rea Tecnolgica de Automao Industrial

ELETRNICA BSICA

rea Tecnolgica de Automao IndustrialELETRNICA BSICA

SALVADOR

2 0 0 3

Copyright ( 2003 por SENAI CIMATEC. Todos os direitos reservados.

rea Tecnolgica Automao IndustrialElaborao: Waldeck Gomes de Oliveira

Marcos Antonio da Silva

Tahiana Vieira da Fonseca

Reviso Tcnica: Milton Bastos de Souza

Reviso Pedaggica: Maria Clia Calmon Santos

Normalizao: Maria do Carmo Oliveira RibeiroCatalogao na fonte (Ncleo de Informao Tecnolgica NIT)

_______________________________________________

SENAI CIMATEC Centro Integrado de Manufatura

e Tecnologia. Eletrnica bsica. Salvador, 2003.

144p. il. (Rev.01)

1. Eletrnica I. Ttulo

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O SENAI CIMATEC visa desenvolver um programa avanado de suporte tecnolgico para suprir as necessidades de formao de recursos humanos qualificados, prestao de servios especializados e promoo de pesquisa aplicada nas tecnologias computacionais integradas da manufatura.

Com uma moderna estrutura laboratorial e um corpo tcnico especializado, o CIMATEC desenvolve programas de intercmbio tecnolgico com instituies de ensino e pesquisa, locais e internacionais.

Tudo isso sem desviar a ateno das necessidades da comunidade, atendendo suas expectativas de formao profissional, suporte tecnolgico e desenvolvimento, contribuindo para uma constante atualizao da indstria baiana de manufatura e para a alavancagem do potencial das empresas existentes ou emergentes no estado.

APRESENTAO

O curso de Eletrnica Bsica objetiva fornecer ao aluno um curso bsico de eletrnica para alunos dos cursos tcnicos de nvel mdio e superior, no sendo exigido conhecimento especfico prvio de eletrnica para sua compreenso.

Essa apostila enfoca os principais assuntos da eletrnica analgica, tais como: semicondutores, diodos, transistores, amplificadores e fonte de alimentao que so os elementos bsicos dos circuitos analgicos e outros tipos de circuitos analgicos.

Portanto, o curso proporciona ao aluno as informaes necessrias para a compreenso do funcionamento de circuitos e dispositivos eletrnicos, tendo utilidade a todos aqueles que tm interesse no estudo de eletrnica, visando sua aplicao prtica nos mais variados ramos da tecnologia.

SUMRIO

1Introduo

9

2Semicondutores

12

3

Diodos

20

4

Circuitos Estabilizadores de Tenso40

5Circuitos Integrados

41

6Componentes Optoeletrnicos

45

7Transistores

62

8Amplificadores Lineares

90

9Circuitos Osciladores

97

10Circuitos Temporizadores

103

11

Simbologia Geral105

12Anexos (Prticas)

106

Referncia Bibliogrfica1. Introduo

Como j de nosso conhecimento, podemos dividir um material em pores cada vez menores, at que chegamos a menor das pores, que recebe o nome de molcula. Podemos ento intitular pr molcula a menor poro que um material pode ser dividido sem que com isso venha sofrer alteraes em suas propriedades.

Se da molcula partimos a uma nova diviso, chegaremos ao tomo que pr sua vez no, mas conservara as propriedades do material subdividido. Isso mais ou menos bvio, pois, se uma molcula de uma dada substncia for composta de uma srie de elementos qumicos, em sua diviso iremos separ-los, mudando as caractersticas do todo.

Ex. : H2O - Molcula de gua

Definimos tomo como sendo a menor partcula que compe a molcula, e este pr sua vez tambm composto de outras partculas que so eltrons, prtons e nutrons. Os prtons e nutrons constituem o ncleo, tendo os primeiros carga positiva e os nutrons no possuindo carga alguma.

Os eltrons possuem carga eltrica negativa, e giram ao redor do ncleo do tomo em rbitas concntricas, como na figura abaixo, que podemos notar a presena de 7 rbitas na ordem: K, L, M, M, O, P, Q, que tambm so chamadas de camadas. Cada camada possui uma distncia bem determinada em relao ao ncleo e um nvel prprio de energia. Em funo disto, cada camada aceita um nmero mximo de eltrons:

CAMADAN DE ELETRONS

K2

L8

M18

N32

O32

P18

Q8

A ltima camada (tambm denominada camada de valncia) apresenta quando completa um total de 8 eltrons, que recebem a denominao de eltrons de valncia. Os eltrons de valncia so os nicos em condio de participarem de fenmenos qumicos, ou mesmo eltricos, pois eles esto mais afastados do ncleo, sofrendo uma menor atrao deste, ou seja, possui um maior nvel energtico (grau de liberdade). Os nicos elementos existentes na natureza que apresentam a ultima camada completa so os gases nobres.

A camada de valncia permite que o tomo altere as suas caractersticas eltricas por meio da ionizao: perdendo eltrons, o tomo torna-se um on positivo ou ction; ganhando eltrons, o tomo torna-se um on negativo ou nion.

Quanto s camadas inferiores, uma vez completas, no cedem nem recebem eltrons ou pelo menos, necessita de uma quantidade de energia muito grande para romper esta estabilidade, pois esto fortemente atradas pelo ncleo.

O tomo tende a se unir com tomos do mesmo ou de outros elementos, visando a estabilidade (8 eltrons na camada de valncia) e formando as molculas dos diversos materiais existentes na natureza. Essa unio pode ocorrer por meio de ligaes eletrovalentes que so doaes definitivas de eltrons de um tomo para outro, ou ligaes covalentes que so compartilhamento de eltrons por mais de um tomo.

OBSERVAO:

O tomo est eletricamente neutro quando o nmero de eltrons presentes em suas rbitas igual ao nmero de prtons presentes em seu ncleo.

Um eltron pode girar em torno de dois ncleos quando encontra os tomos simetricamente dispostos.

Todos os materiais encontrados na natureza so formados por diferentes tipos de tomos, diferenciados entre si pelos seus nmeros de prtons, eltrons e nutrons. Cada material tem uma infinidade de caractersticas, mas uma especial em eletrnica o comportamento passagem de correntes eltricas, por isso dividimos os materiais em 3 categorias: condutores, isolantes e semicondutores.

Compare os materiais classificados quanto condutividade:

Compare os materiais classificados quanto ao nvel energtico:

Materiais Condutores e Isolantes

Os materiais condutores so compostos por tomos com poucos eltrons na rbita de valncia, porm possuem grande quantidade de eltrons livres. Nos melhores condutores, os tomos possuem apenas um eltron de valncia. A alta condutividade devido fraca ligao entre esse nico eltron e o ncleo do tomo, de forma que, temperatura ambiente, a energia trmica suficiente para arranc-lo da rbita de valncia e torn-lo um eltron livre.

Nos metais, o nmero de eltrons livres quantitativamente elevado, fazendo com que eles se comportem como condutores eltricos excelentes.

Caso um material condutor seja submetido a uma diferena de potencial, seus eltrons livres passam a se locomover de forma ordenada. Estes eltrons livres sero atrados pelo plo positivo da bateria, e quando um eltron muda de posio deixa um vazio que poder ser ocupado por outro eltron, estabelecendo desta maneira a corrente eltrica.

Quanto maior for o fluxo de corrente pelo material condutor, quando submetido a uma diferena de potencial, maior ser sua condutividade. A ao da temperatura sobre a condutividade inversamente proporcional, ou seja, quanto maior for a temperatura aplicada ao condutor, mais energia estar sendo fornecida ao mesmo, resultando em maiores quantidades de choques e um movimento desordenado no interior do condutor dificultando, por conseguinte, o movimento dos mesmos. Exemplos de materiais condutores so: ouro, prata, cobre, platina, dentre outros.

J os materiais isolantes so compostos por tomos com muitos eltrons na rbita de valncia. Os eltrons nos materiais isolantes acham-se fortemente presos em suas ligaes, e mesmo quando esses materiais so aquecidos, os eltrons se desprendem em quantidade muito pequena, no ocorrendo, dessa maneira, uma grande circulao de eltrons. Exemplos de materiais isolantes so: borracha, mica, porcelana, etc.

Alm dos materiais condutores e isolantes, existe outro tipo de material que no pode ser incluso em nenhuma das duas categorias, pois apresenta comportamento de um pssimo condutor e tambm um pssimo isolante, so os chamados semicondutores.

2. Semicondutores

O material semicondutor, como o prprio nome j diz, no considerado nem um condutor nem um isolante. formado por tomos tetravalentes, ou seja, possuem 4 eltrons na camada de valncia, que se agrupam entre si, formando uma estrutura cristalina, ou seja, so substncias cujos tomos se posicionam no espao formando uma estrutura ordenada. Nessa estrutura, cada tomo une-se a 4 outros tomos vizinhos, por meio de ligaes covalentes, e cada um dos 4 eltrons de valncia de um tomo compartilhado com um tomo vizinho.

Os semicondutores foram os principais causadores da revoluo da eletrnica. Os principais semicondutores utilizados so o germnio (Ge) e o silcio (Si), que em estado puro apresentam-se sob a forma cristalina, significando que seus tomos acham-se dispostos uniformemente em uma configurao peridica.

Inicialmente, o germnio era mais utilizado para a fabricao de dispositivos semicondutores, porm com o avano da microeletrnica, o silcio passou a ser mais utilizado, principalmente por sua abundncia e fcil extrao.

Os tomos de silcio se distribuem no slido formando uma estrutura cbica, onde os tomos ocupam os vrtices do cubo. Esta estrutura cbica normalmente chamada cristal. por isso que ns dizemos que o slido de silcio um cristal de silcio. Nos semicondutores, se um eltron da camada de valncia receber energia externa, como luz e calor, e esta for maior que a fora de atrao exercida pelo ncleo, o eltron pode subir para uma rbita acima da camada de valncia, chamada de banda de conduo. Uma vez na banda de conduo, o eltron est livre para se deslocar pelo cristal, sendo o mesmo chamado de eltron livre. Ao ir para a banda de conduo, o eltron deixa um vazio que chamamos de lacuna. Este fenmeno chamado de quebra de ligao covalente. Esta quebra produz um par eltron-lacuna. Do mesmo modo, um eltron livre vagando pelo cristal pode passar perto de uma lacuna e ser atrado pela mesma, neste caso houve uma recombinao.

Quanto ao movimento dos eltrons e lacunas, haver sempre a possibilidade de ambos se recombinarem eliminando dessa maneira dois portadores mveis, um eltron e uma lacuna. Desta forma, nem as lacunas e nem os eltrons conservar-se-o livres indefinidamente.As propriedades eltricas dos semicondutores so afetadas por variao de temperatura, exposio luz e acrscimos de impurezas. A temperatura exerce influncia direta sobre o comportamento dos materiais semicondutores no que diz respeito condutibilidade eltrica. medida que a temperatura do semicondutor aumenta, sua resistividade diminui ao contrrio da resistividade de um condutor normal que obedece a 2 Lei de Ohm (R=L/A).

