétrons
livres.
Entretanto, os materiais P e N não são perfeitamente puros, de forma que cada
material contenha apenas um tipo de portadores.
O material tipo P apresenta uma grande quantidade de lacunas e apenas uma
pequena quantidade de elétrons livres. Por esta razão, no material P, as lacunas são
denominadas de portadores majoritários (principais) e os elétrons livres de
portadores minoritários (fig. 8).
191
Para máxima BC546, BC547, BC548 A 50ºC 400mW
Fig. 7
O material do tipo N apresenta uma grande quantidade de elétrons livres, que são os
portadores majoritários e um pequeno número de lacunas que são os seus
portadores minoritários (fig. 9).
A existência dos portadores minoritários nos materiais semicondutores se deve
fundamentalmente a dois fatores:
- Imperfeição nos processos de purificação dos cristais que sempre
apresentam um pequeno grau de impurezas;
- A ruptura das ligações químicas pela energia térmica (aquecimento) (fig. 10).
192
Fig. 8
Fig. 9
19.6 Movimento dos Portadores Minoritários
Os portadores minoritários sofrem a influência das tensões externas aplicadas ao
componente semicondutor, movimentando-se no interior da estrutura cristalina.
Como no caso dos diodos, o movimento dos portadores minoritários só é importante
quando a junção entre os cristais está inversamente polarizada.
No caso dos diodos, durante a polarização inversa, o movimento dos portadores
minoritários dá origem a uma pequena corrente de fuga (fig. 11).
Nos transistores, o movimento dos portadores minoritários é importante apenas na
junção base-coletor porque esta junção está normalmente com polarização inversa
(fig.12).
193
Fig. 10
Fig. 11
Corrente de fuga em um diodo, provocada pelos portadores minoritários.
Polarização Direta
Polarização Inversa
- 100V
0,6 +V
Lacuna gerada pelo rompimento da ligação covolante (pelo aquecimento)
O movimento dos portadores minoritários na junção base-coletor, inversamente
polarizada, dá origem a uma pequena corrente de fuga entre base e coletor (fig. 13).
Esta corrente é representada pela notação ICBO que significa: corrente de fuga
entre coletor e base com emissor aberto (fig. 14).
194
Fig. 12
Polarização inversa da junção base-coletor
Fig. 13
Fig. 14
19.7 Influência de ICBO na Corrente de Coletor
A corrente de coletor depende diretamente da corrente de base. Esta dependência
está matematicamente expressa na equação que define o ganho de corrente do
transistor:
Operando esta equação se obtém a expressão para determinação de IC a partir de
IB:
A partir desta equação se verifica que com corrente de base IB = 0 a corrente de
coletor IC é:
IC = ββββDC . IB se IB = 0
Ou seja, quando não há corrente de base a corrente de coletor deve ser nula.
Entretanto a prática isto não ocorre.
Aplicação de tensão entre o coletor e emissor do transistor (VCE), mesmo sem
corrente de base (IB = 0), provoca a circulação de uma pequena corrente de coletor
denominada de corrente de fuga entre coletor e emissor com a base aberta,
representada pela notação ICEO (fig. 15).
195
hFE = ββββDC = I C
IB
ββββx = I C IB
IC = ββββDC . IB
IC = ββββDC . 0 = 0
ICED = corrente de fuga entre
coletor e emissor com base aberta.
Esta corrente de saturação reversa (ICEO) é provocada pela corrente de fuga ICBO.
Ao circular através da junção base-coletor a corrente ICEO provoca uma
recombinação de portadores na base que tem um efeito resultante semelhante à
aplicação de corrente de base no transistor, gerando a corrente ICEO.
ICEO é, portanto, uma corrente aproximadamente β (BETA) vezes maior que ICEO.
Este fator tem determinado uma crescente utilização dos transistores de silício
substituição aos transistores de germânio.
19.8 Disparo Térmico
O disparo térmico, também denominado de AVALANCHE TÉRMICA, é um
fenômeno que ocorre no transistor devido a corrente de fuga ICBO e que pode levá-
los à destruição por aquecimento excessivo.
A medida em que o transistor funciona em um circuito eletrônico ocorre um
aquecimento das junções, pela dissipação de potência (PC = VCE . IC).
O aquecimento da junção provoca um aumento na corrente de fuga ICBO.
Como a corrente de coletor é composta de duas parcelas IC = βIB + βICBO, o
aumento de ICBO resulta em IC maior.
Com IC maior, a potência dissipada aumenta (VCE . IC = PC ) e o transistor sofre
novo aquecimento. A maior temperatura da junção provoca novo aumento em ICBO.
A equação mostra que a corrente de fuga ICBO é amplificada pelo transistor da
mesma forma como corrente de base.
196
ICEO ≅ ICBO . ββββDC
Nos circuitos a transistor, a corrente ICEO (provocada pela corrente de fuga ICBO) e
a corrente IC (provocada pela corrente de base IB) circulam ao mesmo no terminal
“coletor” do transistor (fig. 16).
Conclui-se, então, que a corrente real de coletor de um transistor é sempre a soma
destas duas correntes.
OBSERVAÇÃO:
A corrente de fuga entre coletor e emissor com a base aberta ICEO é, em valor
exato, igual a ICBO (β + 1).
Porém devido ao fato do βDC dos transistores ser normalmente elevado (maior que
100) pode-se na prática desprezar o acréscimo da unidade considerando ICEO =
ICBO x βDC.
19.9 Influência da Temperatura na Corrente de Coletor
O aquecimento é um dos fatores responsáveis pela geração de portadores
minoritários nos materiais semicondutores, provocando o rompimento das ligações
covalentes do cristal.
197
IC = (ββββDC . IB) + (ββββDC . ICBO)
Fig. 16
A partir do momento em que um transistor sofre um aumento de temperatura o maior
número de portadores minoritários na estrutura provoca um aumento na corrente de
fuga ICBO (que é construída pelo movimento destes portadores).
A figura 17 apresenta uma curva característica de transistor que mostra o
comportamento da corrente de fuga ICBO frente às variações de temperatura.
Através desta curva verifica-se claramente que a corrente ICBO aumenta na medida
que a temperatura do transistor se torna mais elevada.
A corrente de fuga ICBO dobra a cada 10ºC aproximadamente nos transistores de
silício e 6ºC nos de germânio. Uma vez que parte da corrente de coletor é causada
por ICBO (IC = IB . β + ICBO . β), os aumentos de ICBO provocados pelo aumento de
temperatura do transistor se refletem num acréscimo em IC.
198
Fig. 17
19.10 Silício Versus Germânio
Embora a variação da corrente de fuga ICBO com temperatura seja
aproximadamente a mesma (a cada 6ºC no germânio e 10ºC no silício), os
transistores de silício se caracterizam por apresentarem um valor inicial de ICBO até
500 vezes menor do que os transistores de germânio na mesma temperatura.
199
A corrente de coletor do transistor sofre influência da
temperatura devido às variações de ICBO.
20 CONFIGURAÇÕES DE LIGAÇÃO DO TRANSISTOR
20.1 Curvas Características na Configuração de Emissor Comum
A configuração de ligação do transistor mais utilizada é a de emissor comum, razão
pela qual as curvas características dos transistores, fornecidas pelos fabricantes,
são relativas a esta forma de ligação.
A figura 1 mostra um esquema ilustrativo de um transistor ligado em emissor
comum.
Analisando a figura 7 se verifica que, na configuração de emissor comum, quatro
parâmetros são fundamentais:
Os valores VBE e IB são denominados de parâmetros de entrada e os valores VCE e
IC de parâmetros de saída da configuração emissor comum.
Portanto, para representar através de gráficos o comportamento do transistor em
emissor comum são necessárias duas curvas características:
- Uma que expressa o comportamento dos parâmetros da entrada do transistor,
denominada de CURVA CARACTERÍSTICA DE ENTRADA;
200
VBE, IB, VCE e IC
Fig. 1
- Uma que expressa o comportamento dos parâmetros de saída, denominada
de CURVA CARACTERÍSTICA DE SAÍDA.
20.2 Característica de Saída do Transistor em Emissor Comum
Do conjunto de curvas características que pode ser levantado a partir dos valores
elétricos do transistor, a curva que assume maior importância é a curva
característica de saída, também denominada de característica de coletor.
Os parâmetros de saída do transistor são IC e VCE. Entretanto, sabe-se que os
valores VCE e IC dependem do valor de IB.
A curva característica de saída é construída de forma a permitir que se relacionem
as grandezas IC, VCE e IB em um único gráfico.
A figura 2 mostra a característica de saída do transistor BC 547.
201
CARACTERÍSTICA DE
SAÍDA EM EMISSOR
COMUM
RELAÇÃO
IB IC VCE
Fig. 2
As curvas mostram a dependência da corrente de coletor (IC) em função da tensão
coletor-emissor, mantendo a corrente de base em um valor constante.
Nos manuais esta curva é identificada como ICf (VCE) IB parâmetro (lê-se: corrente de
coletor em função da tensão coletor-emissor para valores fixos de corrente de base).
Deve-se observar que os transistores PNP os parâmetros nas curvas são negativos:
-IB e VCE (as correntes IB e IC no transistor PNP saem do transistor e o coletor é
negativo com relação ao emissor) (Fig. 3 e 4).
Outro aspecto importantíssimo a ressaltar com relação às curvas características
fornecidas pelo fabricante de um transistor é que estas curvas representam o
comportamento médio de um grande número de transistores testados.
Isto significa que, na prática, o comportamento do componente pode apresentar
alguma diferença com relação à curva.
202
Fig. 3
Fig. 4
20.3 Aplicação da Característica de Saída em emissor Comum
A característica de saída em emissor comum encontra a sua maior aplicação na
determinação das condições de funcionamento de um transistor em um circuito.
Dispondo de valores do circuito, tais como a tensão de alimentação e o valor do
resistor de coletor, traça-se a “reta de carga” que permite determinar graficamente o
comportamento transistor em um circuito.
Reta de Carga
A reta de carga é traçada sobre a curva característica de saída do transistor,
permitindo que se determine graficamente a tensão presente sobre o transistor e
sobre o resistor de coletor em função da corrente de base (fig. 5).
203
As curvas características fornecidas por um fabricante representam o
comportamento médio de um grupo de componentes de mesma
especificação.
Fig. 5
20.4 Traçado da Reta de Carga
Traçado da reta de carga leva em conta dois fatores:
- A tensão de alimentação do circuito;
- O valor do resistor de coletor.
Isto significa que para cada transistor, e em cada circuito, existe uma reta de carga
específica.
Para traçar a reta de carga utilizam-se dois pontos que ocorrem em duas situações
especiais do transistor:
- Ponto de corte;
- Ponto de saturação
O ponto de corte é a situação em que o transistor está sem corrente de base.
Usando as equações do transistor se verifica o seu comportamento nesta situação:
IC= IB . β como IB = 0 IC = 0
VRC = IC . RC como IC = 0 VRC = 0
VCE = VCC – VRC como VRC = 0 tem-se VCE = VCC
Estes dois valores representam um ponto na curva característica de saída do
transistor. Tomando como exemplo o circuito da figura 6 o ponto de corte fica na
posição mostrada na figura 7.
204
VCE = VCC IC = 0
Este é um dos pontos da reta de carga.
O ponto de saturação é a situação em que se aplica ao transistor uma corrente de
base suficiente para fazer com que a tensão de coletor a emissor caia praticamente
a zero.
Considerando a tensão de coletor a emissor como “zero” tem-se:
VCE = VCC – VRC como VCE = 0 VRC = VCC
VRC = IC . RC IC = como VRC = VCC IC =
205
VRC RC
VCC RC
Fig. 6
Fig. 7
No circuito tomado como exemplo a tensão de alimentação é de 30V e o resistor de
coletor é de 470Ω. Portanto a corrente de saturação é:
ICSat = ICSat = ICSat = 63mA
Estes dois valores dão origem a outro ponto sobre a curva característica do
transistor (fig. 8).
206
Na situação de saturação a corrente de coletor
assume o valor máximo, como se o resistor de
coletor estivesse ligado diretamente a fonte de
alimentação.
Este valor de corrente de coletor é denominado
de CORRENTE DE SATURAÇÃO.
ICSat =
V CC
RC
VCC RC
30V 470Ω
VCE ≅≅≅≅ 0 IC = 63mA
VCE = 0 IC = 63
Fig. 8
É importante salientar que tanto o ponto de corte como o de saturação dependem
fundamentalmente da tensão de alimentação e do valor do resistor de coletor. Caso
estes valores sejam modificados, os pontos de saturação e corte tem a sua posição
alterada sobre a curva característica.