O silcio um isolante perfeito a uma temperatura de -273C, porque a esta temperatura no existe nenhum eltron livre. medida que a temperatura vai aumentando, vai ocorrendo a quebra de ligaes covalentes, assim como recombinaes. temperatura ambiente de 25C, um cristal de silcio puro possui uma quantidade de pares eltron-lacuna mais ou menos estvel, devido as constantes quebras de ligaes covalentes produzidas termicamente, assim como recombinaes.Se submetermos um cristal de silcio puro a uma DDP, observamos que existem dois trajetos para os eltrons se movimentarem dentro do cristal, ou seja, teremos duas correntes eltricas, uma de eltrons livres e a outra de eltrons de valncia. Os eltrons livres iro se deslocar de um lado para outro do cristal atravs da banda de conduo, os eltrons de valncia se deslocaro de um lado para outro do cristal atravs das lacunas, pulando de uma para a outra.

O eltron livre mostrado dentro do cristal ser atrado pelo terminal positivo da fonte, se deslocando dentro do cristal pela banda de conduo, como indica a seta. Esta corrente de eltrons livres de mesma natureza que a corrente que se estabelece nos materiais condutores. Observe agora a lacuna mostrada na figura acima. O eltron do ponto 1 pode ser atrado pela lacuna, se isso ocorrer, a lacuna na extremidade deixar de existir e onde estava o eltron no ponto 1, agora ter uma lacuna. A lacuna no ponto 1 agora pode atrair o eltron do ponto 2, onde passar a estar a lacuna. Se continuarmos este raciocnio, como mostram as setas, veremos que os eltrons esto se deslocando em direo ao terminal positivo e a lacuna em direo ao terminal negativo. Ao sarem pela extremidade do cristal, tanto eltron livre como eltron de valncia, se tornam eltrons livres, seguem em direo ao terminal positivo da fonte.

O movimento de eltrons de valncia dentro do cristal pode ser visto como o movimento de lacunas em sentido contrrio.

Este movimento de eltrons de valncia (ou de lacunas), o que diferencia os semicondutores dos condutores. Num condutor s existe corrente de eltrons livres. A corrente de lacunas nos semicondutores apenas uma analogia, porque quem se movimenta na verdade so os eltrons de valncia, tenha isso sempre em mente.

Na prtica, no tem como medir a corrente de eltrons livres e de lacunas de forma independente dentro do cristal, mas saiba que elas existem e que o uso dos semicondutores na construo de dispositivos eletrnicos se deu, em grande parte, por esta caracterstica.

O nome dado a todo semicondutor puro semicondutores intrnsecos. Um cristal de silcio intrnseco se todos os tomos do slido forem de silcio. A condutividade do silcio a temperatura ambiente de 25C to baixa que no existe aplicao prtica para o mesmo. Uma maneira de aumentar a condutividade de um cristal de silcio introduzindo tomos de impureza.

A adio de certos tomos estranhos (impurezas) aos tomos de silcio ou germnio pode alterar a estrutura de camadas (bandas) de energia de forma suficiente mudar as propriedades eltricas dos materiais intrnsecos. A esse processo qumico damos o nome de dopagem.

O objetivo da dopagem aumentar a condutividade do cristal. Um semicondutor dopado com tomos de impurezas um semicondutor extrnseco e um material semicondutor que tenha sido submetido a um processo de dopagem por impurezas chamado de material extrnseco. H 2 materiais extrnsecos de muita importncia para a fabricao de dispositivos semicondutores. Esses materiais so chamados de: tipo N e tipo P.

Semicondutor Tipo N

um semicondutor que recebeu tomos pentavalentes, ou seja, tomos que possuem cinco eltrons na camada de valncia. Como exemplos de substncias pentavalentes podemos citar o arsnio, antimnio e fsforo.

Se em uma pequena barra de Ge ou Si, elementos tetravalentes, adicionarmos uma pequena quantidade de um elemento pentavalente (impureza), seus tomos iro se associar com os tomos de germnio ou silcio, fazendo com que um dos eltrons da camada de valncia, suba para a banda de conduo, porque ele s precisa de 4 eltrons na camada de valncia para estabelecer a ligao covalente.

Para cada tomo de impureza introduzido no cristal, aparecer um eltron livre.

Num semicondutor tipo N, os eltrons livres so chamados de portadores majoritrios porque existe em maior quantidade, enquanto que as lacunas so chamadas de portadores minoritrios por se encontraram em menor quantidade.

OBSERVAES:

Embora cada tomo pentavalente introduzido no cristal tenha um eltron que foi empurrado para banda de conduo, este eltron continua a pertencer ao tomo, ou seja, eletricamente falando, o tomo continua neutro.

Os elementos que atravs do processo da dopagem fornecerem eltrons excedentes ao Si ou Ge, sero denominados de doadores.

Semicondutor Tipo P

Um semicondutor tipo P obtido atravs da injeo de tomos trivalentes no cristal puro. Como exemplos de impurezas trivalentes podemos citar o alumnio, boro e glio.

Como um tomo trivalente possui trs eltrons na camada de valncia, uma lacuna ser criada quando o mesmo for se associar com os tomos vizinhos atravs da ligao covalente.

Para cada tomo de impureza, aparecer uma lacuna.

Um cristal dopado com tomos trivalentes um semicondutor tipo P. Ele possui uma grande quantidade de lacunas e alguns eltrons livres produzidos termicamente, devido quebra de ligaes covalentes. Neste caso, as lacunas so os portadores majoritrios e os eltrons livres so os portadores minoritrios.

Da mesma forma que os eltrons livres no semicondutor tipo N aumenta a condutividade do cristal, o aumento do nmero de lacunas no semicondutor tipo P tambm aumenta a condutividade do cristal. A diferena que no semicondutor tipo N, a condutividade aumenta na banda de conduo e no tipo P, a condutividade aumenta na camada de valncia. OBSERVAO:Eletricamente falando, cada tomo de impureza no semicondutor tipo P, no ganhou nem perdeu eltrons, portanto continua eletricamente neutro.Os elementos que atravs do processo da dopagem derem origem formao de lacunas, sero denominados de receptores.

Os materiais P e N isoladamente so utilizados na fabricao de resistncias em circuitos integrados, porm para a fabricao de dispositivos eletrnicos necessitamos da juno PN, que obtida a partir da unio de um material tipo P com um material tipo N.

Juno PN

As junes PN, como foi dito anteriormente, so a unio de um semicondutor tipo P com um tipo N, de modo que a interseo entre eles forme uma juno de mudana gradativa de caracterstica de conduo. Componentes que usam este tipo de juno so os diodos.

No semicondutor tipo P tem-se como portadores majoritrios lacunas e minoritrios eltrons. No semicondutor tipo N ocorre o inverso. Assim sendo, h uma alta concentrao de eltrons de um lado e de lacunas do outro. Os eltrons livres so representados juntos a ons positivos, indicando a situao de doador de eltrons. Ocorre o mesmo com a lacuna que est representada junto com um tomo aceitador de eltrons.Sabendo que as partculas (eltrons e lacunas) esto em constante movimento randmico (sem direo determinada), movimento este causado pela energia trmica fornecida pela temperatura ambiente, torn-se, portanto razoavelmente lgico que, estando as lacunas submetidas a um movimento randmico e havendo um nmero maior de lacunas no lado esquerdo, mais lacunas devero atravessar a superfcie do lado esquerdo para o direito (e inversamente para os eltrons), trata-se, portanto de um processo de difuso de lacunas, do lado de maior concentrao para o de menor concentrao. Do mesmo modo, existe o fenmeno da difuso de eltrons de uma regio de alta concentrao para uma regio de baixa concentrao. Isso levar a uma recombinao que formar ons positivos e negativos. Esta recombinao ir ocorrer com todos os eltrons e lacunas que estiverem prximos da juno. As colunas de ons que se formaram prximas juno, devido recombinao de eltrons e lacunas, chamada de camada de depleo. Existe entre as duas colunas de ons uma DDP, que chamada de barreira de potencial. Esta DDP nos diodos de germnio de 0,3V e nos de silcio de 0,7V.

Quando a regio prxima juno ficar esgotada de eltrons livres e lacunas, a coluna de ons negativos do lado P ir repelir qualquer eltron que tentar atravessar a juno em busca de alguma lacuna, estabelecendo-se assim um equilbrio.

Para que haja uma passagem de corrente eltrica pela juno preciso que seja inserida uma diferena de potencial eltrico nas extremidades atravs de uma fonte de tenso externa. Mas para isso preciso que o terminal + da fonte esteja conectado na regio P, para que as lacunas sejam "expulsas" para a regio N, e o terminal - na regio N para que os eltrons migrem para a regio P. Este tipo de conexo se chama polarizao direta.

OBSERVAO:

No confunda on com eltron livre ou lacuna. Um on um tomo que adquiriu carga eltrica, ou seja, ganhou ou perdeu eltrons. O on negativo representado por um sinal de menos com um crculo em volta e o on positivo, por um sinal de mais com um crculo em volta.

Polarizao direta da juno PN

Uma bateria externa conectada aos terminais de uma juno PN, de modo que, o terminal negativo da bateria conectado ao lado N e o terminal positivo ao lado P. Quando isso ocorre, o terminal positivo da fonte ir repelir as lacunas do lado P e o terminal negativo ir repelir os eltrons livres do lado N. Esta repulso provocar a compresso da camada de depleo e quando a tenso entre os terminais do diodo atingir o valor da barreira de potencial (0,7 para o silcio), ou seja, VT > 0,7, a camada de depleo estar to comprimida que permitir que os eltrons livres da regio N atravessem a mesma e entrem na regio P. Uma vez dentro da regio P, os eltrons livres descem da banda de conduo para a camada de valncia e atravessam a regio P como eltrons de valncia, pulando de lacuna em lacuna, at sarem pelo terminal do anodo, quando seguem para o terminal positivo da fonte, entram na fonte, saem pelo terminal negativo, entram na regio N pelo terminal do catodo, atravessam a regio N como eltrons livres, cruzam a juno e assim sucessivamente. O que ns acabamos de descrever na verdade um fluxo de eltron, ou uma corrente eltrica.

Em outras palavras, para se conseguir um movimento dos portadores de carga na juno necessrio anular a oposio da barreira de potencial interna e impulsionar as cargas para que estas atravessem a juno.

Polarizao inversa da juno PN

Ligando-se o terminal positivo da bateria no lado N e o terminal negativo da bateria no lado P obteremos uma polarizao inversa da juno PN. Assim sendo, os eltrons do material N sero atrados pelo potencial positivo da bateria, afastando-se da juno. O mesmo ocorrer com as lacunas, sendo atradas pelo potencial negativo. Como as cargas se afastam da juno, novas cargas descobertas aparecero nesta regio aumentando o potencial da barreira e em conseqncia aumentando gradativamente a resistncia interna do dispositivo. Podemos, ento dizer que a bateria aumentou a barreira de potencial da juno. de se esperar que nenhum dos portadores atravesse a juno e, portanto no haja corrente no circuito. Entretanto, o que constatamos que devido energia cedida pela temperatura ambiente, algumas ligaes covalentes so rompidas a todo instante, dando origem a portadores minoritrios, ou pares de eltron lacuna, gerados por agitao trmica. Assim, os portadores minoritrios formaro uma pequena corrente na polarizao inversa. A corrente inversa em uma juno PN na maioria dos casos considerada desprezvel se comparada com a corrente direta, e recebe tambm os nomes de corrente de fuga ou de saturao.

OBSERVAO:

Um dos motivos do uso em grande escala do silcio na confeco de componentes eletrnicos, que a corrente reversa nos componentes fabricados com silcio menor do que nos fabricados com germnio, pois o silcio menos sensvel temperatura.

3. Diodos

Quando dopamos a metade de um material semicondutor com impurezas trivalentes e a outra metade com impurezas pentavalentes, produziremos um diodo de juno ou diodo semicondutor.

Um diodo ideal uma chave acionada por tenso. Deve se comportar da seguinte maneira: Quando se aplica aos terminais desta chave uma tenso reversa ela atua como circuito aberto, quando se aplica uma tenso com polaridade contrria, ou seja, uma tenso direta ela atua como um curto-circuito. A caracterstica Volt-Ampre de um diodo ideal :

A caracterstica Volt-Ampre do diodo ideal altamente no-linear; ela consiste em 2 segmentos de linha reta formando 90 um em relao ao outro. Uma curva no-linear que consiste em segmentos de linha reta dita linear por partes. Se um dispositivo, tendo uma caracterstica linear por partes, for usado em uma aplicao particular de modo que sinal em seus terminais no ultrapasse os limites de apenas um dos segmentos lineares, ento o dispositivo poder ser considerado como um elemento linear de circuito, enquanto durar tal situao.

Comparando esta curva com a caracterstica Volt-Ampre de uma juno PN, chegamos concluso que possvel implementar fisicamente um diodo, ou seja, uma chave acionada por tenso.

Para analisar o diodo como elemento de circuito, podemos fazer uma simplificao, substituindo-o por um modelo equivalente linear. Isto corresponde a linearizar a caracterstica do diodo fsico por partes.

Conforme este modelo o diodo se comporta como uma resistncia altssima Rr (resistncia reversa) quando polarizado reversamente, ou seja, com uma tenso menor que, aproximadamente o valor Vj. Quando polarizado diretamente o diodo se comporta como uma resistncia bem baixa Rb (resistncia direta) em serie com uma fonte de tenso Vj.

Uma simplificao deste modelo, mais utilizada, a que considera o diodo como um circuito aberto para tenses inferiores a Vj (Rr tendendo a infinita). Para tenses menores que Vj, que chamada tenso de limiar, o diodo no conduz. Para tenses maiores que Vj, o diodo conduz e, em seus terminais, medimos a tenso Vj somada queda de tenso na resistncia direta Rb. A idia da tenso de limiar Vj tem muito a ver com o potencial da barreira Vo, embora estes valores no coincidam necessariamente.

A tenso Vj corresponde ao joelho da caracterstica linearizada.

A tenso Vo o valor de tenso aplicada acima do qual o campo eltrico da juno se anula e o diodo passa a se comportar aproximadamente como uma resistncia equivalente srie dos contatos hmicos dos terminais e do cristal semicondutor. A partir deste valor, a caracterstica do diodo tende para uma reta.

Barreira de Potencial

Vo V- Vo Circuito Aberto 0 < V < Vo

V= VoOs valores Vj e Vo costumam ser prximos.

Para o silcio Vj situa-se entre 0,6 a 0,7 Volts. Para o germnio, Vj situa-se entre 0,2 e 0,3 Volts.

O diodo de grande utilizao dentro da eletrnica e sua principal caracterstica a de conduzir a corrente eltrica em um s sentido. O terminal ligado ao lado P o anodo (A) e o terminal ligado ao lado N, o catodo (k). A faixa cinza prxima juno a camada de depleo, que ir se comprimir ou se expandir quando o diodo for submetido a uma diferena de potencial.

Resistncia direta: Vf = 0

If

Resistncia inversa: Vr = ( Ir

Circuitos equivalentes:

O sentido convencional da corrente indicado pela ponta da flecha no smbolo.

Um diodo est polarizado diretamente quando o terminal positivo da fonte est mais prximo do anodo e o terminal negativo mais prximo do catodo. Quando isso ocorre, o terminal positivo da fonte ir repelir as lacunas do lado P e o terminal negativo ir repelir os eltrons livres do lado N. Como foi explicado anteriormente, esta repulso provocar a compresso da camada de depleo, favorecendo a movimentao dos portadores majoritrios, e quando a tenso entre os terminais do diodo atingir o valor da barreira de potencial (0,7 para o silcio), ou seja, VT > 0,7, a camada de depleo estar to comprimida que permitir que os eltrons livres da regio N atravessem a mesma e entrem na regio P, permitindo o fluxo de eltrons (corrente eltrica).Resumindo, quando o diodo polarizado diretamente, e a tenso em seus terminais atinge o valor da barreira de potencial, o diodo comea a conduzir corrente, ou seja, permite que os eltrons cruzem a juno, comportando-se como se fosse uma chave fechada (diodo ideal).

Como o diodo se comporta como uma chave fechada, necessria a presena de um resistor em srie com o mesmo para limitar a corrente, caso contrrio fonte entra em curto.

Ao se aplicar a polarizao direta, o diodo no conduz intensamente at que se ultrapasse a barreira de potencial. medida que a bateria se aproxima do potencial da barreira, os eltrons livres e as lacunas comeam a atravessar a juno em grandes quantidades. A tenso para a qual a corrente comea a aumentar rapidamente chamada de tenso de joelho (no SI aprox. 0,7V).

Um diodo est polarizado reversamente quando o terminal positivo da fonte estiver mais prximo do catodo e o terminal negativo mais prximo do anodo. Quando isso ocorre, o terminal positivo da fonte ir atrair os eltrons livres da regio N e o terminal negativo ir atrair as lacunas da regio P. Isto provocar a expanso da camada de depleo, dificultando ainda mais a difuso de eltrons livres atravs da juno, ou seja, o diodo se comportar como uma chave aberta, bloqueando a passagem da corrente eltrica. Como o diodo se comporta como uma chave aberta, no tem corrente circulando no circuito.

OBSERVAES:

Na prtica circular pelo diodo uma pequena corrente reversa, devido aos portadores minoritrios produzidos termicamente. A intensidade desta corrente reversa depende da temperatura e no da tenso aplicada.

Existe uma outra componente que contribui para a corrente reversa, que a corrente de fuga superficial. devido as impurezas localizadas na superfcie do cristal, um trajeto hmico pode ser criado, viabilizando a circulao desta corrente reversa pela superfcie do mesmo. Esta componente depende da tenso reversa aplicada ao diodo.

Resumindo, duas componentes contribuem para a corrente reversa, a dos portadores minoritrios, que depende da temperatura e a corrente de fuga superficial, que depende da tenso reversa aplicada aos terminais do diodo. Entretanto na maioria dos casos essa corrente desprezada.

Temos que ter cuidado quando vamos polarizar um diodo reversamente, pois existe um valor de tenso mxima que cada diodo suporta estando polarizado desta forma, que a tenso de ruptura. Se a tenso reversa nos terminais do diodo ultrapassa o valor de ruptura, o mesmo conduz intensamente, danificando-se por excesso de dissipao de calor.

O motivo desta conduo destrutiva na ruptura um efeito conhecido como avalanche. Quando o diodo est polarizado reversamente, circula pelo mesmo uma pequena corrente reversa causada pelos portadores minoritrios. Um aumento na tenso reversa pode acelerar estes portadores minoritrios, causando choque destes com os tomos do cristal. Estes choques podem desalojar eltrons de valncia, enviando-os para a banda de conduo, somando-se aos portadores minoritrios, aumentando ainda mais o nmero de eltrons livres e conseqentemente de choques. O processo continua at ocorrer uma avalanche de eltrons (alta corrente eltrica), que causar a destruio do diodo.

A curva caracterstica de um diodo um grfico que relaciona cada valor da tenso aplicada com a respectiva corrente eltrica que atravessa o diodo. O grfico completo representado abaixo:

EXERCCIOS:

1) Dado os circuitos abaixo, calcule tenso em cada diodo e em cada resistor e a corrente em cada ramo?a)

b)

c) Uma aplicao fundamental do diodo, que faz uso intenso da curva no-linear Volt-Ampre, o circuito retificador que consiste em um diodo e um resistor conectados em srie.

Suponha uma tenso de entrada senoidal V1 e um diodo ideal. Durante os semiciclos positivos da entrada senoidal, a tenso positiva V1 faz com que a corrente circule pelo diodo no sentido direto. Segue que a tenso no diodo VD ser muito pequena (idealmente zero), resultando que a tenso na sada Vo permanea igual a tenso na entrada (Vo = V1). Entretanto durante os semiciclos negativos de V1, o diodo no conduzir (Vp = 0), produzindo um circuito que retifica o sinal (retificador).

O sinal na sada ter a seguinte curva:

Esse circuito pode ser usado para gerar corrente contnua a partir da corrente alternada.

Os circuitos que utilizam dispositivos semicondutores necessitam ser alimentados com tenses contnuas para a devida polarizao. Para podermos aproveitar a rede eltrica, por se tratar de tenso alternada, necessitamos convert-la em tenso contnua.

Os artifcios utilizados na eletrnica para transformar a corrente alternada em corrente contnua so denominados de retificadores, que so circuitos com diodos. Os circuitos retificadores juntamente com os filtros possibilitam obter nas sadas, tenses com caractersticas de contnua pura. Isso pode se dar de diversas maneiras. Seja atravs de retificadores de meia onda ou de onda completa. Esquematizando em blocos, um circuito retificador com filtro:

O primeiro estgio constitudo por um transformador para normalmente reduzir a tenso de entrada. No segundo estgio, atravs de circuitos com diodos, feita a retificao do sinal alternado. No terceiro estgio, o circuito de filtro, normalmente capacitivo, transforma a tenso contnua pulsante em contnua pura.

Transformador

As fontes de tenses utilizadas em sistemas eletrnicos em geral so menores que 30 Vcc enquanto a tenso de entrada de energia eltrica costuma ser de 127 VRMS ou 220VRMS. Logo preciso um componente para abaixar o valor desta tenso alternada. O componente utilizado o transformador. Sua principal funo aumentar ou abaixar uma tenso aplicada em seu enrolamento primrio.O transformador basicamente constitudo por 2 bobinas, chamadas de enrolamentos. A energia passa de uma bobina para outra atravs do fluxo magntico baseado num fenmeno conhecido como induo eletromagntica.

Quando movimentamos um condutor dentro de um campo magntico, aparece em seus extremos uma DDP, que chamada de tenso induzida. O mesmo ir acontecer se o condutor se mantiver em repouso e movimentarmos o campo magntico. necessrio, portanto, que haja um movimento relativo entre o campo magntico e o condutor, para que aparea nos extremos do mesmo uma tenso induzida.

Sabe-se que, quando a corrente eltrica passa por um condutor se estabelece em torno do mesmo um campo magntico, cuja intensidade depende da quantidade de eltrons que estejam passando por segundo no condutor (intensidade de corrente eltrica).