Este é o segundo ponto da reta de carga. Unindo os dois pontos têm-se as retas de
carga do circuito usado como exemplo (fig. 9 e 10).
Esta reta de carga serve apenas para o circuito apresentado: transistor BC 547, VCC
= 30V e RC = 470Ω.
Caso o transistor, a alimentação ou o valor do resistor de coletor seja modificado
deve-se traçar outra reta de carga de acordo com os novos dados.
207
Os pontos de saturação e corte dependem da tensão
de alimentação e do valor do resistor de coletor.
Fig. 9
Fig. 10
20.5 Aplicação da Reta de Carga
Uma vez traçada a reta de carga pode-se determinar graficamente os valores da
tensão VCE, da tensão sobre o resistor de coletor e da corrente de coletor do
transistor, para cada valor de corrente de base.
Tomando-se o circuito de exemplo (transistor BC 547, VCC = 30V e RC = 470Ω)
pode-se determinar as tensões e correntes na malha de coletor quando a corrente
de base for, por exemplo, 100µA.
A resposta é obtida através do ponto de encontro entre a reta de carga e a curva de
corrente de base 0,1mA (fig. 11).
208
Fig. 11
Projetando o ponto encontrado até o eixo horizontal encontra-se o valor do VCE do
transistor (fig. 12).
Encontra-se também a tensão sobre o resistor de coletor do circuito (fig. 13).
209
VCE = 13V
Fig. 12
Projetando o ponto encontrado até o eixo vertical, encontra-se a corrente de coletor
do transistor (fig. 14).
210
VRC = 17V
IC = 35mA
Fig. 13
Fig. 14
A seguir, estão apresentados dois exemplos de reta de carga e determinação de
parâmetros de um circuito através da curva característica de saída.
211
VCC = 6 V
RC = 120 Ω
IB = 100 µA
VCE = 3,4 V
VRC = 2,6 V
IC = 21,5 mA
VCC = 7,5 V
RC = 330 Ω
IB = 80 µA
VCE = - 3,2 V
VRC = - 4,3 V
IC = - 13 mA
7,5 V
20.6 Ponto de Operação
Ponto de operação ou ponto quiescente é a denominação dada ao conjunto de
valores de tensão e corrente que se estabelecem automaticamente em um circuito a
partir da sua alimentação.
Uma vez estabelecidos os valores do ponto de operação, se nenhuma modificação
for realizada no circuito, os valores permanecerão constantes.
A escolha correta do ponto de operação é fundamental, na medida em que todo o
funcionamento do circuito se dará em torno das condições estabelecidas por este
ponto.
20.7 Influência do Ponto Quiescente no Circuito
O ponto de funcionamento determina, em outras palavras, a condição normal de
funcionamento de um circuito, que se estabelece a partir da alimentação.
A importância do ponto de operação de um circuito eletrônico pode ser comparada,
por exemplo, à importância do ajuste da posição de referência do traço do
osciloscòpio para uma medida de tensão CC.
Se a referência está mal ajustada, todas as medidas realizadas estarão erradas.
212
A figura 15 mostra um circuito com
um transistor no ponto de operação:
VCE = 10V
VRC = 14V
IC = 52mA
24 V
Fig. 15
O mesmo ocorre com os circuitos eletrônicos. Se o ponto de operação estiver mal
posicionado, todo o funcionamento do circuito estará prejudicado.
20.8 A Escolha do Ponto de Operação
O ponto de operação de um circuito com um transistor sempre estará sobre a reta de
carga deste circuito. Logo, pode-se afirmar que o ponto de funcionamento depende
dos fatores que determinam a reta de carga (fig. 16 e 17).
- Transistor utilizado
- Tensão de alimentação
- Resistor de coletor.
De acordo com a função que o circuito irá desempenhar, o ponto de operação pode
se situar em qualquer posição sobre a reta de carga do circuito.
213
ICM = VCC RC
Fig. 16
Fig. 17
As figuras 18, 19 e 20 mostram 3 exemplos de ponto quiescente.
A partir do momento em que o ponto quiescente é localizado sobre a reta de carga
ficam automaticamente estabelecidos os valores da malha de coletor.
Tomando como exemplo o circuito apresentado a seguir (fig. 22 e 23).
214
Na maioria dos circuitos eletrônicos o
ponto de operação é localizado na
região central da reta de carga (fig.
21).
IC
Fig. 21
Fig. 18 Fig. 19 Fig. 20
Escolhendo um ponto de operação na região central da reta de carga, conforme
mostra a figura 24.
215
24 V
Característica de saída IC = f(VCE) : IB = parâmetro
Fig. 22
Fig. 23
Característica de saída IC = f(VCE) : IB = parâmetro
Fig. 24
Deste ponto quiescente se obtém:
a) A tensão entre coletor-emissor (fig. 25).
b) A queda de tensão no resistor de coletor (fig. 26).
c) A corrente de coletor (fig. 27).
Estes valores são valores do ponto quiescente, razão pela qual são denominados
de:
216
VCEQ : tensão coletor-emissor no ponto
quiescente.
VRCQ : queda de tensão no resistor de
coletor no ponto quiescente.
ICQ : corrente de coletor no ponto
quiescente (fig. 28).
Fig. 25 Fig. 26 Fig. 27
Característica de saída IC = f(VCE) : IB = parâmetro
Fig. 28
No exemplo utilizado estes valores são:
VCEQ = 10,5V VRCQ = 13,5V ICQ = 50mA
OBSERVAÇÃO:
Pequenas diferenças devido à imprecisão gráfica e espessura dos traços no
desenho não são significativas.
Para obter os valores quiescentes (VCEQ, VRCQ e ICQ) é necessário aplicar ao
transistor uma determinada corrente de base quiescente (IBQ).
O valor desta corrente de base é obtido diretamente do gráfico.
20.9 Curva de Dissipação Máxima
Utilizando o valor de potência de dissipação máxima do transistor e a equação PC =
VCE . IC pode-se traçar sobre a curva de saída do transistor o limite de dissipação
ponto a ponto.
217
No gráfico da figura 29, utilizado como
exemplo, o ponto de operação está
colocado sobre a curva de IB = 0,2mA.
Esta é a corrente necessária para
obter as condições desejadas.
Característica de saída IC = f(VCE) : IB = parâmetro
Fig. 29
Na equação PC = VCE . IC o valor de PC é dado pelo fabricante.
Tendo o valor de PC e escolhendo diversos valores para VCE acha-se os valores de
IC máximo.
Por exemplo – Transistor BC247 PC = 500mw a 25ºC.
218
Escolhendo alguns valores para VCE, tais como:
5V; 10V; 20V; 40V.
A região da característica de saída acima da curva traçada é denominada de região
de dissipação excessiva e a região abaixo da curva traçada é a região de
funcionamento (fig. 31).
219
Colocando-se os pontos em dois eixos IC e
VCE têm-se a curva de dissipação máxima o
transistor à 25ºC (500mw) (fig. 30).
Fig. 30
Região de dissipação excessiva
Região de funcionamento
Fig. 30
Se for necessário determinar a redução da potência de dissipação máxima, para
funcionamento em temperaturas maiores que 25ºC, usa-se o gráfico Ptot = (Tamb) e
depois se realiza o traçado sobre a característica de saída utilizando o valor
encontrado (fig. 32 e 33).
TRAÇADO DA CURVA LIMITE DE POTÊNCIA
TRANSISTORES BC 413, BC 414 à 50ºC
20.10 A Reta de Carga e a Curva de Dissipação de Potência Máxima
A reta de carga expressa todas as possibilidades de funcionamento de um transistor
para um determinado valor de resistor de coletor e de tensão de alimentação.
220
Curva limite de potência a 50º C –
240mW
Característica de saída IC = f(VCE) : IB = parâmetro
Dissipação total de potência
Fig. 32 Fig. 33
Como a curva de dissipação de potência máxima estabelece o limite da região de
funcionamento para um transistor, faz-se necessário que a reta de carga esteja
sempre situada abaixo desta curva.
Os resistores de coletor (RC) e as tensões de alimentação (VCC) devem ser
selecionados de modo a darem origem a retas de carga que se situam sempre
abaixo da curva de limite de dissipação (fig. 35 e 36).
221
A figura 34 mostra a curva
característica de saída do transistor
BC 413 com a curva de dissipação
máxima a 50ºC (240mw).
Fig. 35 Fig. 36
Fig. 34
Quando a reta de carga está abaixo da curva limite de dissipação qualquer ponto de
operação escolhido poderá ser utilizado sem o risco de provocar dissipação
excessiva no transistor.
222
21 POLARIZAÇÃO DA BASE POR CORRENTE CONSTANTE
Denomina-se de “polarização de base” o processo de obtenção da corrente de base
necessária para levar o transistor a ponto de operação.
Dentre os processos de polarização de base o mais simples é o de polarização por
corrente constante.
Através do traçado da reta de carga e da determinada do ponto de funcionamento
(PQ) fica determinada a corrente de base quiescente (IBQ) (fig. 1 e 2).
No método de polarização por corrente de base constante, o corrente de base
quiescente (IBQ) é obtido através de um resistor, denominado de resistor de base,
que é ligado entre a base e a tensão de alimentação (fig. 3).
223
Fig. 1
Característica de saída IC = f(VCE) IB = parâmetro
Fig. 2
21.1 Análise do Circuito de Base
O circuito de base se compõe do resistor de base (RB) e da junção base-emissor
ligados em série e aplicados a tensão de alimentação (fig. 4).
O circuito de base também é denominado de malha de base.
Considerando que a junção base-emissor do transistor se comporta como um diodo,
o circuito equivalente da malha de base fica conforme mostram as figuras 5 e 6.
224
RESISTOR DE POLA-
RIZAÇÃO DE BASE
Fig. 3
Fig. 4
Fig. 5 Fig. 6
Observando o circuito equivalente verifica-se que o “diodo base-emissor” é
polarizado diretamente, permitindo a circulação de corrente através do resistor.
Esta corrente, que circula através do resistor, é a corrente de base (fig. 7).
21.2 Determinação do Resistor de Base
A corrente que circula na base do transistor (IB) depende:
- Do valor do resistor (elemento de controle)
- Da tensão de alimentação – já definida
- Do tipo de transistor utilizado – já definido
Do circuito equivalente se verifica que a corrente circulante na base é dada pela
equação:
225
IBQ = VCC - VBE RB
VCC – tensão de alimentação
VBE – típico do transistor
RB - resistor de base
CIRCUITO EQUIVALENTE CIRCUITO REAL Fig. 7
Operando esta equação se obtém a fórmula para determinar o resistor de base:
∴∴∴∴
A seguir está apresentado um exemplo completo de determinação do resistor de
base para a obtenção de um ponto de operação desejado.
Dado o circuito apresentado a seguir com o transistor BC 200 (silício) e sua curva
característica de saída, determinar o valor do resistor de base necessário para obter
um VCEQ = -3V (a reta de carga para 330Ω já está traçada na curva).
226
IBQ = VCC - VBE
RB
RB = VCC - VBE IBQ
Considerando que a diferença de 0,2V é admissível, o valor de IBO necessário é 0µA
Para determinar o valor de RB aplica-se a equação.
RB = VCC - VBE ∴∴∴∴ RB = 7,5 – 0,6 = 86.250Ω IBQ 0,00008 O valor comercial mais próximo para RB é 82KΩ.
O resistor de base utilizado para a polarização por corrente de base constante
normalmente é de valor elevado (por exemplo, 68KΩ, 220KΩ, 470KΩ) por que as
correntes de base dos transistores são baixa (microampéres e miliampéres).
21.3 Estabilidade Térmica dos Circuitos Transistorizados
A corrente de coletor dos transistores está sujeita a variações de valor em função da
temperatura, devido as correntes de fuga ICBO e ICEO.
227
Verificando o encontro da reta de
curva com a curva de IB = 80µA se
verifica que este ponto determina
um VCEQ de aproximadamente –
3,2V (fig. 8).
Fig. 8
A corrente de coletor é responsável pela tensão no resistor de coletor (VRC = IC . Q) e
conseqüentemente, pela tensão VCE (VCE = VCC – VRC).