Se a intensidade da corrente que percorre o condutor varia, a intensidade do campo tambm varia. Como o condutor est submetido ao campo, aparecer em seus terminais uma tenso induzida. Este o princpio de funcionamento do transformador. Uma tenso alternada aplicada ao enrolamento primrio, o que far circular pelo mesmo, uma corrente alternada. A corrente alternada que circula pelo enrolamento primrio dar origem a um campo magntico varivel, que se estabelecer no ncleo do transformador. Como o enrolamento secundrio est enrolado em torno do ncleo, uma tenso induzida aparecer em seus extremos, devido ao campo magntico varivel ao qual est submetido. Observe que no existe contato eltrico entre os enrolamentos primrio e secundrio, a ligao entre os dois enrolamentos apenas magntica.

OBSERVAES:

A principal razo que faz o transformador ser elevador ou abaixador de tenso, a relao existente entre o nmero de espiras nos enrolamentos primrio e secundrio. Se o nmero de espiras do enrolamento secundrio for maior que o nmero de espiras do enrolamento primrio, o transformador ser elevador de tenso, se for menor ser abaixador de tenso.

Se for aplicada uma tenso contnua no enrolamento primrio, no aparecer tenso alguma no secundrio do transformador. Isso acontece porque uma fonte de tenso contnua produzir uma corrente constante no enrolamento primrio, que por sua vez produzir um campo magntico constante no ncleo. Isso significa que no haver movimento relativo entre o campo e o condutor, no havendo, ento, tenso induzida.O transformador no altera a forma da onda nem a freqncia da tenso aplicada no enrolamento primrio. O transformador altera apenas o nvel de tenso, elevando ou abaixando a tenso aplicada no enrolamento primrio.

Filtro

A tenso de sada de um retificador sobre um resistor de carga pulsante. Durante um ciclo completo na sada, a tenso no resistor aumenta a partir de 0 at um valor de pico e depois diminui de volta a zero. No entanto a tenso de uma bateria deve ser estvel. Para obter esse tipo de tenso retificada na carga, torna-se necessrio o uso de filtro. O tipo mais comum de filtro para circuitos retificadores o filtro com capacitor. O capacitor colocado em paralelo ao resistor de carga.

Para o entendimento do funcionamento do filtro, suponha o diodo ideal e que, antes de ligar o circuito, o capacitor esteja descarregado, logo a tenso de carga zero. Ao ligar, durante o primeiro quarto de ciclo da tenso no secundrio, o diodo est diretamente polarizado. Como idealmente o diodo se comporta como uma chave fechada e ele conecta o enrolamento secundrio diretamente ao capacitor, ele carrega at o valor da tenso de pico Vp.

Logo aps o pico positivo, o diodo pra de conduzir (chave aberta), pois ao capacitor atingir Vp, a tenso no secundrio ser ligeiramente menor que Vp, determinando a polarizao reversa no diodo. Com o diodo aberto, o capacitor descarrega por meio da resistncia de carga. Quando a tenso da fonte atingir novamente seu valor de pico, o diodo conduzir brevemente e recarregar o capacitor at o valor da tenso de pico.

Retificador de meia onda

O nome meia onda deriva do fato de que apenas um dos semiciclos da tenso de entrada aproveitado. Pode ser o semiciclo positivo ou o negativo, dependendo da posio do diodo. Durante o semiciclo positivo da tenso de entrada, o diodo estar diretamente polarizado e conduzir, fazendo a corrente circular pela carga. Na sada, aparecer, neste caso, o prprio semiciclo. No semiciclo negativo da tenso de entrada, o diodo estar reversamente polarizado, no conduzindo, fazendo com a tenso de sada seja nula. No diodo, temos a tenso (VD), que durante a sua conduo praticamente nula e na sua no conduo igual da entrada, ou seja, negativa.

Podemos esboar as formas de onda do circuito retificador de meia onda.

A tenso contnua de sada ter um valor DC igual a:

.

Para aumentar o nvel de tenso contnua na sada, colocamos um filtro capacitivo. A atuao do capacitor consiste em se carregar com a tenso de entrada durante o intervalo do semiciclo positivo, at esta atingir Vmx. A partir da, como o potencial do capacitor maior que o da entrada, o diodo corta e o capacitor inicia um processo de descarga atravs da carga, at que um novo semiciclo positivo faa com que a tenso no anodo do diodo seja maior, reiniciando o processo de carga. A tenso de sada do retificador de meia onda com a atuao do filtro.

Notamos que o filtro faz com que se eleve DC da tenso de sada, que, dependendo do valor do capacitor e da carga pode ser maior ou menor. A ondulao remanescente denominada tenso de ripple, cujo valor pode avaliar a eficcia do circuito, na converso da tenso alternada em contnua, para uma carga especfica.

Retificador de Onda Completa

Os retificadores de onda completa dividem-se em dois tipos: Os que precisam de tomada central no transformador e os que no a necessitam.

Os retificadores que precisam de tomada central no transformador trata-se de um retificador com derivao central no enrolamento do secundrio e dois diodos que funcionam como dois retificadores de meia onda - um de costas para o outro. Um diodo controla um semiciclo da sada e o outro diodo, o outro semiciclo, ou seja, basta colocar um diodo em cada um dos terminais e reservar o terminal central para o negativo. A sada uma tenso retificada de onda completa.

O transformador utilizado nesse circuito possui uma derivao central que defasa a tenso VE1 em relao VE2 de 180. Durante o semiciclo positivo do VE1 e o semiciclo negativo de VE2 o diodo D1 estar conduzindo e o diodo D2 estar cortado. Por D1 circular uma corrente que passando pela carga, faz com que aparea na sada, o prprio semiciclo positivo de VE1.

Durante o semiciclo positivo de VE2 e o negativo de VE1, o diodo D2 estar conduzindo e o diodo D1 estar cortado. Por D2 circular uma corrente que, passando pela carga faz com que aparea na sada, o prprio semiciclo positivo de VE2.

Podemos esboar as formas de onda do circuito retificador de onda completa com tomada central.

Os diodos D1 e D2 na conduo, apresentam uma tenso praticamente nula entre seus terminais e na no conduo, uma tenso de -2 Vmx, pois quando um deles estiver cortado, o outro estar conduzindo, fazendo com que a tenso total do secundrio do transformador seja aplicada sobre o cortado.

Os retificadores que no precisam de tomada central no transformador so os retificadores de onda completa com ponte de diodos. Com o uso de 4 diodos no lugar de 2, elimina-se o uso da tomada central do transformador. Durante o semiciclo positivo da tenso VE, o diodo D1 recebe um potencial positivo em seu anodo e o D3 um potencial um potencial negativo no catodo. Dessa forma, D3 e D1 conduzem, fazendo circular uma corrente que passando pela carga, faz com que aparea na sada, o prprio semiciclo e os diodos D4 e D2 ficam reversamente polarizado.

Durante o semiciclo negativo da tenso VE, o diodo D2 recebe um potencial positivo em seu anodo, e o diodo D3 um potencial negativo no catodo, devido inverso de polaridade de VE. Os diodos D4 e D2 conduzem fazendo circular uma corrente, atravs da carga, com o mesmo sentido que no outro caso, surgindo na sada uma tenso igualmente positiva e os diodos D3 e D1 ficam reversamente polarizado.

Podemos esboar as formas de onda do circuito retificador de onda completa com ponte de diodos.

Os diodos, na sua conduo, apresentam uma tenso praticamente nula entre seus terminais e, na no conduo uma tenso -Vmx, pois, quando estiverem cortados, estaro em paralelo com o secundrio do transformador.

Nos retificadores de onda completa, como em todos os semiciclos da tenso de entrada, temos uma tenso de sada, o nvel DC ser o dobro em relao ao de meia onda, e ser dado por:

Para aumentarmos esse nvel, que dependendo das circunstncias poder tornar-se prximo a Vmx, colocaremos um filtro capacitivo.

Retificador de Onda Completa com Tomada Central e filtro

Retificador de Onda Completa com Ponte de Diodos e filtro

O capacitor de filtro, ir se carregar com a tenso de entrada at atingir Vmx. A partir da, como seu potencial maior que o da entrada, iniciar um processo de descarga, atravs da carga, at que um novo semiciclo reinicie um processo de carga. A tenso de sada dos retificadores de onda completa, com a atuao do filtro :

Nota-se um aumento do nvel DC e diminuio da tenso de ripple, em relao ao retificador de meia onda, com filtro, isso logicamente depende dos valores do capacitor e de carga.

Dimensione um retificador de onda completa, para alimentar uma carga com 12 VDC e corrente mxima 1A, segundo o esquema abaixo:

Comentrios:

Escolha do transformador

Para obtermos 12 VDC, vamos utilizar um transformador de 110V/ 9 + 9V - 1A (ou 220V/9+9V-1A), pois o valor DC de sada em uma retificao de onda completa com boa filtragem , praticamente, igual a Vmx:

logo:

Escolha dos diodos

O diodo deve suportar a corrente mxima de sada, no caso, 1A e tenso inversa maior que 2.Vmx, ou seja, 25,4V. Comercialmente, encontramos as sries comerciais de diodos retificadores, que atendem a essas especificaes.

Tabela Comercial de Diodos Retificadores

SRIE 1N4000 DE DIODOS RETIFICADORES

CDIGOTENSO NOMINALCORRENTE NOMINAL

1 N 400150 V1 A

1 N 4002100 V1 A

1 N 4003200 V1 A

1 N 4004400 V1 A

1 N 4005600 V1 A

1 N 4006800 V1 A

1 N 40071000 V1 A

1 N 914100 V100 mA

1 N 4148100 V100 mA

BY 1271200 V1 A

Diodo Zener, Reguladores de Tenso e Fonte

O diodo zener tem a finalidade de manter constante a tenso numa carga. Ele especialmente fabricado para trabalhar em polarizao reversa, pois, nestas circunstncias apresenta uma caracterstica de tenso constante para uma faixa de corrente. Como vimos; esta propriedade denominada Efeito Zener que ocorre pelo fato do diodo estar trabalhando em situao de avalanche, porm, neste caso, controlada. Sua principal vantagem manter a tenso nos seus terminais aproximadamente constante.O diodo zener equivalente a uma fonte de tenso CC, quando operando na regio de ruptura, isto , podemos consider-lo como uma fonte CC com uma pequena resistncia interna.

A figura abaixo mostra a curva caracterstica de um diodo zener (grfico I -V), onde na regio de polarizao direta, comea a conduzir por volta de 0,7V, como se fosse um diodo comum.

Nota-se que trabalhando na regio reversa, com corrente maior que IZ min at o limite IZ mx, a tenso sobre o diodo VZ ir permanecer praticamente constante. Esta caracterstica tem aplicao em estabilizao de tenso, onde, para qualquer variao da tenso de entrada, a tenso de sada permanece constante, mesmo que haja variao na carga.

O smbolo do diodo Zener e indicaes do sentido de tenso e corrente de trabalho so representados abaixo:

Comercialmente, os diodos Zener so especificados pelo valor da tenso Zener (Vz) e pela potncia mxima de trabalho, dada por: Pz mx = Vz Iz mx. Como podemos notar com os parmetros Pz mx e VZ, conseguimos determinar o valor de Iz mx, porm para determinarmos Iz min, se faz necessrio a utilizao da caracterstica dada pelo fabricante.

Para fins de projetos, na prtica utiliza-se:

Que representa a aproximao do parmetro real, extrado da caracterstica.

Para exemplificar, vamos calcular os parmetros para um Zener com VZ = 6,2V e Pz mx = 400mw.

1 - Clculo de Iz mx:

2 - Clculo de Iz min:

Estabilizao

Toda fonte de tenso apresenta variaes na tenso de sada, em funo do consumo de corrente imposto pela carga e das mudanas da tenso de entrada. Para solucionar este problema utiliza-se a fonte de tenso estabilizada, que dentro de uma faixa de corrente possui caractersticas tpicas de um gerador ideal, ou seja, mantm a tenso constante. Alm disso, se a tenso de entrada variar dentro de limites estabelecidos no projeto, a tenso de sada da mesma forma no se alterar.

Podemos obter uma fonte estabilizada a partir de um circuito retificador, utilizando na sada um estgio regulador de tenso com diodo Zener. Este circuito representado abaixo:

Considerando o estgio de entrada composto pelo retificador como uma tenso VE ligada a uma carga, com a finalidade de facilitar o desenvolvimento, temos:

Referncia

freqentemente necessrio que se tenha uma tenso fixada de referncia em um circuito para fins de polarizao e comparao. Isto pode ser obtido usando-se um diodo Zener.

A variao na fonte DC de tenso devido a qualquer razo foi includa como um pequeno sinal senoidal. Como vi sempre maior do que 10 V, o diodo Zener estar sempre no estado "ligado", sendo esta uma condio definida pela subida vertical da curva.

Nossas anlises aqui empregaro apenas o circuito equivalente reduzido da figura abaixo. A tenso de sada de vi, entretanto, permanecer fixada no potencial Zener de 10 V, nosso potencial de referncia.

Portanto, a tenso que aparece nos terminais do resistor de 5k( a diferena entre as duas, como definido pela lei de tenso de Kirchoff:

vR = vi - vo ( vR = (12+1sen(t) 10 ( vR = 2 + 1sen(t

Podem-se estabelecer dois nveis de referncia com o circuito abaixo.

Dois diodos Zener, em posies contrrias, podem ser usados como regulador AC conforme mostrado na figura abaixo.

Em relao ao sinal senoidal vi, o circuito fica como na figura (b), no instante em que vi = 10 V. A regio de operao de cada diodo est indicada na figura (b).

Note que a impedncia associada a Z1 muito pequena, ou essencialmente um curto, pois est em srie com 5k(, enquanto que a impedncia Z2 muito grande, correspondendo representao de circuito aberto.

Como Z2 um circuito aberto, V0 = V1 = 10 V. Esta situao permanecer at que Vi seja levemente maior do que 20 V. Ento Z2 entrar na regio de baixa resistncia (regio Zener), Z1, para todos os fins prticas, ser um curto-circuito e Z2 ser substitudo por Vz = 20 V. A forma de onda resultante est indicada na mesma figura.

Note que a forma de onda no puramente senoidal, mas o seu valor rms (efetivo) est mais prximo dos 20 V de pico, da forma de onda senoidal, desejados, do que a entrada senoidal cujo valor de pico 22 V (o valor rms de uma onda quadrada o seu valor de pico, enquanto que o valor rms de uma funo senoidal 0,707 vezes seu valor de pico).

zero circuito da figura acima (a) pode ser estendido a um simples gerador de onda quadrada, devido a sua ao ceifadora, se o sinal vi for aumentado para talvez 50 V de pico com diodos Zener de 10 V. A forma de onda resultante est indicada na figura abaixo.

Segurana Intrnseca

Na figura abaixo temos um circuito usado para Limitao de Energia onde utilizamos limitadores resistivos (Barreira Zener) ou dispositivos eletrnicos de corrente (semicondutores) e o seu equivalente de Thevenin com o grfico de transferncia de potncia.

Tabela de Diodos Zener - Sries Comerciais

DIODO ZENER SRIE 1N

CdigoTenso NominalPotncia Nominal MximaTolerncia (%)

1N7515,1V500mW10

1N75810,0V500mW10

1N759A12,0V500mW5

1N96312,0V500mW20

1N47335,1 V1 W10

1N474010,0V1 W10

1N4742A12,0V1 W5

DIAC

Os diacs so diodos de disparo bidirecional, composto por trs camadas (PNP) com a simples funo de disparar tiristores.

Sua construo assemelha-se a de um transistor bipolar, porm difere na dopagem do cristal N.Seu funcionamento simples: Para passar do estado de bloqueio para o estado de conduo, preciso ultrapassar a tenso de ruptura (VR), rompendo assim, a juno polarizada inversamente, podendo a corrente fluir em ambos sentidos. Para voltar ao estado de bloqueio, basta remover a tenso por alguns instantes.Os diacs servem para controlar o disparo de triacs quando uma tenso de referncia chegar a certo valor.

4. Circuitos Estabilizadores de TensoPara que ocorra o efeito regulador de tenso necessrio que o diodo zener opere dentro da regio de ruptura, respeitando-se as especificaes da corrente mxima. Considere o circuito abaixo:

A corrente que circula por RS que a prpria corrente que circula pelo diodo zener dada pela frmula:

IRS = (VE - VZ) / RS

Para entender como funciona a regulao de tenso, suponha que a tenso VE varie para 9V e 12V respectivamente.

Devemos ento obter o ponto de saturao (interseo vertical), fazendo com que VZ = 0.

a) obteno de q1 (VZ = 0), temos: I = 9/500 = 18mA

b) obteno de q2 (VZ = 0), temos: I = 12/500 = 24mA

Para obter o ponto de ruptura (interseo horizontal), fazemos IZ = 0.

a) obteno de q1 (IZ = 0), temos: VZ = 9V

b) obteno de q2 (IZ = 0), temos: VZ = 12V

O grfico ento fica com o aspecto a seguir:

Analisando o grfico acima, observa-se que embora a tenso VE varie para 9V e 12V respectivamente, haver mais corrente no diodo zener implicando nas intersees q1 e q2. Portanto embora a tenso VE tenha variado de 9 a 12V, a tenso zener ainda aproximadamente igual a 6V. Basta para isso comparar a diferena entre q1 e q2, onde se observa que a tenso de sada permaneceu praticamente constante mesmo que a tenso de entrada tenha variado. Essa a idia de regulao de tenso.5. Circuitos Integrados (CI)

O circuito integrado simplesmente uma lmina de silcio no estado slido, na qual foram montados ou gravados um grande nmero de componentes individuais. Todas as conexes entre os componentes do circuito so feitas automaticamente durante a fabricao do circuito integrado, portanto no necessrio realizar conexes internas com soldas. Esta um das razes de um circuito integrado ser mais confivel comparado com um circuito feito com componentes individuais com ligaes feitas manualmente.

Os circuitos integrados so freqentemente identificados de acordo com o nmero de componentes ativos montados numa nica lmina. Componentes ativos so usados para gerar ou amplificar sinais, como por exemplo, um transistor.

Os circuitos integrados so classificados em MSI (Middle Scale Integrated) que significa circuito integrado de escala mdia, no qual possui menos que 50 componentes ativos e o LSI (Large Scale Integrated) que significa circuito integrado de larga escala, no qual deve existir mais que 50 componentes ativos.

Os circuitos integrados so chamados de monolticos se o circuito completo for construdo em uma nica lmina de silcio. E chamados de hbridos se o circuito consiste em um circuito integrado com alguns minsculos componentes individuais fixados no mesmo.

Os CIs so tambm classificados em circuitos integrados lineares e circuitos integrados digitais. Um CI linear usado em lugares onde se deseja amplificar os sinais sem distores dos mesmos, por exemplo, um amplificador de udio ou um amplificador de rdio-frequencia. Com um CI linear ter sempre um sinal de sada que uma rplica ou tem relao direta com o sinal de entrada. Eles, s vezes, so chamados de sinais analgicos, porm prefervel o termos linear. Um dos melhores exemplos de CI linear o amplificador operacional.

J os CI digitais so usados em circuitos de impulsos e circuitos lgicos. A amplitude do sinal de sada para um CI digital pode no ter relao direta com o sinal de entrada. Os Reguladores de Tenso da Linha de CI 78 e 79

A famlia 78XX formada por circuitos integrados (CI) de trs terminais que exercem a funo de reguladores de TENSO FIXA POSITIVA.

A famlia 79XX formada por circuitos integrados (CI) de trs terminais que exercem a funo de reguladores de TENSO FIXA NEGATIVA.

Estes circuitos integrados possuem um terminal de entrada, um terminal de ajuste ou referncia, que normalmente ligado a terra e um terminal de sada, o que torna sua utilizao extremamente simples.

O diagrama de blocos de uma fonte de alimentao completa com CI regulador de tenso representado abaixo:

A tenso obtida na sada de um integrado desta famlia fixa e depende de seu tipo. Na prpria designao do componente temos esta indicao. Assim, o XX do 78XX indica os Volts que obtemos na sada do regulador. O 7805, por exemplo, um regulador que fornece em sua sada uma tenso de 5V enquanto 7812 um regulador que fornece em sua sada uma tenso de 12V.

Os fabricantes dos circuitos integrados desta famlia oferecem uma gama bastante grande de valores de tenses de sada, conforme podemos observar pela tabela abaixo, que corresponde a srie uA7800 (ou uA78XX) REGULADORES DE TENSO FIXA POSITIVA (Texas Instrumentos)

TIPOTenso Mnima de Entrada (V)Tenso Mxima de Entrada (V)Tenso de sada (V)Corrente de Sada (A)

uA7805C72551,5

uA7806C82561,5

uA7808C10,52581,5

uA7810C12,528101,5

uA7812C14,530121,5

uA7815C17,530151,5

uA7818C2133181,5

uA7824C2738241,5

Obs: Valores de tenso e corrente so os mesmos para regulador negativo 79XX

A letra C no final dos tipos refere-se corrente mxima que eles podem fornecer em sua sada: 1,5 A. Os tipos comuns desta srie, sem a letra C no final, so especificados para uma corrente de 1 A.

Estes componentes que operam com estas correntes algo elevadas, da ordem de 1 A a 1,5 A normalmente so obtidos em invlucros TO-220 para montagem em dissipador de calor.

Em alguns casos, entretanto, tais integrados tambm podem ser encontrados em invlucros de metal. Sries de menores correntes tambm so disponveis, se bem que basta no usar o dissipador de calor num integrado 7812 de 1A, se formos usar apenas 100 mA ou menos e tudo estar bem. No entanto, o custo diferencial de um tipo de maior corrente para um de menor corrente numa aplicao industrial que use milhares deles pode ser importante.

Para este caso, o montador pode usar um 78XX de menor corrente. Temos ento a srie MC78M00 para 500 mA e a srie 78L00 de 100 mA, ambas da Motorola.

A Texas tem a srie 78M00 para 500 mA e a srie uA78L00 de 100 mA, ambas com os invlucros foram mostrados acima.