Assim as variações da corrente de coletor, ocasionadas pelas variações de
temperatura, modificam a forma como as tensões se dividem entre o transistor e o
resistor de coletor, retirando o transistor do ponto de funcionamento (fig. 9).
228
IC = β IB + ICBO . (β + 1)
DEPENDENTE DA
TEMPERATURA
As variações de temperatura tendem a fazer com que o ponto de
funcionamento do circuito se desloque.
Aumento de temperatura deslocamento para a parte superior da
reta de carga.
Redução de temperatura para a parte inferior da reta de carga.
Deslocamento de PQ com o AUMENTO DE TEMPERATURA
Fig. 9
Todo o circuito eletrônico com transistores apresenta um certo grau de instabilidade
térmica.
O ganho de corrente mais baixo do transistor deve ser compensado, através de um
aumento correspondente na corrente de base quiescente IBQ.
Para aumentar IBQ o valor de RB deve ser reduzido (fig. 18).
IBQ = 0,2mA
CONCLUSÃO
229
ICQ = 36mA
VCEQ = 12V
VRCQ = 12V
CORRIGIDOS
Quando for necessário o VCE de um transistor polarizado por
corrente de base constante deve-se aumentar a corrente de base,
reduzindo o valor de RB.
RB MENOR
Fig. 18
22 REGIÕES DE OPERAÇÃO DE UM TRANSISTOR
O ponto de operação de um transistor pode ser localizado em qualquer posição ao
longo da reta de carga.
De acordo com a posição da reta de carga em que o ponto de operação se situa diz-
se que o transistor está operando em uma das três regiões denominadas:
a) Região de corte (fig. 19)
b) Região de saturação (fig. 20)
c) Região ativa (fig. 21)
A) Região de Corte
Um transistor está na região de corte quando a junção base-emissor está polarizada
inversamente.
A polarização inversa na junção BE torna a corrente de base nula.
Com base na equação de IC e na corrente IB = 0 têm-se:
IC = β . IB + β . ICBO onde β . ICBO = ICEO
IC = ββββ . 0 + β . ICBO
230
IC = β . ICBO
Fig. 19 Fig. 20 Fig. 21
A corrente de coletor é apenas de fuga (corrente de saturação reversa ICEO) e seu
valor é da ordem de microampéres nos transistores de silício.
Com a corrente de coletor praticamente nula não há queda no resistor de coletor
(VRC = IC . RC) e o VCE do transistor é o próprio valor da tensão de alimentação do
circuito.
231
NO CORTE VCE = VCC
A figura 22 mostra um circuito
transistorizado com a junção BE polarizada
inversamente, de forma a estar em corte.
Na reta de carga o ponto de corte
está sobre o eixo horizontal (fig. 23).
Fig. 23
Fig. 22
Ponto de
corte
Nos transistores de silício em geral basta cortar a corrente de base para levar o
transistor ao corte, sendo desnecessário polarizar inversamente a junção BE.
B) Região de Saturação
Um transistor está na região de saturação quando a tensão VBE é maior que a
tensão VCE.
232
TRANSISTOR NA JUNÇÃO BE
REGIÃO DE CORTE JUNÇÃO CB
VCE = VCC
INVERSAMENTE POLARIZADAS
A figura 24 mostra um transistor de
silício polarizado na região de corte.
A figura 25 mostra um transistor
que está operando na região de
saturação.
15 VCC
Fig. 24
Fig. 25
Nas curvas características de saída normais a região de saturação correspondente a
uma faixa muito estreita.
233
TRANSISTOR NA JUNÇÃO BE
REGIÃO DE SATURAÇÃO JUNÇÃO CB
VCE = VCC DIRETAMENTE POLARIZADAS
Na curva característica de saída
a região de saturação fica
próxima ao eixo vertical, onde
os valores de VCE são mínimos
e os valores de IC são máximos
(fig. 26).
Por esta razão alguns manuais
trazem uma segunda característica
de saída somente para a região de
saturação (fig. 27).
Fig. 26
Fig. 27
C) Região Ativa
Esta é a região característica de funcionamento dos estágios amplificadores.
Para pontos de operação nesta região são válidas as regras de polarização.
- junção base-emissor →→→→ polarização direta
- junção base-coletor →→→→ polarização inversa
As figuras 29 e 30 mostram a característica de saída e as tensões elétricas de um
transistor polarizado na região ativa.
234
A região ativa corresponde a todo o
trecho da reta de carga entre as
regiões de corte e de saturação
(fig. 28).
Fig. 28
Em resumo, pode-se dizer que um transistor estará na região ativa sempre que VCE
for maior que VBE e menor que VCC (ou seja, fora das regiões de saturação e corte).
235
TRANSISTOR NA
REGIÃO ATIVA
JUNÇÃO BE →→→→ DIRETAMENTE POLARIZADA
JUNÇÃO CB →→→→ INVERSAMENTE POLARIZADA
VBE < VCE < VCC
Fig. 30
Fig. 29
18 VCC
23 POLARIZAÇÃO DE BASE POR DIVISOR DE TENSÃO
A polarização da base de um transistor pode ser feita a partir da utilização de um
divisor de tensão, através do qual se aplica uma tensão VBE entre base e emissor do
transistor.
A figura 1 mostra um circuito transistorizado que emprega este tipo de polarização,
denominado de “polarização de base por divisor de tensão”.
O divisor de tensão aplica uma tensão à base (VB) que polariza diretamente a junção
base-emissor do transistor, provocando a circulação da corrente IBQ.
Como o emissor está aterrado, a tensão de base VB é a própria tensão VBE aplicada
ao transistor (fig. 2).
236
Na polarização de base por divisor de tensão a finalidade do divisor é
fornecer à base uma tensão que polariza diretamente a junção base-emissor.
Fig. 1
O valor da corrente IBQ é ajustado aumentando ou diminuindo a tensão VBE, que é
fornecida pelo divisor.
Normalmente os circuitos polarizados por divisor de tensão têm ainda um resistor de
emissor (RE), que tem por finalidade melhorar a estabilidade térmica do circuito (fig.
3).
237
A inclusão de um resistor de emissor no circuito de polarização de um
transistor tem por finalidade melhorar a sua estabilidade térmica.
Fig. 2
VCC
VCC
A polarização por divisor de tensão acrescida do resistor de emissor é a mais
empregada porque propicia um alto grau de estabilidade térmica ao circuito.
Outra característica importante deste tipo de polarização é a menor variação dos
valores de polarização quando o transistor é substituído.
23.1 Análise do Circuito de Coletor
Nos circuitos polarizados por divisor a malha de coletor se compõe:
- Da fonte de alimentação;
- Do resistor de coletor;
- Do transistor;
- Do resistor de emissor (fig. 4).
A tensão fornecida pela fonte se distribui sobre os componentes do circuito de
coletor (fig. 5).
238
Fig. 4
Fig. 5
Queda de tensão em RC
Tensão coletor-emissor do transistor
Segundo a Lei de Kircchoff para circuitos série, a soma das tensões equivale à
tensão de alimentação.
As quedas de tensão no resistor de coletor (VRC) e no resistor de emissor (VRE)
dependem da corrente no circuito de coletor (fig. 6)
A diferença entre IC e IE é muito pequena, pois corresponde ao valor de IB (IE = IC +
IB). Por esta razão, costuma-se considerar IE = IC.
A seguir está apresentado um exemplo de aplicação das equações do circuito de
coletor.
239
VRC + VCE + VRE = VCC
VRE = IC . RE
As equações do circuito de coletor são:
VCC = VRC + VCE + VRE
VRC = IC . RC
VRE = IC . RE
Fig. 6
VRC = IC . RC
VRE = IE . RE
Com os dados disponíveis é possível calcular os valores de VRC e VRE.
VRC = IC . RC VRC = 1000Ω . 0,004A
VRE = IC . RE VRE = 270Ω . 0,004A
Dispondo de VCC, VRC e VRE pode-se determinar o VCE do transistor.
VCC = VRC + VCE + VRE ∴ VCE = VCC – (VRC + VRE)
VCE = 10 – (4,0 + 1,08) VCE = 10 – 5,08
23.2 O Circuito de Base
O circuito de base, que corresponde ao divisor de tensão, tem por finalidade
polarizar diretamente a junção base-emissor do transistor, provocando a circulação
da corrente IBQ.
Quando o circuito de polarização utiliza um resistor de emissor, a tensão aplicada
entre base e emissor (VBE) é a diferença entre a tensão de base e a tensão de
emissor (fig. 7).
240
Dado o circuito apresentado ao
lado, determinar os valores de
VRC, VRE e VCE.
VRC = 4v
VRE = 1,08v
VCE = 4,92V
10V
A tensão VBE aplicada à junção base-emissor (que se comporta como um diodo em
condução) dá origem a uma corrente de base (fig. 8 e 9).
A própria curva característica da junção base-emissor é, essencialmente, a curva
característica de um diodo em condução.
Através da aplicação do valor correto de VBE se obtém a condição de funcionamento
desejada para o circuito.
241
Fig. 8 Fig. 9
Fig. 7
VBE = VB - VRE
24 REGULAÇÃO DE TENSÃO EM FONTES DE ALIMENTAÇÃO
A necessidade de projetar e montar fontes reguladas de boa qualidade provém do
fato que as fontes não reguladas nem sempre atendem os requisitos necessários
para todas as aplicações.
Existem fundamentalmente duas razões pelas quais as fontes não reguladas se
tornam inadequadas em certas aplicações:
1 – A regulação pobre: Como resultado de uma regulação pobre, verifica-se uma
variação na tensão de saída quando a carga varia. A influência de uma regulação
pobre no desempenho de uma fonte de CC pode ser observada através de dois
gráficos, um de uma fonte ideal e outro de uma fonte real (fig. 1 e 2).
2 – A estabilização pobre: A tensão de saída varia conforme as variações de
tensão de entrada.
Nas fontes não reguladas, as variações de tensão de entrada (na rede AC)
provocam variações proporcionais na tensão de saída (fig. 3).
242
FONTE IDEAL FONTE NÃO REGULADA
Fig. 1 Fig. 2
Existem circuitos eletrônicos cuja finalidade é melhorar o desempenho das fontes de
alimentação, fornecendo um valor pré-estabelecido de tensão de saída,
independentemente das variações que ocorrem na corrente de carga na tensão da
linha de alimentação CA.
Normalmente, estes circuitos são denominados de reguladores de tensão, embora
sejam na realidade reguladores e estabilizadores de tensão (fig. 4).
243
Fig. 3
VENT > VSAÍDA Fig. 4
Deve-se sempre considerar que não existe um sistema regulador de tensão perfeito.
As variações na tensão de entrada sempre provocam pequenas alterações na
tensão de saída.
Os sistemas reguladores devem funcionar de tal forma que as variações na tensão
de saída (que sempre existem) sejam as menores possíveis.
24.1 Os Circuitos Reguladores
Os circuitos reguladores são classificados em dois grupos, segundo a posição do
elemento regulador em relação à carga:
- Regulador paralelo;
- Regulador série.
• Regulador Paralelo
Um circuito regulador é classificado de paralelo quando o elemento regulador é
colocado em paralelo com a carga (fig. 5).
Um exemplo típico de regulação paralela é a regulação com diodo zener.
244
REGULAÇÃO PARALELA
Fig. 5
• Regulador Série
Um circuito regulador é classificado de série quando o elemento regulador é
colocado em série com a carga (fig. 6).
Na regulação série, as variações de tensão da entrada são absorvidas pelo
elemento regulador, entregando a carga a uma tensão de saída praticamente
constante (fig. 7).
Neste tipo de circuito, apenas o elemento regulador dissipa potência.
245
REGULAÇÃO SÉRIE
Fig. 6
TENSÃO PRATICAMENTE
CONSTANTE
Fig.7
• Regulação Série com Transistor
Os reguladores de tensão do tipo série com transistor são largamente empregados
na alimentação de circuitos eletrônicos devido a sua boa capacidade de regulação.
A figura 8 apresenta o modelo mais simples de circuito regulador de tensão série
com transistor.
24.2 Princípio de Funcionamento
O princípio de funcionamento do circuito pode ser analisado com base nas tensões
presentes no circuito.
A associação diodo zener-resistor, ligada à tensão de entrada, permite a obtenção
de uma tensão constante (VZ), independentemente das variações da tensão de
entrada (fig. 9).
246
Fig. 8
Fig. 9
A tensão constante do diodo zener é aplicada à base do transistor, ou seja, a tensão
de base do transistor é estabilizada no valor VZ.
Como a carga está ligada ao circuito na posição de resistor de emissor, a tensão
sobre esta carga será a tensão aplicada à base (VZ) menos a queda na junção base
emissor (VBE) (fig. 10).
A diferença entre a tensão de entrada e a tensão na carga (VRL) fica entre coletor e
emissor do transistor (VCE) (fig. 11).
24.3 Fonte com Regulador de Tensão em Circuito Integrado
Incorpora num único encapsulamento todos os circuitos que fazem parte da
regulação de tensão da fonte. Como:
247
VB = VZ
VS = VE – VCE
Fig. 10
VRL = VB - VBE
ou
VS = VZ - VBE
Fig. 11
- Circuitos para fonte de referência;
- Amplificador de erro;
- Dispositivo de controle e proteção de sobrecarga.
Desta forma diminui toda complexidade de projeto, construção, custo e diminuição
considerável do espaço utilizado.
Possuem proteção térmica que os torna praticamente indestrutíveis contra curto-
circuito na saída.
É conveniente incluir no circuito capacitores de desacoplamento de transitórios, tanto
na entrada como na saída do regulador.
24.4 Reguladores de Tensão de Três Terminais
Exemplo de reguladores com tensão de saída fixa:
• Série 78XX, LM340 e LM309 – V saída positiva;
• Série 79XX e LM320 – V saída negativa.
OBSERVAÇÃO:
Pode-se obter tensão de saída ajustável com reguladores com tensão de saída fixa,
sendo que o valor ajustável mínimo é o valor de tensão especificada no
componente.
Exemplo de reguladores com tensão de saída ajustável:
• LM117, LM217, LM317, LM338, LM350 – V saída positiva;
• Lm337 – V saída negativa.
248
Aspecto Físico
São fabricados em vários tipos de encapsulamentos, os mais comuns são: TO-3 e
TO-220.
Identificação dos Terminais:
Encapsula. TO220 TO220 TO220 TO220 TO3 TO220 TO220 Terminais 78XX 79XX LM117;217;317;350 LM337 LM338K LM340 LM338T
1 Entrada Comum Ajuste Ajuste Entrada Comum Ajuste 2 Comum Entrada Saída Entrada Saída Saída Saída 3 Saída Saída Entrada Saída Comum Entrada Entrada
Estudo da Série 78XX:
• Diagrama de Blocos
1 – Circuito de Disparo: Circuito de proteção que desliga o regulador (tensão de
saída (Vs) igual a 0), quando a diferença entre a tensão de entrada (Ve) e Vs for
menor que a especificada (valor típico 2V).
2 – Gerador de Corrente: Fornece uma corrente constante ao elemento de
referência, independente da Ve e Vs.
249
VSAÍDA AJUSTE
VENT
TO – 3
TO – 220
3 – Elemento de Referência: Fornece uma tensão constante ao amplificador de
erro.
4 – Amplificador de Erro: Compara a tensão do elemento de referência com uma
amostra da Vs, obtida do divisor de tensão formado por R1 e R2. A diferença de
tensão é amplificada e enviada ao elemento de controle.
5 – Elemento de Controle: Recebe o sinal do amplificador de erro e varia sua
queda se tensão interna em função do erro.
6 – Proteção Térmica: Proteção contra curto-circuito, se a corrente de saída (Is) for
maior que a especificada, interrompe a Is através do elemento de controle.
7 – Proteção de Sobrecarga: Protege o elemento de controle quando o regulador
se desconecta, permitindo a passagem da corrente inversa.
• Circuito Interno
250
• Tipos:
TIPO Vs Ve mín(V)* Ve máx(V)* Is máx(A)* Is pico (A)* 7805 5 7,3 35 1,5 3,5 7806 6 8,35 35 1,5 3,5 7808 8 10,5 35 1,5 3,5 7810 10 12,5 35 1,5 3,5 7812 12 14,6 35 1,5 3,5 7815 15 17,7 35 1,5 3,5 7818 18 21 35 1,5 3,5 7824 24 27,1 40 1,5 3,5
(*) Os valores indicados nesta tabela podem ser diferentes, dependendo do fabricante.
• Nomenclatura:
• Circuito Típico:
• Especificações e recomendações técnicas:
- A diferença de tensão entre Ve e Vs deve ser suficiente para permitir a operação
adequada do regulador, observando-se que esta diferença influencia na dissipação
de potência do regulador;
- Deve-se manter uma corrente mínima que assegure a tensão de saída no valor
esperado. Para garantir esta corrente acrescenta-se ao circuito um resistor em
paralelo com a saída;
251
L 78 Nome da série
Y Ismáx, se: M – 0,5A S – 2,0A
Ausente – 1,5A
XX Tensão de saída
Y Limites de temp.
(ºC), se: C – 0 a 115
Ausente – 55 a 155
Y Encapsulamento, se:
V – TO – 220 T – TO-3
Tensão depois do filtro = V
- As especificações do componente informam a variação da tensão de saída
provocada pela corrente de carga, chamada de regulação de carga, e pela tensão
de entrada, chamada de regulação de linha;
- A série 78XX e LM340 possuem reguladores com tensão de saída positiva fixa na
faixa de 5 a 24V;
- A série 79XX e LM320 possuem reguladores com tensão de saída negativa fixa na
faixa de – 5 a –24V;
- Os capacitores de entrada e de saída ajudam a manter a tensão de saída
constante, além de absorverem as variações de tensão de alta freqüência. Devem
ser posicionados o mais próximo possível do regulador. Os de tântalo ou cerâmicos
são os mais recomendados, faixa de valores típicos é 10ηF a 1µF.
• Reguladores com tensão de saída fixa como reguladores ajustáveis
Conectando-se um componente que provoque uma queda de tensão (resistor, diodo,
etc.) entre o terminal do regulador GND e o terra do circuito, obteremos uma tensão
de saída maior que a especificada. O valor desta tensão será o resultado da soma
do valor da queda de tensão com a tensão especificada pelo regulador.
Vs = Vr + Vreg
Exemplo:
252
Cálculo de resistor:
R = (Vs – Vreg)/Iq
• Tabela de resistores para Vs diversas:
7805 7806 7808 7810 7812 7815 7818 7824 VS R=0 - - - - - - - 5 270 R=0 - - - - - - 6 470 270 - - - - - - 7 750 470 R=0 - - - - - 8 1K 750 270 - - - - - 9
1K2 1K 470 R=0 - - - - 10 1K5 1K2 750 270 - - - - 11 1K8 1K5 1K 470 R=0 - - - 12 2K 1K8 1K2 750 270 - - - 13
2K2 2K 1K5 1K 470 - - - 14 2K5 2K2 1K8 1K2 750 R=0 - - 15 2K7 2K5 2K 1K5 1K 270 - - 16 3K 2K7 2K2 1K8 1K2 470 - - 17
3K2 3K 2K5 2K 1K5 750 R=0 - 18 3K5 3K2 2K7 2K2 1K8 1K 270 - 19 3K7 3K5 3K 2K5 2K 1K2 470 - 20 4K 3K7 3K2 2K7 2K2 1K5 750 - 21
4K2 4K 3K5 3K 2K5 1K8 1K - 22 4K5 4K2 3K7 3K2 2K7 2K 1K2 - 23 4K7 4K5 4K 3K5 3K 2K2 1K5 R=0 24 5K 4K7 4K2 3K7 3K2 2K5 1K8 270 25
5K2 5K 4K5 4K 3K5 2K7 2K 470 26 5K5 5K2 4K7 4K2 3K7 3K 2K2 750 27 5K7 5K5 5K 4K5 4K 3K2 2K5 1K 28 6K 5K7 5K2 4K7 4K2 3K5 2K7 1K2 29
6K2 6K 5K5 5K 4K5 3K7 3K 1K5 30 6K5 6K2 5K7 5K2 4K7 4K 3K2 1K8 31 6K7 6K5 6K 5K5 5K 4K2 3K5 2K 32 7K 6K7 6K2 5K7 5K2 4K5 3K7 2K2 33
7K2 7K 6K5 6K 5K5 4K7 4K 2K5 34 7K5 7K2 6K7 6K2 5K7 5K 4K2 2K7 35 7K7 7K5 7K 6K5 6K 5K2 4K5 3K 36
Obs: Pode-se ainda projetar uma fonte regulável utilizando regulador de tensão de
saída fixa da mesma maneira dos reguladores reguláveis, com a diferença que a
tensão mínima de saída será a especificada no componente.
253
Iq é a corrente quiescente (valores típicos na faixa de 3,2mA a 5mA). Potência do resistor 1/4W.
Reguladores ajustáveis:
A configuração básica do circuito para se obter tensões de saída ajustável é
mostrada abaixo:
R1 e R2 formam um divisor de tensão que atua como elemento de amostra.
Como:
Valores Típicos:
254
Vs = Vr1 + Vr2 = Ir1.R1 + Ir2.R2
Ir2 = Ia + Ir1, onde Ia é a corrente de ajuste.
Vs = Ir1.R1 + R2 (Ia + Ir1)
Vs = Ir1.R1 + Ir1.R2 + Ia.R2
Ir1 = Vref/R1, então:
Vs = Vref(R1 + R2)/R1 + Ia.R2
Vs = Vref(1 + R2/R1) + Ia.R2
Vref = 1,25V
Ia de 50µA a 100µA
R2 = 4k7ΩΩΩΩ
R1 = 240ΩΩΩΩ
Características de Alguns Reguladores Ajustáveis
1. LM317
• Definição:
É um regulador de tensão positiva de três terminais que pode fornecer até 1,5A e
tensão de saída entre 1,25V e 37V.
• Características:
Características do LM317 Valor min. Valor típico Valor máx. Unidade Tensão de referência 1,2 1,25 1,3 V Regulação de linha - 0,02 0,07 %/V Regulação de carga - 0,3 1,5 % Regulação térmica - 0,04 0,07 %/W Corrente mínima de carga - 3,5 10 mA Limite de corrente ve – vs = 15v 1,5 2,2 3,4 A
• Nomenclatura:
• Aspecto Físico:
Normalmente fabricado em encapsulamentos TO-220.
• Circuito Típico:
255
LM317 X
Corrente de saída máxima, se: K ou T 1,5A H 0,5A
• Especificações e recomendações técnicas:
- Não é possível tensão de saída menor que a tensão de referência (Vref = 1,25V);
- É importante o uso de capacitores (de preferência de cerâmica ou de tântalo, ≅
100ηF) na entrada e na saída próximos ao regulador.
- O uso de diodos, em paralelo com os capacitores, permite as descargas dos
mesmos, evitando que elas ocorram pelo interior do integrado, podendo danificá-los.
2. LM350
• Definição:
É um regulador de tensão positiva de três terminais que pode fornecer até 3A e
tensão ajustável entre 1,25 e 33V.
• Aspecto Físico:
Normalmente fabricado em encapsulamento TO-220.
• Circuito Típico:
Semelhante ao circuito do LM317.
256
3. LM338
• Definição:
É um regulador de tensão positiva de três terminais que pode fornecer até 5A e
tensão de saída ajustável entre 1,2V a 32V.
• Aspecto Físico:
Normalmente fabricado em encapsulamento TO-3.
• Circuito Aplicativo:
• Tabela de Reguladores
Regulador Ve mín. Ve máx. Vs Is máx. Desligamento
LM117 4 40 1,2 a 37 1,5 2,5 LM217 4 40 1,2 a 37 1,5 2,5 LM309 4 40 5 (fixo) 1 2 LM317 4 40 1,2 a 37 1,5 2,5 LM337 -4 -40 -1,2 a –37 1,5 -2,5 LM338 4 40 1,2 a 32 5 2,7 LM350 4 36 1,2 a 33 3 2,5
257
24.5 Estudo do CI 555
Composto de um divisor de tensão, dois comparadores, um flip-flop RS e um
transistor de descarga, observem: (fig. 1 e 2).
258
Fig. 1 – Circuito Interno do C1555
Fig. 2 – Aspecto
24.6 O Flip-flop RS
Observando a figura 3, cada coletor alimenta a base oposta do transistor através de
Rb.
Neste circuito, transistor está saturado enquanto o outro está em corte.
Para o transistor saturado Vc ≈ 0, logo não há alimentação para a base do outro
transistor e sua Vc ≈ Vce, que por sua vez produz Ib suficiente para manter o
transistor em saturação, ele entra em corte.