As caractersticas principais de todos os integrados desta famlia so as seguintes:

Possuem trs terminais

A corrente de sada varia entre 100 mA e 1,5 A conforme a srie

No necessitam de nenhum componente externo

Possuem proteo trmica interna em caso de sobrecarga

Possuem limitao interna de corrente em caso de curto-circuito

Podem ser associados em paralelo para fornecer maiores correntes

Um circuito tpico de utilizao de um circuito integrado deste tipo numa fonte de alimentao :

Entretanto, para que o regulador seja utilizado de forma correta, preciso que alguns requisitos sejam satisfeitos no que se refere tenso de entrada e alguns outros parmetros importantes.

Comeamos pela tenso de entrada: Para que o regulador funcione satisfatoriamente preciso haver uma diferena de tenso entre a entrada e a sada de pelo menos 2V.

No entanto, a gerao de calor no circuito depende da diferena entre a tenso de entrada e a de sada, multiplicada pela corrente. Assim, quanto maior for a diferena entre a tenso de entrada e de sada e maior a corrente, mais o circuito tende a aquecer.

O ideal, numa aplicao prtica, trabalhar com uma tenso pouco acima do mnimo necessrio a uma operao satisfatria de modo a no exigir muito em termos de dissipao.

Fonte Simtrica

Fonte de alimentao simtrica o tipo fonte que fornece tenso de sada (Vcc) positiva e negativa, em relao ao potencial terra.

Os Reguladores de Tenso Positiva e Negativa so exemplos simples de esquemas de fonte simtrica.

Utilizando-se dois CI reguladores fixos e de valores opostos, podemos construir uma fonte simtrica que pode ser usada em vrias aplicaes.

EXERCCIO:

1) Desenhar o esquema de uma fonte simtrica que possa fornecer na sada tenso de +15V e -15V / 2A, usando CI da srie 78XX e 79XX.

6. Componentes Optoeletrnicos

Os semicondutores optoeletrnicos ou fotoeltricos constituem a tecnologia que associa a ptica com a eletrnica, tem a propriedade de converter a energia luminosa (ou ftons) incidente em energia eltrica (joules) e vice-versa. Este campo excitante inclui vrios componentes baseados na ao de uma juno PN. So exemplos de componentes optoeletrnicos: os diodos emissores de luz (LED), os fotodiodos, os optoacopladores, baterias solares, display de cristal lquido (LCD), display de 7 segmentos, diodos de infravermelho, fontes de infravermelho (raio laser), fototransistor, fotocondutores ou fotoresistores (ou LDR), etc. Estes tipos de componentes so largamente usados em todas reas da eletrnica.

Diodo Emissor de Luz (LED)

Num diodo com polarizao direta, os eltrons livres atravessam a juno e combinam-se com as lacunas. medida que esses eltrons caem de um nvel mais alto de energia para um mais baixo, eles irradiam energia. Nos diodos comuns essa energia dissipada na forma de calor. Mas no diodo emissor de luz (LED), a energia a irradiada na forma de luz visvel (amarela, verde, vermelha, laranja ou azul) ou luz infravermelha. Ao contrrio dos diodos comuns no feito de silcio, que um material opaco, e sim, de elemento como glio, arsnico e fsforo. amplamente usada em equipamentos devido a sua longa vida, baixa tenso de acionamento e boa resposta em circuitos de chaveamento.

A polarizao do LED similar ao um diodo comum, ou seja, acoplado em srie com um resistor limitador de corrente. O LED representado como um diodo comum com seta apontando para fora como smbolo de luz irradiada. Os LEDs substituram as lmpadas de incandescncia em vrias aplicaes devido a sua baixa tenso, vida longa, e rpido chaveamento liga-desliga.O funcionamento do LED bem simples: quando polarizado diretamente dentro das caractersticas tcnicas de tenso e corrente estabelecidos pelo fabricante, o mesmo emitir uma luz, quanto maior for esta tenso e corrente maior ser seu brilho. Os LEDs tm uma queda de teso tpica de 1,5 a 2,5 V para correntes entre 10 e 50mA. A queda de tenso exata depende da corrente, da cor, da tolerncia do LED. A menos que seja feita alguma recomendao em contrrio, use uma queda nominal de 2 V quando estiver verificando defeitos ou analisando os circuitos com LEDs. Se voc tiver que fazer algum projeto, precisa consultar as folhas de dados, porque as tenses do LED tm uma grande tolerncia.

Tipicamente, a corrente do LED est entre 10 e 50 mA porque essa faixa produz luz suficiente para a maioria das aplicaes.

O brilho de um LED depende da corrente. Idealmente, a melhor forma de se controlar o brilho vincular o LED a uma fonte de corrente. A melhor forma para se obter uma fonte de corrente uma grande tenso de alimentao seguida de uma grande resistncia em srie. Neste caso, a corrente no LED dada por:

Quanto maior a tenso da fonte, menor o efeito de VLED produz. Em outras palavras, um alto valor de VS encobre a variao na tenso do LED.

Por exemplo, um TIL222 um LED verde com uma queda mnima de 1,8 V e uma queda mxima de 3 V para uma corrente de aproximadamente 25 mA. Se voc ligar um TIL222 a uma fonte de 20 V e a um resistor de 750 (, a corrente varia de 22,7 a 24,3 mA.

Isto implica em um brilho que essencialmente o mesmo para todos os TIL222. Por outro lado, suponha que o seu circuito utilize uma fonte de 5 V e um resistor de 120 (. A corrente varia ento de cerca de 16,7 a 26,7 mA; isto causa uma variao sensvel no brilho. Portanto, para se obter um brilho aproximadamente constante com LEDS, utilize tanto uma fonte de tenso como uma resistncia em srie o maior possvel.

Indicador de Sete-Segmentos (Display a LED)

A figura abaixo mostra um indicador de sete segmentos (DISPLAY). Ele contm sete LEDs retangulares (de A a G). Cada LED chamado de um segmento porque ele faz parte do dgito que est sendo exibido. Temos tambm o diagrama esquemtico de um indicador de sete segmentos so includos resistores externos em srie para limitar as correntes a nveis seguros. Aterrando-se um ou mais resistores, podemos formar qualquer dgito de 0 a 9. Por exemplo, aterrando A, B e C, obtemos o 7. Aterrando A, B, C, D e G produzimos um 3.

Um indicador de sete segmentos tambm pode exibir as letras maisculas A, C, E e F, mais as letras minsculas b e d. Os instrutores de microprocessadores freqentemente usam um indicador de sete segmentos para mostrar todos os dgitos de 0 a 9, mais A, B, C, d, E e F. Estes so chamados displays hexadecimais.

Mostras das vistas de frente, de fundo e o esquema catodo comum de um display:

Displays de Cristal Liquido (LCD)

O display de cristal liquido (LCD) tem a vantagem evidente de requerer uma potncia muito baixa. Em geral e da ordem de microwatts, em comparao com miliwatts para os LEDs. Porem, precisa de uma fonte de luz interna ou externa e limitado a uma faixa de temperatura em torno de 0oC a 600C. Atualmente os LCDs que tem sido objeto de maior interesse so as unidades de efeito de campo ou as de disperso dinmica. Cada uma delas ser tratada com algum detalhe nesta seo.

Um cristal lquido um material (normalmente orgnico para os LCDs) com caractersticas de liquido, mas cuja estrutura molecular tem propriedades normalmente associadas aos slidos. Para as unidades de disperso de luz, o maior interesse est no cristal lquido nemtico, com a estrutura do cristal mostrada abaixo.

As molculas, individualmente, tem o aspecto de um basto, conforme mostrado na figura. A superfcie condutora de xido de ndio transparente e, nas condies mostradas na figura, a luz incidente simplesmente a atravessar e a estrutura de cristal lquido no oferecer qualquer resistncia.

Se for aplicada uma tenso (para unidades comerciais o nvel-limite normalmente entre 6 e 20V) aos terminais das superfcies condutoras, conforme mostrado abaixo, o arranjo molecular ser perturbado, resultando em regies com ndices de refrao diferentes.Portanto a luz incidente ser refletida em direes diferentes na interface entre regies de ndices de refrao diferentes (fenmeno denominado espalhamento dinmico estudado pela primeira vez pela RCA em 1968) com o resultado de que a luz espalhada produz o efeito de um vidro opaco.

Porm, note na figura acima que o aspecto opaco ocorre apenas onde as superfcies condutoras se opem, sendo que as reas restantes permanecem translcidas.

Um dgito em um display LCD pode ser:

A rea escura na realidade uma superfcie condutora transparente conectada aos terminais abaixo para controle externo.

So colocadas duas mscaras semelhantes em lados opostos de uma camada fina selada de cristal liquido. Deseja-se o nmero 2, os terminais 8,7,3,4 e 5 devem ser energizados, sendo que apenas as regies correspondentes resultaro opacas, enquanto que as outras reas permanecero transparentes.

Conforme indicado anteriormente, o LCD no gera sua prpria luz, mas depende de uma fonte interna ou externa. Em condies escuras necessrio que a unidade possua sua prpria fonte de luz interna, atrs ou ao lado do LCD. Durante o dia, ou em locais iluminados, pode-se colocar um refletor atrs do LCD, para refletir a luz atravs do display, para se obter a mxima intensidade.

Os fabricantes de relgios comuns esto usando uma combinao dos modos transmissivo (fonte de luz prpria) e refletivo, denominado modo transfletivo, para operao tima.

O LCD de efeito de campo ou nemtico tranado possui o mesmo aspecto de segmento e a mesma camada fina de cristal liquido encapsulado, mas seu modo de operao muito diferente.

Da mesma forma que o LCD de espalhamento dinmico, o de efeito de campo pode ser operado nos modos refletivo ou transmissivo, com uma fonte interna.

O display de Efeito de Campo Transmissvel na Ausncia de Polarizao est mostrado abaixo. A fonte de luz interna est direita e o observador esquerda. Esta figura notavelmente diferente da figura do cristal lquido nemtico na ausncia de polarizao, pois h um polarizador de luz a mais. Apenas a componente vertical da luz que entra pela direita pode atravessar o polarizador de luz vertical da direita.

No LCD de efeito de campo, ou a superfcie transparente a direita tratada quimicamente, ou aplica-se um filme orgnico para orientar as molculas no cristal lquido. A superfcie condutora oposta tambm tratada para garantir que as molculas sejam defasadas de 90o na direo mostrada (horizontal), mas ainda paralela s clulas da parede. Entre as duas paredes do cristal lquido h uma tendncia geral de uma polarizao para outra, conforme mostrado na figura. O polarizador de luz da esquerda tambm tal que permite a passagem apenas da luz incidente polarizada verticalmente. Se no houver tenso aplicada s superfcies condutoras, a luz polarizada verticalmente entra na regio de cristal lquido e acompanha a rotao de 90o da estrutura molecular. Sua polarizao horizontal no permite atravessar o polarizador de luz vertical do lado esquerdo , e para o observador resulta um escuro uniforme em todo o display.

Quando se aplica uma tenso mnima (para unidades comerciais de 2 a 8 volts), as molculas se alinham com o campo (perpendicular a parede) e a luz atravessa diretamente sem a rotao de 90 A luz incidente vertical pode ento atravessar diretamente a segunda tela polarizada verticalmente e, para o observador resultar uma rea iluminada.