Acrescentando-se mais componentes, obtém-se um flip-flop RS, que é um circuito
que pode fixar a saída Q alta ou baixa.
Uma entrada S alta implica Q alto.
Uma entrada R alta implica Q baixo.
A saída permanece em um dado estado até ser disparada para o estado oposto (fig.
4).
259
Fig. 3- Oscilador Biestável a Transistor
+ VCC
24.7 Princípio de Funcionamento
O comparador superior tem uma entrada de tensão de limiar (6) e uma entrada de
tensão de controle (5).
Na maioria das aplicações, a entrada de controle não é utilizada, de modo que a
tensão de controle é igual a 2/3 de Vcc.
Sempre que a tensão de limiar exceder à tensão de controle, o comparador terá
saída alta, o que ativa (set) o flip-flop (Q = 1).
O coletor do transistor de descarga está no pino 7. Quando este pino é ligado a um
capacitor, uma saída Q alta do FF satura o transistor e descarrega o capacitor.
Quando Q é baixo, o transistor entra em corte e o capacitor inicia o processo de
carga.
A saída complementar é conectada ao pino 3. Quando o pino 4 (desativar) está
aterrado, inibe o dispositivo. Quando não for utilizado é conectado à alimentação.
A entrada inversora do comparador inferior é chamada de disparo.
Devido ao divisor de tensão, a entrada não inversora tem uma tensão de 1/3 de
Vcc.
260
Fig. 4 - flip-flop
No momento em que a tensão de disparo for menor que 1/3 de Vcc, a saída do
comparador torna-se alta desativando o FF (Q = 0).
O pino 1 é o terra.
O pino 8 é a alimentação (4,5V a 16V).
24.8 Operação Monoestável (fig. 5 e 6)
No momento em que a entrada de disparo for menor que 1/3 de Vcc, o comparador
inferior tem uma saída alta e desativa (reset) o FF (S = 0, R = 1 e Q = 0), levando ao
corte o transistor de descarga, permitindo que o capacitor se carregue através de R.
No momento que a tensão do capacitor for maior que 2/3 de Vcc, o comparador
superior tem uma saída alta, o que ativa (set) o FF (S = 1, R = 0, pois é apenas um
pulso, Q = 1).
Logo que a saída se torna alta, o transistor satura, iniciando o processo de descarga
do capacitor (S = 0, R = 0 e Q = 1).
Cálculo do tempo de permanência do estado instável:
261
262
Fig. 5 (multivibrador monoestável)
Fig. 6 (circuito do multivibrador monoestável)
+ VCC
5 KΩ
5 KΩ
5 KΩ
1 - terra
4
limiar
A figura 7 mostra as formas de onda típicas.
A entrada de disparo é um pulso estreito.
O pulso deve ser menor que 1/3 de Vcc para desativar o FF e permitir que o
capacitor se carregue.
O capacitor se carrega através de R.
Quanto maior a constante de tempo RC, mais tempo leva para a tensão do capacitor
atingir 2/3 de Vcc.
O pino 5 é conectado ao terra através de um capacitor tipicamente de 0,01µF, isto
fornece a filtragem do ruído da tensão de controle.
Se aterrarmos o pino 4 ocorrerá a inibição do FF, para evitar um acionamento
indesejável, costuma-se ligá-lo ao potencial positivo de Vcc.
263
Fig. 7 (formas de onda típicas da configuração monoestável)
24.9 Operação Estável (fig. 8 e 9)
Quando a saída Q for baixa, o transistor estará em corte e o capacitor estará
carregado através de Ra + Rb.
A constante de tempo será (Ra + Rb)C.
A tensão de limiar aumenta à medida que o capacitor se carrega.
No momento em que a tensão de limiar for maior que 2/3 de Vcc, o comparador
superior terá saída alta, ativando o FF (S = 1, R = 0 e Q = 1).
Mas neste momento o transistor saturará aterrando o pino 7, descarregando o
capacitor através de Rb. A constante de tempo será (RbC).
Quando a tensão do capacitor estiver menor que 1/3 de Vcc, o comparador inferior
terá saída alta, desativando o FF (S = 0, R = 1 e Q = 0).
264
Fig. 8 (multivibrador astável)
A figura 10 mostra as formas de onda típicas, pode-se observar que a carga e
descarga do capacitor acontecem exponencialmente.
A saída é uma forma de onda retangular não simétrica, já que o tempo de carga é
maior que o tempo de descarga.
265
Fig. 9 (multivibrador astável)
2/3VCC
1/3VCC
VCC
t
T
Fig. 10 (formas de onda típicas da configuração astável)
24.10 Ciclo de Trabalho de uma Forma de Onda
É a razão entre o tempo em nível alto e o tempo do ciclo completo. Especifica o nível
de assimetria.
D = t_ D = Ra + Rb_ (100%) T Ra + 2Rb Dependendo das resistências Ra e Rb, o ciclo de trabalho encontra-se entre 50 e
100%. Fazendo-se Rb muito maior que Ra, obtém-se uma onda quadrada (ciclo de
operação 50%).
Cálculo da Freqüência de Saída
CARGA:
DESCARGA: (o cálculo é semelhante) t2 = 0,693 RbC
TEMPO TOTAL: (período) T = t1 + t2
T = 0,693(Ra + 2Rb)C
FREQÜÊNCIA: F = 1,443____ (Ra + 2Rb)C
266
2Vcc – Vcc = (Vcc – Vcc)(1 - ) 3 3 3 - 1Vcc __3___ = - 2Vcc 3 1n (1 ) = - t1___ _ 2 (Ra + Rb)C - 0,693(Ra + Rb)C = - t1 t1 = 0,693(Ra + Rb)C
- t1 RC
- t1 RC
25 AMPLIFICADOR OPERACIONAL
O amplificador operacional, também denominado de AO, é um circuito eletrônico
com características que se aproximam a de um amplificador ideal, encontrado
atualmente em forma de circuito integrado (fig.13).
A importância do amplificador operacional se deve fundamentalmente a sua
versatilidade que o torna aplicável em muitas áreas específicas da eletrônica, tais
como: instrumentação, circuitos industriais, circuitos de áudio, circuitos eletrônicos
para cálculos, filtros de sinais entre outras.
A denominação “amplificador operacional” tem origem no fato de que estes circuitos
foram utilizados inicialmente para realizar operações matemáticas como adição,
subtração, multiplicação através de circuitos eletrônicos.
25.1 Simbologia de um Amplificador Operacional
O símbolo utilizado para representar o amplificador operacional é um triângulo que
aponta no sentido do fluxo de sinal.
Ao triângulo são acrescentados terminais que apresentam os pontos de conexão
com o circuito externo (fig. 14).
267
Fig. 13
Fig. 14
Os amplificadores operacionais podem apresentar uma série de terminais com
funções definidas.
Existem fundamentalmente 5 terminais que fazem parte de todos os tipos de AO:
- 2 terminais para alimentação
- 1 terminal de saída
- 1 terminal de entrada não inversora
- 1 terminal de entrada inversora.
A figura 15 mostra o símbolo genérico de um amplificador operacional.
25.2 Os Terminais de Alimentação do AO
Os amplificadores operacionais apresentam uma característica singular no que diz
respeito às tensões de alimentação:
- São alimentados por duas tensões simétricas (por exemplo: + 15V e – 15V).
A figura 16 ilustra a forma comum de alimentação de um AO, a partir de uma fonte
simétrica.
268
Fig. 15
Fig. 16
Isto não significa que outros componentes ou circuitos que estejam ligados ao AO
não necessitem do terra. Este “terra” para o circuito externo pode ser obtido no
terminal “O” da fonte simétrica.
A figura 18 mostra um exemplo de circuito onde existem componentes externos
ligados ao terra do circuito.
25.3 Os Terminais de Entrada do AO
A finalidade de um amplificador operacional é realizar uma amplificação tanto de
tensões contínuas como alternadas.
Os amplificadores operacionais possuem duas entradas de sinal:
- Uma entrada inversora, indicada pelo sinal “-“ no símbolo do AO
- Uma entrada não inversora indicada pelo sinal “+” no símbolo do AO (fig. 19).
269
É importante observar que os Aos não são ligados
diretamente ao “terra” ou “OV” da fonte simétrica.
O próprio circuito interno dos Aos obtém “terra” ou
“OV” internamente (fig. 17).
Fig. 17
Fig. 18
Para os sinais ou tensões aplicadas na entrada inversora (-) o AO se comporta como
um amplificador com relação de fase de 180º entre saída e entrada. Isto é, se o sinal
aplicado na entrada “-“ torna-se mais positivo, o sinal de saída torna-se mais
negativo (fig. 20).
Para os sinais aplicados à entrada não inversora (+) o AO se comporta como um
amplificador com relação de fase de 0º entre a saída e a entrada.
Isto é, se o sinal aplicado na entrada “+” torna-se mais positivo o sinal de saída
torna-se mais positivo (fig. 21).
270
Os sinais aplicados à entrada inversora (-) de um AO são
amplificados com a fase invertida (180º).
Fig. 19
Fig. 20
25.4 Características de um AO
As características ou parâmetros de um AO são informações fornecidas pelos
fabricantes que possibilitam ao usuário determinar, entre diversos Aos, aquele que
se aplica a cada necessidade.
As características mais importantes de um AO são:
a) Impedância de entrada
b) Impedância de saída
c) Ganho de tensão em malha aberta
d) Tensão offset de saída
e) Rejeição de modo comum
f) Banda de passagem
As características de um amplificador operacional podem ser analisadas segundo
dois pontos de vista distintos: considerando o AO como IDEAL ou considerando-o
como REAL.
271
Os sinais aplicados à entrada não inversora (+) de um AO são
aplicados sem inversão de fase.
Fig. 21
Os fabricantes de amplificadores operacionais procuram continuamente desenvolver
novos circuitos cujas características se aproximam das ideais.
Por esta razão em cada uma das características faz-se uma comparação entre ideal
e real.
25.5 Impedância de Entrada
OBSERVAÇÃO
Para maior clareza os terminais de alimentação são omitidos nas figuras.
AO IDEAL – um amplificador operacional ideal deve apresentar impedância de
entrada infinita (Zi = ∝).
Uma impedância de entrada infinita atribui ao AO ideal uma característica
particularmente interessante.
As entradas de sinal não absorvem corrente (operando apenas com tensão, como
um FET).
Ii = como Zi = ∝ Ii = logo I = 0
AO REAL – Os amplificadores operacionais reais, construídos em forma de circuito
integrado têm uma impedância de entrada da ordem de vários megaohms (MΩ).
272
É a impedância que existe entre os
terminais de entrada do amplificador
operacional (denominada de Zi) (fig. 22).
Vi Zi
Vi ∝
Fig. 22
Devido ao alto valor de Zi os amplificadores operacionais reais em forma de circuito
integrado, podem ser considerados como ideais no que diz respeito à impedância de
entrada.
Esta aproximação do ideal permite que se admita que as entradas de um AO real
não absorvam corrente.
25.6 Impedância de Saída
AO IDEAL: Um amplificador operacional ideal deve apresentar impedância de saída
nula (zero Ω), ou seja, comporta-se como uma fonte de tensão ideal para a carga,
sem resistência interna (fig. 24).
273
As entradas de um AO não absorvem corrente, sendo
excitadas apenas pela tensão aplicada.
É a impedância do estágio de saída do
AO, denominada de Zo.
Á nível de circuito equivalente, a
impedância de saída pode ser
representada como um resistor em série
com o terminal de saída AO (fig. 23).
Fig. 23
Fig. 24
A ausência de impedância de saída permite que a tensão na saída de um AO ideal
dependa apenas dos sinais de entrada e da amplificação, sendo independente da
corrente solicitada pela carga (fig. 25).
AO REAL: Em um amplificador operacional real a impedância de saída existe,
podendo variar desde poucos ohms (ex. 5Ω) até valores como 1000Ω.
Através de recursos externos ao AO pode-se ainda, em alguns casos, reduzir a
impedância de saída para menos de 1Ω.
Esta impedância de saída atua como uma resistência interna provocando uma
queda na tensão de saída VO (fig. 26)
Desta forma se conclui que a tensão VO na saída de um AO real depende:
- Das tensões nas entradas
- Do ganho do AO
- Da corrente solicitada pela carga.
274
VO INDEPENDENTE DO
VALOR DA CORRENTE I0
VO = V - (IO . ZO)
QUEDA DE TENSÃO DEVIDA
A IMPEDÂNCIA DE SAÍDA
Fig. 25
Fig. 26
25.7 Ganho de Tensão Diferencial
O sinal a ser amplificado por um AO pode ser aplicado de três maneiras:
- Entre entrada inversora (-) e terra
- Entre entrada não inversora (+) e terra
- Entre as duas entradas (+) e (-) (fig. 27).
Quando o sinal é aplicado entre uma entrada e a outra o AO atua como
“AMPLIFICADOR DIFERENCIAL” amplificando a diferença entre as duas tensões de
entrada.
Nesta situação, o ganho obtido entre saída e entrada é denominado de GANHO DE
TENSÃO DIFERENCIAL.
O ganho de tensão diferencial pode ainda ser definido em “malha aberta” ou “malha
fechada”.
Nas folhas de dados os fabricantes fornecem o ganho de tensão diferencial em
malha aberta (Ad), que é amplificação fornecida pelo AO quando não há ligação
externa entre o terminal de saída e entrada (sem realimentação) (fig. 28).
275
Ganho de tensão diferencial é a amplificação proporcionada pelo
AO para a diferença de tensão (ou sinal) entre as entradas + e -.
Fig. 27
Fig. 28
Alguns autores representam o ganho diferencial em malha aberta pela notação AVOL.
AO IDEAL: O ganho de tensão diferencial em malha aberta de um amplificador
operacional ideal deve ser infinito (Ad =∝).
AO REAL: Os amplificadores operacionais modernos em geral apresentam um Ad
que varia entre 103 e 109. Este ganho normalmente é expresso em dB nos manuais
(dB = 20 . log ∆Vo).
∆Vi
O ganho propiciado por um AO pode ser diminuído desde o valor Ad (ganho
diferencial em malha aberta) até mesmo ao valor l se for necessário.
Esta redução no ganho é obtida pela realimentação, que são componentes externos
ao AO, interligando a saída com a entrada.
Esta é uma das características mais importantes de um AO: ganho em malha
fechada é definido somente pelos componentes externos que fazem a
realimentação.
276
Ganho de tensão diferencial em malha aberta (Ad) é a
amplificação fornecida pelo AO em um circuito sem
realimentação.
A figura 29 mostra um circuito amplificador com
AO e com componentes para realimentação
(malha fechada).
O ganho de um AO é definido externamente pelos componentes
que compõem a realimentação, até no máximo o valor Ad.
Fig. 29
25.8 Tensão de OFFSET de Saída
Um amplificador operacional deve amplificar os sinais aplicados as suas entradas.
Se as duas entradas estão a um potencial “zero” (aterradas através de resistores
iguais, por exemplo) a tensão de saída deve ser “zero” (fig. 30).
Qualquer valor de tensão, que esteja presente na saída de um AO que tem as
entradas aterradas (a zero volt), é denominada de tensão offset de saída.
AO IDEAL: Um AO ideal deve ter uma tensão de offset nula, ou seja, a saída deve
estar a “zero volt” se ambas as entradas estiverem ao potencial de terra.
AO REAL: Em geral, a tensão de offset dos AOs reais é da ordem de poucos
milivolts.
Alguns amplificadores operacionais têm terminais que possibilitam, através do
circuito externo, ajustar a tensão de saída para zero quando as entradas estiverem
ao potencial de terra. Este ajuste normalmente é denominado de OFFSET NULL.
A figura 31 mostra o símbolo de um AO com dois terminais específicos para ajuste
de OFFSET NULL.
277
Tensão offset de saída é a tensão presente na saída de um AO
quando suas duas entradas estão com potencial “zero”.
Fig. 30
25.9 Rejeição de Modo Comum
Quando as duas entradas do AO recebem sinal, o AO deve atuar como amplificador
diferencial, amplificando a diferença entre as duas tensões (fig. 32).
Aplicando-se o mesmo sinal às duas entradas a diferença entre as duas tensões
será sempre “zero” (fig. 33).
278
VO = AD . (VA – VB)
Ganho Diferencial
VA = VB logo
VA – VB = 0
Fig. 31
Fig. 32
Fig. 33
Assim sendo, a tensão de saída deve ser sempre zero, porque não há diferença a
ser amplificada.
Denomina-se de rejeição de modo comum (CMRR) a capacidade de um AO de não
amplificar tensões que sejam comuns às duas entradas. A rejeição de modo comum
também é conhecida como ganho de modo comum (AVCM).
AO IDEAL: Um amplificador operacional ideal deve ter uma rejeição de modo
comum infinita (CMRR =∝) amplificando apenas a diferença entre a tensão das duas
entradas.
Um exemplo facilita a compreensão da rejeição de modo comum.
Supondo-se um AO com ganho 100 em duas situações diferentes:
279
VO = Ad . (VA – VB) VO = Ad . 0 VO = 0V
SITUAÇÃO 1 SITUAÇÃO 2
VA = 1,1V
VB = 1,0V
VA – VB = 0,1V
VO = Ad . (VA – VB) = 10V
VA = 6,1V
VB = 6,0V
VA – VB = 0,1V
VO = Ad . (VA – VB) = 10V
Verifica-se que na situação 1 o AO rejeitou a tensão de 1V, amplificando apenas a
diferença (0,1V). Na situação 2 da mesma forma o AO rejeitou o valor comum às
duas entradas (6V) amplificando apenas a diferença (0,1V).
Este AO tem um CMRR = ∝
AO REAL: Um amplificador operacional real amplifica também as tensões comuns
aos dois terminais de entrada, mas com ganho muito menor (centenas de vezes
menores).
As mesmas situações usadas no AO ideal poderiam apresentar resultado diferente
em um AO real.
A diferença entre os dois valores de VO se deve ao fato de que o AO não rejeitou
completamente os valores de tensão comuns as duas entradas.
Obs: Os valores apresentados são apenas ilustrativos.
O valor de CMRR para os Aos reais é dado em dB.
280
VA = 1,1V
VB = 1,0V
VA – VB = 0,1V
VO = Ad . (VA – VB) = 10,01V
VA = 6,1V
VB = 6,0V
VA – VB = 0,1V
VO = Ad . (VA – VB) = 10,06V
SITUAÇÃO 2 SITUAÇÃO 1
25.10 Banda de Passagem
Os amplificadores operacionais podem apresentar um ganho diferencial (Ad) tão
grande quanto 100.000 ou 200.000.
Este ganho, entretanto, não é constante ao longo de toda a faixa de freqüências
amplificadas.
A figura 34 mostra o gráfico de ganho de um AO em função de freqüência
amplificada.
Por este gráfico se observa que até 5Hz o ganho decresce sensivelmente com o
aumento da freqüência até que em 1NHz o ganho atinja valor unitário.
Denomina-se banda de passagem a faixa de freqüência em que o ganho do circuito
se mantém até 70% do ganho máximo (que corresponde a –3dB em relação ao
máximo).
No caso da curva apresentada como exemplo o ganho máximo é de 106dB (200.000
vezes).
281
Fig. 34
A faixa de passagem vai até a freqüência em que o ganho é 103dB (140.000 vezes).
No gráfico exemplo, a banda de passagem vai de 0 até 7Hz aproximadamente (fig.
35).
Existem configurações de ligação do AO que permitem extender a banda de
passagem até centenas de quilohertz e até mesmo a megahertz no caso de alguns
Aos especiais.
25.11 O Amplificador Operacional 741
Um dos amplificadores operacionais mais utilizados na atualidade é o 741.
O campo de aplicação deste AO é tão extenso que um grande número de
fabricantes de circuitos integrados produz amplificadores operacionais com
características e designações praticamente idênticas (MA 741, LM 741, MC 741, SN
72741).
Uma análise comparativa entre o 741 e um AO ideal mostra que em muitas
características o 741 pode ser considerado como “ideal”.
282
Banda de passagem é a faixa de freqüência em que o ganho de um
circuito com AO se mantém até 70% do valor Ad.
Fig. 35
25.12 Comparação Entre Parâmetros
A tabela 1 faz uma comparação entre as características de um AO ideal e as
características do 741 (típicas).
CARACTERÍSTICA IDEAL 741
Impedância de entrada (Zi) ∝ 2MΩ
Impedância de saída (Zo) 0 75Ω
Ganho em malha aberta (Avol) ∝ 130dB (200000)
Rejeição de modo comum ∝ 90dB
Outras características do AO 741: Além das características internas importantes as
folhas de dados trazem especificações relativas aos fatores externos ao AO.
Estes valores são máximos e se excedidos podem danificar permanentemente o
dispositivo.
OBSERVAÇÃO
As características apresentadas correspondem ao AO LM741.
NOTA 1 – máxima tensão que pode ser aplicada entre uma entrada (inversora ou
não inversora) e o terra. Em qualquer caso, não deve exceder a tensão de
alimentação.
283
Tensão de Alimentação: ± 22V
Dissipação de potência: 500mW
Tensão de entrada (Nota 1): ± 15V
Tensão de entrada diferencial (Nota 2): ±30V
Duração de curto circuito na saída (Nota 3): indefinida
Temperatura máxima de operação: 0ºC a 70ºC
NOTA 2 – máxima tensão que pode ser aplicada entre duas entradas (inversora e
não inversora).
NOTA 3 – o AO LM 741 tem um circuito interno de proteção contra sobrecarga.
25.13 Ajuste de OFFSET de Saída do 741
A figura 36 mostra a dissipação dos terminais do 741 nos encapsulamentos circular
e DIL.
Os dois terminais indicados com a designação OFFSET NULL são utilizados para
correção do offset na tensão de saída, através de circuito externo.
A figura 37 mostra o AO 741 com o circuito externo necessário para o ajuste da
offset da tensão de saída.
284
Fig. 36
Fig. 37
26 CARACTERÍSTICA DE TRANSFERÊNCIA DE UM AO
O ganho de um AO em malha aberta (sem realimentação) é altíssimo, atingindo
valores de ordem de 10000 ou mais.
Isto significa que se aplicando uma diferença de 10 milivolts entre as duas entradas
a tensão de saída será, por exemplo:
VS = (VA . VB)Ad VO = 0,01 . 10000 = 100V
(VA – VB) = 10Mv VO = 100V
Entretanto, como a maioria dos Aos é alimentada a partir de fontes de baixa tensão
(± 15V, por exemplo), a tensão de saída nunca sobe além do valor de alimentação
(fig. 1).
Quando a tensão de saída de um AO atinge um valor igual (ou próximo) à tensão de
alimentação, diz-se que o AO atingiu a SATURAÇÃO.
Como um AO é alimentado por tensões simétricas, a saturação pode ocorrer para a
tensão de saída positiva ou negativa. Estas situações são chamadas de saturação
positiva e saturação negativa.
285
VO = (VA – VB) . Ad
VO máx = : ± 15V
SATURAÇÃO é a situação em que a tensão de saída de um AO atinge o
seu valor máximo para uma determinada tensão de alimentação.
Fig. 1
Na prática, a saturação sempre fica um pouco abaixo da tensão de alimentação. Por
exemplo:
± VCC = 15V - VCC = -15V
As figuras 2 e 3 mostram as duas situações de saturação.
Quando maior foi o ganho em malha aberta (Ad) de um AO menor será a tensão
entre as entradas para leva-lo a saturação.
Colocando-se em gráfico o comportamento do AO obtém-se o resultado mostrado na
figura 4.
286
Saturação positiva 13V
Saturação negativa -13V
VO = Vi . Ad VO = 0,015V . 10000 = 15V
VO limitada a + 8,5V
SATURAÇÃO POSITIVA
VO = Vi . Ad VO = 0,015V . 10000 = 15V
VO limitada a –8,5V
SATURAÇÃO NEGATIVA
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
Este gráfico é denominado de “CARACTERÍSTICA DE TRANSFERÊNCIA DO AO”.
Neste gráfico, usado como exemplo, enquanto a tensão entre as entradas está
abaixo de 15V (positivos ou negativos) a tensão de saída obedece a equação VO =
Vi. Ad correspondendo a uma versão amplificada do sinal Vi.
Considerando em um comportamento linear aberta seja constante, a equação é de
1º grau resultando em um comportamento linear (reta inclinada) na região central da
característica de transferência.
Devido à linearidade de saída em função da tensão de entrada, esta região é
denominada de “região linear”.
Um AO funcionando como amplificador deve trabalhar somente na região linear,
onde a tensão VO é uma réplica amplificada da tensão Vi.
A figura 5 mostra a característica de transferência de um AO com as três regiões de
funcionamento.
26.1 Ampliação da Região de Operação Linear de um OP AMP
Devido ao alto ganho de malha aberta a região linear de um AO é muito estreita,
situando-se entre alguns milivolts positivos e negativos (fig. 6).
287
Um amplificador de sinais com AO deve funcionar na região
linear da curva característica de transferência.
Fig. 5
Isto significa, por exemplo, que se um AO sem realimentação fosse usado como
amplificador de sinais, o sinal de entrada teria que estar limitado a poucos milivolts.
Entretanto, a região linear de operação de um AO pode ser ampliada através da
redução do ganho do AO usando de realimentação negativa.
A realimentação negativa consiste em retornar uma parte do sinal de saída para a
entrada inversora, através do circuito externo.
A figura 7 mostra um AO com um divisor de tensão externo (R1 e R2) que faz a
realimentação negativa.
Supondo-se, por exemplo, um circuito com ganho de tensão AV = 100 (estabelecido
por R1 e R2 externos) e alimentado por ± 15VCC (fig. 8).
288
Fig. 6
Fig. 7
A tensão VO está limitada aos valores ± 13V aproximadamente. Para que se obtenha
± 13V na saída com um circuito com ganho 100 faz-se necessário aplicar ± 0,013V a
sua entrada.
Comparando-se as características de transferência de um AO em malha aberta e em
malha fechada com ganho 100 se verifica a ampliação da região linear de alguns
molivolts até 130mV (no exemplo) (figs. 9 e 10).
289
VO = Vi . AV
0,13V . 100 = + 13V
- 0,13V . 100 = - 13V VO = Vi . AV
Fig. 8
Fig. 9
Os gráficos mostram como a redução do ganho permite um aumento da região
linear.
Os circuitos que usam Aos na região linear são chamados de “circuitos linear”.
Como exemplo desses circuitos, citam-se:
- Amplificador inversor
- Amplificador não-inversor
- Seguidor de tensão
- Somador
- Subtrator
290
Fig. 10
27 AMPLIFICADOR INVERSOR
O amplificador operacional possui uma entrada de sinal inversora que permite sua
utilização como amplificador de sinal com inversão de fase de 180º entre saída e
entrada (fig. 11).
Para que o AO opere na região linear faz-se necessário acrescentar a malha
realimentação negativa ao circuito.
A figura 12 mostra a configuração de um amplificador inversor com AO (foram
omitidas e os terminais de alimentação para maior clarezas da figura).
27.1 Ganho do Amplificador Inversor
O ganho (AV) do amplificador inversor depende apenas dos componentes da malha
realimentação.
291
Fig. 11
Fig.12
Esta dependência pode ser comprovada com base numa análise do circuito.
Faz-se necessário, nesta análise, considerar a impedância de entrada do AO do
amplificador ideal (infinita).
Admitindo-se que a impedância de entrada é infinita, define-se que a entrada do
sinal não absorve corrente do circuito externo (fig. 13).
Uma vez que não há circulação de corrente na entrada do AO a queda de tensão na
impedância de entrada é nula (fig. 14).
Verifica-se que tanto a entrada não-inversora (aterrada) como a inversora tem
potencial de “OV”. Embora a entrada inversora (-) não esteja ligada fisicamente ao
terra, seu potencial é nulo (fig. 15).
292
V2 = 0
V1 = Ii . Zi como Ii = 0
V1 = OV
Fig. 13
Fig. 14
Este ponto é denominado de terra virtual do AO (fig. 16).
Ao aplicar-se uma tensão à entrada do amplificador inversor circula uma corrente no
resistor R1. Como se o terra virtual a “0V”, o valor desta corrente é dado pela lei de
Ohm (fig. 17).
293
O potencial nas entradas de um AO é tão pequeno que pode ser
considerado como nulo. As entradas correspondem a um TERRA
VIRTUAL.
I = Vi R1 Vi = I . R1
Fig. 15
Fig. 16
Fig. 17
Uma vez que a entrada do AO não absorve corrente, a mesma que circula no
resistor R1 passa através de R2 (fig. 18).
O resistor R2 está ligado entre a saída do circuito e o terra virtual (0V) de forma que
a queda de tensão em R2 é igual a tensão de saída VO. Esta tensão pode ser
calculada pela lei de Ohm:
Como se dispõe das equações do VO e Vi pode-se determinar a equação do ganho
no circuito amplificador inversor.
O sinal de menos a frente da expressão indica a inversão de fase (180º).
Simplificando o termo “I”, comum ao denominador e numerador, tem-se a equação
pronta.
294
VO = I . R2
AV = - VO Vi
AV = - I . R2 I . R2
GANHO DA TENSÃO DO
AMPLIFICADOR INVERSOR
AV = - R2_
R1
Fig. 18
A equação mostra que o ganho do circuito depende dos componentes que compõem
a malha de realimentação.
A figura 19 mostra um amplificador inversor com ganho –10 (10 com inversão de
fase).
O resistor R3 não influencia no ganho e seu valor deve ser igual ao paralelo R1 e R2.
27.2 Impedância de Entrada do Amplificador Inversor
Admitindo-se que o terminal de entrada inversora é um terra virtual, a impedância de
entrada do circuito (Zi) será o próprio valor de resistor onde se aplica o sinal (fig. 20).
295
AV = RO = - 10K Ri 1K AV = - 10
R3 = R1 . R2 R1+R2
Zi = R1
Fig. 19
Fig. 20
27.3 Impedância de Saída do Amplificador Inversor
A impedância de saída (ZO) do amplificador inversor é sempre muito menor que
impedância de saída do próprio AO.
ZO (amplificador) << ZO (operacional)
Valores típicos de ZO são menores que 1.
27.4 Amplificador Não-inversor
Para a obtenção de um amplificador não-inversor utiliza-se a entrada não-inversora
do AO, o que resulta em VO em fase com Vi (fig. 21).
A malha de realimentação (R2 e R1) é necessária para manter o AO na sua linear de
funcionamento.
• Ganho de amplificador não-inversor
O ganho (AV) do amplificador não-inversor normalmente é determinado
considerando-se o AO como ideal:
- Impedância de saída ZO = 0Ω
- Impedância de entrada Zi =∝
296
Fig. 21
- Ganho diferencial Ad = ∝
Com estas aproximações, que não prejudicam o resultado prático, a equação do
ganho do amplificador não-inversor é:
Nesta equação dois aspectos são importantes:
- A ausência do sinal negativo, que indica que o sinal de saída está em fase
com o sinal de entrada;
- Se R2 >> R1 (R2 muito maior que R1) a equação pode ser reduzida a AV = R2 . R1
• Impedância de entrada do amplificador não-inversor
No amplificador não-inversor o sinal de entrada é aplicado diretamente à entrada
não-inversora do AO. Desta forma, a impedância de entrada (Zi) é a própria
impedância de entrada do AO.
Zi (amplificador) = Zi (do manual do AO)
• Impedância de saída do amplificador não-inversor
A impedância de saída (ZO) do amplificador não-inversor também é sempre menor
que a impedância de saída do próprio AO (ZO).
ZO (amplificador) << ZO (do manual do AO)
Os valores típicos são menores que 1Ω.
297
GANHO DE TENSÃO DO
AMPLIFICADOR NÃO-INVERSOR AV = (1 + R2) R1
27.5 Amplificador Seguidor de Tensão
O circuito seguidor de tensão, também conhecido como BUFFER, é um amplificador
de ganho de tensão = 1.
O seguidor de tensão é um tipo particular de amplificador não-inversor. A figura 23
mostra o circuito seguidor de tensão com AO.
Aplicando-se a equação do ganho de tensão (AV) do amplificador não inversor ao
circuito seguidor de tensão tem-se:
AV = 1 +
Como R2 é um curto e R1 é a impedância de entrada inversora (R2 = 0Ω ; R1 = ∝)
AV = 1 + 0 ∝
298
R2 R1
Fig. 22
Fig. 23
27.6 Impedâncias do Seguidor de Tensão
Em termos de impedância o circuito seguidor de tensão se comporta como o
amplificador não inversor.
Zi = impedância de entrada do AO
Z0 tipicamente menor que 1Ω.
Por esta razão o circuito seguidor é usado como casador de impedância.
27.7 Circuitos Aritméticos com AO
São circuitos com amplificador operacional capaz de realizar operações aritméticas.
Dentre eles destacam-se:
a) somador
b) subtrator
a) Circuito Somador: o somador é um circuito com amplificador operacional capaz de
fornecer na saída uma tensão igual a soma das tensões aplicadas nas entradas.
A figura 24 mostra um circuito somador de duas entradas.
299
GANHO DE CIRCUITO
SEGUIDOR DE TENSÃO AV = 1
Fig. 24
Considerando-se que a entrada inversora não absorve corrente e que o ponto A no
circuito é um terra virtual, pode-se analisar o comportamento do somador.
Aplicando-se duas tensões (V1 e V2) nas entradas circularão as correntes I1 e I2
cujos valores são:
I1 = V1 e I2 = V2 (fig. 25). R1 R2
As correntes I1 e I2 se somam no nó A e circulam através do resistor R3, uma vez
que a entrada do AO não absorve corrente (fig. 26).
A tensão de saída é dada pela lei de Ohm:
VO = -(I1 + I2) R3 ou VO = -(I1 . R3) + (I2 . R3)
Se os valores de R1, R2 e R3 são iguais, tem-se:
VO = -( I1 . R) + (I2 . R3)
Como I1 . R = V1
I2 . R = V2
300
Fig. 25
Fig. 26
A tensão de saída é numericamente igual a soma de V1 e V2, porém com sinal
negativo devido ao uso da entrada inversora.
Se for necessário obter as somas de V1 e V2 com o sinal correto pode-se usar um
amplificador inversor com ganho 1 após o somador (fig. 27).
Deve-se tomar cuidado quando uma das tensões a ser somada for negativa, pois a
corrente desta entrada será diminuída das demais (fig. 28).
O circuito somador pode ser constituído com qualquer número de entradas (fig. 29).
301
VO = - (V1 + V2)
VO = - [V1 + (-V2)]
VO = - [V1 - V2]
Fig. 27
Fig. 28
27.8 Somador com Pesos Diferentes
Quando o somador tem todos os resistores iguais, todas as tensões têm peso igual.
Entretanto, quando isto não acontece, deve-se usar outra equação para determinar
a tensão de saída (fig. 30).
Nesta equação, os valores RA, RA,......, RA, representam o ganho (peso) dado pelo R1 R2 Rn circuito a cada entrada.
27.9 Circuito Subtrator
O AO pode ser utilizado para a obtenção de um circuito que realiza a subtração
entre tensões. O efeito de subtração é obtido aplicando uma tensão na entrada
inversora e outra não-inversora.
302
R1 = R2 = R3 = ... = Rn
VO = - (V1 + V2 + V3 + ... + Vn)
VO = - (V1 . RA ) + (V2 . RA) + ... + (Vn . RA ) R1 R2 Rn
Fig. 29
Fig. 30
A figura 31 mostra o circuito subtrator.
Se todos os resistores forem de igual valor, a tensão de saída dos circuitos será
dada por:
VO = - (V2 – V1)
O sinal negativo indica a inversão do sinal do resultado da subtração e pode ser
eliminado da mesma forma que no circuito somador.
Este tipo de circuito pode ainda ser construído de tal forma que R1 = R2 e R3 = R4.
Neste caso, o circuito realiza a subtração e amplifica o resultado conforme a razão
R4 / R1. A equação do circuito se torna:
V = R4 (V2 - V1) para R4 = R3 e R2 = R1 R1
Nesta condição o circuito é conhecido como amplificador diferencial, pois amplifica a
diferença entre as duas tensões aplicadas.
303
Fig. 31
28 SENSORES
Para as áreas de eletricidade e eletrônica, o termo sensor se aplica a todo o
dispositivo ou componente capaz de transformar uma grandeza física (ou sua
variação) em uma grandeza elétrica.
Assim, por exemplo, é denominado de sensor de luminosidade um componente
capaz de transformar uma variação de intensidade luminosa em variação de
resistência elétrica.
Existem realmente componentes eletrônicos que são sensíveis à luz. Estes
componentes são ditos “FOTOELÉTRICOS ou FOTOSSENSÍVEIS”.
Sendo sensíveis à luz, os componentes fotoelétricos podem ser utilizados como
sensores de:
- Existência ou não-existência de luz: utilizado principalmente para a contagem
de objetos;
- Nível de iluminamento: utilizado em fotômetros para os processos
fotográficos;
- Variação de iluminamento: utilizado, por exemplo, para o controle automático
da iluminação em rodovias, para a detecção de objetos pela cor, etc...
Entre os componentes fotoelétricos citam-se:
A) LDR
B) Fotodiodo
C) Fototransistor
A) LDR
304
O LDR ou resistor dependente da luz (do inglês Light Dependent Resistor) é um
componente constituído à base de material semicondutor que se caracteriza por
apresentar uma resistência variável em função da intensidade da luz incidente.
Talvez por ser um dos componentes sensíveis à luz mais antigos, o LDR é
conhecido por uma série de designações, dentre as quais as mais usuais são:
fotoresistor, fotocélula, célula fotoelétrica.
As figuras 3, 4 e 5 mostram o formato construtivo típico de uma fotocélula e os
símbolos usados usualmente para representá-la.
Os LDR’s apresentam uma resistência elevada quando colocados no escuro e
sofrem uma redução de resistência à medida que a incidência de luz sobre o
componente aumenta.
Os valores de resistência dos LDR’s no escuro e no claro variam de tipo para tipo,
com variações típicas que vão desde alguns Megaohms no escuro até algumas
centenas de ohms em ambientes com grande intensidade de luz.
Um aspecto importante é que a variação da resistência de um LDR em função da luz
NÃO É LINEAR, conforme mostra a curva característica típica da figura 6.
305
Resistência elétrica dependente da intensidade
da luz incidente. LDR
Fig. 3 Fig. 4 Fig. 5
As figuras 7 e 8 mostram as curvas de sensibilidade espectral dos fotoresistores de
sulfeto de cádmio e de sulfeto de chumbo, comparando com a faixa da radiação
visível (curvas tracejadas).
O LDR pode ser utilizado em um divisor de tensão de forma que o resultado seria
uma tensão de saída dependente da intensidade luminosa (fig. 9).
306
Fig. 6
Fig. 7 Fig. 8
Este divisor associado, por exemplo, a um disparador Schmitt poderia ser utilizado
para comandar uma lâmpada que só acenderá a noite (fig. 10).
Embora a tensão de entrada varie vagarosamente à medida que o ambiente
escurece ou clareia, o disparador Schmitt se encarrega de chavear corretamente o
relé que aciona a lâmpada.
Uma das vantagens do LDR em relação aos outros sensores sensíveis à luz reside
no fato de que, apesar de ser semicondutor, não tem junções PN de forma que pode
ser utilizado em CA.
307
TENSÃO VARIÁVEL EM FUNÇÃO DA INTENSIDADE
LUMINOSA
Fig. 9
Fig. 10
Outra vantagem é a sua sensibilidade que a torna particularmente interessante em
locais onde o nível de iluminação é baixo.
Sua maior desvantagem reside no tempo de resposta
O LDR apresenta um tipo de “memória luminosa” que retarda a variação de
resistência do componente sempre que a célula estiver exposta a uma certa
quantidade de luz por algum tempo.
Isto limita a faixa de funcionamento em freqüência à, no máximo, algumas centenas
de Hertz.
B) Fotodiodo
A indicação do anodo ou catodo varia de tipo para tipo, de forma que a maneira mais
prática de identificar os terminais é através do catodo do fabricante ou do teste com
o multímetro.
A aplicação de luz no fotodiodo provoca a liberação de portadores nos cristais,
ocasionando um aumento na corrente reversa.
308
É um diodo fabricado em encapsulamento especial que
permita a incidência de luz sobre a junção PN.
Geralmente o encapsulamento é metálico e possui uma
lente para a concentração da luz sobre a junção (fig. 11).
O fotodiodo é utilizado normalmente com
polarização inversa. Nesta situação a corrente
circulante é uma corrente de fuga (fig. 12).
FOTODIODO Corrente reversa proporcional a intensidade
luminosa incidente no componente.
Fig. 11
FOTODIODO
Fig. 12
A figura 13 mostra a curva característica típica de um fotodiodo (apenas na região de
utilização com polarização inversa).
Nesta curva característica está representada a corrente circulante no fotodiodo sem
a presença de luz. Esta corrente, denominada de corrente de escuro, é muito
pequena, mas sempre existe.
Para verificar o comportamento do fotodiodo perante a variação da intensidade
luminosa pode-se traçar uma perpendicular sobre a curva característica, passando
por um determinado valor de tensão reversa (fig. 14).
309
Fig. 13
Fig. 14
Conforme mostram as linhas tracejadas, a aplicação de uma tensão de 15V reversos
resulta em uma corrente reversa de:
- 45µA para 400 lux de intensidade luminosa (ponto A no gráfico);
- 85µA para 800 lux de intensidade luminosa (ponto B);
- 170µA para 1600 lux de intensidade luminosa (ponto C).
É importante observar que a variação da corrente reversa se situa na faixa dos
microampéres.
Para que esta pequena variação de corrente possa dar origem a variações de
tensão apreciáveis costuma-se utilizar o fotodiodo em série com resistores de valor
elevado (na faixa das dezenas a centenas de KΩ) (fig. 15).
Um aspecto importante a considerar é que a corrente de fuga também depende da
temperatura do diodo, o que pode causar problemas quando um fotodiodo é utilizado
em locais onde a variação de temperatura é muito ampla.
A figura 16 mostra a curva de sensibilidade espectral de um fotodiodo de germânio,
comparada com a faixa visível (linha tracejada).
310
Fig. 15
Os fotodiodos têm maior sensibilidade em relação a outros dispositivos opto-
eletrônicos sendo muito utilizado em aplicações em que a intensidade luminosa seja
muito variável e podem alcançar freqüência de corte da ordem de 50KHz.
A maior desvantagem dos fotodiodos reside na pequena corrente de saída, mesmo
quando sujeito a uma grande taxa de iluminação.
C) Fototransistor
Os fototransistores são transistores que apresentam um encapsulamento que
permite a incidência de luz sobre os cristais semicondutores.
A figura 17 mostra dois tipos de encapsulamento típicos para fototransistores.
Conforme mostra esta figura, a construção e os terminais de um fototransitor são
similares a de um transistor convencional.
311
Fig. 16
O funcionamento do fototransistor tem como base o fato da junção base-coletor, que
sempre é polarizada inversamente, se comportar como um fotodiodo.
A incidência de luz sobre o “fotodiodo base-coletor” dá origem a uma corrente
reversa (semelhante a ICBO) que é amplificada beta (β) vezes no coletor. Esta
corrente é proporcional a intensidade luminosa à qual o transistor está sujeito.
Portanto, pode-se dizer:
A figura 19 mostra a curva característica de um fototransistor típico.
Nestas curvas a corrente de base (dos transistores convencionais) foi substituída
pelo iluminamento.
312
O símbolo de um fototransistor é o mesmo de um
transitor convencional, acrescido das setas que
indicam a sensibilidade à luz (fig. 18).
A corrente de coletor do fototransistor é proporcional às variações de
intensidade luminosa sobre o componente.
Fig. 19
Apesar de possuir o terminal-base como qualquer outro transistor este raramente é
utilizado, sendo mais comum a excitação somente através da luz (fig. 20).
Caso seja necessário, no entanto, alterar a tensão de coletor para um determinado
iluminamento, é possível polarizar a base da mesma forma que um transistor
convencional (fig. 21).
Este método, contudo, reduz a sensibilidade do circuito.
Os fototransistores têm freqüência de corte mais baixa que os fotodiodos, situando-
se tipicamente em alguns quilohertz.
313
Fig. 20
Fig. 21
Existem fototransistores fabricados especialmente para trabalhar em conjunto com
diodos emissores de luz (LED).
O transistor e o diodo formam um par casado em que o comprimento de onda
emitido pelo diodo é o ideal para o funcionamento do fototransistor.
Este tipo de utilização tornou-se tão popular que foram criados os fotoacopladores
que são constituídos por um diodo LED e um fototransistor em um encapsulamento
tipo circuito integrado (figs. 22 e 23).
Devido à alta isolação elétrica existente entre o LED e o fototransistor (acoplamento
apenas por luz), os fotoacopladores são muito utilizados como elo de ligação entre
os estágios onde existem CC e CA.
28.1 Termistores
São componentes semicondutores cuja resistência elétrica varia com a temperatura.
São utilizados toda a vez que se necessitar transformar uma variação de
temperatura em um sinal elétrico.
A figura 24 mostra o aspecto típico destes componentes e os símbolos.
314
ASPECTO REAL SÍMBOLO
Fig. 22 Fig. 23
Fig. 24
Os termistores podem ser utilizados tanto em CC quanto em CA.
A) Termistor PTC
É um termistor com coeficiente de temperatura positivo (Positive Temperature
Coeficiente), ou seja, a resistência aumenta com a elevação da temperatura.
A figura 25 ilustra o comportamento de um termistor PTC.
Observa-se entre 70º e 100º o comportamento típico do PTC.
315
Termistor PTC Aumenta a temperatura
Aumenta a resistência
Fig. 25
Cada PTC tem uma faixa de temperatura onde existe grande variação de resistência
em função das variações de temperatura. É nesta faixa que se situa a aplicação
ideal do termistor.
B) Termistor NTC
É um termistor com coeficiente de temperatura negativo (Megative Temperatura
Coeficiente), ou seja, a resistência diminui com o aumento de temperatura.
A figura 26 mostra o gráfico típico de um NTC ilustrando a variação de resistência
em função da temperatura.
28.2 Aplicações dos Termistores
Os termistores, tanto NTC como PTC, podem ser utilizados de duas formas distintas:
a) Atuando como sensores, se comportando de acordo com a temperatura do
equipamento;
316
Termistor NTC Aumenta a temperatura
Diminui a resistência
Fig. 26
b) Atuando sobre o equipamento, de acordo com as condições de tensão ou
corrente do mesmo.
Como sensores de temperatura, os termistores são utilizados, por exemplo, para a
manutenção do ponto de operação de transistores (fig. 27).
Neste circuito um aumento de temperatura tende a provocar um aumento na
corrente de coletor (devido a ICBO). Entretanto, o aumento na temperatura provoca
uma redução na resistência do NTC, reduzindo o VBE do transistor e corrigindo o
ponto de operação.
Outro exemplo de aplicação dos termistores é o controle de temperatura (fig. 28).
317
Fig. 27
Fig. 28
A variação na temperatura do termistor (NTC ou PTC) provoca uma variação na
tensão aplicada à entrada do disparador Schmitt.
Através do relé acoplado ao disparador pode-se comandar resistências de
aquecimento ou aparelhos de refrigeração.
A outra forma de utilização geralmente utiliza o termistor em série com a carga, de
forma que a corrente de carga (ou parte dela) circule através do termistor.
Neste tipo de aplicação à própria dissipação de potência no termistor provoca o seu
aquecimento, fazendo variar a sua resistência.
Nos aparelhos de TV a cores existe uma bobina para a desmagnetização do tubo.
Ao ligar o aparelho, esta bobina deve produzir por alguns segundos um campo
magnético intenso que depois deve praticamente desaparecer.
Para que isto aconteça, a bobina de desmagnetização é conectada em série com
um PTC (fig. 29).
Ao ligar a alimentação, o PTC está frio e com baixa resistência. A corrente circulante
é intensa, produzindo o campo desmagnetizante.
A corrente da bobina circula através do PTC provocando uma dissipação que eleva
a temperatura do componente.
318
Fig. 29
Com a elevação da temperatura, a resistência do PTC aumenta, reduzindo a
corrente na bobina.
Após alguns segundos, o sistema atinge o equilíbrio com o PTC em alta resistência,
o que praticamente elimina o campo desmagnetizante que já cumpriu a sua função.
319
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
SENAI.DN. Eletrônica básica. Rio de janeiro: SENAI, s.n.t.
SILVEIRA. George Cajazeiras. Notações de aulas, s.n.t.
320
EQUIPE TÉCNICA
COORDENAÇÃO: Leônidas Fernandes Macedo Júnior
ELABORAÇÃO: George Cajazeiras Silveira
DIGITAÇÃO E DIAGRAMAÇÃO: Sandra Lúcia Carvalho de Araújo
CORREÇÃO ORTOGRÁFICA: Rosângela Fátima Carvalho de Araújo
NORMALIZAÇÃO BIBLIOGRÁFICA: Núcleo de Informação Tecnológica - NIT