Atravs de excitao adequada dos segmentos de cada dgito resulta algo do tipo:

O efeito de campo tipo refletivo :

Neste caso a luz polarizada horizontalmente mais a esquerda encontra um filtro polarizado horizontalmente e atravessa para o refletor, onde refletida para o cristal lquido, havendo nova polarizao vertical, e voltando para o observador. Se no houver tenso aplicada, o display resultar uniformemente iluminado. A aplicao de uma tenso resulta em uma luz incidente verticalmente polarizada encontrando um filtro polarizado horizontalmente, o qual no poder ser atravessado, portanto a luz ser refletida. Resultar uma rea escura no cristal:

Os LCDs de efeito de campo so usados normalmente quando a fonte de energia um fator importante (por exemplo, em relgios, instrumentao porttil, etc.), pois eles absorvem consideravelmente menos energia do que os tipos de espalhamento de luz na faixa de microwatts em comparao com alguns miliwatts. O custo tipicamente mais alto para unidades de efeito de campo, e seu tamanho limitado em torno de 2 polegadas, enquanto que as unidades de espalhamento de luz so disponveis com at 8 polegadas de altura.

Uma outra considerao sobre displays sobre o tempo para ligar e desligar. Os LCDs so muito mais lentos do que os LEDs. Os LCDs possuem tempos de resposta tipicamente na faixa de 100 a 300 ms, enquanto que h LEDs com tempo de resposta inferior a 100 ns. Porm, h numerosas aplicaes, tal como em um relgio onde a diferena entre 100 ns e 100 ms (1/10 de um segundo) tem poucas implicaes. Para tais aplicaes a demanda mais baixa de energia dos LCDs uma caracterstica muito atrativa. O tempo de vida das unidade LCD tem aumentado cada vez mais, ultrapassando o limite de 10.000 ou mais horas. Como a cor gerada pelas unidades LCD depende da fonte de iluminao, h uma grande variedade de escolha de cores.

Fotodiodo

As fontes de energia luminosa possuem caractersticas no encontradas em outros tipos de energia. Esta energia transmitida na forma discreta chamada de ftons; diretamente relacionada com a freqncia da onda de luz emitida. Como foi discutido anteriormente, um elemento de corrente reversa num diodo o fluxo de portadores minoritrios. Estes portadores existem porque a energia trmica mantm os eltrons de valncia desalojados de suas rbitas, produzindo no processo eltrons livres e lacunas. A vida mdia dos portadores minoritrios curta, mas enquanto dura eles podem contribuir para a corrente reversa.

Quando incide energia luminosa sobre uma juno PN, ela tambm pode desalojar eltrons de valncia. Colocando de outra forma, a quantidade de luz que atinge a juno pode controlar a corrente reversa de um diodo. O fotodiodo aquele que foi otimizado na sua sensibilidade para a luz. Nesse diodo, uma janela permite que a luz passe atravs do invlucro e chegue at a juno. A luz incidente produz eltrons livres e lacunas. Quanto mais intensa a luz, maior o nmero de portadores minoritrios e maior a corrente reversa.

A figura mostra o smbolo esquemtico de um fotodiodo, devidamente polarizado reversamente. As setas para dentro representam a luz incidente. De suma importncia, a fonte e o resistor em srie revertem a polarizao do fotodiodo. medida que a luz se torna mais brilhante, a corrente reversa aumenta. Com fotodiodos tpicos, a corrente reversa situa-se na faixa de dezenas de microampres.

O fotodiodo um exemplo de um FOTODETETOR, um componente optoeletrnico que converte a luz incidente numa corrente eltrica quando polarizado reversamente.

EXERCCIOS:

1) Marque V para as sentenas verdadeiras e F para as falsas. Justifique, caso haja, aquelas que julgar Falsa.

a) ( ) Nos semicondutores, a corrente formada por dois tipos de cargas, e o seu sentido convencional aquele dos portadores de cargas majoritrios.

b) ( ) Nos condutores, o aumento da temperatura aumenta a sua resistividade eltrica.

c) ( ) Um diodo estar polarizado diretamente quando um potencial positivo for aplicado no lado P da juno e o potencial negativo no lado N, conduzindo fortemente para quaisquer valores da tenso aplicada.

d) ( ) Num semicondutor tipo N, o nmero de lacunas menor que o dos eltrons livres, os quais so portadores de carga majoritrios.

e) ( ) Num semicondutor tipo P, o processo de dopagem adiciona tomos trivalentes de natureza aceitadora ao cristal semicondutor.

2) Dado o circuito abaixo, calcule a intensidade de corrente eltrica?

3) Considere o circuito abaixo. Os valores das resistncias e tenses esto especificadas no circuito. A potncia nominal do zener (Pz =1W). Na moldura apresentado o modelo de aproximao para o LED. Determine: a) Para a chave na posio 1, qual o valor mnimo de Rv para que o diodo zener funcione como um regulador de tenso?

b) Com a chave ainda na posio 1, qual a potncia dissipada por Rv, Rs e pelo Zener se Rv for ajustada em 250 (? O zener foi especificado corretamente?

c) Mudando a chave para a posio 2, dimensione um valor comercial para R3 tal que o LED seja polarizado com uma corrente de 50mA. Especifique tambm a potncia nominal para R3. (OBS.: consultar as tabelas 1 e 2)

4) A figura abaixo mostra o circuito de uma fonte de alimentao DC. Vs representa a tenso da rede de energia a qual a fonte foi ligada. A figura mostra a medida feita com um osciloscpio diretamente na tomada da rede. As especificaes dos componentes dada a seguir:

R1 = 100(R2 = 1 k(

Rv = 1.5 k(C1 = 510 (F

D1 = D2 = D3 = D4 = 1N4004 (V(=0.6V)

Vz = 12V

(sinal Vs)

5) A respeito da fonte da questo anterior, deseja-se saber:a) O valor de pico (Vp), RMS (Vrms), o perodo (T), a freqncia (f) e o valor mdio (Vm) da tenso no ponto a.

b) Qual a tenso e a corrente na carga quando Rv ajustada em seus valores mximo e mnimo respectivamente? Ocorre variao desses parmetros (tenso e corrente)? Explique.

c) Suponha que a fonte no possua o estgio regulador (diodo zener e sua respectiva resistncia de polarizao). Determine o valor da tenso ripple (Vrpp) pico a pico e o valor contnuo (Vdc) na sada quando Rv = 1,5 k(. possvel variar o ripple variando Rv? Justifique. d) Deseja-se conectar essa fonte a um circuito digital cuja alimentao 5V. Em que ponto voc conectaria a fonte ao circuito? Qual valor de Rv voc ajustaria para isto?

e) Como o circuito digital no suporta flutuaes muito grandes de tenso, o projetista da fonte props o circuito de proteo mostrado na figura abaixo. O LED possui as mesmas caractersticas do LED da questo 4. O diodo possui V(=0.7V e a bateria de 2.5V. Pergunta-se: qual o valor mximo de tenso que poder alimentar o circuito digital? Qual a funo (es) do LED no circuito?

OBSERVAO:

10121518222733394756688291

Tabela 01: valores comerciais para resistores (5%)

Tabela 02: valores comerciais de potncia para resistores (5%) em W1/81/31/5123510

6) Um aluno montou em laboratrio os dois circuitos mostrados nas figuras 1 e 2 a fim de estudar o comportamento do diodo em CC. Com o multiteste, ele verificou que a queda de tenso no diodo polarizado diretamente e V( = 0.7V. O aluno utilizou um resistor Rs=100( Complete a tabela abaixo com os valores esperados para cada circuito.

figura 1

figura 2

Para o circuito da fig. 1VsVDVRSIs

0.5 V

1 V

3 V

5 V

Para o circuito da fig. 2VsVDVRSIs

0.5 V

1 V

3 V

5 V

Vs Tenso da fonte de alimentao

VD Tenso nos terminais do diodo

VRS Tenso nos terminais do resistor

Is Corrente no circuito.

7) O esquema abaixo de uma fonte de alimentao simples sem regulao. O transformador foi conectado a rede de 220V / 60Hz e a tenso na sua sada 15 +15 Vrms. Considere os diodos ideais. Determine:

a) A freqncia na carga.

b) A tenso de pico na carga

c) A ondulao de ripple

d) O valor DC da tenso na carga.

8) Para o circuito, determine:

a) A corrente e a tenso na carga.

b) A corrente fornecida pela fonte.

c) A potencia dissipada pelo zener.

PRTICAS:

Prtica 1:1) Monte o circuito abaixo :

2) Abra a chave S1 e S2 e feche a chave S3. Observe as formas de ondas no diodo D1 e na carga RL1 com o osciloscpio.

OBS. : O canal 1 em D1 e o canal 2 na carga RL1.

3) Mea o valor da tenso mxima na carga com osciloscpio.

4) Calcule o valor da tenso contnua na carga RL1.

OBS. : Vdc = Vmx (5) Mea o valor da tenso contnua na carga RL1.

OBS. : O multmetro dever estar na funo de Voltmetro na escala DV, pois voc realizar medidas de tenses continuas.

6) Compare o valor do item 4 com o 5.

7) Qual a sua concluso sobre estes resultados.

8) Feche a chave S1 e observe as formas de ondas no diodo D1 e na carga RL1 com o osciloscpio.

OBS. O canal 1 em D1 e o canal 2 na carga RL1.

9) Mea o valor da tenso mxima na carga com osciloscpio.

10) Calcule o valor da tenso contnua na carga RL1.

OBS. : Vdc = 2Vmx (11) Mea o valor da tenso contnua na carga RL1.

OBS. : O multmetro dever estar na funo de Voltmetro na escala DV, pois voc realizar medidas de tenses continuas.

12) Compare o valor do item 10 com o 11.

13) Qual a sua concluso sobre estes resultados.

14) Abra S1 e feche S2 e observe a forma de onda na carga RL1 com o osciloscpio.

OBS. : O canal 2 na carga RL1.

15) Mea a tenso mxima e mnima na carga RL1 com o osciloscpio.

16) Calcule a tenso mdia contnua na carga RL1.

17) Quais os tempos de carga e descarga do capacitor C1.

18) Feche S1 e observe a forma de onda na carga RL1 com o osciloscpio.

OBS.: O canal 2 na carga RL1.

19) Repita os itens 15, 16 e 17 anteriores.

20) Explique o qu aconteceu.

21) Inserir em paralelo com o capacitor C1 outro capacitor C2 de mesma capacitncia.

22) Observe a forma de onda na carga RL1 com o osciloscpio.

OBS. : O canal 2 na carga RL1.

23) Repita os itens 15, 16 e 17 anteriores.

24) Explique o qu aconteceu.

25) Inserir em paralelo com o resistor de carga RL1 outro resistor RL2 de mesmo valor hmico.

26) Observe a forma de onda na carga RL1/RL2 com o osciloscpio.

OBS. : O canal 2 na carga RL1/RL2.

27) Repita os itens 15, 16 e 17 anteriores.

28) Explique o qu aconteceu.

29) Inserir em srie com o resistor de carga RL1 outro resistor RL2 de mesmo valor hmico.

30) Observe a forma de onda na carga RL1+RL2 com o osciloscpio.

OBS. : O canal 2 na carga RL1+RL2.

31) Repita os itens 15, 16 e 17 anteriores.

32) Explique o qu aconteceu.

Prtica 2:

1) Monte o circuito da figura abaixo:

USO DO MULTMETRO : Registre na tabela os valores medidos

2 - Na escala de 250 VCA mea o valor da tenso da rede nos pontos 1 e 2 do circuito.

3 - Mea a tenso na sada do trafo nos pontos 3 e 5 em relao ao ponto 4 (zero volt.)

4 - Mea a tenso em um dos diodos, na escala de VCA e depois na escala VCC. Houve diferena de valor ?

5 - Na escala de 25 VCC mea os valores de tenso nos pontos 6 e 7, 7 e 8, 9 e 10, e 10 e 11.

USO DO MULTMETRO - MEDIO DE TENSO

PONTOS

1 e 23 e 44 e 56 e 77 e 89 e 1010 e 11

Valor

VCA

valor

VCC

USO DO OSCILOSCPIO: Registre os valores de tenso, perodo, freqncia e as formas de onda.

USO DO OSCILOSCPIO / GERADOR DE FUNES.

PONTOS

3 e 44 e 56 e 77 e 89 e 1010 e 11

Valor

VCA

valor

VCC

Valor do

perodo

Valor da Freqncia

Forma da Onda com Filtro

Forma da Onda sem Filtro

7. TransistoresTransistores so um dos desenvolvimentos mais importante da fsica de estado slido e da engenharia de dispositivos dos ltimos 50 anos. A integrao dos transistores tem sido a base de todo o desenvolvimento da indstria de informtica. Cada processador composto por uma infinidade de transistores. O nome transistor vem do ingls, sendo composto por trans(fer+res)istor, ou seja, apresenta caractersticas de uma resistncia associada com capacidade de transferir a informao.O transistor um dispositivo ativo, portanto ele capaz de amplificar a potncia do sinal de entrada necessitando de uma fonte de alimentao. O transistor uma conexo de duas junes PN (a mesma dos diodos), capazes de controlar a passagem de uma corrente.

Nota-se que a juno J1 est diretamente polarizada, enquanto que J2 acha-se reversamente polarizada. Isso determina que haver em J1 uma corrente (Id) de portadores majoritrios (positivos por conveno) enquanto que em J2 existir apenas a corrente devido aos portadores minoritrios (tambm positivos e localizados no lado N da juno), e representada por (Is).

Caso combinemos ambas as junes de acordo com a representao a seguir, teremos como resultado dois tipos de transistores, um NPN e outro PNP.

O transistor apresenta 3 entradas, uma para o sinal de entrada e as outras duas associadas ao sinal de sada e alimentao.Estas sees so chamadas de coletor, base e emissor. A corrente na base controla a passagem de corrente no coletor, ou seja, em condies timas de operao, a corrente no coletor proporcional corrente na base.

A base a parte que controla a passagem de corrente; quando a base esta energizada, h passagem de corrente do emissor para o coletor, quando no ha sinal na base, no existe essa conduo. A base esquematicamente o centro do transistor.

O coletor uma das extremidades do transistor: nele que "entra" a corrente a ser controlada. A relao existente entre o coletor e a base um parmetro ou propriedade do transistor conhecido como e diferente para cada modelo do mesmo.

O emissor outra extremidade, por onde sai a corrente que foi controlada.Algumas caractersticas que devemos observar nos transistores so: A tenso mxima entre base e coletor, potncia mxima dissipvel (no caso do seu uso para controle de potncia) e freqncia mxima de trabalho.

As representaes anteriores nos do uma idia do que realmente ocorre, porm h uma observao a fazer quanto a regio intermediria, que dever ser a mais estreita possvel, de modo a evitar a recombinao dos pares eltron-lacuna. Passamos ento a representao a seguir, que nos d os elementos NPN e PNP j polarizados com os respectivos sentidos de tenso.

CONSIDERAES:

E = Emissor

B = Base

C = Coletor

IE = Corrente de Emissor

IB = Corrente de Base

IC = Corrente de ColetorVBE = Tenso Base-Emissor

VCB = Tenso Coletor-Base

VEB = Tenso Emissor-Base

VBC = Tenso Base-Coletor

VCE = Tenso Coletor-Emissor

VEC = Tenso Emissor-Coletor

Os smbolos dos transistores so:

Na figura abaixo temos as representaes das tenses e correntes nos smbolos dos transistores.

Para analisar o funcionamento dos transistores devemos observar que ao colocar uma bateria entre o emissor e a base, para fazer uma polarizao direta, ligamos o terminal negativo (fluxo de eltrons) da bateria ao emissor (poro N - excesso de eltrons) e o terminal positivo (fluxo de lacunas) base (poro P - excesso de lacunas). Desta forma, a regio N, com excesso de eltrons, recebe ainda mais eltrons, e a poro P recebe ainda mais lacunas.A juno Base-emissor ser, em ambos os casos de transistores, do tipo polarizada diretamente e a juno Base-coletor ser reversamente polarizada.

Ao polarizarmos diretamente a juno PN, teremos uma conseqente reduo da barreira de potencial e uma resistncia de pequeno valor devido polarizao direta desta juno. Ao polarizarmos reversamente a juno PN, teremos um aumento na barreira de potencial e uma resistncia de elevado valor devido a tal polarizao.

Considerando os eltrons como portadores majoritrios e, portanto os portadores positivos adotados pela conveno tero sentido contrrio ao dos eltrons.

Os eltrons, que so os portadores majoritrios do material tipo N, correspondente ao Emissor, so injetados na regio da Base, devido polarizao direta da juno Base-Emissor. Como a juno Coletor-Emissor possui polarizao inversa, os eltrons injetados na regio da Base provenientes do Emissor so atrados para o Coletor, devido tenso elevada presente nos terminais do Coletor. Esse mecanismo de conduo ficar melhor compreendido pela representao a seguir:

Nota-se que um campo eltrico (E) formado no interior de duas placas polarizadas, separadas por uma distncia d, e que esse campo dirige-se do maior potencial para o menor potencial. Uma carga negativa (um eltron) colocada no interior desse campo dirigir-se- ao ponto de maior potencial.

Se voltarmos agora ao transistor NPN, facilmente compreenderemos o fluxo de corrente pelo mesmo.

Quanto regio da Base, comentamos que essa deveria ser a mais estreita possvel para evitar a recombinao dos pares eltrons-lacuna. As lacunas que se recombinarem com os eltrons, sero fornecidas por IB.Resumindo temos que a juno Base-Emissor sendo diretamente polarizada, possui uma pequena barreira de potencial, conseqentemente pequena resistncia, acelerando os eltrons em relao regio da Base, que por sua vez suficientemente estreita de modo a evitar as recombinaes dos pares eltrons-lacunas. As lacunas que possivelmente se recombinarem, sero fornecidas por IB. O coletor sendo positivo em relao Base, atrair os eltrons nela injetados, estabelecendo-se assim trs fluxos de corrente: IE, IB e IC, de onde podemos tirar as seguintes relaes:

IE = IC + IB eVCE = VCB + VBE

Interpretao das expresses acima:

Aplicando a Lei de Kirchoff ao n F, teremos que a corrente que entra num n igual a corrente que sai. Logo, se entra IE e sai IB + IC, podemos concluir que IE = IC + IB.

Como as baterias que determinam a polarizao nas junes esto em srie, podemos som-las, de modo que entre o Coletor e Emissor, teremos uma tenso correspondente a soma das duas tenses VBE + VCB, obtendo a relao: VCE + VCB + VBE.

A mesma anlise pode ser feita para os transistores PNP.

Polarizao de um Transistor NPN com Emissor AbertoO esquema abaixo representa um transistor NPN com emissor aberto:

Nota-se que temos uma juno PN reversamente polarizada, de modo que circular pela mesma uma corrente devido aos portadores minoritrios, como j visto anteriormente, e denominada por ICO ou ICBO. Comumente designada apenas por corrente de fuga. O valor mximo da corrente ICO, para a temperatura ambiente especificada pelo fabricante do transistor. Para que tenhamos uma idia do valor da mesma, embora seja esta funo da temperatura e do tipo de transistor, daremos um exemplo abaixo:

Para transistores de baixa potncia, por exemplo, de silcio, ela assume valores em torno de 0,01uA, enquanto que para elementos de germnio, assume valores da ordem de 10uA temperatura ambiente (25C). Podemos atravs de uma relao aproximada, uma vez que ICO aumenta com a temperatura, afirmar o seguinte:

A corrente ICBO, dobra de valor para cada 10C de aumento da temperatura.EXEMPLO:

Um transistor apresentava uma corrente ICO de 10uA na temperatura de 40C, qual ser o valor de ICO se o mesmo atingir 50C?SoluoSe para cada 10C aumento na temperatura, ICO dobra de valor, passando de T1= 40C para T2= 50C, tivemos uma variao T = T2 - T1 de 10C, logo a corrente resultante ser 2 x 10uA = 20uA. Conclumos, ento, que a variao da temperatura um fator importante, e deve ser controlada atravs do uso de dissipadores, assunto que trataremos mais adiante.

Configurao dos TransistoresA figura abaixo representa, como vimos anteriormente, a simbologia dos transistores com os sentidos das correntes, entretanto isto se deve apenas para melhor interpretarmo-os.

Como regra prtica para identificarmos qual elemento NPN e qual PNP, lanaremos mo do seguinte artifcio: Transistor NPN (Emissor Base Coletor)

Como adotamos por conveno que a corrente que circula a de portadores positivos (do elemento P para o elemento N), logo ela entrar pelo Emissor, indo para a Base (elemento N).

Podemos notar pelos smbolos apresentados acima, que no Emissor existe uma flecha que indica o sentido em que circula a corrente.

Circuitos com transistores:

Como podemos verificar pelas montagens apresentadas pelas figuras, temos trs circuitos bsicos, que na ordem so:

Configurao Emissor Comum, Base Comum e Coletor Comum. Representaremos as trs configuraes para os transistores NPN e PNP. O tipo de configurao est relacionado com o terminal de entrada e sada, e o termo Comum deve-se ao fato de que em cada configurao possumos um elemento Comum Entrada e sada.

Cada configurao, como podemos notar na tabela abaixo, apresenta caractersticas diferentes com relao s outras, resultando com isso diversas oportunidades de escolha relativas a uma dada situao.

A tabela ser utilizada quando tratarmos da parte relativa a casamento de impedncia dos diversos estgios amplificadores, por enquanto exemplifica a diferenciao dos trs tipos de montagens.

CONFIGURAOCARACTERSTICAS

GiGvRinRout

E. Celevadoelevadomdiaalta

B. C( 1elevadobaixaalta

C. Celevado( 1muito elevadamuito baixa

E.C - Emissor Comum

Gv - Ganho de Tenso

B.C - Base Comum

Rin - Resistncia de Entrada

C.C - Coletor Comum

Rout - Resistncia de Sada

Gi - Ganho de Corrente

Corrente de Fuga do Transistor

Como podemos notar, teremos 3 situaes distintas para o transistor. Coletor Aberto, Base Aberta e Emissor Aberto. Verificamos tambm, que nos trs casos temos uma juno PN inversamente polarizada. Logo teremos portadores minoritrios circulando pela juno, assunto j abordado na parte referente a junes PN.

Analisaremos rapidamente cada uma das trs situaes: